[發明專利]一種能夠改善質子交換膜燃料電池低濕度運行性能的膜電極制備方法

有效

• 申請號: 201910585539.0
• 申請日: 2019-07-01
• 公開（公告）號: CN110380060B
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 田立亮;蘇華能;朱新堅;吳曌慧
• 申請（專利權）人: 江蘇乾景新能源產業技術研究院有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 南京創略知識產權代理事務所(普通合伙) 32358
• 代理人: 陳雅潔

本發明提供了一種能夠改善質子交換膜燃料電池低濕度運行性能的膜電極制備方法，涉及質子交換膜燃料電池領域，本發明通過在陰極催化層和陽極催化層中添加適量的共價有機框架材料，使質子交換膜燃料電池的膜電極有了一定的自增濕能力，使得燃料電池在低濕度條件下可以穩定運行；同時，由于膜電極有了一定的自增濕能力，電池內部的質子轉移效率也有明顯的提升，電池的電流密度和功率密度也得到了一定的提升。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，具體涉及一種能夠改善質子交換膜燃料電池低濕度運行性能的膜電極制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將儲存在燃料中的化學能直接轉化成電能的裝置。PEMFC主要由氣體擴散層，催化層以及質子交換膜組成。PEMFC 主要具有以下幾個優點：1)能量轉化效率高，燃料電池不同于熱機，它不受卡諾循環的限制，理論上熱電聯供效率在90％以上；2)對環境無污染，因其燃料為氫氣或者重整氫，產物為水，所以從源頭上減少了對環境的污染；3)高能量密度；4)室溫下可快速啟動；5)噪聲小。

PEMFC因其所具有的優點受到了越來越多的人關注。為保持PEMFC的電池高性能，電解質膜需要外界的增濕系統使其完全飽和，但是多余的增濕系統會增加整個電池系統的重量和體積，增加了電池的復雜性，所以達到膜電極的自增濕在PEMFC系統顯得尤為重要。

公開號為CN201310690005的專利公開了將無機親水氧化物納米粒子添加至陽極催化層漿料，并對陽極催化層進行紫外光處理。使得膜電極可在不增加無機親水氧化物納米粒子含量的同時增加其親水性，提高了電池在低濕度情況下的性能，解決了加入過多的親水物質后引起的電阻增加和催化劑電化學活性面積降低的問題。該方法需要使用紫外光處理納米粒子，增加了實驗步驟，使得整個過程變的繁瑣。

公開號為CN200510046416.8的專利公開了將多金屬氧酸鹽與固體高分子電解質溶液噴涂或者澆注到質子交換膜的一邊或兩邊，形成自增濕復合膜。該發明所制備的多金屬氧酸鹽復合膜不僅具有很強的自增濕效果，而且制備工藝簡單，材料成本低，可應用于以氫氣為燃料的自增濕質子交換膜電池。該發明介紹的方法是通過澆注來實現自增濕材料沉積在質子交換膜的兩側，該方法會使在質子交換膜兩側的自增濕材料分布不均勻，影響自增濕性能，從而影響電池的測試性能。

在PEMFC中，質子是以水合離子的狀態由陽極向陰極移動。同時，在質子交換膜中進行的電化學反應是一個放熱反應，電池在高溫狀態下進行反應，使得質子交換膜更加容易脫水。缺水會導致質子交換膜的電導率下降，所以為補充質子交換膜的含水量，必須對反應氣體進行加濕。因此在PEMFC的各個系統中均設有加濕系統，使得電池能夠正常持久的運行。

發明內容

為解決現有技術中存在的缺陷與不足，本發明提供了一種能夠改善質子交換膜燃料電池低濕度運行性能的膜電極制備方法。本發明的目的在于改善質子交換膜燃料電池在低濕度條件下，通過在陰極催化層和陽極催化層加入三嗪類共價有機框架材料，使得膜電極具有一定的保水能力，從而保持燃料電池的高性能，達到質子交換膜燃料電池的自增濕性能。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種能夠改善質子交換膜燃料電池低濕度運行性能的膜電極制備方法，其特征在于：所述制備方法包括以下步驟：

S1：先將未處理的碳紙或者碳布浸泡于丙酮中，加熱煮沸20min，然后再將其浸泡于溶有憎水性物質的分散液中，靜置30min后取出并干燥，再在360℃溫度的馬弗爐中燒結45min，將碳粉分散于有機溶劑和憎水性物質的混合液中，噴涂在含有憎水層的碳紙或者碳布上，于360℃馬弗爐中干燥45min，取出冷卻稱量計算，得到憎水性物質含量為10-35wt.％，碳粉載量為1.0-5.0mg/cm²的疏水性氣體擴散層；