CN106159304A - 一种质子交换膜燃料电池电堆及其制备方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池电堆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池电堆，它是由多个堆叠在一起的电池单元经前端板、后端板压紧后，用螺杆栓紧形成的质子交换膜燃料电池电堆；所述的电池单元包括：膜电极组件，二片压制有流场的金属双极板，所述的膜电极组件封装在两片金属双极板的内侧；所述的膜电极组件是由有以下方法制成的：在阴极电极和阳极电极的两端分别设有沟槽，将阴极电极、质子交换膜和阳极电极依次叠加，沟槽内放入密封圈进行线密封，再热压制成的。本发明还公开了质子交换膜燃料电池电堆的制备方法。本发明采用线密封，电池组组装压力小，密封件变形小，简化了电池结构，和传统面密封相比具有更高的效率和更长的使用寿命。

Description

一种质子交换膜燃料电池电堆及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池电堆及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，以空气为氧化剂，将氢气中的化学能直接转化成电能的发电装置，具有能量利用率高，环境友好，有广阔的发展前景。燃料电池每个单元电池由带流场的阴阳极板，中间夹有膜电极组件组成，各单元之间嵌入密封件，交替叠加组成多节电池的电堆。多个单元叠加组成时，采用定位机构，确保电池组内的双极板，MEA(膜电极组件)无相对位移，组装过程确保电池组密封良好。
设计组装电池组既要确保电池组具有良好的密封，又要保证膜电极组件与双极板接触良好，减少接触电阻。确保膜电极有0.1-0.2mm的压深，使电池组内各密封件均匀不被压缩，使电池处于良好的密封。传统的组装采用面密封，电池组组装压力大，橡胶材料随电池组运行，长时间后密封件变形，老化，电池效率降低，变差。
发明内容
本发明的目的在于现有技术中的不足，提供一种质子交换膜燃料电池膜电极及电堆及其制备。
为实现上述目的本发明采用的技术方案为：
一种质子交换膜燃料电池电堆，它是由多个堆叠在一起的电池单元经前端板、后端板压紧后，用螺杆栓紧形成的质子交换膜燃料电池电堆；
所述的电池单元包括：膜电极组件，二片压制有流场的金属双极板，所述的膜电极组件封装在两片金属双极板的内侧，每块金属双极板与膜电极组件接触的表面至少有一条流道形成一个电池单元的发电模块；
所述的膜电极组件是由有以下方法制成的：在阴极电极和阳极电极的两端分别设有沟槽，将阴极电极、质子交换膜和阳极电极依次叠加，沟槽内放入密封圈进行线密封，再热压制成的；所述的阴极电极是由气体扩散层和阴极催化剂负载在气体扩散层上形成的阴极催化剂层组成的，所述的阳极电极是由气体扩散层和阳极催化剂负载在气体扩散层上形成的阳极催化剂层组成的；每个膜电极组件上开有反应气体与冷却剂流通的共用通道。所述的密封圈的材料为本领域技术人员的公知常识，采用橡胶或低温可固化的胶。
所述的气体扩散层是由以下制备方法制得的：碳纸或炭布用5～10％PTFE(聚四氟乙 烯)乳液浸泡，在330～370℃烘干；碳粉：水：醇：5～10％PTFE乳液按质量比1：5：20：0.33～1混合，超声波分散制成混合物，将制得的上述混合物负载到前述处理过的碳纸或炭布上形成负载量为2～5mg/cm2的微孔层，自然干燥后在330～370℃先干燥20～60分钟形成气体扩散层；
所述的阴极催化剂层是由以下制备方法制得的：将阴极催化剂混合物负载在气体扩散层上得到阴极催化剂层，阴极催化剂负载量2～6mg/cm2，阴极催化剂层的厚度为10～200微米；所述的阴极催化剂为Pt/石墨烯；
所述的阳极催化剂层是由以下制备方法制得：将阳极催化剂混合物负载在气体扩散层上得到阳极催化剂层，阳极催化剂负载量2～6mg/cm2，阳极催化剂层的厚度为10～200微米；所述的阳极催化剂为PtRu/石墨烯或PtRu/C。
优选的，所述的气体扩散层是由以下制备方法制得的：碳纸或炭布用5％PTFE乳液浸泡，在330～340℃烘干；碳粉：水：醇：5％PTFE乳液按质量比1：5：20：0.33～1混合，超声波分散制成混合物，将前述经过处理的碳纸或炭布放到上述混合物中，超声波振荡，将混合物均匀负载到碳纸或炭布上形成负载量为3mg/cm2的微孔层，自然干燥后在330～340℃先干燥30分钟形成气体扩散层。
PTFE乳液润湿碳纸或炭布，浸泡时间一般为30～60分钟，甚至更长，以碳纸或炭布充分浸泡为止，碳纸或炭布负载碳粉、水、醇和PTFE混合物得到微孔层，目的是防止碳粉、PTFE聚集成大粒径，分散均匀，利于制备良好催化剂。
负载量是指碳粉和PTFE在碳纸或炭布上的负载量，水和醇在干燥时都挥发掉。
所述的阴极催化剂混合物是由阴极催化剂、水、全氟磺酸树脂溶液与醇按照1g：5g：0.33～1g：20ml的比例混合，超声分散得到的；所述的全氟磺酸树脂溶液的质量分数是5％～10％。
所述的阳极催化剂混合物是由阳极催化剂、水、全氟磺酸树脂溶液与醇按照1g：5g：0.33～1g：20ml的比例混合，超声分散制成乳液；所述的全氟磺酸树脂溶液的质量分数是5％～10％。
所述的热压温度为60～200℃，热压的压力为0.1～10MPa，热压时间为1～10分钟。
所述的热压温度优选为125～135℃，压力优选为3～5MPa，热压时间优选为2～3分钟。
所述的质子交换膜为全氟磺酸型质子交换膜Nafion115、Nafion112、Nafion117、Nafion1035中的一种。
所述的醇为乙醇、乙二醇、异丙醇中的一种。
所述的阴极催化剂Pt/石墨烯是由以下制备方法制得的：
(1)、氧化石墨烯粉末加入多元醇中，超声分散得到氧化石墨烯醇溶液，所述的氧化石墨烯粉末和多元醇的质量体积比为0.5～1mg：1ml；取0.05～0.06mol/L的氯铂酸水溶液置于多元醇得到氯铂酸醇溶液；将上述制得的氧化石墨烯醇溶液和氯铂酸醇溶液混合，超声分散，混合溶液中氧化石墨烯和氯铂酸的用量比为390～2000g：1mol；
(2)、步骤(1)制得的混合溶液中加入碱溶液调节pH至8～12，转移至微波反应釜中，180～250W微波功率加热至80～180℃反应5～25min；反应液冷却，真空过滤；滤饼用有机溶剂和去离子水交替洗涤至滤液pH中性，再在60～90℃干燥至恒重，得到以氧化石墨烯为载体、以Pt为活性成分的Pt/石墨烯电催化剂。
本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池电堆的制备方法，包括以下步骤：
(1)、制备膜电极组件：在阴极电极和阳极电极的两端分别设有沟槽，将阴极电极、质子交换膜和阳极电极依次叠加，沟槽内放入密封圈进行线密封，再进行热压；所述的热压温度为60～200℃，热压的压力为0.1～10MPa，热压时间为1～10分钟；
其中，所述的阴极电极是由气体扩散层和阴极催化剂负载在气体扩散层上形成的阴极催化剂层组成的，所述的阳极电极是由气体扩散层和阳极催化剂负载在气体扩散层上形成的阳极催化剂层组成的；
所述的气体扩散层是由以下制备方法制得的：碳纸或炭布用5～10％PTFE乳液浸泡，在330～370℃烘干；碳粉：水：醇：5～10％PTFE乳液按质量比1：5：20：0.33～1混合，超声波分散制成混合物，将制得的上述混合物负载到前述处理过的碳纸或炭布上形成负载量为2～5mg/cm2的微孔层，自然干燥后在330～370℃先干燥20～60分钟形成气体扩散层；
所述的阴极催化剂层是由以下制备方法制得的：将阴极催化剂混合物负载在气体扩散层上得到阴极催化剂层，阴极催化剂负载量2～6mg/cm2，阴极催化剂层的厚度为10～200微米；所述的阴极催化剂为Pt/石墨烯；
所述的阳极催化剂层是由以下制备方法制得：将阳极催化剂混合物负载在气体扩散层上得到阳极催化剂层，阳极催化剂负载量2～6mg/cm2，阳极催化剂层的厚度为10～200微米；所述的阳极催化剂为PtRu/石墨烯或PtRu/C。
(2)、将膜电极组件封装在两片金属双极板的内侧形成电池单元；
(3)、将多个电池单元顺序叠加，堆叠在一起的电池单元经前端板、后端板压紧后，用螺杆栓紧形成的质子交换膜燃料电池电堆。
本发明的有益效果：
本发明采用线密封，电池组组装压力小，密封件变形小，简化了电池结构。同时采用石墨烯为原料制备电催化剂，以该电催化剂作为阴极催化剂制备得到的膜电极，再进一步制得电池单元，由多个电池单元组装的质子交换膜燃料电池电堆的电压0.65～0.75V，电流密度：400～410mA/cm2，寿命：5000～6000小时，和传统面密封相比具有更高的效率和更长的使用寿命。
附图说明
图1是本发明质子交换膜燃料电池电堆的结构示意图。
图2是电池单元的线密封示意图。
具体实施方式
实施例1
一种质子交换膜燃料电池电堆，它是由多个堆叠在一起的电池单元经前端板1、后端板2压紧后，用螺杆穿过前、后端板的固定孔5栓紧，紧固栓平形成电堆；所述的电池单元包括：膜电极组件3，二片压制有流场的金属双极板4，所述的膜电极组件3封装在两片金属双极板4的内侧，每片金属双极板4与膜电极组件3接触的表面至少有一条流道(本实施例金属双极板4设有4条流道)形成一个电池单元的发电模块。其具体制备方法包括如下步骤：
(1)、制备膜电极组件：a、制备气体扩散层：碳纸用5％PTFE乳液浸泡多少时间，在340℃烘干，再进行平整处理；称取1gXC-72碳粉、5ml去离子水、20ml乙二醇加入到1g5％PTFE乳液，超声分散，形成墨水状混合物；将经过处理的碳纸放到墨水状混合物中，超声波振荡，将墨水状混合物均匀地负载到碳纸上形成负载量为3mg/cm2的微孔层，自然干燥后在340℃先干燥30分钟形成气体扩散层，制得的两片气体扩散层分别作为阴极气体扩散层和阳极气体扩散层；b、制备阴极电极：称取0.56g Pt/石墨烯、2.80ml去离子水、0.56g质量分数5％的Nafion全氟磺酸树脂溶液和11.2ml异丙醇搅拌，超声分散，得浆状混合物；取其中一片气体扩散层作为阴极气体扩散层，将浆状混合物负载到阴极气体扩散层上，负载量为6mg/cm2得阴极催化剂层，厚度100微米；阴极气体扩散层和阴极催化剂层组成阴极电极。其中Pt/石墨烯是由以下方法制备得到的：称取350mg氧化石墨烯粉末，置于400mL乙二醇中超声波振荡，得混合均匀的氧化石墨烯醇溶液；量取0.06mol/L氯铂酸6mL，置于20mL的乙二醇中，搅拌均匀得到氯铂酸醇溶液；混合上述两种溶液，搅拌下加入5％KOH溶液，调节pH＝12，搅拌20min，然后放入微波反应釜中，微波功率180W，温度120℃， 加热8min，反应完毕，冷却至室温；反应液真空过滤，滤饼用丙酮和无离子水交替洗涤，分别洗涤5次至滤液pH＝7，然后在真空干燥箱内60℃干燥5小时至恒重，得以氧化石墨烯为载体、以Pt为活性成分的Pt/石墨烯纳米电催化剂，Pt的负载量约20％。c、制备阳极电极：称取0.57g PtRu/石墨烯、2.85ml去离子水、0.57g质量分数5％的Nafion全氟磺酸树脂溶液和11.4ml乙二醇搅拌，超声分散，得浆状混合物；取其中一片气体扩散层作为阴极气体扩散层，将浆状混合物负载在阳极气体扩散层上得到阳极催化剂层，负载量4mg/cm2，厚度为100微米；PtRu/石墨烯中PtRu的负载量，阳极气体扩散层和阳极催化剂层组成阳极电极；d、在阴极电极31和阳极电极32的两端分别设有沟槽6，将阴极电极31、质子交换膜33(所述的质子交换膜为全氟磺酸型质子交换膜Nafion115)和阳极电极32依次叠加，沟槽6内放入密封圈进行线密封，再在热压机内于130℃、4MPa热压3分钟制成膜电极组件3；
(2)、将膜电极组件3封装在两片压制有流场的金属双极板4的内侧形成电池单元；
(3)、将多个电池单元顺序叠加，堆叠在一起的电池单元经前端板、后端板压紧后，用螺杆栓紧形成的质子交换膜燃料电池电堆。
本实施例制得的质子交换膜燃料电池电堆在SUN-FTP500燃料电池测试平台上进行电池性能测试，通过实验室测定不同温度，气体不同流速，控制单个电池或电堆的工作温度，各种温度、压力测量仪表、电流、电压仪表均采用传感器，并与计算机相连，记录处理和控制，采用电子负载，并有计算机按预定试验程序进行实验，进行电池或电堆的伏安曲线测定与寿命考核。测试数据如下：电压：0.65～0.75v；电流密度：400～410mA/cm2；寿命：5000～6000h。
采用传统的面密封组装质子交换膜燃料电池电堆，其他均同本发明实施例1，对面装组电池电堆进行电池性能测试，测试数据如下：电压：0.55～0.60v；电流密度：300～350mA/cm2；寿命：3000～5000h。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：它是由多个堆叠在一起的电池单元经前端板、后端板压紧后，用螺杆栓紧形成的质子交换膜燃料电池电堆；
所述的电池单元包括：膜电极组件，二片压制有流场的金属双极板，所述的膜电极组件封装在两片金属双极板的内侧，每块金属双极板与膜电极组件接触的表面至少有一条流道；
所述的膜电极组件是由有以下方法制成的：在阴极电极和阳极电极的两端分别设有沟槽，将阴极电极、质子交换膜和阳极电极依次叠加，沟槽内放入密封圈进行线密封，再热压制成；所述的阴极电极是由气体扩散层和阴极催化剂负载在气体扩散层上形成的阴极催化剂层组成的，所述的阳极电极是由气体扩散层和阳极催化剂负载在气体扩散层上形成的阳极催化剂层组成的；
所述的气体扩散层是由以下制备方法制得：碳纸或炭布用5～10％PTFE乳液浸泡，在330～370℃烘干，将由碳粉、水、醇和PTEF乳液制成的混合物负载到处理过的碳纸或炭布上形成负载量为2～5mg/cm2的微孔层，自然干燥后在330～370℃先干燥20～60分钟形成气体扩散层；
所述的阴极催化剂层是由以下制备方法制得：将阴极催化剂混合物负载在气体扩散层上得到阴极催化剂层，Pt负载量2～6mg/cm2，优选为4～6mg/cm2，阴极催化剂层的厚度为10～200微米；所述的阴极催化剂为Pt/石墨烯；
所述的阳极催化剂层是由以下制备方法制得：将阳极催化剂混合物负载在气体扩散层上得到阳极催化剂层，PtRu负载量2～6mg/cm2，优选为2～4mg/cm2，阳极催化剂层的厚度为10～200微米；所述的阳极催化剂为PtRu/石墨烯或PtRu/C；
所述的热压温度为60～200℃，热压的压力为0.1～10MPa，热压时间为1～10分钟。
2.根据权利要求书1所述的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：碳纸或炭布用5％PTFE乳液浸泡，在330～340℃烘干；由碳粉、水、醇和PTEF乳液超声分散制成混合物，将经过处理的碳纸或炭布放到墨水状混合物中，超声波振荡，将混合物均匀地负载到处理过的碳纸或炭布上形成负载量为3mg/cm2的微孔层，自然干燥后在330～340℃干燥30分钟形成气体扩散层。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述的阴极催化剂混合物是由阴极催化剂、水、全氟磺酸树脂溶液与醇按照1g：5g：0.33～1g：20ml的比例混合，超声分散得到的；所述的全氟磺酸树脂溶液的质量分数是5％～10％。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述的阳极催化剂混合物是由阳极催化剂、水、全氟磺酸树脂溶液与醇按照1g：5g：0.33～1g：20ml的比例混合，超声分散制成乳液；所述的全氟磺酸树脂溶液的质量分数是5％～10％。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述的热压温度为125～135℃，压力为3～5MPa，热压时间为2～3分钟。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述的质子交换膜为全氟磺酸型质子交换膜Nafion115、Nafion112、Nafion117、Nafion1035中的一种；
所述的醇为乙醇、乙二醇、异丙醇中的一种。
7.一种质子交换膜燃料电池电堆的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、制备膜电极组件：在阴极电极和阳极电极的两端分别设有沟槽，将阴极电极、质子交换膜和阳极电极依次叠加，沟槽内放入密封圈进行线密封，再进行热压；所述的热压温度为60～200℃，热压的压力为0.1～10MPa，热压时间为1～10分钟；
(2)、将膜电极组件封装在两片金属双极板的内侧形成电池单元；
(3)、将多个电池单元顺序叠加，堆叠在一起的电池单元经前端板、后端板压紧后，用螺杆栓紧形成的质子交换膜燃料电池电堆。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池电堆的制备方法，其特征在于所述的阴极电极是由气体扩散层和阴极催化剂负载在气体扩散层上形成的阴极催化剂层组成的，所述的阳极电极是由气体扩散层和阳极催化剂负载在气体扩散层上形成的阳极催化剂层组成的；
所述的气体扩散层是由以下制备方法制得的：碳纸或炭布用5～10％PTFE乳液浸泡，在330～370℃烘干；碳粉：水：醇：5～10％PTFE乳液按质量比1：5：20：0.33～1混合，超声波分散制成混合物，将制得的上述混合物负载到前述处理过的碳纸或炭布上形成负载量为2～5mg/cm2的微孔层，自然干燥后在330～370℃先干燥20～60分钟形成气体扩散层；
所述的阴极催化剂层是由以下制备方法制得的：将阴极催化剂混合物负载在气体扩散层上得到阴极催化剂层，阴极催化剂负载量2～6mg/cm2，阴极催化剂层的厚度为10～200微米；所述的阴极催化剂为Pt/石墨烯；
所述的阳极催化剂层是由以下制备方法制得：将阳极催化剂混合物负载在气体扩散层上得到阳极催化剂层，阳极催化剂负载量2～6mg/cm2，阳极催化剂层的厚度为10～200微米；所述的阳极催化剂为PtRu/石墨烯或PtRu/C。
9.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池电堆的制备方法，其特征在于所述的阴极催化剂混合物是由阴极催化剂、水、全氟磺酸树脂溶液与醇按照1g：5g：0.33～1g：20ml的比例混合，超声分散得到的；所述的全氟磺酸树脂溶液的质量分数是5％～10％；
所述的阳极催化剂混合物是由阳极催化剂、水、全氟磺酸树脂溶液与醇按照1g：5g：0.33～1g：20ml的比例混合，超声分散制成乳液；所述的全氟磺酸树脂溶液的质量分数是5％～10％。
10.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池电堆的制备方法，其特征在于所述的热压温度为125～135℃，压力为3～5MPa，热压时间为2～3分钟；
所述的质子交换膜为全氟磺酸型质子交换膜Nafion115、Nafion112、Nafion117、Nafion1035中的一种；
所述的醇为乙醇、乙二醇、异丙醇中的一种。
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