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高温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法

阅读：1024发布：2021-03-01

IPRDB可以提供高温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种高温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法，所述膜电极由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层组成，其中阳极和阴极催化层由石墨烯气凝胶、PTFE和催化剂混合制成。石墨烯气凝胶是一种低密度固体材料，具有高比表面积、丰富的纳米孔结构、良好的导电性以及憎水特性。含有石墨烯气凝胶的催化层可以有效抑制质子交换膜中磷酸分子在催化层表面的吸附，避免磷酸的流失，提高质子交换膜的寿命，同时其良好的导电性可以降低膜电极的欧姆电阻，从而提高高温质子交换膜燃料电池的输出功率。，下面是高温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高温质子交换膜燃料电池膜电极，由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层组成，其特征在于所述阳极和阴极催化层由石墨烯气凝胶、PTFE和Pt基催化剂混合制成。

2.根据权利要求1所述的高温质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于所述石墨烯气凝胶的制备方法如下：通过水热法直接将由氧化石墨水分散液制的石墨烯气凝胶。

3.根据权利要求1所述的高温质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于所述石墨烯气凝胶和PTFE的总重量与Pt基催化剂的质量比为1/4-1/10，石墨烯气凝胶与PTFE的质量比为2:1-10:1。

4.一种权利要求1所述高温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：一、阴极和阳极扩散层的制备过程；

二、阳极催化层的制备过程：

取一定量的PtRu/C催化剂，其中Pt、Ru原子比为1:1-1:2，PtRu占催化剂总重量的

60-90%，与纯水混合，超声振荡，然后加入适量的石墨烯气凝胶纳米颗粒和少量的PTFE溶液，再加入适量的异丙醇溶液，控制石墨烯气凝胶和PTFE的总重量与PtRu/C催化剂的质量比为1/4-1/10，石墨烯气凝胶与PTFE的质量比为2:1-10:1，超声波振荡、磁力搅拌至形成均匀的阳极催化剂浆料；

将阳极催化剂浆料均匀涂到阳极扩散层上，烘干后就得到阳极催化层；

三、阴极催化层的制备过程：

称量一定量的Pt/C催化剂，其中Pt占催化剂总重量的35%-85%，加入适量超纯水混合，超声振荡，然后加入石墨烯气凝胶、PTFE溶液和适量异丙醇，其中石墨烯气凝胶和PTFE总质量与Pt/C混合物的质量比为1/4-1/10，石墨烯气凝胶与PTFE的质量比为2:1-10:1，超声波振荡、磁力搅拌至形成均匀的阴极催化剂浆料；

将阴极催化剂浆料刷涂或者喷涂到阴极扩散层表面上，烘干即可得到阴极催化层；

四、质子交换膜的处理过程；

五、膜电极热压过程。

5.根据权利要求4所述的高温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所2

述阳极催化层Pt载量为1-4mg/ cm。

6.根据权利要求4所述的高温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所2

述阴极催化层Pt载量为3-6mg/ cm。

7.根据权利要求4所述的高温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所-2述阳、阴极扩散层的载量为2-7mg.cm 。

说明书全文

高温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种高温燃料电池膜电极的结构和制备方法。

背景技术

[0002] 能源是经济发展的动力，是人类赖以生存的物质基础。燃料电池由于其能量转换率高、低排放等优点已经成为未来清洁能源产业最有潜力的技术之一，将广泛应用于航天、军事、通讯和交通等领域。

[0003] 高温质子交换膜燃料电池是近年来发展的新型质子交换膜燃料电池技术，它的工作温度在100℃以上。目前最常见的高温质子交换膜燃料电池采用PBI/H3PO4膜、PBI/H3PO4膜以磷酸作为载体传导质子，所以不需要水合反应不需要加湿，简化了燃料电池的进气系统。它的工作温度在120℃-180℃，反应生成气态水，可以很容易的随阴极气流排出，简化了燃料电池水管理系统。工作温度的提高可以提高高温燃料电池对CO和S的容忍性。由于工作温度与环境温度的差异很大，使得反应放出的热量能够更有效地被利用，热管理系统得到简化；同时随着反应温度的提高，电化学反应的速度也随之提高。但是高温质子交换膜燃料电池的使用寿命不长，一方面在电池的使用过程中由于催化剂的凝聚、磷酸的损失导致质子交换膜性能的衰减，另一方面在带电池的工作过程中可能会出现局部过热的现象导致膜损伤。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种高温质子交换膜燃料电池的膜电极及其制备方法，其中催化层是由石墨烯气凝胶和PTFE以及Pt基催化剂混合制成。石墨烯气凝胶是一种低密度固体材料，具有高比表面积、丰富的纳米孔结构、良好的导电性以及憎水特性。含有石墨烯气凝胶的催化层可以有效抑制质子交换膜中磷酸分子在催化层表面的吸附，避免磷酸的流失，提高质子交换膜的寿命，同时其良好的导电性可以降低膜电极的欧姆电阻，从而提高高温质子交换膜燃料电池的输出功率。

[0005] 所述目的是通过以下方案实现的：一种高温质子交换膜燃料电池膜电极，由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层组成。其中所述的阳极和阴极催化层是由石墨烯气凝胶、PTFE和Pt基催化剂混合制成。

[0006] 一种上述高温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，以碳纸或者碳布为支撑层，然后涂覆碳材料和PTFE组成的扩散层，再多次涂覆阴极、阳极催化剂浆料，然后热处理压制成膜电极。具体步骤如下：1、阴极和阳极扩散层的制备过程：
将碳材料、PTFE乳液和异丙醇水溶液混合，超声波振荡、磁力搅拌，形成均匀的浆料，其中PTFE占固体总质量的40-60%。通过刷涂或喷涂的方式将浆料涂到碳纸或碳布上，烘干焙-2
烧，即可得到扩散层。其中，扩散层的载量为2-7mg. cm 。

[0007] 2、阳极催化层的制备过程：通过水热法直接由氧化石墨水分散液制得石墨烯气凝胶，然后将制得的石墨烯气凝胶研磨成纳米颗粒。

[0008] 取一定量的PtRu/C催化剂，其中Pt、Ru原子比为1:1-1:2，PtRu占催化剂总重量的60-90%，与纯水混合，超声振荡，然后加入适量的石墨烯气凝胶纳米颗粒和少量的PTFE溶液，再加入适量的异丙醇溶液，控制石墨烯气凝胶和PTFE的总重量与PtRu/C催化剂的质量比为1/4-1/10，石墨烯气凝胶与PTFE的质量比为2:1-10:1，超声波振荡、磁力搅拌至形成均匀的阳极催化剂浆料；将阳极催化剂浆料用刷涂或喷涂的方式均匀涂到阳极扩散层上，烘干后就得到阳极催
2
化层，阳极催化层Pt载量为1-4mg/ cm。

[0009] 3、阴极催化层的制备过程：称量一定量的Pt/C催化剂，其中Pt占催化剂总重量的35%-85%，加入适量超纯水混合，超声振荡，然后加入石墨烯气凝胶、PTFE溶液和适量异丙醇，其中石墨烯气凝胶和PTFE总质量与Pt/C混合物的质量比为1/4-1/10，石墨烯气凝胶与PTFE的质量比为2:1-10:1，超声波振荡、磁力搅拌至形成均匀的阴极催化剂浆料；
将阴极催化剂浆料刷涂或者喷涂到阴极扩散层表面上，烘干即可得到阴极催化层，阴
2
极催化层Pt载量为3-6mg/ cm。

[0010] 4、质子交换膜的处理过程：剪裁适当大小的PBI膜，室温下将其浸泡在浓度为85%的磷酸溶液中持续三天，期间多次搅拌溶液使PBI膜与磷酸溶液充分接触。然后将其取出，用滤纸将膜表面的磷酸溶液快速吸干，再将其放入真空干燥箱中110℃下干燥10h。

[0011] 5、膜电极热压过程：按照阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层的顺序对其摆放，-2
用热压机在100-200 kg.cm 的压强下、135℃的温度下热压3-8min，即制得高温质子交换膜燃料电池的膜电极。

[0012] 本发明主要考虑高温质子交换膜燃料电池膜电极的电导率以及磷酸化的PBI质+子交换膜磷酸流失的问题。因为H是通过磷酸根阴离子在膜内的移动运输的，磷酸的流失会造成膜性能的下降，从而影响电池的性能。为了避免磷酸的流失，阴、阳极催化剂的浆料配制过程中加入石墨烯气凝胶，由于其具有憎水性，可以减少磷酸分子随水份的流失，防止磷酸根阴离子在催化剂表面吸附。另外石墨烯气凝胶具有良好的导电性，使其电导率比传统只加PTFE做催化层粘结剂的膜电极得到了有效的提高。另外石墨烯气凝胶的孔隙率可以通过控制制作工艺而改变，通过改变石墨烯气凝胶的孔隙率可以找到使电极有效表面积变大、磷酸流失减小的最优值，对提高电池的性能也有积极作用。

附图说明

[0013] 图1为催化层含有石墨烯气凝胶的高温质子交换膜燃料电池膜电极的结构示意图。

具体实施方式

[0014] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明，但不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

[0015] 如图1所示，本发明提供的高温质子交换膜燃料电池膜电极由阳极扩散层1、阳极催化层2、质子交换膜3、阴极催化层4、阴极扩散层5组成。其中阳极催化层2和阴极催化层4是由石墨烯气凝胶、PTFE和Pt基催化剂混合制成。

[0016] 高温质子交换膜燃料电池膜电极的制备步骤包括阴极和阳极扩散层制备，阴极和阳极催化层制备，PBI膜的磷酸化，热压形成膜电极，具体步骤如下：步骤一、阴极扩散层与阳极扩散层的制备：
称取10mg碳粉XC-72R和60mg质量百分比浓度为15%的PTFE(聚四氟乙烯)乳液，将其分散于2ml异丙醇水溶液（异丙醇与水的体积比1:1）中，超声振荡30min，接着磁力搅拌
30min即可得混合均匀的浆料。

[0017] 将浆料采用刷涂的方式经多次涂覆到1cm×1cm的碳纸上，直至增重达到4mg。然后在120℃的温度下烘干30min，使得异丙醇和水以及PTFE乳液中的表面活性剂完全挥发，之后在350℃的高温下处理30min，使得PTFE熔成网络结构，即得阴极扩散层与阳极扩散层。

[0018] 步骤二、阳极催化层的制备：将氧化石墨烯粉末与去离子水配成浓度为1-10mg/ml水溶液，超声震荡1-5小时至得到分散良好的氧化石墨烯水溶液；将配置好的氧化石墨烯水溶液取10-500ml加入水热釜中，再加入L-抗坏血酸，其中L-抗坏血酸与氧化石墨烯的质量比为2:1，100-200℃温度下处理12小时，得到石墨烯水凝胶，然后将其放入冻干机中冷冻干燥后得到石墨烯气凝胶，然后将其研磨成纳米颗粒。

[0019] 称取16mg催化剂40%Pt20%Ru/40%C（质量比）和1.5ml纯水混合，超声振荡10min，然后加入2mg石墨烯气凝胶和10mg质量百分比浓度为5%的PTFE溶液和2ml异丙醇，超声振荡30min，然后磁力搅拌30min，得到阳极催化剂浆料。

[0020] 将阳极催化剂浆液采用刷涂的方式经多次涂覆到阳极扩散层上，直至增重达到5mg，之后在120℃的条件下处理1h，即可得到阳极气体扩散电极。

[0021] 步骤三、阴极催化层的制备：称取16mg催化剂60%Pt/40%C（质量比）和1.5ml纯水混合，超声振荡10min，然后加入3.5mg石墨烯气凝胶和10mg质量百分比浓度为5%的PTFE溶液和2ml异丙醇，超声振荡
30min，然后磁力搅拌30min，得到阴极催化剂浆料；
将阴极催化剂浆液采用刷涂的方式经多次涂覆到阴极扩散层上，直至增重达到5mg，之后在120℃的条件下处理1h，即可得到阴极气体扩散电极。

[0022] 步骤四、质子交换膜的处理过程：剪裁1.5cm×1.5cm的PBI膜，室温下将其浸泡在浓度为85%的磷酸溶液中持续三天，期间多次搅拌溶液使PBI膜与磷酸溶液充分接触。然后将其取出，用滤纸将膜表面的磷酸溶液快速吸干，再将其放入真空干燥箱中110℃下干燥10h。

[0023] 步骤五、热压形成膜电极：将质子交换膜置于阳极气体扩散电极与阴极气体扩散电极的中间，三者摆放整齐，合-2
在一起放在热压机上，在180kg.cm 的压强下、135℃的温度下热压5min，即制得高温质子交换膜燃料电池膜电极。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种质子交换膜-专利编号CN105680077A	2020-05-11	447
质子交换膜燃料电池-专利编号CN104040772A	2020-05-12	334
质子交换膜燃料电池-专利编号CN100590921C	2020-05-13	464
可交联质子交换膜材料-专利编号CN101619163B	2020-05-13	692
质子交换膜水电解槽-专利编号CN110129818A	2020-05-12	110
质子交换膜燃料电池-专利编号CN102576890A	2020-05-12	1043
复合质子交换膜-专利编号CN101867050A	2020-05-11	721
质子交换膜燃料电池的质子交换膜-专利编号CN109473707A	2020-05-11	814
质子交换膜燃料电池-专利编号CN100521351C	2020-05-13	614
质子交换膜-专利编号CN210245620U	2020-05-11	132

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