[发明专利]一种质子交换膜燃料电池动态氢电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体为一种新型质子交换膜燃料电池动态氢电极的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。它不受卡诺循环的限制，可以高效地将化学能转化为电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有可快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出优点，适合作为便携式电源和电动汽车的电源。

在PEMFC的研究中,膜电极(MEA)的综合性能通常是由电流-电压(I-V)曲线来评价，尽管I-V曲线是评价MEA的重要参数,但它仅是对电池极化行为的整体反映,其中既包含阴极和阳极的活化极化,还包括电解质的欧姆极化以及浓差极化。因而要分别考察各种极化对膜电极(MEA)性能的影响，需要借助于参比电极，测量研究电极与参比电极的电位差以确定研究电极的相对电位。

参比电极的种类较多，如标准氢参比电极、甘汞参比电极，银/氯化银参比电极等，此类参比电极适用于含有液体电解质的电化学体系，不适合含有固态电解质的PEMFC体系。为了解决含有固态电解质的PEMFC体系的参比电极问题，R.Madhusudana Rao等人（文献1“Dynamic characteristics of spherical agglomerate for study of cathode catalyst layers in proton exchange membrane fuel cells(PEMFC)”，Journal of Power Sources 158(2006)110-123)将两根铂丝末端直接放入燃料电池膜（MEA）组件内，构成动态氢电极的工作电极和对电极，此方法制得的动态氢电极在燃料电池大电密长时间工作情况下，动态氢电极的阴极氢还原反应电极电位波动较大，极化电位较高；Zyun Siroma等人（文献2“Compact dynamic hydrogen electrode unit as areference electrode for PEMFCs”，Journal of Power Sources 156(2006)284-287)将两根铂丝末端蘸上催化剂并将其末端包裹两片nafion膜之间，构成成动态氢电极的工作电极和对电极，将其压制在燃料电池膜（MEA）组件内，构成动态氢电极体系。此方法催化剂担量不易控制，每次制得工作电极与对电极之间间距不等，动态氢电极的极化较大，动态氢电极阴极氢还原反应电极电位重复性不高。

发明内容

鉴于上述现有动态氢电极所存在的问题，本发明的目的是研究设计一种新型的使用方便、性能可靠稳定的燃料电池动态氢电极。在评价燃料电池运行过程中阳极极化、阴极极化等各种极化对电池性能的影响时，可以将该参比电极热压在燃料电池膜(MEA)组件内，随时进行电池阳极电位、阴极电位的原位测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：

a.将质子交换膜裁剪为小块状（如3×8mm的长方形），将调制好的催化剂浆料均匀喷涂在同一块质子交换膜上下两侧表面相对一端边缘部分区域（如长方形的边缘3×5mm区域），两侧含有催化剂的质子交换膜表面各形成催化层，质子交换膜为固态电解质。

b.将该质子交换膜沿着含有催化剂的部分表面等比例对折，将催化剂完全包含在对折区域内而不外漏。

c.将两根铂丝末端分别放入对折区域内，作为动态氢电极的对电极与工作电极，在油压机上热压制成型。

d.将压制成型的电极放置在燃料电池膜(MEA)组件内，将两根铂丝的另一端与外电源正负极相连接，施加稳定电流电解，构成动态氢电极体系，外电源正极为阳极，电源负极为阴极，发生如下反应：

阳极反应：H₂O→1/2O₂+2H⁺+2e(标准电极电位为1.229V)

阴极反应：2H⁺+2e→H₂(标准电极电位0V)

本发明的动态氢电极是用质子交换膜的上下表面相对一端部分区域喷涂催化剂与铂丝组合，形成动态氢电极的工作电极与对电极，质子交换膜作为电极体系的固态电解质，工作电极与对电极的间距为质子交换膜的厚度，间距可控且距离较小，电极体系自身的极化较小。

本发明具有结构新颖，方法简单实用，可操作性强，可批量制备，测量精度与稳定性、重复性高，其应用在燃料电池原位测量技术，评价燃料电池阴极极化、阳极极化等方面将就有一定的现实意义。

附图说明