CN101212054A - 燃料电池膜电极及其制备方法 - Google Patents

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CN101212054A CNA2006101673894A CN200610167389A CN101212054A CN 101212054 A CN101212054 A CN 101212054A CN A2006101673894 A CNA2006101673894 A CN A2006101673894A CN 200610167389 A CN200610167389 A CN 200610167389A CN 101212054 A CN101212054 A CN 101212054A
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Abstract

一种燃料电池膜电极，该膜电极依次包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层，所述气体扩散层包括导电载体和负载在所述导电载体上的导电剂和粘合剂，其中，所述阳极气体扩散层中的粘合剂为亲水性粘合剂。本发明提供的燃料电池膜电极的自增湿效果良好，由本发明提供的膜电极制备得到的燃料电池在大电流密度下工作时，电池的输出功率高。

Description

燃料电池膜电极及其制备方法
技术领域
本发明是关于一种膜电极及其制备方法，更具体地说，是关于一种燃料电池膜电极及其制备方法。
背景技术
燃料电池是一种能量转换装置，它按电化学原理，把贮存在燃料(如氢气、低级醇等)和氧化剂(氧气)内的化学能转化成电能。燃料电池具有能量转换率高、环境友好等优点，而质子交换膜燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC)更具有可低温运行、比功率高等优点，是一种广泛应用的新型动力源。
以氢气作为燃料的燃料电池的阳极反应和阴极反应的反应式分别如反应式(1)和(2)所示，在阴极上用作氧化剂的氧气通常来自空气。将阳极产生的质子转移到阴极的离子传导需要通过膜电极的质子交换膜来完成。
H2-2e-→2H+          (1)
1/2O2+2H++2e-→H2O  (2)
膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)是燃料电池的核心部件，是燃料和氧化剂发生电化学反应产生电能的部位。膜电极包括阳极，阴极及位于阳极和阴极之间的质子交换膜，阳极包括阳极气体扩散层、阳极催化层，阳极催化层位于阳极气体扩散层和质子交换膜之间，阴极包括阴极气体扩散层、阴极催化层，阴极催化层位于阴极气体扩散层和质子交换膜之间。
膜电极中质子交换膜的水合状态对于燃料电池的性能和寿命具有非常重要的决定作用。当质子膜中水分子过少时，膜不能传导质子，燃料电池的效率下降，甚至无法正常工作；而如果质子膜中的水分子过多时，会引起整个燃料电池系统堵水，造成水淹现象，也使燃料电池无法正常工作。因此，必须对进入电池的反应气体进行加湿处理，以确保质子交换膜处于合适的水合状态，以使燃料电池得以高效工作。
为质子交换膜增湿的方法一般包括外增湿和内增湿两种方式。外增湿的方式是将增湿系统设计在电堆的外部，所述增湿系统与电堆是分开的。该系统可以有效地保持电堆内膜电极的良好水合状态，但增大了燃料电池系统的体积和重量。当电池快速启动或负载突然大幅度变化时，增湿系统不能及时与之同步运行。内增湿的方式是在电堆内部设计一段作为加热的储水槽，专门用作电堆的增湿，达到对反应气体进行增湿的目的。但需要较高的电堆组装技术和密封技术，不但增加了电堆系统的体积和重量，还提高了技术难度。
自增湿膜电极就是一种通过改进电池内部结构，利用燃料电池在运行过程中，氢、氧在膜电极中的电化学反应过程中所生成的水在渗透作用下从阴极返回到阳极，而完成反应气体及质子的水化，多余的水则随尾气排出，从而达到燃料电池内部的水平衡。这种自增湿膜电极不需借助于外部设备就能维持电池的正常工作。
US5766787公开了一种自增湿膜电极，膜电极是将Pt微粒与SiO2或TiO2等亲水氧化物混合在质子交换膜中制备出该自增湿膜电极。虽然这种膜电极能够达到一定自增湿的效果，但是该膜电极膜中的铂微粒分散不均匀，会使膜电极内部形成局部的电子通道，导致燃料电池或电堆发生自放电现象而使燃料电池或电堆失效。
US6207312公开了一种利用蛇型流场的自增湿方法，该方法是通过在燃料电池的双极板上加工一种多通道的蛇型流场，使产生的气体在蛇型流中做上下往复运动，使得在气体流动方向上加速阴极生成的水向阳极的传递。但该方法的自增湿效果较差。
王诚，毛宗强，徐景明，谢晓峰等人在关于“新型自增湿膜电极的制备及其燃料电池性能”(高等学校化学学报，V0124，No 1，140-1422003年1月)一文中阐述了一种自增湿膜电极的制备方法，该方法包括在碳纸上涂布一层活性炭与聚四氟乙烯的混合物制成气体扩散层，再在气体扩散层上喷涂一层含炭载催化剂与Nafion溶液的浆料形成催化层，最后再将形成催化层的气体扩散层与质子交换膜形成膜电极，同样，该膜电极的自增湿效果较差。
CN1581574A公开了一种质子交换膜燃料电池膜电极，其中，该膜电极是由次单元和具有高温保水功能的主单元组合而成的单元组合式膜电极，所述膜电极次单元为气体扩散层，所述膜电极主单元是由气体扩散层、催化剂层、无机纳米粒子保水层及质子交换层共同粘合而成的膜电极单元，其组成或结构依次为气体扩散层、催化剂层、质子交换层、无机纳米粒子保水层、催化剂层。该燃料电池膜电极是通过在质子交换膜上浇铸无机纳米粒子溶液，真空干燥后形成无机纳米粒子保水层后，而实现膜电极的高温保水功能。该膜电极的制备方法比较复杂，虽然在催化层上增加了无机纳米粒子保水层，但是该膜电极的自增湿效果仍然不理想，燃料电池在大电流密度下工作时，电池的输出功率低。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的具有自增湿作用的燃料电池膜电极的制备复杂，膜电极的自增湿效果差导致电池在大电流密度下输出功率低的缺陷，提供一种制备方法简单，膜电极自增湿效果好，使燃料电池在大电流密度下，具有较高输出功率的燃料电池膜电极及其制备方法。
本发明的发明人发现，通过现有技术的教导我们了解到，虽然，现有技术的质子交换膜燃料电池膜电极的催化层中通常采用的粘合剂为亲水性粘合剂，因此理论上应该能够起到使质子交换膜保湿的作用，但是，通常情况下，由于电渗的作用，水在质子交换膜中会发生从阳极向阴极的迁移，电池在大电流密度下工作时，电渗作用迁移的水多于扩散作用向相反方向迁移的水，使质子膜在阳极侧失水，因此，无法起到使质子交换膜保湿的作用。尽管现有技术中还采用各种办法将催化剂进行改进，如在催化层上增加无机纳米粒子保水层等方法，但仍然不能避免上述问题。
本发明提供的燃料电池膜电极依次包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层，所述气体扩散层包括导电载体和负载在所述导电载体上的导电剂和粘合剂，其中，所述阳极气体扩散层中的粘合剂为亲水性粘合剂。
本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法包括将含有导电剂和粘合剂的导电浆料涂覆在导电载体上，分别制备阳极气体扩散层和阴极气体扩散层；并分别在阳极气体扩散层和阴极气体扩散层上形成催化层，然后将具有催化剂层的阳极气体扩散层和具有催化剂层的阴极气体扩散层与质子交换膜叠加在一起，或者先在质子交换膜的两个表面分别形成催化层，再将两面均具有催化剂层的质子交换膜与阳极气体扩散层和阴极气体扩散层叠加在一起，其中，用于制备阳极气体扩散层的导电浆料中的粘合剂为亲水性粘合剂。
采用本发明的含亲水性粘合剂的亲水性阳极气体扩散层制备的膜电极制备得到的燃料电池，在电池运行过程中，由于阳极气体扩散层具有亲水性，因此，当反应气体氢和氧在膜电极中的电化学反应过程中所生成的水在渗透作用下，使水从阴极返回到阳极，由于阳极亲水性气体扩散层中的亲水性粘合剂的亲水基团具有良好的浸润性，从而起到对质子交换膜的保水自增湿作用，保证了燃料电池在放电过程中产生的水对膜电极中质子交换膜的充分润湿，非常有利于质子交换膜的水合。与现有技术相比，一方面，本发明所述的自增湿膜电极的制备方法简单易行，无需采用复杂的气体流场，也无需改变催化层、气体扩散层的结构就可以实现对膜电极自增湿作用，简化了燃料电池系统的设计与制造工艺；另一方面，本发明所述自增湿膜电极不需借助增湿辅助系统就能保持膜电极的润湿，并能够维持电堆的正常运行和良好的性能。多余的水则会随尾气排出，避免了电极水淹现象的产生，能够很好的维持燃料电池内部的水平衡；更重要的是，由于本发明的膜电极的自增湿效果良好，因此燃料电池在大电流密度下，电池的输出功率有明显提高。
附图说明
图1为本发明的燃料电池膜电极和参比燃料电池膜电极在不同电流密度下电池输出电压的曲线图。
具体实施方式
本发明提供的膜电极依次包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层，所述阳极或阴极气体扩散层包括导电载体和负载在所述导电载体上的导电剂和粘合剂，其中，所述阳极气体扩散层中的粘合剂为亲水性粘合剂，所述亲水性粘合剂为磺酸树脂和/或氟化磺酸树脂，优选为氟化磺酸树脂，所述氟化磺酸树脂的氟化率为1-100％。所述氟化磺酸树脂中的氢全部被氟取代，则所述氟化磺酸树脂的氟化率为100％，称为全氟磺酸树脂；所述氟化磺酸树脂中的氢部分被氟取代，如有40-60％的氢被氟取代，则所述氟化磺酸树脂称为部分氟化磺酸树脂。所述氟化率的测定方法为本领域技术人员所公知。
上述亲水性粘合剂通常以乳液形式使用，如，可以是所述磺酸树脂和/或氟化磺酸树脂与水或醇形成的乳液。所述醇可以选自本领域常规的各种醇，如异丙醇、乙醇和丙三醇中的一种或几种。该亲水性粘合剂乳液中粘合剂的固含量为1-50重量％，优选为2-35重量％。
更优选情况下，所述亲水性粘合剂为全氟化磺酸树脂，如杜邦公司生产的全氟化磺酸树脂溶液，即Nafion树脂溶液，更优选为该Nafion树脂溶液与醇的混合溶液，所述醇可以是本领域常规的各种醇，如上所述，所述Nafion树脂溶液与醇的重量比没有特别限定，可以为0.2-5。所述Nafion树脂溶液的组成已为本领域技术人员所公知，如，所述Nafion溶液可以为由重量比为1∶15-16∶3-4的Nafion树脂(全氟化树脂)、低级醇(乙醇、丙醇、异丙醇)和水组成。
由于膜电极中的阳极气体扩散层为亲水性气体扩散层，因此，在燃料电池的运行过程中，反应气体氢、氧在膜电极中的电化学反应过程中所生成的水在阳极气体扩散层的作用下，会从阴极渗透返回到阳极而达到水合质子交换膜的作用，而且还可以起到为阳极燃料气进行增湿的作用，从而完成气体及质子的水化。阴极的多余水分会随尾气排出，也避免了阴极发生水淹的危险，从而达到燃料电池内部的水平衡。虽然，通常情况下，催化层也是亲水性的，具有一定的自增湿功能，但是由于催化层较薄，电流密度越大，穿过膜的质子数越多，电渗作用引起的水迁移越多，则会出现水的净迁移，结合水从质子交换膜的阳极侧迁移至阴极侧，导致膜的阳极侧脱水。因此即使催化层是亲水性的也难以达到自增湿的效果。虽然有技术有改进将催化层做成多层或者增加保水层，同样难以达到好的自增湿效果。而本发明将阳极气体扩散层做成亲水性的，亲水性气体扩散层中的亲水基团具有良好的浸润性，从而起到对质子交换膜的保水自增湿作用，因此，它的亲水效果很好。
所述阳极气体扩散层为亲水性气体扩散层，当电流密度增大时，能够保证阳极侧的水量得到补充，使阳极侧补充的水量等于净的水迁移量，因此，在电池工作时，不需要再给阳极的反应气体进行增湿。
所述阳极或阴极气体扩散层中粘合剂和导电剂的重量比为常规的比例，如可以为1∶0.02-15，优选为1∶0.05-10。
所述阴极气体扩散层中的粘合剂为本领域常规的粘合剂，如，可以是聚四氟乙烯、六氟丙烯和聚氟乙烯中的一种或几种；所述阳极气体扩散层和阴极气体扩散层中的导电剂可以选自本领域常规的导电剂，如活性碳、乙炔黑和石墨碳黑中的一种或几种。
根据本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法，所述气体扩散层的制备方法包括将含有导电剂和粘合剂的导电浆料涂覆在导电载体上，得到扩散层其中，用于制备阳极气体扩散层的导电浆料中的粘合剂为亲水性粘合剂，所述亲水性粘合剂可以为磺酸树脂和/或氟化磺酸树脂，优选为氟化磺酸树脂。
上述亲水性粘合剂通常以乳液形式使用，如，可以是磺酸树脂和/或氟化磺酸树脂的水溶液或醇溶液。所述醇可以选自本领域常规的各种醇，如异丙醇、乙醇和丙三醇中的一种或几种。该亲水性粘合剂乳液中粘合剂的固含量为1-50重量％，优选为2-35重量％。
更优选情况下，所述亲水性粘合剂为全氟化磺酸树脂，如杜邦公司生产的全氟化磺酸树脂溶液，即Nafion树脂溶液。更优选为该Nafion树脂溶液与醇的混合溶液。所述醇可以是本领域常规的各种醇，所述Nafion树脂溶液与醇的重量比优选为1-5。所述Nafion溶液已为本领域技术人员所公知，所述Nafion溶液由重量比为1∶15-16∶3-4的Nafion树脂(全氟化树脂)、低级醇(乙醇、丙醇、异丙醇)和水组成。
为了更有利于反应气体的通过与多余反应水的扩散，该方法还包括在涂覆导电剂浆料之前，将导电载体在疏水性粘合剂中浸渍，干燥，并在200-400℃下保温10-60分钟进行疏水处理，所述疏水性粘合剂的种类和使用形式为本领域技术人员所公知，如可以选自聚四氟乙烯、六氟丙烯和聚氟乙烯中的一种或几种；所述疏水性粘结剂优选以它的水乳液的形式使用。
在燃料电池的阴极H+与O2反应生成水通过催化层向扩散层扩散；由于阳极气体扩散层的亲水作用，有部分水会渗透到阳极，多余的水通过阳极催化层，向阳极扩散层扩散，如果扩散层不具有一定的排水能力，大量的水会堆积在扩散层中，阻止阳极的反应气体到达阳极催化层，使催化层中的三相界面的充应不能正常进行。导电载体本身是具有亲水性的，当用疏水性粘合剂乳液如聚四氟乙烯(PTFE)乳液处理导电载体时，PTFE乳液能够浸入大于0.2微米的导电载体的孔内，经热处理后，浸入大孔内的PTFE熔融并在大孔的壁上生成憎水的薄膜，从而构成憎水的反应气体通道。而原导电载体中的微小孔，由于毛细力的作用和载体本身的亲水性，构成反应生成水的通道。因此，优选将导电载体在疏水性粘合剂中浸渍进行疏水处理。
所述导电载体的种类已为本领域技术人员所公知，例如，导电载体可以为碳纸。优选情况下，在将导电载体进行疏水处理之前，将导电载体进行烧结，去除吸附在导电载体中的杂质。烧结的温度为200-500℃，优选为280-400℃；烧结的时间为5-150分钟，优选为10-120分钟。
所述阳极或阴极气体扩散层中导电剂的种类已为本领域技术人员所公知，例如，所述导电剂可以选自活性碳、乙炔黑和石墨碳黑中的一种或几种。
所述阴极气体扩散层中的粘结剂的种类已为本领域技术人员所公知，例如，可以选自聚四氟乙烯、六氟丙烯和聚氟乙烯中的一种或几种。粘结剂优选以它的水乳液的形式使用，粘结剂水乳液中粘结剂的固含量为0.5-60重量％。
所述涂覆在阳极或阴极气体扩散层导电载体上的含有导电剂和粘合剂的导电浆料中还可以并优选含有溶剂，溶剂的种类已为本领域技术人员所公知，例如，溶剂选自水、异丙醇、乙醇和丙三醇中的一种或几种。所述导电剂和粘结剂的用量使阳极或阴极气体扩散层中粘合剂和导电剂的重量比优选为1∶0.05-10，所述溶剂与粘合剂的重量比为常规的比例。其中当粘结剂为水乳液形式时，溶剂的量不包括水乳液中所含的溶剂的量。
可以采用已知的各种方法将导电剂浆料涂覆在导电载体上，例如，将导电载体浸泡在导电剂浆料中2-10次，每次浸泡2-15分钟。将导电剂浆料涂覆在导电载体上之后，还可以进行干燥。干燥的方法优选为将涂覆有导电剂浆料的导电载体晾干，然后在250-380℃的温度下维持10-60分钟，冷却后得到扩散层。
所述催化层包括催化剂和粘合剂，所述催化剂层中的催化剂和粘合剂的种类已为本领域技术人员所公知，例如，催化剂可选自Pt/C催化剂、Pt-Ru/C催化剂、Pt-Cr/C催化剂中的一种或几种。所述粘合剂优选为亲水性粘合剂，如为本发明所述的阳极气体扩散层中的亲水性粘合剂，优选为Nafion溶液，或Nafion溶液的醇溶液或水溶液中的一种，优选为与异丙醇、乙醇和丙三醇中的一种或几种醇形成的醇分散液。所述催化层中催化剂和粘合剂的重量比可以为常规的含量，通常为1∶0.2-0.7。
所述催化层的制备方法可以采用常规的制备方法，如在气体扩散层上或在质子交换膜两侧形成催化层，所述形成催化层的方法包括将含有催化剂和粘合剂的催化剂浆料涂覆在气体扩散层的一侧或者涂覆在质子交换膜的两侧而分别得到阳极催化层和阴极催化层。所述催化剂浆料中的催化剂和粘合剂的用量使催化层中催化剂和粘合剂的重量比优选为1∶0.2-0.7。
催化剂浆料中还可以含有溶剂。所述溶剂的种类和用量已为本领域技术人员所公知，例如，所述溶剂可以选自水、异丙醇、乙醇、丙三醇中的一种或几种。如，所述催化剂与溶剂的重量比可以为1∶1.5-10。其中，溶剂的量不包括粘结剂乳液中所含的溶剂的量。
所述质子交换膜的种类已为本领域技术人员所公知。质子交换膜可以商购得到，例如由杜邦公司出品的Nafion膜，包括Nafion112膜、Nafion115膜、Nafion117膜、Nafion1035膜等。
按照本发明，在制备得到具有催化剂层的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层后与质子交换膜叠加在一起，或者在质子交换膜的两个表面分别形成阳极催化剂层和阴极催化层后再将具有催化剂层的质子交换膜放置在阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的中间并叠加在一起，制备得到燃料电池膜电极。优选情况下，是采用热压的方法将阳极气体扩散层，阳极催化层，质子交换膜，阴极催化层，阴极气体扩散层压制在一起形成燃料电池膜电极，所述热压的方法和条件为本领域技术人员所公知，如，热压的压力为1-13兆帕，优选为2-10兆帕；热压的温度为100-180℃，优选为120-160℃；热压的时间为0.5-6分钟，优选为1-3分钟。
本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法优选包括下列具体步骤：
(1)将含有导电剂和所述亲水性粘结剂的导电剂浆料涂覆在导电载体上，得到阳极气体扩散层；
(2)将含有导电剂和疏水性粘结剂的导电剂浆料涂覆在导电载体上，得到阴极气体扩散层；
(3)将含有催化剂和粘结剂乳液的催化剂浆料分别涂覆在阳极气体扩散层的内表面，分别得到阳极催化层和阴极催化层；
(4)将质子交换膜放置在形成有催化层的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的中间叠加在一起形成膜电极。
但是，本领域技术人员可以理解的是，在制得扩散层之后，可以先在质子交换膜的两层形成催化层，然后在放置在阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的中间叠加在一起。这种情况也包括在本发明所要保护的范围之内。
下面将通过具体实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1
该实施例说明本发明提供的燃料电池膜电极的制备
(1)先将碳纸(TGP-H-90，Toray公司)在400℃下烧结40分钟，然后再浸渍于聚四氟乙烯(PTFE)乳液中(固含量为8重量％)15分钟，然后在常温下干燥，并在360℃下保温30分钟，得到疏水处理后的气体扩散层。
将0.2重量份碳黑(Vulcan XC72R，Cabot公司)、0.5重量份全氟磺酸树脂Nafion树脂溶液(nafion分散液DE520，杜邦公司产品，其中全氟磺酸树脂的固含量为5重量％)、10重量份去离子水混合和2重量份乙醇混合，超声分散30分钟，得到碳分散液，然后将碳分散液涂布在上述气体扩散层上，100℃干燥后碳纸增重量为1毫克/厘米2，然后置于高温烘箱内350℃烘干20分钟，得到阳极气体扩散层；
将0.2重量份碳黑(Vulcan XC72R，Cabot公司)和0.1重量份固含量为60重量％的PTFE乳液(FR303A，上海三爱富新材料股份有限公司)、10重量份去离子水混合，超声分散30分钟，得到碳分散液，然后将碳分散液涂布在碳纸上，100℃干燥后碳纸增重量为1毫克/厘米2，然后置于高温烘箱内350℃烘干20分钟，得到阴极气体扩散层；
(2)将0.2重量份铂担载量为47.7重量％的Pt/C催化剂(Hispec8100，Johnson Matthey公司产品)和2重量份nafion分散液(nafion分散液DE520，杜邦公司产品，其中全氟磺酸树脂的固含量为5重量％)和2重量份异丙醇混合均匀。超声分散30分钟，得到催化剂分散液，然后分别将分散液涂布在阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的内面，直至铂载量达到0.5毫克/厘米2，100℃干燥2小时，分别得到包括催化层的阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极；
(3)将两片上述得到的气体扩散电极裁成5厘米×5厘米的方形，分别夹在面积大于气体扩散电极的nafion膜(NRE212，DUPONT公司产品)的中央两侧，送入热压机130℃、2兆帕热压2分钟，得到膜电极a1。膜电极的活化面积为25厘米2。
实施例2
该实施例说明本发明提供的燃料电池膜电极的制备
按照实施例1的方法制备膜电极，不同的是，在制备阳极气体扩散层时，在将碳纸进行疏水处理并涂布碳分散液时，所述碳分散液中的亲水性粘合剂为0.5重量份Nafion树脂溶液(杜邦公司产品，其中全氟磺酸树脂的固含量为10重量％)。得到膜电极a2。
实施例3
该实施例说明本发明提供的燃料电池膜电极的制备
按照实施例1的方法制备膜电极，不同的是，在制备阳极气体扩散层时，在将碳纸进行疏水处理并涂布碳分散液时，所述碳分散液中的亲水性粘合剂为1重量份Nafion树脂溶液(nafion分散液DE520，杜邦公司产品，其中全氟磺酸树脂的固含量为5重量％)。得到膜电极a3。
对比例1
该对比例说明参比燃料电池膜电极的制备
先将Nafion112膜放入双氧水(质量百分比浓度为4重量％)、去离子水和硫酸溶液(摩尔浓度为1.0摩尔/升)的混合溶液中煮40分钟，然后再放入去离子水中煮40分钟。
按照实施例1的方法配置催化剂浆料，并将催化剂浆料涂布在上述经过处理的质子交换膜的两侧，制备得到亲水型膜电极b1。
对比例2
该对比例说明参比燃料电池膜电极的制备
按照实施例1的方法制备参比膜电极，不同的是，所述阳极气体扩散层的制备与阴极气体扩散层的制备相同，涂布的碳分散液中的粘合剂均为疏水性粘合剂PTFE乳液。制备得到参比膜电极b2。
对比例3
该对比例说明参比燃料电池膜电极的制备
按照CN1581547A公开的实施例1的方法制备参比燃料电池膜电极。制备得到参比膜电极b3。
实施例4-6
下面的实施例说明对将本发明的膜电极制备成燃料电池进行性能测试
(1)用电池隔板将实施例1-3制备得到的膜电极a1-a3夹在中间分别组装成燃料电池A1-A3。
(2)从燃料电池阳极进口通入纯氢气(45℃)，并保持阳极室内压力为0.1兆帕，控制阳极出口氢气流量，保持不同电流密度下，氢气的利用率为95％；从阴极进口通入空气(45℃)，并保持阴极室内压力为0.1兆帕，控制阴极出口空气的流量，保持不同电流密度下，空气利用率为40％，并控制电池温度为50℃。
(3)在电池电流密度为0安培时，测得电池的开路电压为0.98伏，说明电池处于正常状态，然后将一外电源的正极和负极分别与燃料电池的阳极和阴极连通，并在外电源与燃料电池之间串联一个稳流器，闭合外电源开关，调节外电源的电流，使燃料电池放电，调节外电源的电流使燃料电池的电流密度稳定为0.02安培/厘米2，使燃料电池放电20分钟，调节外电源电流使燃料电池的电流密度稳定为0.12安培/厘米2，使燃料电池放电20分钟，然后调节外电源电流使燃料电池的电流密度稳定为0.2安培/厘米2，使燃料电池放电20分钟，然后断开外电源，使燃料电池停止放电，搁置30秒钟，然后使燃料电池的放电电流密度分别再次稳定在0.28安培/厘米2、0.36安培/厘米2、0.44安培/厘米2、0.52安培/厘米2、0.6安培/厘米2和0.68安培/厘米2分别放电10分钟，断开外电源，使燃料电池停止放电，搁置2分钟，然后使燃料电池的放电电流密度分别再次稳定在0.02安培/厘米2、0.12安培/厘米2、0.2安培/厘米2，使燃料电池分别放电20分钟，然后断开外电源，使燃料电池停止放电，搁置30秒钟，然后调节外电源电流使燃料电池的电流密度再次稳定为0.28安培/厘米2、0.36安培/厘米2、0.44安培/厘米2、0.52安培/厘米2、0.6安培/厘米2和0.68安培/厘米2分别放电10分钟，而后电池两端的电压稳定在0.70伏，并保持5分钟无明显变化，完成电池活化。
然后测定上述燃料电池在不同电流密度下的输出电压，测定方法如下：将燃料电池与一外电源连接，并在该电路上串联一个稳流器，闭合外电源开关，调节外电源的电流，使电池开始放电，控制电池的工作温度为50℃，放电一段时间后，当电池的输出电压稳定后，记录为初始电压，然后改变电池的放电电流密度，记录电池在不同放电电流密度下的输出电压。结果如图1所示。
对比例4-6
本对比例说明对现有技术的参比膜电极制备成燃料电池进行性能测试
按照实施例4-6的方法测定将对比例1-3的膜电极制备成参比燃料电池B1-B3，并测定在不同电流密度下的输出电压，并计算电池在不同电流密度下的电池的输出功率。结果如图1所示。
从上图1中可以看出，将本发明的膜电极a1、a2和a3与参比膜电极b1、b2和b3分别制备成燃料电池后，在相同的大电流密度下放电，本发明提供膜电极制备的燃料的放电电压均明显高于参比电池，说明本发明提供的燃料电池在大电流密度放电下，电池的输出功率高，因此说明，本发明的燃料电池膜电极的自增湿效果良好。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜电极，该膜电极依次包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层，所述气体扩散层包括导电载体和负载在所述导电载体上的导电剂和粘合剂，其特征在于，所述阳极气体扩散层中的粘合剂为亲水性粘合剂。
2.根据权利要求1所述的膜电极，其中，所述阴极气体扩散层中的粘合剂选自聚四氟乙烯、六氟丙烯和聚氟乙烯中的一种或几种；所述阳极气体扩散层或阴极气体扩散层中的导电剂选自活性碳、乙炔黑和石墨碳黑中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的膜电极，其中，所述催化层包括催化剂和粘合剂，所述催化剂选自Pt/C催化剂、Pt-Ru/C催化剂和Pt-Cr/C催化剂中的一种或几种；所述粘合剂为亲水性粘合剂。
4.根据权利要求1或3所述的膜电极，其中，所述亲水性粘合剂为磺酸树脂和/或氟化磺酸树脂，所述氟化磺酸树脂的氟化率为1-100％。
5.根据权利要求1所述的膜电极，其中，所述质子交换膜选自Nafion115、Nafion112、Nafion117或Nafion1035中的一种。
6.权利要求1所述燃料电池膜电极的制备方法，该方法包括将含有导电剂和粘合剂的导电浆料涂覆在导电载体上，分别制备阳极气体扩散层和阴极气体扩散层；并分别在阳极气体扩散层和阴极气体扩散层上形成催化层，然后将具有催化剂层的阳极气体扩散层和具有催化剂层的阴极气体扩散层与质子交换膜叠加在一起，或者先在质子交换膜的两个表面分别形成催化层，再将两面均具有催化剂层的质子交换膜与阳极气体扩散层和阴极气体扩散层叠加在一起，其特征在于，用于制备阳极气体扩散层的导电浆料中的粘合剂为亲水性粘合剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，用于制备阴极气体扩散层的导电浆料中的粘合剂选自聚四氟乙烯、六氟丙烯和聚氟乙烯中的一种或几种；用于制备阳极气体扩散层或阴极气体扩散层的导电浆料中的导电剂选自活性碳、乙炔黑和石墨碳黑中的一种或几种。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述催化层包括催化剂和粘合剂，所述催化剂选自Pt/C催化剂、Pt-Ru/C催化剂和Pt-Cr/C催化剂中的一种或几种；所述粘合剂为亲水性粘合剂。
9.根据权利要求6或8所述的方法，其中，所述亲水性粘合剂为磺酸树脂和/或氟化磺酸树脂，所述氟化磺酸树脂的氟化率为1-100％。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，该方法还包括在涂覆导电剂浆料之前，将导电载体与疏水性粘合剂接触，进行疏水处理，所述疏水性粘合剂选自聚四氟乙烯、六氟丙烯和聚氟乙烯中的一种或几种。
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