CN110534780A - 质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，在质子交换膜的两面分别涂覆上Pt/C催化剂层制得CCM膜半成品，在CCM膜半成品的阳极面的四周边缘均涂覆上抗反极浆料层；抗反极浆料的配制工艺具体为：将抗反极物质加入至去离子水中混合均匀形成混合溶液，将有机溶剂与质子交换膜树脂溶液的混合液加入至混合溶液中混合均匀制得抗反极浆料，抗反极浆料的固含量控制为1％～4％，抗反极物质为铱、铷、锡、钴金属及其金属氧化物中的一种或多种，有机溶剂为乙醇、异丙醇、叔丁醇、正丙醇中的一种或多种。本发明方法工艺简单，可降低燃料电池在运行过程中反极现象的发生概率，减少穿孔现象。

Description

质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。
背景技术
燃料电池在实际运行过程中，不可避免的会出现各种操作工况，在电池启停过程中，尤其是大电流瞬间加载状态下，因气体分布不合理、供气滞后等原因使得膜电极各区域存在短暂的工况异常，催化剂局部及表面易发生电压骤降甚至反极现象，尤其在膜电极边缘处，为多界面接触点，供气不足的情况更易发生，极易发生反极现象，影响燃料电池稳定性及寿命，情况严重时会造成膜电极穿孔，导致整块膜电极报废。针对反极现象，目前主要还是集中在建模分析方面，也有少量针对该现象进行的改进方法，主要是对常规Pt/C催化剂进行改性优化，起到加快电池响应，缓解工况响应差异的目的，此类方法增加了催化剂的制备难度，进而增加膜电极成本，且未能对边缘膜穿孔现象产生显著的改善。
发明内容
本发明旨在提供一种工艺简单、可降低燃料电池在运行过程中反极现象的发生概率、减少穿孔现象的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。
本发明通过以下方案实现：
一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，在质子交换膜的两面分别涂覆上Pt/C催化剂层制得CCM膜半成品，在所述CCM膜半成品的阳极面的四周边缘均涂覆上抗反极浆料层；抗反极浆料的配制工艺具体为：将抗反极物质加入至去离子水中混合均匀形成混合溶液，将有机溶剂与质子交换膜树脂溶液的混合液加入至混合溶液中混合均匀制得抗反极浆料，所述抗反极浆料的固含量控制为1％～4％，所述抗反极物质为铱、铷、锡、钴金属及其金属氧化物中的一种或多种，所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、叔丁醇、正丙醇中的一种或多种。CCM膜半成品的制备方法按现有工艺进行，其使用的Pt/C催化剂浆料的配制方法也按现有工艺进行。抗反极物质一般采用纳米级材料。涂覆抗反极浆料层可采用超声喷涂法、涂布法等，温度控制在70～85℃。
进一步地，所述抗反极浆料中，抗反极物质与质子交换膜树脂的质量比为5～3：1，有机溶剂与去离子水的质量比为5～1：1～3。质子交换膜树脂溶液的质量浓度一般为5～20％。
进一步地，所述抗反极浆料层的宽度为2～10mm，所述抗反极浆料层中的抗反极物质载量为0.01～0.05mg/cm2。
进一步地，所述CCM膜半成品的阴极面的Pt载量控制为0.2～0.4mg/cm2，所述CCM膜半成品的阳极面的Pt载量控制为0.05～0.15mg/cm2。
本发明的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，工艺简单，通过在CCM膜半成品即现有工艺制成的CCM膜的阳极面四周边缘涂覆一定宽度的抗反极浆料层，使得CCM膜边缘为双层结构，且抗反极浆料中使用的抗反极物质为具有良导电性的过渡金属及其氧化物，具有良好的催化活性和耐腐蚀性能，能有效减小膜电极边缘电位差，降低燃料电池在运行过程中反极现象的发生概率，进而减少穿孔现象发生，提高了电池稳定性，延长电池使用寿命。本方法的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，操作简单，不需要对常用Pt/C催化剂进行全部改性，抗反极浆料的用量少，不需增加很多成本，就可明显改善燃料电池的反极及穿孔现象。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例之表述。
实施例1
一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，按以下步骤进行：
(a)制备CCM膜半成品：按现有工艺配制好Pt/C催化剂浆料，将Pt/C催化剂浆料按现有工艺分别喷涂在质子交换膜的两面分别形成Pt/C阴阳极催化剂层，制得5cm×5cm的CCM膜半成品，CCM膜半成品的阴极面的Pt载量控制为0.35mg/cm2，CCM膜半成品的阳极面的Pt载量控制为0.1mg/cm2；
(b)配制抗反极浆料：将二氧化铷RnO2加入至去离子水中磁力搅拌0.5h形成混合溶液，异丙醇与质量含量为10％的质子交换膜树脂溶液磁力搅拌0.5h形成混合液，二氧化铷RnO2与质子交换膜树脂的质量比为3：1，异丙醇与去离子水的质量比为3：1，将前述混合液加入至混合溶液中超声分散、磁力搅拌交替进行制得抗反极浆料，该交替过程中，超声分散累计1.5小时，磁力搅拌累计24小时，抗反极浆料的固含量控制为1％；
(c)选择合适的模板，将模板覆盖在步骤(a)制得的CCM膜半成品阳极面的中间位置上，CCM膜半成品阳极面的四周均留出5mm未被模板覆盖，之后将步骤(b)制得的抗反极浆料采用超声喷涂法喷涂在CCM膜半成品阳极面的四周未被模板覆盖部分，喷涂温度控制为80℃，铷金属载量控制为0.015mg/cm2，最终制得质子交换膜燃料电池膜电极CCM。
实施例2
一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其步骤与实施例1中的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法的步骤基本相同，其不同之处在于：
1、步骤(a)中，CCM膜半成品的尺寸为8cm×8cm，CCM膜半成品的阴极面的Pt载量控制为0.4mg/cm2，CCM膜半成品的阳极面的Pt载量控制为0.15mg/cm2；
2、步骤(b)中，抗反极物质为三氧化二钴Co2O3，有机溶剂为乙醇，质子交换膜树脂溶液的质量浓度为20％，三氧化二钴Co2O3与质子交换膜树脂的质量比为5：1，乙醇与去离子水的质量比为5：1，抗反极浆料的固含量控制为4％；
3、步骤(c)中，CCM膜半成品阳极面的四周均留出10mm未被模板覆盖，喷涂温度控制为70℃，钴金属载量控制为0.05mg/cm2。
实施例3
一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其步骤与实施例1中的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法的步骤基本相同，其不同之处在于：
1、步骤(a)中，CCM膜半成品的尺寸为10cm×10cm，CCM膜半成品的阴极面的Pt载量控制为0.2mg/cm2，CCM膜半成品的阳极面的Pt载量控制为0.05mg/cm2；
2、步骤(b)中，抗反极物质为二氧化铱IrO2，有机溶剂为正丙醇，质子交换膜树脂溶液的质量浓度为25％，二氧化铱IrO2与质子交换膜树脂的质量比为4：1，正丙醇与去离子水的质量比为1：1，抗反极浆料的固含量控制为2％；
3、步骤(c)中，CCM膜半成品阳极面的四周均留出10mm未被模板覆盖，喷涂温度控制为85℃，铱金属载量控制为0.02mg/cm2。
实施例4
一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其步骤与实施例1中的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法的步骤基本相同，其不同之处在于：
1、步骤(a)中，CCM膜半成品的阴极面的Pt载量控制为0.3mg/cm2，CCM膜半成品的阳极面的Pt载量控制为0.12mg/cm2；
2、步骤(b)中，抗反极物质为二氧化锡SnO2，有机溶剂为叔丁醇，质子交换膜树脂溶液的质量浓度为5％，二氧化锡SnO2与质子交换膜树脂的质量比为2.5：1，正丙醇与去离子水的质量比为1：1，抗反极浆料的固含量控制为1.5％；
3、步骤(c)中，CCM膜半成品阳极面的四周均留出2mm未被模板覆盖，锡金属载量控制为0.02mg/cm2。

Claims (4)

1.一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：在质子交换膜的两面分别涂覆上Pt/C催化剂层制得CCM膜半成品，在所述CCM膜半成品的阳极面的四周边缘均涂覆上抗反极浆料层；抗反极浆料的配制工艺具体为：将抗反极物质加入至去离子水中混合均匀形成混合溶液，将有机溶剂与质子交换膜树脂溶液的混合液加入至混合溶液中混合均匀制得抗反极浆料，所述抗反极浆料的固含量控制为1％～4％，所述抗反极物质为铱、铷、锡、钴金属及其金属氧化物中的一种或多种，所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、叔丁醇、正丙醇中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述抗反极浆料中，抗反极物质与质子交换膜树脂的质量比为5～3：1，有机溶剂与去离子水的质量比为5～1：1～3。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述抗反极浆料层的宽度为2～10mm，所述抗反极浆料层中的金属载量为0.01～0.05mg/cm2。
4.如权利要求1～3任一所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述CCM膜半成品的阴极面的Pt载量控制为0.2～0.4mg/cm2，所述CCM膜半成品的阳极面的Pt载量控制为0.05～0.15mg/cm2。
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