本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆及其制備方法。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，以空氣為氧化劑，將氫氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置，具有能量利用率高，環(huán)境友好，有廣闊的發(fā)展前景。燃料電池每個單元電池由帶流場的陰陽極板，中間夾有膜電極組件組成，各單元之間嵌入密封件，交替疊加組成多節(jié)電池的電堆。多個單元疊加組成時，采用定位機構(gòu)，確保電池組內(nèi)的雙極板，MEA(膜電極組件)無相對位移，組裝過程確保電池組密封良好。

設(shè)計組裝電池組既要確保電池組具有良好的密封，又要保證膜電極組件與雙極板接觸良好，減少接觸電阻。確保膜電極有0.1-0.2mm的壓深，使電池組內(nèi)各密封件均勻不被壓縮，使電池處于良好的密封。傳統(tǒng)的組裝采用面密封，電池組組裝壓力大，橡膠材料隨電池組運行，長時間后密封件變形，老化，電池效率降低，變差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及電堆及其制備。

為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，它是由多個堆疊在一起的電池單元經(jīng)前端板、后端板壓緊后，用螺桿栓緊形成的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆；

所述的電池單元包括：膜電極組件，二片壓制有流場的金屬雙極板，所述的膜電極組件封裝在兩片金屬雙極板的內(nèi)側(cè)，每塊金屬雙極板與膜電極組件接觸的表面至少有一條流道形成一個電池單元的發(fā)電模塊；

所述的膜電極組件是由有以下方法制成的：在陰極電極和陽極電極的兩端分別設(shè)有溝槽，將陰極電極、質(zhì)子交換膜和陽極電極依次疊加，溝槽內(nèi)放入密封圈進行線密封，再熱壓制成的；所述的陰極電極是由氣體擴散層和陰極催化劑負載在氣體擴散層上形成的陰極催化劑層組成的，所述的陽極電極是由氣體擴散層和陽極催化劑負載在氣體擴散層上形成的陽極催化劑層組成的；每個膜電極組件上開有反應(yīng)氣體與冷卻劑流通的共用通道。所述的密封圈的材料為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識，采用橡膠或低溫可固化的膠。

所述的氣體擴散層是由以下制備方法制得的：碳紙或炭布用5～10％PTFE(聚四氟乙 烯)乳液浸泡，在330～370℃烘干；碳粉：水：醇：5～10％PTFE乳液按質(zhì)量比1：5：20：0.33～1混合，超聲波分散制成混合物，將制得的上述混合物負載到前述處理過的碳紙或炭布上形成負載量為2～5mg/cm²的微孔層，自然干燥后在330～370℃先干燥20～60分鐘形成氣體擴散層；

所述的陰極催化劑層是由以下制備方法制得的：將陰極催化劑混合物負載在氣體擴散層上得到陰極催化劑層，陰極催化劑負載量2～6mg/cm²，陰極催化劑層的厚度為10～200微米；所述的陰極催化劑為Pt/石墨烯；

所述的陽極催化劑層是由以下制備方法制得：將陽極催化劑混合物負載在氣體擴散層上得到陽極催化劑層，陽極催化劑負載量2～6mg/cm²，陽極催化劑層的厚度為10～200微米；所述的陽極催化劑為PtRu/石墨烯或PtRu/C。

優(yōu)選的，所述的氣體擴散層是由以下制備方法制得的：碳紙或炭布用5％PTFE乳液浸泡，在330～340℃烘干；碳粉：水：醇：5％PTFE乳液按質(zhì)量比1：5：20：0.33～1混合，超聲波分散制成混合物，將前述經(jīng)過處理的碳紙或炭布放到上述混合物中，超聲波振蕩，將混合物均勻負載到碳紙或炭布上形成負載量為3mg/cm²的微孔層，自然干燥后在330～340℃先干燥30分鐘形成氣體擴散層。

PTFE乳液潤濕碳紙或炭布，浸泡時間一般為30～60分鐘，甚至更長，以碳紙或炭布充分浸泡為止，碳紙或炭布負載碳粉、水、醇和PTFE混合物得到微孔層，目的是防止碳粉、PTFE聚集成大粒徑，分散均勻，利于制備良好催化劑。

負載量是指碳粉和PTFE在碳紙或炭布上的負載量，水和醇在干燥時都揮發(fā)掉。

所述的陰極催化劑混合物是由陰極催化劑、水、全氟磺酸樹脂溶液與醇按照1g：5g：0.33～1g：20ml的比例混合，超聲分散得到的；所述的全氟磺酸樹脂溶液的質(zhì)量分數(shù)是5％～10％。

所述的陽極催化劑混合物是由陽極催化劑、水、全氟磺酸樹脂溶液與醇按照1g：5g：0.33～1g：20ml的比例混合，超聲分散制成乳液；所述的全氟磺酸樹脂溶液的質(zhì)量分數(shù)是5％～10％。

所述的熱壓溫度為60～200℃，熱壓的壓力為0.1～10MPa，熱壓時間為1～10分鐘。

所述的熱壓溫度優(yōu)選為125～135℃，壓力優(yōu)選為3～5MPa，熱壓時間優(yōu)選為2～3分鐘。

所述的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸型質(zhì)子交換膜Nafion115、Nafion112、Nafion117、Nafion1035中的一種。

所述的醇為乙醇、乙二醇、異丙醇中的一種。

所述的陰極催化劑Pt/石墨烯是由以下制備方法制得的：

(1)、氧化石墨烯粉末加入多元醇中，超聲分散得到氧化石墨烯醇溶液，所述的氧化石墨烯粉末和多元醇的質(zhì)量體積比為0.5～1mg：1ml；取0.05～0.06mol/L的氯鉑酸水溶液置于多元醇得到氯鉑酸醇溶液；將上述制得的氧化石墨烯醇溶液和氯鉑酸醇溶液混合，超聲分散，混合溶液中氧化石墨烯和氯鉑酸的用量比為390～2000g：1mol；

(2)、步驟(1)制得的混合溶液中加入堿溶液調(diào)節(jié)pH至8～12，轉(zhuǎn)移至微波反應(yīng)釜中，180～250W微波功率加熱至80～180℃反應(yīng)5～25min；反應(yīng)液冷卻，真空過濾；濾餅用有機溶劑和去離子水交替洗滌至濾液pH中性，再在60～90℃干燥至恒重，得到以氧化石墨烯為載體、以Pt為活性成分的Pt/石墨烯電催化劑。

本發(fā)明還提供了一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制備方法，包括以下步驟：

(1)、制備膜電極組件：在陰極電極和陽極電極的兩端分別設(shè)有溝槽，將陰極電極、質(zhì)子交換膜和陽極電極依次疊加，溝槽內(nèi)放入密封圈進行線密封，再進行熱壓；所述的熱壓溫度為60～200℃，熱壓的壓力為0.1～10MPa，熱壓時間為1～10分鐘；

其中，所述的陰極電極是由氣體擴散層和陰極催化劑負載在氣體擴散層上形成的陰極催化劑層組成的，所述的陽極電極是由氣體擴散層和陽極催化劑負載在氣體擴散層上形成的陽極催化劑層組成的；

所述的氣體擴散層是由以下制備方法制得的：碳紙或炭布用5～10％PTFE乳液浸泡，在330～370℃烘干；碳粉：水：醇：5～10％PTFE乳液按質(zhì)量比1：5：20：0.33～1混合，超聲波分散制成混合物，將制得的上述混合物負載到前述處理過的碳紙或炭布上形成負載量為2～5mg/cm²的微孔層，自然干燥后在330～370℃先干燥20～60分鐘形成氣體擴散層；

所述的陰極催化劑層是由以下制備方法制得的：將陰極催化劑混合物負載在氣體擴散層上得到陰極催化劑層，陰極催化劑負載量2～6mg/cm²，陰極催化劑層的厚度為10～200微米；所述的陰極催化劑為Pt/石墨烯；

所述的陽極催化劑層是由以下制備方法制得：將陽極催化劑混合物負載在氣體擴散層上得到陽極催化劑層，陽極催化劑負載量2～6mg/cm²，陽極催化劑層的厚度為10～200微米；所述的陽極催化劑為PtRu/石墨烯或PtRu/C。

(2)、將膜電極組件封裝在兩片金屬雙極板的內(nèi)側(cè)形成電池單元；

(3)、將多個電池單元順序疊加，堆疊在一起的電池單元經(jīng)前端板、后端板壓緊后，用螺桿栓緊形成的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明采用線密封，電池組組裝壓力小，密封件變形小，簡化了電池結(jié)構(gòu)。同時采用石墨烯為原料制備電催化劑，以該電催化劑作為陰極催化劑制備得到的膜電極，再進一步制得電池單元，由多個電池單元組裝的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的電壓0.65～0.75V，電流密度：400～410mA/cm²，壽命：5000～6000小時，和傳統(tǒng)面密封相比具有更高的效率和更長的使用壽命。

附圖說明

圖1是本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是電池單元的線密封示意圖。

具體實施方式

實施例1

一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，它是由多個堆疊在一起的電池單元經(jīng)前端板1、后端板2壓緊后，用螺桿穿過前、后端板的固定孔5栓緊，緊固栓平形成電堆；所述的電池單元包括：膜電極組件3，二片壓制有流場的金屬雙極板4，所述的膜電極組件3封裝在兩片金屬雙極板4的內(nèi)側(cè)，每片金屬雙極板4與膜電極組件3接觸的表面至少有一條流道(本實施例金屬雙極板4設(shè)有4條流道)形成一個電池單元的發(fā)電模塊。其具體制備方法包括如下步驟：

(1)、制備膜電極組件：a、制備氣體擴散層：碳紙用5％PTFE乳液浸泡多少時間，在340℃烘干，再進行平整處理；稱取1gXC-72碳粉、5ml去離子水、20ml乙二醇加入到1g5％PTFE乳液，超聲分散，形成墨水狀混合物；將經(jīng)過處理的碳紙放到墨水狀混合物中，超聲波振蕩，將墨水狀混合物均勻地負載到碳紙上形成負載量為3mg/cm²的微孔層，自然干燥后在340℃先干燥30分鐘形成氣體擴散層，制得的兩片氣體擴散層分別作為陰極氣體擴散層和陽極氣體擴散層；b、制備陰極電極：稱取0.56g Pt/石墨烯、2.80ml去離子水、0.56g質(zhì)量分數(shù)5％的Nafion全氟磺酸樹脂溶液和11.2ml異丙醇攪拌，超聲分散，得漿狀混合物；取其中一片氣體擴散層作為陰極氣體擴散層，將漿狀混合物負載到陰極氣體擴散層上，負載量為6mg/cm²得陰極催化劑層，厚度100微米；陰極氣體擴散層和陰極催化劑層組成陰極電極。其中Pt/石墨烯是由以下方法制備得到的：稱取350mg氧化石墨烯粉末，置于400mL乙二醇中超聲波振蕩，得混合均勻的氧化石墨烯醇溶液；量取0.06mol/L氯鉑酸6mL，置于20mL的乙二醇中，攪拌均勻得到氯鉑酸醇溶液；混合上述兩種溶液，攪拌下加入5％KOH溶液，調(diào)節(jié)pH＝12，攪拌20min，然后放入微波反應(yīng)釜中，微波功率180W，溫度120℃， 加熱8min，反應(yīng)完畢，冷卻至室溫；反應(yīng)液真空過濾，濾餅用丙酮和無離子水交替洗滌，分別洗滌5次至濾液pH＝7，然后在真空干燥箱內(nèi)60℃干燥5小時至恒重，得以氧化石墨烯為載體、以Pt為活性成分的Pt/石墨烯納米電催化劑，Pt的負載量約20％。c、制備陽極電極：稱取0.57g PtRu/石墨烯、2.85ml去離子水、0.57g質(zhì)量分數(shù)5％的Nafion全氟磺酸樹脂溶液和11.4ml乙二醇攪拌，超聲分散，得漿狀混合物；取其中一片氣體擴散層作為陰極氣體擴散層，將漿狀混合物負載在陽極氣體擴散層上得到陽極催化劑層，負載量4mg/cm²，厚度為100微米；PtRu/石墨烯中PtRu的負載量，陽極氣體擴散層和陽極催化劑層組成陽極電極；d、在陰極電極31和陽極電極32的兩端分別設(shè)有溝槽6，將陰極電極31、質(zhì)子交換膜33(所述的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸型質(zhì)子交換膜Nafion115)和陽極電極32依次疊加，溝槽6內(nèi)放入密封圈進行線密封，再在熱壓機內(nèi)于130℃、4MPa熱壓3分鐘制成膜電極組件3；

(2)、將膜電極組件3封裝在兩片壓制有流場的金屬雙極板4的內(nèi)側(cè)形成電池單元；

(3)、將多個電池單元順序疊加，堆疊在一起的電池單元經(jīng)前端板、后端板壓緊后，用螺桿栓緊形成的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。

本實施例制得的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆在SUN-FTP500燃料電池測試平臺上進行電池性能測試，通過實驗室測定不同溫度，氣體不同流速，控制單個電池或電堆的工作溫度，各種溫度、壓力測量儀表、電流、電壓儀表均采用傳感器，并與計算機相連，記錄處理和控制，采用電子負載，并有計算機按預(yù)定試驗程序進行實驗，進行電池或電堆的伏安曲線測定與壽命考核。測試數(shù)據(jù)如下：電壓：0.65～0.75v；電流密度：400～410mA/cm²；壽命：5000～6000h。

采用傳統(tǒng)的面密封組裝質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，其他均同本發(fā)明實施例1，對面裝組電池電堆進行電池性能測試，測試數(shù)據(jù)如下：電壓：0.55～0.60v；電流密度：300～350mA/cm²；壽命：3000～5000h。