一种带微织构的燃料电池质子交换膜及其加工方法技术

本发明专利技术提供了一种带微织构的燃料电池质子交换膜及其加工方法，所述燃料电池质子交换膜的阴极表面按内密外疏梯度分布若干花瓣状的凹凸复合织构。所述凹凸复合织构包括凹坑和凸起，所述凹坑边缘处设有一圈凸起，所述凹坑的内表面均布若干半椭球微凹坑。根据相邻凹凸复合织构的间距将所述阴极表面划分为中心区域、中间区域和外围区域，且在每个区域内，任一相邻凹凸复合织构的间距均是由内向外梯度递增。本发明专利技术凹凸复合织构可有效增大质子交换膜阴极表面的表面积，有助于催化剂与反应气体充分接触，提高反应效率；还能使碳担载铂催化剂稳定镶嵌在此结构内，并提高催化剂活性面积，从而提高催化剂利用率。

A fuel cell proton exchange membrane with micro texture and its processing method

【技术实现步骤摘要】
一种带微织构的燃料电池质子交换膜及其加工方法
本专利技术涉及燃料电池领域，具体涉及一种带微织构的燃料电池质子交换膜及其加工方法。
技术介绍
随着环境污染问题越来越严重，燃料电池因其转化效率高无污染的特点获得了国内外的关注。质子交换膜燃料电池(Protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)是燃料电池广泛应用的一种，PEMFC以能量转化效率高、运行可靠性高、环境无污染、运动部件少、无噪音等优势而被认为是替代传统化石能源最有前景的绿色能源转化装置。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心结构部件，质子交换膜是膜电极的核心组成部件之一，其具有传导质子、隔绝氢气和氧气、防止气体在阴极流道与阳极流道间混合反应的作用，同时，质子交换膜两表面还是催化反应发生的场所，与催化剂直接接触，因此，质子交换膜必须具有高化学稳定性、高质子传导率、致密性好、机械强度高等特点。质子交换膜处于阴阳两催化剂层之间，并直接与催化剂接触，其表面微观形貌结构对催化剂利用率、导电率、质子传导等具有重要影响。随着对质子交换膜的深入研究，图案化膜已成为当今研究热点。图案化膜可以大大增加质子交换膜的表面积，当特定图案尺寸与催化剂尺寸相匹配时，将大大提高催化剂利用率，加快反应速率，图案化膜还具有提高质子传导率、导电率，降低阻抗，使膜厚度变薄等优点。采用图案化质子交换膜可以大大提高质子交换膜的各种性能。目前的质子交换膜燃料电池基本都是使用贵金属铂作为催化剂的活性组分，而金属铂的价格非常昂贵，这严重影响了对质子交换膜燃料电池的研究进程。因此，提高铂催化剂的利用率和研究超低铂载量的质子交换膜，对质子交换膜的发展具有重要影响。提高催化剂利用率不仅可以降低铂载量从而使得质子交换膜的成本降低还将提高催化反应效率使得电池性能得到改善提高。随着对图案化质子交换膜的研究，很多研究者通过对膜表面微观结构进行改变，从而得到了具有超低铂载量、催化剂利用率高效、质子传导率高、三相反应界面大以及成本低等优点的质子交换膜。中国专利公开了一种通过在质子交换膜两侧喷涂一层聚合物电解质，从而改变电解质膜和电极界面微观结构；电极制备过程中通过使用负压，外加电场等手段使电极的关键组分沿同一方向定向排列，从而增大三相反应界面，提高催化剂利用率。中国专利公开了将碳载体(XC－72)在使用前在CO2气氛中活化处理，具体步骤包括：(1)将碳载体(XC－72)置于流动的CO2气氛中加热到350—900℃活化处理1—12小时；(2)用沉淀法把Pt负载到经上述步骤活化的碳载体上,从而得到Pt/C催化剂。该专利所得到的Pt/C催化剂制成的质子交换膜燃料电池电极催化剂具有很高的电催化活性。以上专利有助有增大三相反应界面和提高催化剂利用率，但操作过于复杂，耗时较长，不利于大规模商业化的生产。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种带微织构的燃料电池质子交换膜及其加工方法，通过对质子交换膜阴极表面设计花瓣状凹凸复合织构，不仅可以增大质子交换膜阴极表面的表面积，还能使碳基镶嵌在较大的凹坑结构里，铂基镶嵌在碳基上并使其在较小的微凹坑内，从而使得碳担载铂催化剂稳定附着于膜表面，增大了催化剂的活化面积，以此提高催化剂利用率。同时，花瓣状凹凸复合织构是内密外疏梯度分布在膜表面上的，可以使得反应更加充分和高效。此外，这些凹凸复合织构还能起到优化水管理的作用。本专利技术加工制造过程简单，适于商业化生产。。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种带微织构的燃料电池质子交换膜，所述燃料电池质子交换膜的阴极表面按内密外疏梯度分布若干花瓣状的凹凸复合织构。进一步，所述凹凸复合织构包括凹坑和凸起，所述凹坑边缘处设有一圈凸起，所述凹坑的内表面均布若干半椭球微凹坑。进一步，若干所述凹凸复合织构环形分布在所述阴极表面上；根据相邻凹凸复合织构的间距将所述阴极表面划分为中心区域a、中间区域b和外围区域c，且在每个区域内，任一相邻凹凸复合织构的间距均是由内向外梯度递增；在中心区域a内的相邻所述凹凸复合织构之间的间距S1＝50～250μm；在中间区域b内的相邻所述凹凸复合织构之间的间距S2＝250～450μm；在外围区域c内的相邻所述凹凸复合织构之间的距离S3＝450～600μm。进一步，所述凹坑的半径R＝20～200μm，所述凹坑的深度H＝20～200μm；所述凸起半径r＝5～120μm，所述凸起高度h1＝5～120μm；若干所述凹凸复合织构占所述阴极表面总面积的35％～65％。进一步，若干所述凹凸复合织构矩形分布在所述阴极表面上；根据相邻凹凸复合织构的间距将所述阴极表面划分为中心区域a、中间区域b和外围区域c，且在每个区域内，任一相邻凹凸复合织构的间距均是由内向外梯度递增；在中心区域a内的相邻所述凹凸复合织构之间的间距S1＝50～200μm；在中间区域b内的相邻所述凹凸复合织构之间的间距S2＝200～400μm；在外围区域c内的相邻所述凹凸复合织构之间的距离S3＝400～600μm。进一步，所述凹坑的半径R＝20～200μm，所述凹坑的深度H＝20～200μm；所述凸起半径r＝5～100μm，所述凸起高度h1＝5～100μm；若干所述凹凸复合织构占所述阴极表面总面积的30％～60％。进一步，所述凹坑的内表面划分若干平行层，任一所述平行层上周向均布若干半椭球微凹坑；相邻平行层上的所述半椭球微凹坑圆心到所述凹坑圆心之间的夹角为16～24°；所述半椭球微凹坑长轴长为2～12μm，所述半椭球微凹坑短轴长为1～10μm，所述半椭球微凹坑的深度h2＝1～10μm，每层之间相邻所述半椭球微凹坑之间的距离为1～12μm。一种带微织构的燃料电池质子交换膜的加工方法，包括如下步骤：通过激光直接加工所述阴极表面，使所述阴极表面局部气化，形成若干花瓣状的凹凸复合织构；利用超声清洗或辉光清洗或溅射清洗进行去毛刺处理。进一步，所述激光加工的具体参数为：发散角小于0.5mrad，输出光束质量M≤1.3，光斑直径不大于3mm，波长为1064nm，功率为1～25W，单脉冲能量为1～100μJ，脉宽为1～100ps，重复频率为1～10MHz。一种带微织构的燃料电池质子交换膜的加工方法，包括如下步骤：利用等离子刻蚀法或超快激光加工出具有凹坑和凸起的第一冲压模具，利用超声清洗和辉光清洗对第一冲压模具进行去毛刺处理；通过第一冲压模具加工所述阴极表面上的凹坑和凸起；利用等离子刻蚀法或超快激光加工出具有半椭球微凹坑的第二冲压模具，利用超声清洗和辉光清洗对第二冲压模具进行去毛刺处理；通过第二冲压模具加工所述阴极表面上的半椭球微凹坑。本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术所述的带微织构的燃料电池质子交换膜，在质子交换膜阴极表面开设花瓣状凹凸复合织构，可大大增大三相反应界面，提高催化剂利用率，提高反应效率。2.本专利技术所述的带微织构的燃料电池质子交换膜，通过花瓣状凹凸复合织构能够使得碳担载铂催化剂镶嵌在此结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带微织构的燃料电池质子交换膜，其特征在于，所述燃料电池质子交换膜(1)的阴极表面(2)按内密外疏梯度分布若干花瓣状的凹凸复合织构(3)。/n

【技术特征摘要】
1.一种带微织构的燃料电池质子交换膜，其特征在于，所述燃料电池质子交换膜(1)的阴极表面(2)按内密外疏梯度分布若干花瓣状的凹凸复合织构(3)。


2.根据权利要求1所述的带微织构的燃料电池质子交换膜，其特征在于，所述凹凸复合织构(3)包括凹坑(4)和凸起(5)，所述凹坑(4)边缘处设有一圈凸起(5)，所述凹坑(4)的内表面均布若干半椭球微凹坑(6)。


3.根据权利要求2所述的带微织构的燃料电池质子交换膜，其特征在于，若干所述凹凸复合织构(3)环形分布在所述阴极表面(2)上；根据相邻凹凸复合织构(3)的间距将所述阴极表面(2)划分为中心区域a、中间区域b和外围区域c，且在每个区域内，任一相邻凹凸复合织构(3)的间距均是由内向外梯度递增；在中心区域a内的相邻所述凹凸复合织构(3)之间的间距S1＝50～250μm；在中间区域b内的相邻所述凹凸复合织构(3)之间的间距S2＝250～450μm；在外围区域c内的相邻所述凹凸复合织构(3)之间的距离S3＝450～600μm。


4.根据权利要求3所述的带微织构的燃料电池质子交换膜，其特征在于，所述凹坑(4)的半径R＝20～200μm，所述凹坑(4)的深度H＝20～200μm；所述凸起(5)半径r＝5～120μm，所述凸起(5)高度h1＝5～120μm；若干所述凹凸复合织构(3)占所述阴极表面(2)总面积的35％～65％。


5.根据权利要求2所述的带微织构的燃料电池质子交换膜，其特征在于，若干所述凹凸复合织构(3)矩形分布在所述阴极表面(2)上；根据相邻凹凸复合织构(3)的间距将所述阴极表面(2)划分为中心区域a、中间区域b和外围区域c，且在每个区域内，任一相邻凹凸复合织构(3)的间距均是由内向外梯度递增；在中心区域a内的相邻所述凹凸复合织构(3)之间的间距S1＝50～200μm；在中间区域b内的相邻所述凹凸复合织构(3)之间的间距S2＝200～400μm；在外围区域c内的相邻所述凹凸复合织构(3)之间的距离S3＝400～600μm。


6.根据权利要求5所述的带微织构的燃料电池质子交换...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鑫，尹必峰，解玄，许晟，贾和坤，唐捷旭，陈明山，董非，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32