[发明专利]低内阻质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种低内阻质子交换膜燃料电池膜电极，在质子交换膜的一面涂覆有阴极催化剂层，在质子交换膜的另一面涂覆有阳极催化剂层，在阴极催化剂层、阳极催化剂层的外侧分别热压有气体扩散层，所述阴极催化剂层、阳极催化剂层分别包括催化剂、质子交换树脂和纳米银线，所述纳米银线整体呈网状结构分布，所述催化剂、质子交换树脂和纳米银线的质量比为(5～20)：(1～20)：(1～5)。还提供了本发明低内阻质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。本发明的低内阻质子交换膜燃料电池膜电极，电阻较低，导热能力好，其制备方法简单可行。

技术领域

本发明涉及一种低内阻质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种非常高效环保的能源利用技术，其发展和应用对人类社会的可持续发展具有重要的意义。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，直接决定燃料电池的使用性能和寿命。膜电极由质子交换膜、阴阳极催化剂层和阴阳极气体扩散层组成，一般情况下，催化剂层由催化剂和质子交换树脂构成，而质子交换树脂属于绝缘物，从而增加了膜电极的电阻；此外催化剂层和气体扩散层主要采用热压或者贴合的方式制备在一起，导致接触电阻上升。而膜电极的电阻过高，会导致燃料电池的工作电压降低，发热过快，使能量利用效率降低，因此有必要降低燃料电池膜电极的电阻。

发明内容

本发明旨在提供一种电阻较低、导热能力较好的低内阻质子交换膜燃料电池膜电极，同时还提供了本发明低内阻质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。

本发明通过以下方案实现：

一种低内阻质子交换膜燃料电池膜电极，在质子交换膜的一面涂覆有阴极催化剂层，在质子交换膜的另一面涂覆有阳极催化剂层，在阴极催化剂层、阳极催化剂层的外侧分别热压有气体扩散层，其特征在于：所述阴极催化剂层、阳极催化剂层分别包括催化剂、质子交换树脂和纳米银线，所述纳米银线整体呈网状结构分布，所述催化剂、质子交换树脂和纳米银线的质量比为(5～20)：(1～20)：(1～5)。

所述阴极催化剂层的Pt载量优选为0.1～0.5mg/cm²，所述阳极催化剂层的Pt载量优选为0.05～0.1mg/cm²。

所述催化剂优选为Pt/C、Pt-M/C中的一种或多种，其中Pt含量为5～60％，M优选为Co、Mo、W、Ru和Pd中的一种或多种；所述质子交换树脂优选为Nafion。

一种低内阻质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，在质子交换膜的一面涂覆上阴极催化剂浆料并烘干形成阴极催化剂层，接着在质子交换膜的另一面涂覆上阳极催化剂浆料并烘干形成阳极催化剂层，之后在阴极催化剂层、阳极外催化剂层的外侧分别热压上气体扩散层，最后将热压上气体扩散层的半成品表面负载0.05～0.2MPa的压力置于真空度低于0.01MPa且温度为100～130℃的真空干燥箱中处理30～90min，使得纳米银线在相应的催化剂层内焊接形成网状结构，此时聚乙烯吡咯烷酮(PVP)也从催化剂层内脱附挥发；所述阴极催化剂层的Pt载量控制为0.1～0.5mg/cm²，所述阳极催化剂层的Pt载量控制为0.05～0.1mg/cm²；热压上气体扩散层的半成品表面负载0.05～0.2MPa的压力一般通过在热压上气体扩散层的半成品表面压上一个物体如钢锭等来实现；

所述阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料的制备工艺相同，具体为：将称好重量的催化剂置于去离子水中分散，之后往其中依次加入质量浓度为5～20％的质子交换树脂溶液、易挥发性溶剂、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和纳米银线形成混合液并将混合液搅拌均匀。

所述去离子水、催化剂、质子交换树脂溶液、易挥发性溶剂、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和纳米银线的质量比为(50～100)：(5～20)：(20～100)：(500～1000)：(1～5)：(1～5)。