[发明专利]具有催化层水管理区的燃料电池自增湿膜电极的制备方法及其膜电极

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，涉及低温膜燃料电池，特别涉及一种具有催化层水管理区的燃料电池自增湿膜电极的制备方法，包括：亲水‑疏水管理区制备；阴阳极催化层制备；质子交换膜预处理；再将具有亲水‑疏水管理区的气体扩散电极分别贴合于质子交换膜两侧制得自增湿膜电极。本发明制备方法简单，所设计的“田”、“口”、“回”三种形状的水管理区可以对电极内部的水分更好地分配，让质子交换膜和催化层在湿度低时充分湿润维持其质子传导能力。根据本发明所述方法制得的具有催化层水管理区的燃料电池自增湿膜电极，不仅能维持低湿度条件下燃料电池性能，还可以在高湿度时加速水分排出降低水淹风险，提高电池在高湿度时的性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及低温膜燃料电池，特别涉及一种具有催化层水管理区的燃料电池自增湿膜电极的制备方法及其膜电极。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有比能量高、环境友好、可在室温下快速启动等优点，被认为是本世纪最有前景的新能源技术之一。然而，以全氟磺酸为代表的聚合物膜，其质子传输能力严重依赖其水合程度。因此，PEMFC系统中气体通常需要额外的加湿，以保证聚合物在膜和催化层中的良好水合状态。与此同时，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”。严格的水管理增加了PEMFC系统的复杂性以及成本，阻碍了PEMFC商业化进程。

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。开发自增湿膜电极 (MEA)，简化水管理，对于PEMFC的实际应用具有重要意义。

目前关于自增湿的现有技术大多集中于质子交换膜的重铸，例如中国专利CN111554955A公开了“一种自增湿复合质子交换膜制备方法和膜电极及燃料电池”，该方法将含Pt的树脂浇铸到多孔增强膜上，再经过干燥处理得到自增湿复合质子交换膜。其中，复合膜可有效解决电池在低湿度下的质子传导能力不足问题，而且可以降低膜电极的成本。但是，重铸膜的阻值提高会影响电池整体放电性能，此外膜的寿命也是一个考验。

直接采用膜电极原有组分设计催化层水管理区，可以对电极内部的水分更好地进行分配，让质子交换膜在湿度低时充分湿润维持其质子传导能力，同时也不会显著影响电池阻值和寿命。该电极不仅能维持低湿度条件下性能，而且可以在高湿度时加速水分排出降低水淹风险提高电池在高湿度时的性能。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提高燃料电池自增湿性能，保证燃料电池可以在反应气体低湿件下稳定工作的技术问题，提供了一种催化层水管理区设计以实现燃料电池自增湿膜的制备方法，该自增湿膜电极可以在低湿度条件下有着优异的性能，且有着良好的稳定性，电极制备过程简便，而且可以在高湿度时加速水分排出降低水淹风险提高电池在高湿度时的性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有催化层水管理区的燃料电池自增湿膜电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)气体扩散层的形成：基底于沸腾的有机溶剂中洗涤10～30min，除去表面杂质后干燥1～3h，将其浸于疏水剂中5～60s，优选15s，70℃干燥1～3h，置于马弗炉320～400℃烧结20～40min形成疏水层，再将碳粉均匀负载于疏水层表面，碳粉的负载量为1～3mg/cm²，优选2mg/cm²，70℃干燥2～3h，再置于马弗炉320～400℃烧结20～40min得到气体扩散层；

(2)水管理区的形成：将亲水材料、亲水粘结剂按照质量体积比为5～8mg:5～2mg:5～ 20mL分散在有机溶剂中，超声分散0.5～1.5h形成均匀的可喷涂浆料，按照模板骨架喷涂到气体扩散层上，干燥形成亲水水管理区；