[发明专利]自增湿膜电极及其制备方法

说明书

本申请提供一种自增湿膜电极及其制备方法，属于燃料电池技术领域。该制备方法包括：将阳离子金属氧簇化合物、nafion溶液、阳极催化剂一起分散在阳极溶剂中形成阳极浆料，其中，阳极溶剂包括极性非质子溶剂。将阴极催化剂和离聚物分散在阴极溶剂中形成阴极浆料。通过阳极浆料在质子交换膜的阳极侧形成阳极催化剂层；通过阴极浆料在质子交换膜的阴极侧形成阴极催化剂层。在制备阳极浆料中，使用极性非质子溶剂来分散阳离子金属氧簇化合物，可以使其分散效果更好，以便其较为均匀的形成在阳极浆料中，后续可以得到阳离子金属氧簇化合物分散较为均匀的阳极催化剂层，使膜电极的性能较佳。

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种自增湿膜电极及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell）是一种将氢能转化为电能的装置，其最终排放物仅有水，是清洁绿色无污染的发电装置，在汽车、船舶、轨道交通、固定基站、无人机等领域有广泛的应用前景。质子交换膜燃料电池内部的核心组件称为膜电极（MEA，Membrane Electrode Assemblies），是其发电的最小组成单元。

目前膜电极存在低湿（低于20%RH）条件下性能差的问题，为了改善该问题，可以在催化剂层中添加具有保水能力的添加剂，阳离子金属氧簇化合物就具备很好的亲水保水能力，同时它还有高的质子传导能力，由于阳离子金属氧簇的尺寸为2~30nm区域，所以它的空间位阻效应还可以减少磺酸根中毒，相比于其他添加剂，阳离子金属氧簇化合物具有较大的优势。不过，阳离子金属氧簇化合物不容易在浆料中进行有效分散，容易导致团聚，从而使膜电极的性能受到影响。

发明内容

本申请提供了一种自增湿膜电极及其制备方法。该制备方法可以使阳离子金属氧簇化合物很好地分散在浆料中，以便使其可以在催化剂层中均匀分散，从而得到自增湿膜电极，并且膜电极的性能较好。

第一方面，本申请提供了一种自增湿膜电极的制备方法，包括：将阳离子金属氧簇化合物、nafion溶液、阳极催化剂一起分散在阳极溶剂中形成阳极浆料，其中，阳极溶剂包括极性非质子溶剂。将阴极催化剂和离聚物分散在阴极溶剂中形成阴极浆料。通过阳极浆料在质子交换膜的阳极侧形成阳极催化剂层；通过阴极浆料在质子交换膜的阴极侧形成阴极催化剂层。

在上述技术方案中，由于阳离子金属氧簇化合物有较多的氧原子，可以很好的促进质子生成和传输，阳离子金属氧簇是笼状化合物，更有利于传质过程的进行；同时，阳离子金属氧簇化合物有纳米级尺寸，由于空间位阻效应，可以减少磺酸根中毒现象。使用极性非质子溶剂来分散阳离子金属氧簇化合物，可以使其分散效果更好，以便其较为均匀的形成在阳极浆料中，后续可以得到阳离子金属氧簇化合物分散较为均匀的阳极催化剂层，从而使阳离子金属氧簇化合物的效果可以得到充分发挥，通过该膜电极制备得到的燃料电池在刚启动时，或者湿度较低的情况下能够有效提高性能，起到自增湿的效果。

在一些实施例中，阳离子金属氧簇化合物包括铋氧簇化合物或/和铌氧簇化合物。

在一些实施例中，阳离子金属氧簇化合物包括H₆Bi₁₂O₁₆、Bi₆O₄(OH)₄、Bi₆O₅(OH)₃、Bi₂₂O₂₆(OSiMe₂Bu)₁₄和K₆H₂Nb₆O₁₉·17H₂O中的至少一种。

在一些实施例中，极性非质子溶剂包括NMP（N-甲基吡咯烷酮）、DMF（N,N-二甲基甲酰胺）、DMSO（二甲基亚砜）和DMA（二甲基乙酰胺）中的至少一种。