CN101145612A - 一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极 - Google Patents

一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极 Download PDF

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张军
任丽彬
李永辉
金静
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Abstract

本发明属于一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，依次包括正极扩散层、正极催化剂层、质子交换膜、负极催化剂层和负极扩散层，其特点是：所述正极扩散层和正极催化剂层之间、所述负极扩散层和负极催化剂层之间均设置有恒湿层，所述恒湿层由石墨粉或碳粉、粘合剂、亲水性纤维构成。由于恒温层中亲水纤维具有较好的保水作用，既可以防止燃料电池工作时膜电极内水分散失过快，引起质子交换膜和催化剂层内的质子导电率下降；又可以在表面张力和浓度剃度的作用下，通过亲水性纤维的表面将电极催化剂中过多的水排出，使膜电极内部维持水的平衡，而不妨碍气体扩散。使得组装后的燃料电池催化活性高、内阻小、反应气扩散阻力小、寿命长。

Description

一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种可以连续将燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的电化学能量转换装置，被认为是未来电动汽车、电动混合汽车、电动自行车、电动助动车、通信移动式电源、分散式电站等领域首选的绿色环保电源。
膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，是燃料和氧化剂发生电化学反应的场所。质子交换膜燃料电池膜电极由阴极、质子交换膜和阳极构成，其中阴极、阳极分别包含扩散层和催化层。即膜电极结构包括五层膜：阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层。作为质子交换膜材料的全氟型磺酸膜，只有当水存在时才能进行质子传导。
目前公知的质子交换膜燃料电池运行时，保证膜电极含水结构：一种是在气体进入电池前，先采用气体加湿器等辅助设备对质子交换膜进行增湿，保证了较高的电导率，但该结构使电池系统复杂，增加了电池重量和功耗，降低了电池的比功率和效率；另一种是在全氟磺酸膜中掺杂无机纳米粒子制得复合膜，该结构确实可提高膜的保水性能，如欧洲专利EP0926754将预先合成的纳米SiO2粉掺杂到质子交换树脂溶液中共混成膜，此膜在145℃时还能保持较高的电导率，但纳米SiO2粉在发生相转移过程中，很容易发生团聚，其粒径难以控制，并且膜的机械强度低，难以应用在燃料电池中；再一种是在电极内增加亲水层或者亲水性物质，如中国专利CN1442913A公开了将粒径为0.1-10μm具有保湿功能的无机氧化物涂敷在质子交换膜两侧，该结构虽然提高了膜的保水性能，但是由于无机氧化物的质子电导率较差，该层膜的引入增加了膜电极的电阻，难以保证燃料电池的电性能，并且在质子交换膜表面制备均匀无机氧化物也较困难；另一中国专利CN1719653A采用转移法将厚度与催化剂层相当的一层由SiO2、TiO2、Zr(HPO4)2或ZrO2等无机纳米粒子和质子交换树脂组成的保水层热压到催化剂层外侧，制备CCM(能否用汉字表示？)型膜电极组件，然后在电极两侧加上扩散层，制成具有保水能力的膜电极，该结构加大了膜电极的内阻，而且这层保水层含水后，可能会阻碍气体扩散进入催化剂层，引起电池的浓差极化，降低电池的电性能。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题，提供了一种结构简单、恒湿功能好、并具有良好的透气和导电性能，保证组装后的燃料电池可以在反应气不增湿条件下稳定工作，并且性能良好的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题采用的技术方案是：
自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，依次包括正极扩散层、正极催化剂层、质子交换膜、负极催化剂层和负极扩散层，其特点是：所述正极扩散层和正极催化剂层之间、所述负极扩散层和负极催化剂层之间均设置有恒湿层，所述恒湿层由石墨粉或碳粉、粘合剂、亲水性纤维构成。
本发明还可以采取如下技术措施来实现：
所述制备恒湿层的混合浆料中石墨粉或碳粉：粘合剂：亲水性纤维：分散剂的质量比为10∶1～5∶0.5～4∶50～100；
所述碳粉：粘合剂：亲水性纤维：分散剂质量比为7∶3∶1∶120，所述亲水性纤维为直径0.02-100μm、长度0.2-6mm的玻璃纤维、碳纤维、石英纤维或耐腐蚀金属纤维中一种或几种；粘合剂为憎水性聚四氟乙烯、偏氟乙烯、氟化乙烯丙稀的一种或几种；所述分散剂为水或有机溶剂醇、醚、酯中一种；所述醇为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、聚乙烯醇或1-甲氧基2-丙醇，所述醚为乙醚、石油醚；所述酯为乙酸乙酯；
所述恒湿层厚度为0.01-0.3mm；
所述正、负极扩散层材料为碳纸、碳布、碳纤维毡或者多孔石墨纸中一种；
所述正、负极催化剂层由催化剂、树脂与溶剂按10∶2～5∶50～100的质量比充分均匀混合的催化剂料浆形成；
所述催化剂为Pt黑或Pt合金粉末，或是以碳黑、碳纳米管或纳米碳纤维为载体的Pt或Pt合金；
所述分散剂为水或有机溶剂醇、醚、酯中一种；所述醇为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、聚乙烯醇或1-甲氧基2-丙醇，所述醚为乙醚、石油醚；所述酯为乙酸乙酯；
所述粘合剂为聚四氟乙烯、偏氟乙烯、氟化乙烯丙稀的一种或几种；
所述质子交换膜为全氟磺酸树脂或磺化热稳定性聚合物或质子导体聚合物。
本发明具有的优点和积极效果是：由于恒温层中亲水纤维具有较好的保水作用，既可以防止燃料电池工作时膜电极内水分散失过快，引起质子交换膜和催化剂层内的质子导电率下降；又可以在表面张力和浓度梯度的作用下，通过亲水性纤维的表面将电极催化剂中过多的水排出，使膜电极内部维持水的平衡，而不妨碍气体扩散。使得组装后的燃料电池反应活性高、内阻小、反应气扩散阻力小、寿命长。
附图说明
图1为本发明自增湿质子交换膜燃料电池膜电极的结构图。
图中的标号分别为：1、阳极扩散层；2、恒湿层；3、阳极催化剂层；4、质子交换膜；5、阴极催化剂层；6、阴极扩散层。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参照附图1：
将直径为50μm、长度3mm的玻璃纤维、碳粉、质量浓度60％聚四氟乙烯乳液与50％的异丙醇水溶液按1∶7∶3∶120混合，超声30min后搅拌12小时，制得恒湿层浆料；将经过PTFE含量20wt％疏水处理的碳纸作为阳极扩散层1和阴极扩散层6，采用丝网印刷法将制得恒湿层浆料印刷到碳纸上，在110℃温度下烘干30min，再在350℃烧结30min，形成的恒湿层2厚度为0.08mm。
将质量比为1∶4∶60的Pt载量为40wt％碳载Pt催化剂：5wt％树脂溶液：异丙醇制备成催化剂料浆。采用丝网印刷法将催化剂料浆印刷到恒湿层2的另一面，100℃干燥40min，形成阳极催化剂层3和阴极催化剂层5。
按图1所示结构顺序，将一张全氟磺酸树脂膜作为质子交换膜4置于形成两个催化剂层之间，自上至下依次将：阳极扩散层1；恒湿层2；阳极催化剂层3；质子交换膜4；阴极催化剂层5；恒湿层2；阴极扩散层6放在一起进行热压，热压温度为130℃，时间3分钟，压力为5MPa，压成后即为自增湿质子交换膜燃料电池膜电极。

Claims (10)

1.一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，依次包括正极扩散层、正极催化剂层、质子交换膜、负极催化剂层和负极扩散层，其特征在于：所述正极扩散层和正极催化剂层之间、所述负极扩散层和负极催化剂层之间均设置有恒湿层，所述恒湿层由石墨粉或碳粉、粘合剂、亲水性纤维构成。
2.根据权利要求1所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述制备恒湿层的混合浆料中石墨粉或碳粉∶粘合剂∶亲水性纤维∶分散剂的质量比为10∶1～5∶0.5～4∶50～100。
3.根据权利要求1或2所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述碳粉∶粘合剂∶亲水性纤维∶分散剂质量比为7∶3∶1∶120，所述亲水性纤维为直径0.02-100μm、长度0.2-6mm的玻璃纤维、碳纤维、石英纤维或耐腐蚀金属纤维中一种或几种。
4.根据权利要求1所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述恒湿层厚度为0.01-0.3mm。
5.根据权利要求1所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述正、负极扩散层材料为碳纸、碳布、碳纤维毡或者多孔石墨纸中一种。
6.根据权利要求1所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述正、负极催化剂层由催化剂、树脂与溶剂按10∶2～5∶50～100的质量比充分均匀混合的催化剂料浆形成。
7.根据权利要求6所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述催化剂为Pt黑或Pt合金粉末，或是以碳黑、碳纳米管或纳米碳纤维为载体的Pt或Pt合金。
8.根据权利要求1或2所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述分散剂为水或有机溶剂醇、醚、酯中一种；所述醇为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、聚乙烯醇或1-甲氧基2-丙醇，所述醚为乙醚、石油醚；所述酯为乙酸乙酯。
9.根据权利要求1或2所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述粘合剂为聚四氟乙烯、偏氟乙烯、氟化乙烯丙稀的一种或几种。
10.根据权利要求1或2所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述质子交换膜为全氟磺酸树脂或磺化热稳定性聚合物或质子导体聚合物。
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