[发明专利]一种燃料电池用自增湿膜电极的制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池用自增湿膜电极的制备方法。膜电极的制备过程包括质子交换膜的预处理；阳极亲水催化层制备；阴极催化层制备；再用气体扩散层分别贴合制得自增湿膜电极；其中阳极亲水材料甲壳素可以起到很好的保水的作用，将阴极催化层中反应产生的水分吸收保住，让质子交换膜充分湿润，保持其良好的质子传导能力；该自增湿膜电极可以在低湿度条件下有着优异的性能，且减小了添加亲水性物质对电极导电性和电阻的影响，还简化了膜电极的制备过程。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用自增湿膜电极的制备方法。

背景技术

在全球矿物能源日益紧张和环境问题日益严峻的今天，氢能和燃料电池技术的研究受到了全球范围内的高度重视。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》多处把燃料电池放在重要的发展方向上，把燃料电池基础关键部件制备和电堆集成技术列为前沿技术。聚电解质膜燃料电池（PEMFC）作为最新一代燃料电池，具有比能量高、工作温度低、环境友好、可在室温下快速启动、寿命长等优点，是移动设备和便携式设备的理想电源，具有极其广阔的应用前景，被誉为是本世纪最有前景的清洁能源之一。

目前，基于全氟磺酸聚合物的低温燃料电池是PEMFC中最成功的一类。虽然全氟磺酸聚合物作为一种超强酸具有极强的质子传导率，但其质子传输能力严重依赖其水合程度。因此，通常PEMFC系统需要对进入反应气进行加湿，以保证全氟磺酸聚合物在膜和催化层中的良好水合状态，从而维持膜和电极内高质子传输效率。同时，气体加湿和电极反应所产生的多余水分必须及时排出，以免堵塞气体传输通道，造成“液泛”。一般采用外增湿和内增湿的方式对质子交换膜进行增湿。外增湿和内增湿的技术都需使用增湿辅助设备，这无疑增加了电池系统的成本、质量、体积及复杂性，同时也造成电池的质量比功率和体积比功率下降。 因此，出现了PEMFC的自增湿技术，实现PEMFC的自增湿可以简化系统的结构、减小系统的体积及重量、减少系统本身的能耗及提高燃料电池系统的能量输出效率、降低燃料电池系统的成本，有利于实现质子交换膜燃料电池的商业化。

目前关于自增湿的文献专利较多，中国专利ZL200510037575.1公开了“一种自增湿膜电极及其制备方法”，该方法是将质子交换膜预处理，碳载铂催化剂、全氟磺酸树脂溶液、亲水性物质和低沸点溶剂混合，涂在质子交换膜的一侧，烘干制得亲水性氢电极；再将碳载铂催化剂、全氟磺酸树脂溶液、疏水性物质和低沸点溶剂混合，涂在质子交换膜的另一侧，烘干制得憎水性氧电极；将两片碳纸与质子交换膜压合成自增湿膜电极。在该专利中，由于亲水性颗粒只是简单的掺入，而不是固定在催化层中，因此在电池运行时容易流失或团聚，这就大大降低了电池运行的稳定性。

中国专利ZL20131069005.7公开了“一种质子交换膜燃料电池自增湿膜电极及其制备方法”，该方法是将铂碳催化剂、无机亲水型金属氧化物纳米粒子、全氟磺酸聚合物、低沸点溶剂混合物作为阳极催化层，涂在Nafion膜的一侧，将铂碳催化剂、无机亲水型金属氧化物纳米粒子、全氟磺酸聚合物、低沸点溶剂混合物作为阴极催化层，涂在Nafion膜的另一侧，制成CCM。将CCM的阳极催化层置于紫外灯下进行紫外光照处理后，再于扩散层热压制成膜电极。在该专利中，制备阳极亲水催化层必须要在波长小于387nm的紫光光照下照射较长时间，制备程序较复杂，而且简单掺杂这些既不导质子又不导电子的氧化物颗粒，也会降低整个电极的导电性，增大电荷转移电阻，影响电池的性能。

到目前为止，还没有能大幅度削弱掺杂不导电的亲水物质对电池电阻影响的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的燃料电池用自增湿膜电极的制备方法，该自增湿膜电极可以在低湿度条件下有着优异的性能，且减小了添加亲水性物质对电极导电性和电阻的影响，还简化了膜电极的制备过程。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种燃料电池用自增湿膜电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：