[发明专利]一种质子交换膜燃料电池自增湿膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，属于燃料电池自增湿的制备方法，具体为一种质子交换膜燃料电池自增湿膜电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池以其高能量密度和少污染，有希望将来代替化石能源成为主流。而PEMFC具有室温启动快、无电解液流失、噪声低等优点，具有作为移动电源、各种便携式电源及不间断电源的潜力。为了保持PEMFC的高电池性能，电解质膜需要通过外界增湿系统使其完全饱和，但是多余的增湿系统会增加整个电池系统的体积和重量，增加其复杂性，所以达到MEA的自增湿在PEMFC系统中尤为重要。

最近很多研究都专注于掺杂亲水物质起到保水作用，而因为无机氧化物具有较好的亲水性而得到研究者青睐。

清华大学申请的“一种质子交换膜燃料电池用的自保湿复合膜及其制备方法”发明专利【CN1442913A】将无机物或其氧化物粉碎成0.1～10微米的粉末，将粉末、与有机膜成份相同的有机物及有机溶剂均匀混合成浆料后涂覆在有机膜基体表面，得到自保湿复合膜。但由于膜遇到溶剂会发生严重变形，降低电池性能。而且，加入的是微米级的亲水无机氧化物，保水效果不佳，并且加入过多的亲水物质后会增加电池的电阻，影响气体的传递。

武汉理工大学申请的“具有保水功能的质子交换膜燃料电池芯片的制备方法”发明专利【CN1719653A】通过热压转移法将无机纳米粒子转移至质子交换膜两侧制备具有保水性能的燃料电池芯片。纳米级亲水物质的加入亲水性优于微米级，但是还是存在亲水物质加入量的最优化问题，加入过多的无机纳米粒子还是会增加电池电阻，影响催化剂与膜接触。

华南理工大学申请的“用于燃料电池膜电极的电催化剂及其制备方法及燃料电池膜电极”的专利发明【CN101615677A】则专注于电催化层，提高了膜和催化剂层的接触和质子传导能力。其特征在于以保水物质沉积的碳作为复合载体，担载贵金属作为电催化剂。但是保水物质导电性差，作为载体会增加电池电阻，影响电子传导。

到目前为止，还没有在不需要加入过多的亲水物质的同时达到理想自增湿效果的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以提高PEMFC阳极侧自增湿性能的方法，保证组装后的燃料电池可以在反应气不增湿条件下稳定工作，并且显著提高其性能。本发明解决了由于加入过多亲水物质而引起的电池电阻的增加，催化剂电化学活性面积的减少的缺点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

1）将无机亲水氧化物纳米粒子与Pt/C催化剂和质子交换树脂溶液混合超声均匀，制得阳极催化层浆料，其中无机亲水氧化物相对于Pt/C的质量比为0%～60%，阴极催化剂浆料中无机亲水氧化物含量为0%；

2）将阴阳极浆料喷涂在质子交换膜两侧，制成CCM后干燥；

3）将含有无机亲水氧化物纳米粒子的CCM置于紫外光源下进行紫外光照处理，其中紫外光波长小于387nm，光照时间为0.5h～3h，紫外光源离样品距离为3～10cm；

4）将步骤2）和步骤3）处理的CCM与气体扩散层热压成膜电极，热压温度为140℃，时间2min，压力为0.15MPa；

所述的质子交换膜是具有磺酸根基团的全氟磺酸树脂，如du Pont公司生产的Nafion212膜，Nafion211膜或Nafion117膜；所述的溶剂为水或有机溶剂，如甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、乙酸乙酯。

所述的无机亲水氧化物纳米粒子为TiO₂，SnO₂或W₂O₃，它们通常具有较好的保水作用，且具有被紫外光激发导致亲水性增强的特性。

所述的紫外光照制备方法，是将含有无机亲水氧化物的阳极侧朝上固定在玻璃板上，将玻璃板置于收缩升降台上。收缩升降台上垂直固定有刻有刻度的标尺，用来测量紫外光源与样品表面的距离。所述的控制不同的紫外光波长，是通过在紫外光灯中加入不同波长的滤光片实现的。并将紫外光源朝下正对着样品中心进行光照处理。

本发明与背景技术相比，制备的燃料电池阳极具有更好的保水性能，可以在不增加无机亲水氧化物的同时增加其亲水性，解决了加入过多无机亲水氧化物后引起的电池电阻增加和催化剂电化学活性面减小的问题，并且更好地增加了低湿度下的性能。

附图说明

图1为紫外光照制备工艺图；

图2为接触角变化图；

图3为含20%TiO₂电池经紫外光照后性能变化；