一种自增湿膜电极及其制备方法与流程

本发明属于燃料电池，尤其涉及一种自增湿膜电极及其制备方法。

背景技术：

1、燃料电池的膜电极通常需要保持一定的湿度来达到其最佳性能，当膜电极水含量太低时，全氟磺酸质子膜就会导致质子导电率的降低，失去质子传导能力，许多燃料电池系统不得不配备各式加湿器来满足运行需要，这就增加了燃料电池系统的体积和重量，并且产生了额外的功率消耗。因此近年来，高性能和高稳定自增湿膜电极的研究与开发已成为燃料电池领域的热门课题。膜电极的自加湿使质子交换膜燃料电池在无需额外加湿的条件下能够稳定运行，促进了燃料电池的商业化发展，对简化电池系统、降低设计和运行成本有积极意义。

2、目前，已经出现了许多膜电极自增湿的设计，主要思路是制备具有增湿能力的质子膜、催化层、气体扩散层，或其中两者、三者的复合膜。一些研究组报道了将无机亲水物质sio2、al2o3、zno或有机物质微晶纤维素、有机聚合物乙烯醇添加到膜电极材料中，在一定情况下可以增加低湿度下的电池性能。

3、然而，无论是无机sio2、al2o3、zno或有机物质微晶纤维素、有机聚合物乙烯醇，它们本身并不具有高离子导电性、电解质吸收能力和滞留能力，当其加入量较大时，会导致膜电极的电子传导能力下降，电池内阻增大。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种自增湿膜电极及其制备方法，旨在解决现有的膜电极自增湿设计中自增湿电极添加剂本身不具有高离子导电性和电解质吸收能力，当其加入量较大时，会增大电池内阻、导致膜电极的电子传导能力下降等问题。

2、为了达到上述目的，一方面，本发明实施例提供一种自增湿膜电极的制备方法，适用于燃料电池，包括如下步骤：

3、s01：将第一pt/c催化剂、第一全氟磺酸聚合物溶液(第一nafion溶液)、第一异丙醇和水凝胶聚合物电解质按照质量比1：(0.1～0.5)：(5～15)：(0.001～0.05)超声混合均匀，得到阳极催化层浆料；

4、s02：将第二pt/c催化剂、第二全氟磺酸聚合物溶液(第二nafion溶液)和第二异丙醇按照质量比1：(0.1～0.5)：(5～15)超声混合均匀，得到阴极催化层浆料；

5、s03：将步骤s01中的所述阳极催化层浆料涂覆在第一碳纸上，得到阳极催化层；将步骤s02中的所述阴极催化层浆料涂覆在第二碳纸上，得到阴极催化层；

6、s04：以步骤s03中的所述阳极催化层和所述阴极催化层作为膜电极的催化层，制备得到自增湿膜电极。

7、步骤s01中，

8、作为优选的实施方式，所述第一全氟磺酸聚合物溶液为全氟磺酸聚合物溶液(第一nafion溶液)；所述全氟磺酸聚合物溶液为含有1％～20％全氟磺酸聚合物的水溶液；所述百分比为质量百分比。

9、作为优选的实施方式，所述水凝胶聚合物电解质是聚丙烯酸混合淀粉。

10、作为优选的实施方式，所述超声混合为超声混合1min～120min。

11、步骤s02中，

12、作为优选的实施方式，所述第二全氟磺酸聚合物溶液为全氟磺酸聚合物溶液(第二nafion溶液)；所述全氟磺酸聚合物溶液为含有1％～20％全氟磺酸聚合物的水溶液；所述百分比为质量百分比。

13、作为优选的实施方式，所述超声混合为超声混合1min～120min。

14、步骤s03中，

15、作为优选的实施方式，所述第一碳纸为0.1mm～0.3mm厚的碳纸；所述第二碳纸为0.1mm～0.3mm厚的碳纸。

16、作为优选的实施方式，以所述阳极催化层的质量为100％计，所述水凝胶聚合物电解质的质量为所述阳极催化层质量的0.1％～5％。

17、作为优选的实施方式，所述阳极催化层的铂载量为0.025mg·cm-2～1mg·cm-2。在涂覆时，阳极催化层和阴极催化层的铂载量(pt载量)均通过x射线荧光光谱分析仪器快速检测到。

18、作为优选的实施方式，所述阴极催化层的铂载量为0.05mg·cm-2～1mg·cm-2。

19、步骤s04中，

20、所述自增湿膜电极的质子膜为0.8μm～20μm厚的质子交换膜。

21、另一方面，本发明实施例还提供由上述制备方法制备得到的自增湿膜电极。所述自增湿膜电极适用于燃料电池。

22、本发明将所述水凝胶聚合物电解质加入氢燃料电池的阳极催化层，可以使所述阳极催化层由疏水状态向亲水状态转变；因为水在阴极生成，加上质子膜的电渗拖拽作用，阳极往往比阴极更加容易缺水，所以在阳极添加亲水性物质，能够促进阴极的水往阳极迁移，改善膜电极可能出现的因缺水而导致性能降低的问题；本发明能在亲水物质添加量比较小的情况下，大幅度增强膜电极的电子传导能力，使制备得到的膜电极具有良好的自增湿能力性能及电化学性能。

技术特征：

1.一种自增湿膜电极的制备方法，其特征在于，适用于燃料电池，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的自增湿膜电极的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述第一全氟磺酸聚合物溶液为全氟磺酸聚合物溶液；所述全氟磺酸聚合物溶液为含有1％～20％全氟磺酸聚合物的水溶液；所述百分比为质量百分比。

3.根据权利要求2所述的自增湿膜电极的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述水凝胶聚合物电解质是聚丙烯酸混合淀粉。

4.根据权利要求3所述的自增湿膜电极的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述超声混合为超声混合1min～120min。

5.根据权利要求1所述的自增湿膜电极的制备方法，其特征在于，步骤s02中，所述第二全氟磺酸聚合物溶液为全氟磺酸聚合物溶液；所述全氟磺酸聚合物溶液为含有1％～20％全氟磺酸聚合物的水溶液；所述百分比为质量百分比；

6.根据权利要求1所述的自增湿膜电极的制备方法，其特征在于，步骤s03中，所述第一碳纸为0.1mm～0.3mm厚的碳纸；所述第二碳纸为0.1mm～0.3mm厚的碳纸。

7.根据权利要求6所述的自增湿膜电极的制备方法，其特征在于，步骤s03中，以所述阳极催化层的质量为100％计，所述水凝胶聚合物电解质的质量为所述阳极催化层质量的0.1％～5％。

8.根据权利要求7所述的自增湿膜电极的制备方法，其特征在于，所述阳极催化层的铂载量为0.025mg·cm-2～1mg·cm-2；

9.根据权利要求1所述的自增湿膜电极的制备方法，其特征在于，步骤s04中，所述自增湿膜电极的质子膜为0.8μm～20μm厚的质子交换膜。

10.一种自增湿膜电极，其特征在于，所述自增湿膜电极由权利要求1至9任一项所述的制备方法制备得到。

技术总结
本发明适用于燃料电池技术领域，提供一种自增湿膜电极及其制备方法，本发明将Pt/C催化剂、Nafion溶液、异丙醇和水凝胶聚合物电解质混匀得到阳极催化层浆料，将Pt/C催化剂、Nafion溶液和异丙醇混均得到阴极催化层浆料，将阴、阳极催化层浆料分别涂覆到载体材料上，得到阴、阳极催化层，与质子膜和扩散层组装得到自增湿膜电极。水凝胶聚合物电解质具有高离子导电率和高吸湿性，不会降低电池内阻，将其加入阳极催化层，可使阳极催化层由疏水转向亲水状态，促进阴极的水往阳极迁移，改善膜电极因缺水而性能降低的问题；还能大幅增强燃料电池膜电极的电子传导能力，制备得到的膜电极具有良好的自增湿能力性能及电化学性能。

技术研发人员：张程
受保护的技术使用者：深圳市氢瑞燃料电池科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15