[发明专利]一种阳极催化剂构筑的免增湿膜电极及其制备方法

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，具体涉及一种阳极催化剂构筑的免增湿膜电极及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane fuel cell，PEMFC)由于其在功率密度和操作温度等方面具有高竞争力而被认为是21世纪最有希望的能源转换技术之一。其模块化特征能适应不同功率要求的需要，有望应用于家用电源、通信电源及军事、交通等领域。但是要在这些方面真正得到大规模应用，那就要提高PEMFC在不同工作条件下的适用性，且还要能控制成本。膜电极(Membrane Electrode Assemblies，MEA)作为PEMFC的关键部件，MEA的性能对整个电池的性能有着重要的影响。为了获得最好的MEA的性能，必须要使膜实现最大程度的水化作用，以确保质子在膜中高效传导，否则会因为脱水引起膜的欧姆过电位，而导致显著的PEMFC效率损失。

为了满足高质子电导率的需求，往往要提供额外的加湿设备，加湿传入的反应气体，导致PEMFC系统的复杂性增加和成本提高，质量及体积功率密度减小。

既能够实现不对反应气体加湿而又不降低电池性能，以达到取消增湿设备，降低PEMFC的成本的目的，曾是PEMFC技术领域的一个重大问题，而免增湿或自增湿膜电极技术的出现，很好的解决了这个问题。科研人员在免增湿或自增湿MEA方面做了大量的研究工作。目前免增湿MEA的研究工作主要集中在两个方面，一方面是对质子膜进行改性或者采用薄的质子膜来实现MEA的免增湿；另一方面是对阴阳极催化层的结构进行优化制备来实现MEA免增湿，主要通过在催化层中掺入亲水性物质，或在催化层与膜或扩散层之间构筑一个保湿层，来加强阴极侧的水扩散，从而达到免增湿的效果。

中国专利ZL200610134014.8公开了一种自增湿燃料电池用复合质子交换膜及其合成方法，该专利将担载型催化剂分散到高分子固体电解质的有机溶液中形成铸膜液，然后采用浇注、喷涂或流延方法填充到多孔增强膜中制备成自增湿复合质子交换膜，但采用该方法制备的自增湿复合质子交换膜电导率较低。

Vengatesan等人对杜邦公司的Nafion 112膜(50μm)与再铸Nafion膜(25μm)构筑的MEA在不同温度下的性能进行了对比研究，结果表明采用较薄的膜的MEA具有更好的免增湿性能。这种采用较薄的膜来实现免增湿是基于水的浓差扩散原理：PEMFC中膜阴极侧水的浓度高于阳极侧，在浓差扩散作用下，水由膜的阴极侧向阳极侧反扩散，对于Nafion系列膜来说反扩散水的迁移量与膜的厚度成反比，即膜越薄，反扩散的水越多。但膜的强度却是与膜的厚度成正比，随着膜变薄，膜的使用寿命变短。

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：将两片碳纸于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混合掺入，因此，在膜电极工作时容易流失或团聚，降低了燃料电池长期运行的稳定性。另外，简单混合掺入这些既不导质子又不导电子的物质，增大了电极电阻，增大了电池极化从而降低了电池性能。

中国专利ZL200910188222.X公开了“具有自增湿功能的燃料电池催化剂涂层膜电极及其制备方法”，在该专利中，质子交换膜两侧的催化剂涂层具有内外双层结构，与质子交换膜贴近的催化剂涂层为内催化剂层，该催化层中的自增湿剂和质子交换膜树脂的含量高；与气体扩散层贴近的催化剂涂层为外催化剂层，外催化剂层中自增湿剂和质子交换膜树脂的含量低，内外催化剂层的Pt担载量相同。该方法制备繁杂，两层催化层会增大催化层的电荷转移电阻。

然而，到目前为止，这些方法均不能在电池温度60℃以上获得良好的自增湿能力及气体不加湿时电池长时间运行的稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够适应于60℃以上电池温度的、有利于质子交换膜燃料电池免增湿条件下长时间稳定运行的新型Pt/RuO₂-SiO₂/C阳极催化剂构筑的免增湿膜电极及其制备方法。