[發明專利]高溫質子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法

在審

• 申請號: 201510509980.2
• 申請日: 2015-08-19
• 公開（公告）號: CN105024084A
• 公開（公告）日: 2015-11-04
• 發明（設計）人: 劉曉為;脫艷景;張宇峰;張雪林
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

技術領域

本發明屬于質子交換膜燃料電池領域，涉及一種高溫燃料電池膜電極的結構和制備方法。

背景技術

能源是經濟發展的動力，是人類賴以生存的物質基礎。燃料電池由于其能量轉換率高、低排放等優點已經成為未來清潔能源產業最有潛力的技術之一，將廣泛應用于航天、軍事、通訊和交通等領域。

高溫質子交換膜燃料電池是近年來發展的新型質子交換膜燃料電池技術，它的工作溫度在100℃以上。目前最常見的高溫質子交換膜燃料電池采用PBI/H₃PO₄膜、PBI/H₃PO₄膜以磷酸作為載體傳導質子，所以不需要水合反應不需要加濕，簡化了燃料電池的進氣系統。它的工作溫度在120℃-180℃，反應生成氣態水，可以很容易的隨陰極氣流排出，簡化了燃料電池水管理系統。工作溫度的提高可以提高高溫燃料電池對CO和S的容忍性。由于工作溫度與環境溫度的差異很大，使得反應放出的熱量能夠更有效地被利用，熱管理系統得到簡化；同時隨著反應溫度的提高，電化學反應的速度也隨之提高。但是高溫質子交換膜燃料電池的使用壽命不長，一方面在電池的使用過程中由于催化劑的凝聚、磷酸的損失導致質子交換膜性能的衰減，另一方面在帶電池的工作過程中可能會出現局部過熱的現象導致膜損傷。

發明內容

本發明的目的是提供一種高溫質子交換膜燃料電池的膜電極及其制備方法，其中催化層是由石墨烯氣凝膠和PTFE以及Pt基催化劑混合制成。石墨烯氣凝膠是一種低密度固體材料，具有高比表面積、豐富的納米孔結構、良好的導電性以及憎水特性。含有石墨烯氣凝膠的催化層可以有效抑制質子交換膜中磷酸分子在催化層表面的吸附，避免磷酸的流失，提高質子交換膜的壽命，同時其良好的導電性可以降低膜電極的歐姆電阻，從而提高高溫質子交換膜燃料電池的輸出功率。

所述目的是通過以下方案實現的：

一種高溫質子交換膜燃料電池膜電極，由陽極擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層、陰極擴散層組成。其中所述的陽極和陰極催化層是由石墨烯氣凝膠、PTFE和Pt基催化劑混合制成。

一種上述高溫質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，以碳紙或者碳布為支撐層，然后涂覆碳材料和PTFE組成的擴散層，再多次涂覆陰極、陽極催化劑漿料，然后熱處理壓制成膜電極。具體步驟如下：

1、陰極和陽極擴散層的制備過程：

將碳材料、PTFE乳液和異丙醇水溶液混合，超聲波振蕩、磁力攪拌，形成均勻的漿料，其中PTFE占固體總質量的40-60%。通過刷涂或噴涂的方式將漿料涂到碳紙或碳布上，烘干焙燒，即可得到擴散層。其中，擴散層的載量為2-7mg.?cm^-2。

2、陽極催化層的制備過程：

通過水熱法直接由氧化石墨水分散液制得石墨烯氣凝膠，然后將制得的石墨烯氣凝膠研磨成納米顆粒。

????取一定量的PtRu/C催化劑，其中Pt、Ru原子比為1:1-1:2，PtRu占催化劑總重量的60-90%，與純水混合，超聲振蕩，然后加入適量的石墨烯氣凝膠納米顆粒和少量的PTFE溶液，再加入適量的異丙醇溶液，控制石墨烯氣凝膠和PTFE的總重量與PtRu/C催化劑的質量比為1/4-1/10，石墨烯氣凝膠與PTFE的質量比為2:1-10:1，超聲波振蕩、磁力攪拌至形成均勻的陽極催化劑漿料；

將陽極催化劑漿料用刷涂或噴涂的方式均勻涂到陽極擴散層上，烘干后就得到陽極催化層，陽極催化層Pt載量為1-4mg/?cm²。

3、陰極催化層的制備過程：

稱量一定量的Pt/C催化劑，其中Pt占催化劑總重量的35%-85%，加入適量超純水混合，超聲振蕩，然后加入石墨烯氣凝膠、PTFE溶液和適量異丙醇，其中石墨烯氣凝膠和PTFE總質量與Pt/C混合物的質量比為1/4-1/10，石墨烯氣凝膠與PTFE的質量比為2:1-10:1，超聲波振蕩、磁力攪拌至形成均勻的陰極催化劑漿料；

將陰極催化劑漿料刷涂或者噴涂到陰極擴散層表面上，烘干即可得到陰極催化層，陰極催化層Pt載量為3-6mg/?cm²。

4、質子交換膜的處理過程：

????剪裁適當大小的PBI膜，室溫下將其浸泡在濃度為85%的磷酸溶液中持續三天，期間多次攪拌溶液使PBI膜與磷酸溶液充分接觸。然后將其取出，用濾紙將膜表面的磷酸溶液快速吸干，再將其放入真空干燥箱中110℃下干燥10h。

5、膜電極熱壓過程：