[发明专利]一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法，膜电极由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层和两个气体扩散层组成，阳极催化层和阴极催化层分别设置在质子交换膜上的两侧，或者分别设置在两个气体扩散层上；阳极催化层是由以下方法制得的：无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水混合，用酸溶液水解得到酸溶胶；催化剂、全氟磺酸树脂溶液和有机溶剂混合均匀得到催化剂浆料；催化剂浆料与酸溶胶混合，加入碱溶液，原位生成亲水性无机氧化物获得无机氧化物悬浊液，无机氧化物悬浊液喷涂于质子交换膜一侧或气体扩散层形成阳极催化层。本发明膜电极制备简单，保持水分能力明显提升，保证在无增湿的条件下燃料电池的正常运行。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置。其中，质子交换膜燃料电池具有启动温度低、能量转换效率高、能量密度高和无污染物排放等优点，被认为是未来便携式电源和电动汽车理想的动力源。

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，通常由质子交换膜、阳极催化剂、阴极催化剂、阴极扩散层和阳极扩散层组成。质子交换膜在工作过程中需要保证良好的润湿性才能具有良好的质子传导能力，若质子交换膜过干，质子传导率会急剧降低，影响质子交换膜燃料电池的正常运行。因此，为保证质子交换膜燃料电池的正常工作，必须保证质子交换膜具有足够的水含量。

虽然质子交换膜燃料电池工作过程中也会产生水，但目前常规膜电极结构由于水分保持能力较差，必须对气体进行增湿才能保证电堆的正常运行，然而无论是内增湿还是外增湿方式，均需要使用增湿辅助装置，会明显增加电池系统的成本、质量和体积，造成电堆的体积和质量比功率降低。

自增湿技术是目前研究的主流，但目前的自增湿技术多为将亲水性的粉末或者有机物如全氟磺酸树脂等直接加入催化层，分散均匀性较差，自增湿效果较差。

发明内容

本发明的目的是针对目前自增湿方法的不足，通过原位合成方法制备亲水性纳米颗粒，从而实现亲水颗粒在催化剂层中的均匀分布，明显提升膜电极的自增湿能力，而且通过调整溶液中的组分，可以方便调节添加亲水颗粒的亲水能力，便于自增湿能力的调整。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，它是由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层和两个气体扩散层组成，质子交换膜夹设在两个气体扩散层之间，在质子交换膜的两侧和气体扩散层之间分别设置有阳极催化层和阴极催化层；所述的阳极催化层和阴极催化层分别设置在质子交换膜上的两侧，或者所述的阳极催化层和阴极催化层分别设置在两个气体扩散层上；

其中，所述的阳极催化层是由以下方法制得的：将无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水混合，所述的无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水的摩尔比为1：1～100：1～8，用酸溶液调节pH至1～3水解1～48小时得到酸溶胶；将催化剂、全氟磺酸树脂溶液和有机溶剂按照1：2～5：50～100的质量比混合均匀得到催化剂浆料；将催化剂浆料与酸溶胶混合，经超声波震荡分散成悬浊液，往悬浊液中加入碱溶液调节pH至9～13，原位生成亲水性无机氧化物，获得无机氧化物悬浊液，将无机氧化物悬浊液喷涂于质子交换膜一侧或气体扩散层形成阳极催化层，其中阳极催化层铂的载量为0.1～10mg·cm^-1；