[发明专利]用于质子交换膜燃料电池的自增湿膜电极及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别涉及一种用于质子交换膜燃料电池的自增湿膜电极及制备方法。

 

背景技术

燃料电池是一种可将燃料的化学能直接转化为电能的装置。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有低温快速启动、能量转换效率高、能率密度大和零排放等优点，被认为是最有希望用于便携式电源和电动汽车的动力源。

质子交换膜燃料电池的核心部件是膜电极，膜电极通常由质子交换膜、阳极催化层、和阴极催化层所组成，而质子交换膜和催化层中所含的全氟磺酸树脂的质子传导率强烈依赖于水含量。当他们处于干涸状态时，质子传导率几乎为零；只有当质子交换膜被完全润湿时，才表现出良好的质子传导性能。因此，为了保证质子交换膜燃料电池的正常工作，通常需要对反应气进行增湿来保证质子交换膜获得足够的水含量。

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。

基于此，出现了质子交换膜燃料电池的免增湿（自增湿）技术，自增湿也称为无源增湿，即无需外界水源和热源来增湿反应气体和保持质子交换膜的含水量的一种技术。实现质子交换膜燃料电池的免增湿（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。

理论上来说，质子交换膜燃料电池在运行过程中，阴极生成的水是足够增湿质子交换膜的，然而，燃料电池实际运行时，假如不对燃料和氧化剂气体（空气或者氧气）进行增湿，燃料电池会很快出现质子交换膜的干涸，导致电池性能的急剧下降。造成这种状况的原因有： 一是水合质子的电迁移的作用，阳极生成的质子以水合质子的形式从阳极向阴极传递水，而且随着电流密度的增大，水由阳极到阴极的迁移速率远远大于阴极生成的水向阳极扩散（通常称之为：反扩散）的速率，造成阳极及质子交换膜的失水； 二是由于阴极实际的空气（氧气）流量远远大于理论量， 大量的空气（氧气）流会带走大量的生成水。

人们在探索制备免（自）增湿膜电极方面做了大量的工作，提出了许多制备自增湿膜电极的方法。在阳极催化层中添加保湿（亲水）物质为方法之一。遗憾的是，到目前为止报道的方法均不能达到理想的自增湿或免增湿的效果。

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（SiO₂、TiO₂、丁二酸、丙磺酸、甘油、氨基酸等）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，因此在膜电极工作时容易流失或团聚，这就降低了燃料电池的长期运行性能。另外，简单掺入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，增大催化层的电荷转移电阻，增大电池极化。

中国专利申请文件ZL200910041374.7公开了“用于燃料电池膜电极的电催化剂及其制备方法及燃料电池膜电极”，是以SiO₂、TiO₂改性后的碳粉作为载体制备了自增湿催化剂，将该催化剂用于阴极制备了性能优良的自增湿膜电极。该方法无需构筑一层保水层，也不需要在催化层和质子交换膜中添加保水物质；但是该方法制备过程较为复杂，所制得的自增湿膜电极在50°C以下具有良好的性能， 然而电池温度高于55°C时，电池的自增湿性能急剧下降。 而一般质子交换膜燃料电池的运行温度均在60°C左右。因此，研制能够适用于60°C或者更高温度的自增湿膜电极具有十分重要的意义。

尽管通过在阳极催化层中添加保湿无机物制备自增湿膜电极的工作已有报道，然而，目前的自增湿膜电极存在温度适应范围偏低等种种缺陷，均不能达到理想的高性能自增湿/免增湿效果。 

发明内容