[發明專利]一種保水層、膜電極及其制備方法

在審

• 申請號: 202210333761.3
• 申請日: 2022-03-31
• 公開（公告）號: CN114759235A
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 唐雪君;李洪濤;高佳武;曹天鵬;趙航
• 申請（專利權）人: 東風汽車集團股份有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/1018
• 代理公司: 北京眾達德權知識產權代理有限公司 11570
• 代理人: 韋漢

本發明特別涉及一種保水層、膜電極及其制備方法，屬于燃料電池技術領域。保水層設于質子交換膜與陽極催化層之間，保水層的原料包括：高吸水樹脂和Nafion溶液；其有效的保水成分為高吸水樹脂，高吸水樹脂相較于無機氧化物和其它高分子聚合物具有更優異的親水性和保水能力，能夠有效加強陰極生成水的反擴散，并可降低保水層的厚度，在保證質子傳導能力的同時對質子交換膜和陽極催化層起到很好的潤濕效果，從而實現膜電極在低濕度操作條件下的高性能。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，特別涉及一種保水層、膜電極及其制備方法。

背景技術

膜電極(MEA)作為質子交換膜燃料電池最為重要的部件,它主要由質子交換膜(如Nafion膜)、陽極/陰極催化層(CL)、陽極/陰極氣體擴散層(GDL)組成，其特性直接影響著PEMFC的性能。

燃料電池膜電極中使用的全氟磺酸聚合物膜和催化層中用做粘結劑的全氟磺酸樹脂需要在水合的狀態下才能很好地傳導質子，當膜電極中的水含量太低時全氟磺酸膜和催化層中的全氟磺酸樹脂的質子傳導能力將減弱甚至失去質子傳導能力。

為了保證膜電極的正常工作，人們不得不在燃料電池系統中設置增濕系統對氣體進行增濕，以保證全氟磺酸膜和樹脂的質子傳導能力，增濕系統的設置增加了燃料電池系統的復雜性、成本和能耗。因此，開發低濕度條件下能正常運行的自增濕膜電極已成為近年來燃料電池領域的熱點研究課題。實現膜電極的自增濕，不但可以有效提升系統的功率密度、降低系統成本和能耗,還可有效解決質子交換膜燃料電池水管理的難題，避免電池內部出現局部水淹或干凅問題。這對于質子交換膜燃料電池的發展和大規模商業化應用具有十分重大的意義。

發明內容

本申請的目的在于提供一種保水層、膜電極及其制備方法，以解決目前膜電極的低濕度性能不高的問題。

本發明實施例提供了一種保水層，所述保水層的原料包括：高吸水樹脂和Nafion溶液。

可選的，所述高吸水樹脂包括聚丙烯酸鹽、淀粉丙烯酸鹽聚合物、淀粉-丙烯腈接技共聚物、聚丙烯酸-丙烯酰胺、丙烯酰胺-丙烯腈-丙烯酸中的至少一種。

可選的，所述高吸水樹脂和所述Nafion溶液中Nafion離聚物的質量比為5％-30％:70％-95％。

可選的，所述保水層的原料還包括溶劑，所述溶劑為水和異丙醇的混合物。

可選的，所述水和異丙醇的質量比為1-3:1-5。

可選的，所述高吸水樹脂和所述Nafion溶液中Nafion離聚物質量占所述原料質量的1％-10％。

可選的，所述Nafion溶液的質量濃度為5％-20％。

可選的，所述保水層的厚度為0.5μm-2μm。

基于同一發明構思，本發明實施例還提供了一種膜電極，所述膜電極包括如上所述的保水層。

可選的，所述膜電極還包括質子交換膜和陽極催化層，所述保水層設于所述質子交換膜和陽極催化層之間。

可選的，所述膜電極還包括質子交換膜，所述保水層敷設于所述質子交換膜，所述質子交換膜為商業質子交換膜。

可選的，所述質子交換膜的厚度為5μm-20μm。

基于同一發明構思，本發明實施例還提供了一種膜電極的制備方法，所述方法包括：

將高吸水樹脂和Nafion溶液混合于溶劑中，得到分散液；

將所述分散液噴涂于質子交換膜一側，后進行烘干，得到含保水層的質子交換膜；

將含保水層的所述質子交換膜進行催化層和氣體擴散層的制備或組裝，得到膜電極。