CN101071877A - 带水扩散区的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极及其制备 - Google Patents

带水扩散区的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极及其制备 Download PDF

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Abstract

带水扩散区的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极及其制备，它涉及质子交换膜燃料电池膜电极。它解决了现有阴极生成的水得不到及时的调度，易使阴极出现水淹的问题。本发明的水扩散区(3)设在催化层(1)的外沿，水扩散区(3)与催化层(1)位于一个平面上，水扩散区(3)与Nafion膜(2)接触。制备方法为：一、制备气体扩散层；二、水扩散区和阴极催化层的制备；三、水扩散区和阳极催化层的制备。本发明设有水扩散区(3)结构，有利于阴极生成的部分水扩散到阴极催化层外围区域，顺利迁移到阳极，实现阴极水向阳极的调度，使得质子交换膜燃料电池水分布更加均匀；在不增加催化剂载量的情况下，通过对电极内部水的有效调度，提高了燃料电池的性能。

Description

带水扩散区的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极及其制备
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池，尤其涉及带有自增湿电极结构的质子交换膜燃料电池膜电极。
背景技术
现有的自呼吸式自增湿PEMFC，水的迁移方式主要有下列三种：一是由于质子交换膜两侧水的浓度差或气体压力差引起的水由阴极向阳极扩散；二是由电渗引起的水由阳极向阴极的迁移；三是阴极区因为水被蒸发而排出电池体系。质子交换膜燃料电池的高功率密度、环境友好等诸多优点已经使其成为近些年来研究的热点。质子交换膜燃料电池在阳极氢气加湿及在相对高的温度条件下工作时，性能会得到较大的提高，但这也同时使其结构变的复杂，成本也相应的增加，从而限制了其在一定范围的应用。在加之阴极生成的水得不到及时的调度，易使阴极出现水淹的情形。因而开发具有结构简单，性能优良的质子交换膜燃料电池成为PEMFC小型化研究的热点。
发明内容
本发明为了解决现有质子交换膜燃料电池阴极生成的水得不到及时的调度，易使阴极出现水淹，由于阳极反应气没有经过预加湿，质子向膜迁移的阻力增加的问题，提供一种带水扩散区的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极及其制备，解决上述问题的具体技术方案如下：
本发明由催化层、Nafion膜、水扩散区、支撑层和微多孔层组成，水扩散区设在催化层的外沿，水扩散区与催化层位于一个平面上，水扩散区与Nafion膜接触，支撑层和微多孔层设在催化层的外侧。
本发明带水扩散区的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极的制备：
步骤一、气体扩散层的制备：
气体扩散层分为支撑层与微多孔层，支撑层使用憎水处理过的碳纸，PTFE含量为20～40wt.％，为提高水由阴极向阳极的反扩散能力，可适当提高阴极支撑层的PTFE载量，在支撑层上均匀的喷涂一层PTFE含量为20～40wt.％的VulcanXC-72碳黑作为微多孔层，碳黑的载量均为2mg/cm2，将喷涂微多孔层后的碳纸在Ar气保护环境下340℃烧结30～50分钟，即制得气体扩散层；
步骤二、水扩散区和阴极催化层的制备：
将电极的中央准备刷涂催化剂的区域用硬质塑料覆盖，在其剩余的区域喷涂小粒径碳黑，形成水扩散区；水扩散区碳黑选用BP2000，用5ml～10ml乙醇或异丙醇水溶液(其中乙醇或异丙醇与水体积比为2∶1)分散均匀后，加入0.5wt.％Nafion，搅拌均匀；其中碳黑与Nafion的质量比为3∶1，碳黑载量为0.3mg/cm2。将喷完外沿亲水碳黑的阴极极片放置好，用硬质塑料覆盖该亲水处理区域，使需刷涂催化剂的电极的中央区域露出；阴极催化剂选用20wt.％Pt/C催化剂，Pt载量为0.3mg/cm2，催化剂浆料由Pt/C、PTFE和少量的Nafion组成，其质量比为20∶5∶2；使用刷涂法将催化剂刷涂于电极中央的区域；
步骤三、水扩散区和阳极催化层的制备：
阳极催化层的制备过程与阴极相同，区别在于阳极催化剂浆料为20wt.％Pt/C催化剂，Pt载量为0.2mg/cm2，催化剂浆料由Pt/C催化剂和Nafion组成，其质量比为3∶1，阳极催化层外沿水扩散区喷涂碳黑，亲水碳黑浆料为VulcanXC-72碳黑和Nafion混合物，碳黑和Nafion质量比为3∶1。
本发明在催化层的外沿设有水扩散区，实现阴极水向阳极的调度，使得质子交换膜燃料电池水分布更加均匀，电池性能得到提高；电极采用长方形结构，有利于阴极生成的水扩散到水扩散区，使其顺利迁移到阳极；在不增加催化剂载量的情况下，对电极内部形成的水进行了有效的调度，避免过量的水聚集在阴极催化层上，形成水膜，使阴极被水淹的情形不再发生。另外，由于阳极氢气得到有效的加湿，质子向膜迁移的阻力减少，提高了燃料电池的性能。
附图说明
图1是现有普通膜电极结构示意图，图2是本发明电极的结构示意图，图3是图2A-A的剖面及本发明膜电极水迁移路线示意图。图中→表示电迁移引起的水的扩散，
Figure A20071007234600051
表示由于浓度或压力差引起的水的扩散，
Figure A20071007234600052
表示通过水扩散区水的迁移，
Figure A20071007234600053
表示蒸发引起的水的损失，7是阳极，8是阴极。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图2、图3描述本实施方式。本实施方式由催化层1、Nafion膜2、支撑层4、微多孔层5和水扩散区3组成，水扩散区3设在催化层1的外沿，水扩散区3与催化层1位于一个平面上，水扩散区3通过热压与Nafion膜2直接接触，支撑层4和微多孔层5设在催化层1的外侧。
具体实施方式二：本实施方式的气体扩散层的面积大于催化层1的面积。
具体实施方式三：本实施方式的电极为长方形或圆形结构。
具体实施方式四：本实施方式的质子交换膜的几何面积大，增加了阴极水向阳极扩散区域的面积。
具体实施方式五：本实施方式的电极的长度长应相对的长，宽度长应相对的窄。
具体实施方式六：结合图2、图3描述本实施方式。本实施方式本发明质子交换膜燃料电池膜电极的制备：
步骤一、气体扩散层的制备：
气体扩散层分为支撑层4与微多孔层5，支撑层4使用憎水处理过的碳纸，PTFE含量为20～40wt.％，为提高水由阴极向阳极的反扩散能力，可适当提高阴极支撑层4的PTFE载量，在支撑层4上均匀的喷涂一层PTFE含量为20～40wt.％的VulcanXC-72碳黑作为微多孔层5，碳黑的载量均为2mg/cm2，将喷涂微多孔层5后的碳纸在Ar气保护环境下340℃烧结30～50分钟，即制得气体扩散层；
步骤二、水扩散区和阴极催化层的制备：
将电极的中央准备刷涂催化剂的区域用硬质塑料覆盖，在其剩余的区域喷涂小粒径碳黑，形成水扩散区3；水扩散区3碳黑选用BP2000，用5ml-10ml乙醇或异丙醇水溶液(其中乙醇或异丙醇与水体积比为2∶1)分散均匀后，加入0.5wt.％Nafion，搅拌均匀；其中碳黑与Nafion的质量比为3∶1，碳黑载量为0.3mg/cm2；将喷完外沿亲水碳黑的阴极极片放置好，用硬质塑料覆盖该亲水处理区域，使需刷涂催化剂的电极的中央区域露出；阴极催化剂选用20wt.％Pt/C催化剂，Pt载量为0.3mg/cm2，催化剂浆料由Pt/C、PTFE和少量的Nafion组成，其质量比为20∶5∶2；使用刷涂法将催化剂刷涂于电极中央的区域；
催化层中加入少量的Nafion有助于三相反应区的形成。
步骤三、水扩散区和阳极催化层的制备：
阳极催化层的制备过程与阴极相同，区别在于阳极催化剂浆料为20wt.％Pt/C催化剂，Pt载量为0.2mg/cm2，催化剂浆料由Pt/C催化剂和Nafion组成，其质量比为3∶1，阳极催化层外沿水扩散区3喷涂亲水碳黑，亲水碳黑浆料为VulcanXC-72碳黑和Nafion混合物，碳黑和Nafion质量比为3∶1。
本发明的阴极催化层中电化学反应生成水，由于外沿亲水且孔隙较催化层小，水更容易向该外缘区域扩散，部分水迁移到这里，由于此时膜两侧该位置处阴极侧水的浓度远大于阳极，而且阴极侧微多孔层及支撑层4均为憎水区，水传过微多孔层和支撑层4向外界蒸发减少了许多，因此水更容易在该区域透过膜向阳极侧扩散，进入到阳极催化层外缘的亲水区域，该区域孔隙与催化层中孔隙相当，且由于阳极催化层也为亲水催化层，水向阳极催化层区域扩散，及时的将阴极生成的水调度到阳极，从而达到了为阳极反应气加湿的目的，进入到阳极的干燥氢气经过催化后产生的氢离子，可以及时的传递到膜，并透过膜与阴极的氧复合。避免过量的水聚集在阴极催化层上，避免阴极被水淹的情形发生。

Claims (4)

1、带水扩散区的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，它由催化层(1)、Nafion膜(2)、水扩散区(3)、支撑层(4)和微多孔层(5)组成，其特征在于水扩散区(3)设在催化层(1)的外沿，水扩散区(3)与催化层(1)位于一个平面上，水扩散区(3)与Nafion膜(2)接触，支撑层(4)和微多孔层(5)设在催化层(1)的外侧。
2、根据权利要求1所述的带水扩散区的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于气体扩散层的面积大于催化层(1)的面积。
3、根据权利要求1所述的带水扩散区的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于电极为长方形或圆形结构。
4、权利要求1所述的带水扩散区的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极的制备，其特征在于该制备方法的步骤如下：
步骤一、气体扩散层的制备：
气体扩散层分为支撑层(4)与微多孔层(5)，支撑层(4)使用憎水处理过的碳纸，PTFE含量为20～40wt.％，为提高水由阴极向阳极的反扩散能力，可适当提高阴极支撑层(4)的PTFE载量，在支撑层(4)上均匀的喷涂一层PTFE含量为20～40wt.％的VulcanXC-72碳黑作为微多孔层(5)，碳黑的载量均为2mg/cm2，将喷涂微多孔层(5)后的碳纸在Ar气保护环境下340℃烧结30～50分钟，即制得气体扩散层；
步骤二、水扩散区和阴极催化层的制备：
将电极的中央准备刷涂催化层的区域用硬质塑料覆盖，在其剩余的区域喷涂小粒径碳黑，形成水扩散区(3)；水扩散区(3)碳黑选用BP2000，用5ml-10ml乙醇或异丙醇水溶液(其中乙醇或异丙醇与水体积比为2∶1)分散均匀后，加入0.5wt.％Nafion，搅拌均匀；其中碳黑与Nafion的质量比为3∶1，碳黑载量为0.3mg/cm2。将喷完外沿亲水碳黑的阴极极片放置好，用硬质塑料覆盖该亲水处理区域，使需刷涂催化剂的电极的中央区域露出；阴极催化剂选用20wt.％Pt/C催化剂，Pt载量为0.3mg/cm2，催化剂浆料由Pt/C、PTFE和少量的Nafion组成，其质量比为20∶5∶2；使用刷涂法将催化剂刷涂于电极中央的区域，形成阴极催化层1；
步骤三、水扩散区和阳极催化层(1)的制备：
阳极催化层的制备过程与阴极相同，区别在于阳极催化剂浆料为20wt.％Pt/C催化剂，Pt载量为0.2mg/cm2，催化剂浆料由Pt/C催化剂和Nafion组成，其质量比为3∶1，阳极催化层外沿水扩散区喷涂亲水碳黑，亲水碳黑浆料为VulcanXC-72碳黑和Nafion混合物，碳黑和Nafion质量比为3∶1。
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