[發(fā)明專利]陽(yáng)極催化層含親水性高分子聚合物的膜電極及其制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110365119.5
• 申請(qǐng)日: 2011-11-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102437343A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖世軍;梁華根;鄭麗萍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/88
• 分類號(hào): H01M4/88;H01M4/86
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，具體涉及陽(yáng)極催化層含親水性高分子聚合物的膜電極及其制備方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高功率密度，高能量轉(zhuǎn)換效率，低溫啟動(dòng)和環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，最有希望成為零排放、無(wú)污染電動(dòng)汽車的動(dòng)力源和便攜式電源。有關(guān)PEMFC的研究已經(jīng)成為目前電化學(xué)和綠色能源等領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都在投入巨資發(fā)展這一技術(shù)。

目前的PEMFC均使用質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)材料，在PEMFC運(yùn)行過(guò)程中，PEM的電導(dǎo)率與其水含量呈線性關(guān)系，而質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率直接決定了PEMFC的電化學(xué)性能。為了使膜處于良好的水合狀態(tài)，在現(xiàn)有的技術(shù)中，通常通過(guò)對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行增濕來(lái)實(shí)現(xiàn)保持質(zhì)子交換膜的含水量，一般采用外增濕和內(nèi)增濕的方式對(duì)質(zhì)子交換膜進(jìn)行增濕。外增濕技術(shù)和內(nèi)增濕的方法都需使用增濕輔助設(shè)備，這無(wú)疑增加了電池系統(tǒng)的成本、質(zhì)量、體積及復(fù)雜性，同時(shí)也造成電池的質(zhì)量比功率和體積比功率下降。因此，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池的免增濕(自增濕)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、減小系統(tǒng)的體積及重量、減少系統(tǒng)本身的能耗及提高燃料電池系統(tǒng)的能量輸出效率、降低燃料電池系統(tǒng)的成本。

自增濕也稱為無(wú)源增濕，即無(wú)需外界水源和熱源來(lái)增濕反應(yīng)氣體和保持質(zhì)子交換膜的含水量的一種技術(shù)。

事實(shí)上，質(zhì)子交換膜燃料電池在運(yùn)行過(guò)程中，在陰極會(huì)產(chǎn)生大量的水分，但是使陰極生成的水透過(guò)質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)到陽(yáng)極，使其與在陽(yáng)極生成的質(zhì)子作用生成水合質(zhì)子卻十分困難，因此按照現(xiàn)有技術(shù)制備的膜電極在燃料及氧化劑氣體不增濕的情況下，性能將急劇下降。

目前的自增濕燃料電池的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：1)自增濕復(fù)合膜，通過(guò)改變傳統(tǒng)固體電解質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和在復(fù)合膜中添加Pt等催化劑粒子，使?jié)B透到膜中的反應(yīng)氣體發(fā)生反應(yīng)生成水來(lái)使得質(zhì)子交換膜維持濕潤(rùn)，或通過(guò)添加親水性氧化物顆粒，來(lái)增強(qiáng)膜自身的保水能力；2)自增濕催化層，主要通過(guò)在陽(yáng)極催化層中摻入親水性物質(zhì)，或在催化層與膜或擴(kuò)散層之間構(gòu)筑一個(gè)保濕層來(lái)達(dá)到自增濕的效果；3)其他自增濕設(shè)計(jì)，如依靠對(duì)流場(chǎng)或擴(kuò)散層的特殊設(shè)計(jì)來(lái)保持和利用陰極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)生成的水，加強(qiáng)水向陽(yáng)極側(cè)的反擴(kuò)散作用和MEA的保水能力，達(dá)到自增濕的目的。遺憾的是，到目前為止，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中均不能達(dá)到理想的自增濕或免增濕的效果。

中國(guó)專利ZL200410061104.X公開(kāi)了“具有自增濕功能的多層納米復(fù)合質(zhì)子交換膜的制備方法”，該方法是將多孔性的聚四氟乙烯薄膜浸漬在質(zhì)子傳導(dǎo)樹(shù)脂與SiO₂或TiO₂納米粒子的混合物中形成質(zhì)子傳導(dǎo)層，再浸漬在質(zhì)子傳導(dǎo)樹(shù)脂與納米Pt或者納米Pd顆粒的混合物中，形成自增濕質(zhì)子傳導(dǎo)層。該方法用作質(zhì)子交換膜燃料電池的質(zhì)子傳導(dǎo)膜具有良好的自增濕和保水性能。該方法制備的復(fù)合膜中的SiO₂、Pt納米粒子等物質(zhì)的添加量較易控制，但是制備方法復(fù)雜，質(zhì)子傳導(dǎo)層和聚四氟乙烯薄膜之間存在不同的親水性，在電池運(yùn)行中可能發(fā)生分層等現(xiàn)象；SiO₂等無(wú)機(jī)粒子的添加可能增大復(fù)合膜的內(nèi)阻，而且SiO₂等無(wú)機(jī)氧化物粒子在電池運(yùn)行過(guò)程中較易流失，造成電池壽命縮短。

中國(guó)專利ZL?200510046416.8公開(kāi)了“一種燃料電池用多酸自增濕復(fù)合質(zhì)子交換膜及其制備方法”，該方法是將多金屬氧酸鹽于固體高分子電解質(zhì)溶液噴涂或澆注到質(zhì)子交換膜的一邊或兩邊，形成自增濕復(fù)合膜。該復(fù)合膜具有較強(qiáng)的自增濕效果，制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低，但是由于所用的高分子電解質(zhì)溶液與不同類型的質(zhì)子交換膜可能存在著不同的親合力，在電池運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生剝落，分層等現(xiàn)象。

中國(guó)專利ZL200510037575.1公開(kāi)了“一種自增濕膜電極及其制備方法”，該方法是將質(zhì)子交換膜預(yù)處理，碳載鉑催化劑、全氟磺酸聚合物溶液、親水性物質(zhì)(SiO₂、TiO₂、丁二酸、丙磺酸、甘油、氨基酸等)和低沸點(diǎn)溶劑混合，涂在質(zhì)子交換膜的一側(cè)，烘干制得親水性氫電極；再將碳載鉑催化劑、全氟磺酸聚合物溶液、疏水性物質(zhì)和低沸點(diǎn)溶劑混合，涂在質(zhì)子交換膜的另一側(cè)，烘干制得憎水性氧電極；將兩片碳紙與質(zhì)子交換膜壓合成自增濕膜電極。由于親水性顆粒只是簡(jiǎn)單的摻入，而不是固定在催化層中，因此在膜電極工作時(shí)容易流失或團(tuán)聚，這就降低了燃料電池的長(zhǎng)期運(yùn)行性能。另外，簡(jiǎn)單摻入這些既不導(dǎo)質(zhì)子又不導(dǎo)電子的氧化物顆粒，也會(huì)降低整個(gè)電極的導(dǎo)電性，增大催化層的電荷轉(zhuǎn)移電阻，增大電池極化。