[发明专利]一种自加湿质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法在审

专利信息
申请号: 201910551683.2 申请日: 2019-06-25
公开(公告)号: CN110311143A 公开(公告)日: 2019-10-08
发明(设计)人: 于力娜;张克金;司小云;朱雅男;杨帅 申请(专利权)人: 一汽解放汽车有限公司
主分类号: H01M4/88 分类号: H01M4/88;H01M8/1004
代理公司: 长春吉大专利代理有限责任公司 22201 代理人: 崔斌
地址: 130000 吉林省长春*** 国省代码: 吉林;22
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摘要:
搜索关键词: 膜电极 制备 质子交换膜燃料电池 自增湿催化剂 加湿 电池技术领域 新能源燃料 质子传导率 简化系统 耐久性能 燃料电池 催化层 自增湿 组装 电池 表现
【说明书】:

发明属于新能源燃料电池技术领域,具体的说是一种自加湿质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。本发明通过自增湿催化剂层的设计,使膜和催化层中维持足够的水分,从而实现膜电极的自增湿。一方面简化系统,减少体积,另一方面自增湿催化剂层易于降低成本,有利于燃料电池的推广应用,并且本发明具有易于制备的特点,制备的膜电极质子传导率、功率密度优异,组装电池后耐久性能表现出色。

技术领域

本发明属于新能源燃料电池技术领域,具体的说是一种自加湿质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)已经成为新能源领域的重点研究对象,目前已成为许多发达国家竞相发展的技术。它的原理是利用氢气和氧气发生反应,将化学能直接转化为电能,由于具有能量转化效率高、低温启动快速,无污染、耐久性好、比功率高等优点,因此被认为是20世纪的最佳绿色能源之一。

PEMFC膜电极组件(membrane electrode assembly,MEA)是PEMFC最为重要的部件,它是化学能转化为电能的场所,是燃料电池的心脏。它主要由全氟磺酸型固体电解质质子交换膜、Pt/C或Pt合金为催化剂、碳纸为气体扩散层所组成,其特性直接影响着PEMFC的性能。PEMFC中使用的全氟磺酸聚合物膜和催化层中用做粘结剂的全氟磺酸树脂需要在有水的状态下才能很好地传导质子,当膜电极中的水含量太低时,全氟磺酸膜和催化层中的全氟磺酸树脂的质子传导能力将减弱甚至可能失去质子传导能力。为了保证膜电极高效正常工作,绝大多数企业采用在电堆外,添加加湿系统对反应原料加湿,进而对电堆中的每个膜电极进行加湿。比如,世界著名加拿大燃料池生产商巴拉德(Ballard)公司燃料电池系统中就是选择这种外加湿的方式实现膜电极的增湿效果。随着燃料电池商用化,其加湿系统的设置增加了燃料电池系统的体积、布置空间、成本以及技术复杂性。丰田Mirai已经成功通过自增湿膜电极技术实现了小型化及降成本。

自增湿膜电极已成为PEMFC市场追逐的一个热点,因为它不仅可以去掉外部增湿部件简化了系统,还可以降低系统成本。目前市场上自增湿膜电极方式多数采用通过改变双极板流道的设计实现自增湿功能,但这种方式不断测试新的双极板,而每次双极板试制费用昂贵。

发明内容

本发明提供了一种自加湿质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法,具有简化系统、减少体积、降低成本、易于制备的特点,制备的膜电极质子传导率、功率密度优异,组装电池后耐久性能表现出色,解决了现有燃料电池膜电极存在的上述不足。

本发明技术方案结合附图说明如下:

一种自加湿质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法,该制备方法包括以下步骤:

步骤一、Pt/C粉末预处理;

采用0.2-7mg/mL多巴胺溶液,于65-90℃连续回流搅拌预处理商业化Pt/C粉末3-5h,经抽滤、洗涤、烘干,得到聚多巴胺@Pt/C粉末;所述Pt/C粉末与多巴胺溶液的质量比值为0.06-0.5;

步骤二、自加湿催化剂溶液的制备;

将步骤一中制备的聚多巴胺@Pt/C粉末经少许去离子水润湿,加入异丙醇、去离子水、乙醇、5%Nafion溶液,超声波震荡0.5-1.0h,再经超声波破碎处理0.3-1.0h,即得到自加湿催化剂溶液;所述聚多巴胺@Pt/C粉末、异丙醇、去离子水、乙醇、5%Nafion溶液质量比为0.0029~0.0034:0.44~0.51:0.022~0.05:0.45~0.49:0.01~0.014;

步骤三、催化层的制备;

a)阴极催化层制备;

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