[发明专利]一种能够改善质子交换膜燃料电池低湿度运行性能的膜电极制备方法

说明书

本发明提供了一种能够改善质子交换膜燃料电池低湿度运行性能的膜电极制备方法，涉及质子交换膜燃料电池领域，本发明通过在阴极催化层和阳极催化层中添加适量的共价有机框架材料，使质子交换膜燃料电池的膜电极有了一定的自增湿能力，使得燃料电池在低湿度条件下可以稳定运行；同时，由于膜电极有了一定的自增湿能力，电池内部的质子转移效率也有明显的提升，电池的电流密度和功率密度也得到了一定的提升。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种能够改善质子交换膜燃料电池低湿度运行性能的膜电极制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将储存在燃料中的化学能直接转化成电能的装置。PEMFC主要由气体扩散层，催化层以及质子交换膜组成。PEMFC 主要具有以下几个优点：1)能量转化效率高，燃料电池不同于热机，它不受卡诺循环的限制，理论上热电联供效率在90％以上；2)对环境无污染，因其燃料为氢气或者重整氢，产物为水，所以从源头上减少了对环境的污染；3)高能量密度；4)室温下可快速启动；5)噪声小。

PEMFC因其所具有的优点受到了越来越多的人关注。为保持PEMFC的电池高性能，电解质膜需要外界的增湿系统使其完全饱和，但是多余的增湿系统会增加整个电池系统的重量和体积，增加了电池的复杂性，所以达到膜电极的自增湿在PEMFC系统显得尤为重要。

公开号为CN201310690005的专利公开了将无机亲水氧化物纳米粒子添加至阳极催化层浆料，并对阳极催化层进行紫外光处理。使得膜电极可在不增加无机亲水氧化物纳米粒子含量的同时增加其亲水性，提高了电池在低湿度情况下的性能，解决了加入过多的亲水物质后引起的电阻增加和催化剂电化学活性面积降低的问题。该方法需要使用紫外光处理纳米粒子，增加了实验步骤，使得整个过程变的繁琐。

公开号为CN200510046416.8的专利公开了将多金属氧酸盐与固体高分子电解质溶液喷涂或者浇注到质子交换膜的一边或两边，形成自增湿复合膜。该发明所制备的多金属氧酸盐复合膜不仅具有很强的自增湿效果，而且制备工艺简单，材料成本低，可应用于以氢气为燃料的自增湿质子交换膜电池。该发明介绍的方法是通过浇注来实现自增湿材料沉积在质子交换膜的两侧，该方法会使在质子交换膜两侧的自增湿材料分布不均匀，影响自增湿性能，从而影响电池的测试性能。

在PEMFC中，质子是以水合离子的状态由阳极向阴极移动。同时，在质子交换膜中进行的电化学反应是一个放热反应，电池在高温状态下进行反应，使得质子交换膜更加容易脱水。缺水会导致质子交换膜的电导率下降，所以为补充质子交换膜的含水量，必须对反应气体进行加湿。因此在PEMFC的各个系统中均设有加湿系统，使得电池能够正常持久的运行。

发明内容

为解决现有技术中存在的缺陷与不足，本发明提供了一种能够改善质子交换膜燃料电池低湿度运行性能的膜电极制备方法。本发明的目的在于改善质子交换膜燃料电池在低湿度条件下，通过在阴极催化层和阳极催化层加入三嗪类共价有机框架材料，使得膜电极具有一定的保水能力，从而保持燃料电池的高性能，达到质子交换膜燃料电池的自增湿性能。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种能够改善质子交换膜燃料电池低湿度运行性能的膜电极制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

S1：先将未处理的碳纸或者碳布浸泡于丙酮中，加热煮沸20min，然后再将其浸泡于溶有憎水性物质的分散液中，静置30min后取出并干燥，再在360℃温度的马弗炉中烧结45min，将碳粉分散于有机溶剂和憎水性物质的混合液中，喷涂在含有憎水层的碳纸或者碳布上，于360℃马弗炉中干燥45min，取出冷却称量计算，得到憎水性物质含量为10-35wt.％，碳粉载量为1.0-5.0mg/cm²的疏水性气体扩散层；