[发明专利]一种具有耐高温自增湿特点的燃料电池膜电极CCM

说明书

本发明公开了一种燃料电池膜电极CCM的制备方法，将亲水型催化剂、全氟磺酸树脂溶液和分散剂通过分散方式配制成成分均匀的浆料，将所述浆料转移到质子交换膜的两侧，得到所述燃料电池膜电极CCM；所述质子交换膜的EW值在700～900；所述的全氟磺酸树脂EW值在700～800；本发明通过采用亲水型催化剂，短侧链低EW值树脂，增加水的结合位点来提升催化层对水的亲和力，构建丰富的质子传输网络结构，提高催化层的质子传导速率，采用高水传导能力的质子交换膜，加强阴极生成水向阳极的扩散能力，实现MEA在无外增湿条件下自身水平衡的能力。整个制备过程不引入额外物质，无需改动膜电极制备的工艺流程，易于推广应用。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，主要涉及燃料电池催化层的开发。

背景技术

质子交换膜和催化层中的全氟磺酸树脂均需要充足的水份来维持其较高的电导率，湿度的降低会导致质子交换膜的质子传导率下降以及电池内阻增大，进而使电池性能下降。在实际运行中，常常需要借助于外增湿设备，使氢气和氧气在进入电池之前带入水蒸气，对膜电极进行增湿。然而，这些外加设备的会导致燃料电池系统复杂化、成本升高。自增湿膜电极是质子交换膜燃料电池领域一个重要的开发方向。

目前关于自增湿的文献专利较多，中国专利CN201310690005公开了一种自增湿膜电极及其制备方法。

中国专利CN110289438A公开了一种燃料电池用自增湿膜电极的制备方法。

中国专利CN110797540A公开了一种高温低湿适用气体扩散层制备方法。

专利CN201310690005公开了一种自增湿膜电极及其制备方法，该方法是在催化层中额外加入一种无机亲水型金属氧化物纳米粒子，并进行紫外光照处理。该发明的亲水性增强效果比增加无机亲水氧化物明显，可以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。

专利CN110289438A公开了一种燃料电池用自增湿膜电极的制备方法，通过在阳极添加亲水材料甲壳素，增强阳极保水能力，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。

专利CN110797540A提供一种高温低湿适用气体扩散层制备方法，包括：将高导电性材料、碳纳米管、亲水剂和分散液通过搅拌的方式配制成成分均匀的浆料；其中，碳纳米管采用VGCF-H；通过丝网印刷的方式将浆料均匀的分布在支撑材料上；通过喷涂的方式在分布有浆料的支撑材料的表面喷涂Nafion溶液形成气体扩散层。

目前部分专利都是通过在浆料中且加入一些亲水物质来解决膜电极组件湿度问题，但引入的这些既不导质子又不导电子的氧化物颗粒会产生诸多问题，例如会降低电极的导电性、增大电荷转移电阻、影响电池性能等，且其对耐久性的影响不明。

为了解决膜电极在高温低湿工况下应用的问题，本发明设计了一种在低湿，甚至是不增湿的情况下，具有高水平衡能力的膜电极。通过采用亲水型催化剂，短侧链低EW值树脂，增加水的结合位点来提升催化层对水的亲和力，构建丰富的质子传输网络结构，提高催化层的质子传导速率，采用高水传导能力的质子交换膜，加强阴极生成水向阳极的扩散能力，实现MEA在无外增湿条件下自身水平衡的能力。整个制备过程不引入额外物质，无需改动膜电极制备的工艺流程，易于推广应用。

发明内容

为了解决膜电极在高温低湿工况下应用的问题，本发明设计了一种即使在低湿，甚至是不增湿的情况下，具有高水平衡能力的膜电极。通过采用亲水型催化剂，短侧链低EW值树脂，增加水的结合位点来提升催化层对水的亲和力，构建丰富的质子传输网络结构，提高催化层的质子传导速率，采用高水传导能力的质子交换膜，加强阴极生成水向阳极的扩散能力，实现MEA在无外增湿条件下自身水平衡的能力。整个制备过程不引入额外物质，无需改动膜电极制备的工艺流程，易于推广应用。