一种高耐久性燃料电池膜电极及制备方法技术

一种高耐久性燃料电池膜电极及制备方法。其特点是在催化层制备过程中添加了具有高比表面积、高吸附特性的多孔材料。多孔材料是坡缕石－海泡石族矿物纤维、蒙脱石、硅藻土、活性炭、分子筛或硅胶，多孔材料在催化层中的质量分数为０．０５％～２５％，催化层由催化剂和质子交换树脂组成。与背景技术不同，本发明专利技术在传统催化层制备过程中添加了多孔吸附材料，其作用在于吸附迁移的催化剂离子或颗粒，减缓因催化剂流失造成的催化活性下降；吸附ＣＯ、ＮＨ３或硫化物，减少其对催化剂的毒化作用，提高催化剂的工作效率；并且这种多孔材料可以吸附电池运行过程中产生的金属离子等杂质，防止杂质对膜电极中的质子交换膜的攻击，从而提高膜电极的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃料电池膜电极及制备方法，特别涉及一种高耐久性燃料电池膜电极及制备方法。其特点是催化层中添加了多孔吸附材料。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)是一禾中将 贮存在燃料中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，具有环境友好、能量转换效率高、 寿命长、室温下快速启动等特点，已成为新能源领域的研究热点之一。 膜电极的性能及寿命是影响燃料电池性能及寿命的最重要指标之一。由于燃料电 池在运行过程中，膜电极的运行环境非常恶劣，会造成催化剂颗粒的溶解、迁移及流失，降 低催化剂性能及耐久性；燃料及氧化剂中的杂质气体如C0、硫化物、NH3等对催化剂具有毒 化作用，降低催化剂的性能；并且电池运行过程中产生的杂质金属离子如Fe2+、 Cr3+、 Cu2+等 会对催化层及膜内的树脂材料中的C-C、 C-F等键进行攻击，破坏树脂材料的结构，造成树 脂材料的失效。 专利US2008/003476A1提出向贵金属催化剂中添加氯化物、碘化物、溴化物等物 质以抑制贵金属的长大及溶解流失。专利CN101238610A提出使用高温稳定聚合物作为质 子交换膜，提高了电池工作温度和膜电极寿命。但这些方法都无法有效抵抗杂质离子对膜 的攻击。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在通过向催化层内添加具有高比表面积、高吸附性的多孔吸附材 料获得。这种多孔吸附材料可以吸附迁移的催化 剂离子或颗粒，减缓因催化剂流失造成的催化活性下降；吸附C0、NH3或硫化物，减少其对催 化剂的毒化作用，提高催化剂的工作效率；并且这种多孔材料可以吸附电池运行过程中产 生的金属离子等杂质，防止杂质对膜电极中的质子交换膜的攻击，提高质子交换膜的使用 寿命，并提高膜电极的使用寿命。目前尚未有该类型催化剂及膜电极的相关文献报道。 实现专利技术目的的技术方案 —种高耐久性燃料电池膜电极，其特征在于，催化层中添加了具有高比表面积、 高吸附特性的多孔材料，多孔材料在催化层中的质量分数为O. 05% 25%，所述的催化 层，是由催化剂和质子交换树脂组成，所述的具有高比表面积、高吸附性的多孔材料是坡缕 石_海泡石族矿物纤维、蒙脱石、硅藻土、活性炭、分子筛或硅胶。 本专利技术的技术方案中，所述的坡缕石-海泡石族矿物纤维是坡缕石(凹凸棒石) 或海泡石。 本专利技术的技术方案中，所述的分子筛是天然沸石、碳分子筛或人工合成沸石。 本专利技术的技术方案中，所述的天然沸石是丝光沸石或斜发沸石，人工合成沸石是 3A型分子筛、4A型分子筛、5A型分子筛、10X型分子筛、13X型分子筛、钠Y型分子筛或钙Y型分子筛。 本专利技术所述的催化剂是指Pt、 Pd、 Ru、 Rh、 Ir或0s贵金属;Pt与Pd、 Ru、 Rh、 Ir或 0s的二元合金PtPd、PtRu、PtRh、Ptlr或Pt0s ;铂与其他金属的合金是指Pt、Pd、Ru、Rh、 Ir 或0s贵金属与Fe、 Cr、 Ni、 Co、 Au或Bi形成的二元合金NM， N为Pt、 Pd、 Ru、 Rh、 Ir或0s， M 为Fe、Cr、Ni、Co、Au或Bi ;Pt、Pd、Ru、Rh、 Ir或0s贵金属与Fe、Cr、Ni或Co形成的三元合 金NM^2， N的定义同前述，Mp M2为Fe、 Cr、 Ni及Co中任意两种金属元素的组合物，如FeCo 等，其中Bi、 Fe、 Cr、 Ni和Co为贱金属。 本专利技术的催化剂载体是碳载体、陶瓷载体、纳米Si02或纳米Ti02。 本专利技术所述的碳载体为纳米碳黑、纳米石墨球、纳米碳纤维、纳米碳管或介孔碳微 球，所述的纳米碳黑和纳米石墨球，其颗粒的粒径为10 100纳米，所述的纳米碳纤维和纳 米碳管，其直径为2 200纳米，长度为100 10000纳米，所述的介孔碳微球的孔径大小 为2-50纳米。 本专利技术所述的纳米碳管是单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。 本专利技术所述的陶瓷载体是TiSi2、TiB2、TiN、TiC、Ti02、SiC、PbTi03、Ti3SiC、BaPb03、 LaCr03、 TiC/Si3N4或TiAl/TiB2，其粒径为10 200纳米。 本专利技术所述的质子交换树脂是指具有磺酸基团的全氟磺酸树脂，部分氟化的质子 交换树脂；非氟化的质子交换树脂，如磺化聚砜类树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪 唑、磺化聚磷腈、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂或磺化聚醚醚酮树脂。 本专利技术所述的膜电极(membrane electrode assembly,MEA)根据催化剂层与其它 组件的结合方式的不同划分两种，一种是将催化剂涂敷在气体扩散层表面制备的气体扩散 层电极(gas diffusion layer electrode,GDE)而获得的膜电极，本专利技术称之为GDE-MEA， 另一种是将催化剂涂在质子交换膜两侧(catalyst coated membrane,CCM)获得的膜电极， 本专利技术称之为CCM-MEA 。 本专利技术所述的膜电极的制备方法是将含多孔吸附材料、燃料电池通用催化剂、质 子交换树脂、溶剂的物质制成料浆(slurry)或墨汁(ink)，涂敷在气体扩散层表面制成 气体扩散层电极，然后将气体扩散层电极与质子交换膜热压，获得的膜电极，即GDE-MEA ; 或是将料浆或墨汁涂敷在质子交换膜两侧，制成燃料电池芯片，或称为CCM (catalyst coatedmembrane)，然后再将气体扩散层与CCM进行冷热压或接触，获得的膜电极即 CCM-MEA。具体制备过程为 1)将多孔吸附材料、催化剂、质子交换树脂、溶剂混合均匀制备成料浆，料浆的各种成分的质量分数关系为多孔吸附材料催化剂质子交换树脂溶剂=i 5 : io : 2 5 : 50 1000 ;其中所述的溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、1-甲氧基2-丙醇(MOP)、乙醚、石油醚、乙酸乙酯或丙酮； 或者将催化剂加入到去离子水和质子交换树脂的混合液中，其质子交换树脂与催化剂的质量比为i : 5，充分搅拌调成糊状，再加入纳米吸附材料，超声混合，制备成含有纳米吸附材料的催化剂料浆； 2)将步骤1制备的燃料电池催化剂料浆涂敷于经过预处理的气体扩散层表面，并 在80-10(TC下真空干燥，制得气体扩散层电极； 其中所述气体扩散层的预处理方法是，将碳纸浸入到聚四氟乙烯疏水剂中，时间为5 10分钟，并在340-350 °C下煅烧20-30分钟，聚四氟乙烯疏水剂的含量 20wt% _30^%，之后，再在其一侧涂敷一层由聚四氟乙烯和导电碳黑组成的复合材料层， 其中聚四氟乙烯含量为20wt% -30wt^，经340-35(TC下煅烧20-30分钟后成型； 3)将步骤2制备的气体扩散层电极与质子交换膜热压，获得高耐久性燃料电池膜 电极，热压的压力为1 4MPa，温度90-120°C，时间60 120秒； 或是将步骤2制备的复合催化剂料浆涂敷在质子交换膜的两侧，制得燃料电池芯片，之后，再与经过预处理的气体扩散层进行热压或冷接触，获得高耐久性燃料电池膜电极。热压的压力1 4MPa，温度90-120°C，时间60 120秒。 将制备的复合催化剂组装成单电池，进行电性能测试测试过程如下 单电池组装及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐久性燃料电池膜电极，其特征在于，膜电极催化层中添加了具有高比表面积、高吸附特性的多孔材料，多孔材料在催化层中的质量分数为０．０５％～２５％，所述的催化层由催化剂和质子交换树脂组成，所述的具有高比表面积、高吸附性的多孔材料是坡缕石－海泡石族矿物纤维、蒙脱石、硅藻土、活性炭、分子筛或硅胶。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：木士春，徐峰，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]