一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法，包括：配制陽極和陰極催化劑漿料，將陽極和陰極催化劑漿料分別負(fù)載于氣體擴(kuò)散層微孔層之上，干燥至溶劑全部揮發(fā)后煅燒，制得陽極

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法


[0001]本專利技術(shù)屬于燃料電池
，特別涉及一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法
。

技術(shù)介紹

[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池由于其啟動快
、
功率密度高
、
清潔無污染特性備受關(guān)注
。
高溫質(zhì)子交換膜燃料電池
(HT
?
PEMFCs)
由于在
120
?
200℃
溫度下工作，解決了低溫質(zhì)子交換膜燃料電池
(LT
?
PEMFCs)
水熱管理復(fù)雜
、
鉑基催化劑易中毒失效的問題，簡化電極界面管理，催化劑抗
CO
中毒能力，使甲醇重整制氫與燃料電池發(fā)電一體化產(chǎn)品技術(shù)成為可能，高溫質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)成為行業(yè)研究熱點(diǎn)
。
[0003]基于酸摻雜聚苯并咪唑膜的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極，聚苯并咪唑膜以及電極催化層都需要一定量的酸以保證較高的質(zhì)子傳導(dǎo)能力
。
傳統(tǒng)的高溫質(zhì)子交換膜膜電極采用氣體擴(kuò)散電極
(GDE)
工藝，
GDE
工藝是將催化劑分布于氣體擴(kuò)散層，然后與摻雜磷酸后的質(zhì)子交換膜疊合壓制成為膜電極的制備手段
。GDE
工藝可以制備催化層較厚與載量較高的電極，但催化劑利用率較低，氣體擴(kuò)散電極與質(zhì)子交換膜界面接觸靠外部壓力，電化學(xué)反應(yīng)三相界面構(gòu)建較為困難且難以穩(wěn)定存在
。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本專利技術(shù)人進(jìn)行了銳意研究，提供了一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法，有效降低界面電阻，構(gòu)建電化學(xué)反應(yīng)界面，提高催化劑的利用率，在維持膜電極性能的同時(shí)降低催化劑鉑載量
。
[0005]本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案如下：
[0006]第一方面，一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，包括如下步驟：
[0007]配制陽極催化劑漿料，將陽極催化劑漿料負(fù)載于氣體擴(kuò)散層的微孔層上，然后干燥至溶劑全部揮發(fā)，干燥后經(jīng)煅燒處理，制得陽極
GDE
；
[0008]配制陰極催化劑漿料，將陰極催化劑漿料負(fù)載于氣體擴(kuò)散層的微孔層上，然后干燥至溶劑全部揮發(fā)，干燥后經(jīng)煅燒處理，制得陰極
GDE
；
[0009]取聚苯并咪唑粉末加入極性非質(zhì)子溶劑中溶解，將陰極
GDE
以催化層朝上鋪展于涂覆平臺上，在催化層表面涂覆聚苯并咪唑溶液，然后干燥揮發(fā)溶劑，制得陰極
MGDE
；將聚苯并咪唑膜一側(cè)浸漬于磷酸中，得到磷酸摻雜的陰極
MGDE
；
[0010]將陽極
GDE
和磷酸摻雜的陰極
MGDE
疊合，經(jīng)熱壓并冷卻后得到陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極
。
[0011]第二方面，一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極，通過第一方面所述的一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法制得
。
[0012]第三方面，一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池單電池，采用第二方面所述的一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極
。
[0013]第四方面，一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池，采用第二方面所述的一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極
。
[0014]根據(jù)本專利技術(shù)提供的一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法，具有以下有益效果：
[0015]本專利技術(shù)提出的一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，增大了陰極催化層與質(zhì)子交換膜之間的接觸面積，有效降低界面電阻，從而有效構(gòu)建電化學(xué)反應(yīng)界面，提高催化劑的利用率，最終在維持膜電極性能的同時(shí)降低催化劑鉑載量
。
附圖說明
[0016]圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例1所得膜電極的單電池性能測試與對比例1高溫膜電極性能測試結(jié)果對比；
[0017]圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例2所得膜電極的單電池性能測試與對比例1高溫膜電極性能測試結(jié)果對比；
[0018]圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例3所得膜電極的單電池性能測試與對比例2高溫膜電極性能測試結(jié)果對比；
[0019]圖4為本專利技術(shù)實(shí)施例1?3所得膜電極與對比例1?2交換膜高溫膜電極的電化學(xué)分析交流阻抗譜
。
具體實(shí)施方式
[0020]下面通過對本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明，本專利技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將隨著這些說明而變得更為清楚
、
明確
。
[0021]在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子
、
實(shí)施例或說明性”。
這里作為“示例性”所說明的任何實(shí)施例不必解釋為優(yōu)于或好于其它實(shí)施例
。
[0022]根據(jù)本專利技術(shù)的第一方面，提供了一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，膜電極陽極采用
GDE
工藝，陰極采用一體化成型工藝，包括如下步驟：
[0023]步驟
(1)
，陽極
GDE
的制備：配制陽極催化劑漿料，使用氣動噴涂
、
超聲噴涂的方式將陽極催化劑漿料負(fù)載于氣體擴(kuò)散層的微孔層上，置于
60
?
100℃
烘箱干燥至溶劑全部揮發(fā)，干燥后置于
330
?
360℃
馬弗爐煅燒
30
?
60min。
[0024]該步驟中，陽極催化劑采用鉑碳催化劑，鉑含量為
10wt
％
?
60wt
％
。
[0025]該步驟中，配制陽極催化劑漿料的溶劑選用水醇混合體系，其中醇為甲醇
、
乙醇或異丙醇中的至少一種，水醇質(zhì)量比例為
1:1
?
1:3。
[0026]該步驟中，陽極
GDE
中陽極催化層鉑載量為
0.1
?
0.5mg/cm2。
[0027]步驟
(2)
，陰極
GDE
的制備：配制陰極催化劑漿料，使用氣動噴涂
、
超聲噴涂的方式將陰極催化劑漿料負(fù)載于氣體擴(kuò)散層的微孔層上，置于
60
?
100℃
烘箱干燥至溶劑全部揮發(fā)，干燥后置于
330
?
360℃
馬弗爐煅燒
30
?
60min。
[0028]該步驟中，陰極催化劑采用鉑碳
、
鉑鈷碳或鉑黑中的至少一種，其中鉑碳中鉑含量為
10
?
60wt
％，鉑鈷碳中鉑含量為
40
?
60wt
％本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.
一種陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：配制陽極催化劑漿料，將陽極催化劑漿料負(fù)載于氣體擴(kuò)散層的微孔層上，然后干燥至溶劑全部揮發(fā)，干燥后經(jīng)煅燒處理，制得陽極
GDE
；配制陰極催化劑漿料，將陰極催化劑漿料負(fù)載于氣體擴(kuò)散層的微孔層上，然后干燥至溶劑全部揮發(fā)，干燥后經(jīng)煅燒處理，制得陰極
GDE
；取聚苯并咪唑粉末加入極性非質(zhì)子溶劑中溶解，將陰極
GDE
以催化層朝上鋪展于涂覆平臺上，在催化層表面涂覆聚苯并咪唑溶液，然后干燥揮發(fā)溶劑，制得陰極
MGDE
；將聚苯并咪唑膜一側(cè)浸漬于磷酸中，得到磷酸摻雜的陰極
MGDE
；將陽極
GDE
和磷酸摻雜的陰極
MGDE
疊合，經(jīng)熱壓并冷卻后得到陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極
。2.
根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于，所述制得陽極
GDE
的步驟中，使用噴涂的方式將陽極催化劑漿料負(fù)載于氣體擴(kuò)散層微孔層之上；和
/
或所述制得陰極
GDE
的步驟中，使用噴涂的方式將陰極催化劑漿料負(fù)載于氣體擴(kuò)散層微孔層之上
。3.
根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于，所述制得陽極
GDE
的步驟中，煅燒溫度為
330
?
360℃
，煅燒時(shí)間為
30
?
60min
；和
/
或所述制得陰極
GDE
的步驟中，煅燒溫度為
330
?
360℃
，煅燒時(shí)間為
30
?
60min。4.
根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極一體化成型高溫質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于，所述制得陽極
GDE
的步驟中，陽極
GDE
中陽極催化層鉑載量為
0.1
?
0.5mg/cm2；和
/
或所述制得陰...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄧呈維，鄭博文，姬峰，羅若尹，陳天俊，杜瑋，劉勇，
申請(專利權(quán))人：上海空間電源研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：