[发明专利]一种提高燃料电池动态响应的膜电极及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及燃料电池的膜电极。

背景技术

质子交换膜燃料电池输出电能是一个电化学反应、气体传递、质子传递和电子传导过程的串联过程，这个过程中气体和质子传递速度远低于电子传导速度。因此，当负载需要瞬间大电流(如汽车应用的启动、加速；通讯电源应用的启动、脉冲负载等)时，气体和质子传递速度小于功率消耗速度(电子传导速度)，因此，会发生输出功率瞬间加大时，质子交换膜燃料电池膜电极的催化剂表面气体或质子迅速被消化掉，处于欠气(或质子)状态，质子交换膜燃料电池电压会突然大幅度降低，甚至出现负值(反极)，导致膜电极材料和结构受损，从而降低膜电极性能和寿命。这种现象表明质子交换膜燃料电池的动态响应能力较差。现有技术中，为解决质子交换膜燃料电池的动态响应能力较差的问题，通常在质子交换膜燃料电池供电系统中，将质子交换膜燃料电池和蓄电池或超级电容器联合使用，质子交换膜燃料电池提供恒功率输出，蓄电池或超级电容器提供瞬间加速或加载所需功率；或者减缓动力系统对质子交换膜燃料电池的加载速度。现有技术的不足在于：质子交换膜燃料电池供电系统包括了质子交换膜燃料电池系统和蓄电池或超级电容器系统的两个系统，即增加了系统的复杂性，又增加了系统重量、体积和成本。在轿车和便携通讯设备等严格限制体积和重量的场合，大大限制了质子交换膜燃料电池优点的发挥。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以提高燃料电池动态响应的膜电极，以解决现有技术的不足。本发明的技术解决方案是：一种提高燃料电池动态响应的膜电极，由阴、阳电极和置于其中的电解质膜组成，其特征在于在所述的阴、阳电极的催化层和电解质膜之间覆加有一层超级电容器材料。

本发明所述的一种提高燃料电池动态响应的膜电极，其特征在于所述的加设在阴、阳电极催化层和电解质膜之间的超级电容器材料是RuO2·nH2O。

本发明的技术方案还提供一种提高燃料电池动态响应的膜电极的制造方法，包括阴、阳电极制备、电解质膜制备和合成膜电极，其特征在于所述的膜电极制备过程中，电解质膜表面覆加超级电容器材料的工艺方法是：

(1)用溶胶凝胶法将超级电容器材料合成水溶胶，(2)将电解质膜浸入超级电容器材料合成水溶胶中，然后将电解质膜提拉出来，晾干，反复提拉3-8次，(3)将步骤2处理好的电解质膜在真空下干燥。

本发明所述的一种提高燃料电池动态响应的膜电极的制造方法，其特征在于所述的将步骤2处理好电解质膜的在真空下干燥的工艺是在120℃-180℃真空干燥1h-1.5h。

本发明的原理及优点是：质子交换膜燃料电池电极结构与超级电容器结构很相似，在质子交换膜燃料电池电极内加设了超级电容器材料，使质子交换膜燃料电池同时具有了超级电容器功能。质子交换膜燃料电池工作时输出稳定功率，同时使超级电容器材料充电，当瞬间需要大功率时，超级电容器材料向外输出功率。完成一次功率输出后，工作的质子交换膜燃料电池又给超级电容器材料充电，为下一次大功率需求做准备。本发明的优点在于：1)由于超级电容器材料在质子交换膜燃料电池内部，提高了电池的动态响应能力，从而使质子交换膜燃料电池供电系统中，不再需要外加超级电容器或蓄电池；2)由于超级电容器材料在质子交换膜燃料电池内部的辅助放电，缓解大电流对催化剂/电解质膜界面的冲击，阻止催化剂聚集或流失，提高膜电极寿命；3)超级电容器材料在缓解动态负载对膜电极的冲击同时，还具有分解氧化还原反应产生的双氧水，阻其对膜的攻击氧化，提高膜的寿命；4)超级电容器材料还可以吸附水份，防止电解质膜失水；5)以溶胶凝胶法合成超级电容器材料水溶胶，水溶胶的加入不影响Pt的活性。以提拉法将超级电容器材料水溶胶覆加到电解质膜上，简单可行。

附图说明

本发明有附图3幅，其中

附图1是本发明的膜电极组装成的单电池与常规膜电极组装成的单电池的电极循环伏安曲线对比图。

附图2是本发明的膜电极组装成的单电池与常规膜电极组装成的单电池的电极多电位阶跃计时电流曲线对比图。

附图3是本发明的膜电极组装成的单电池与常规膜电极组装成的单电池的动态响应曲线对比图。