一种质子交换膜燃料电池动态氢电极的制备方法

摘要

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池动态氢电极的制备方法。本发明的动态氢电极由铂丝，质子交换膜，催化剂，外接电源构成。将催化剂均匀地喷涂在质子交换膜的上下两侧表面相对一端边缘区域，含有催化剂的质子交换膜表面形成催化层，将催化层部分对折，两根铂丝末端放入催化层区域内，形成氢电极的对电极与工作电极，质子交换膜作为电极体系的固态电解质，在油压机上压制成型。此方法制备的动态氢电极结构简单，制备容易，操作方便，测量精度和稳定性高，重复性高，可靠性高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体为一种新型质子交换膜燃料电池动态 氢电极的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应 直接转化为电能的发电装置。它不受卡诺循环的限制，可以高效地将化学 能转化为电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有可快速启动、无电解液 流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出优点，适合作为便携 式电源和电动汽车的电源。

在PEMFC的研究中,膜电极(MEA)的综合性能通常是由电流-电压 (I-V)曲线来评价，尽管I-V曲线是评价MEA的重要参数,但它仅是对电 池极化行为的整体反映,其中既包含阴极和阳极的活化极化,还包括电解 质的欧姆极化以及浓差极化。因而要分别考察各种极化对膜电极(MEA)性 能的影响，需要借助于参比电极，测量研究电极与参比电极的电位差以确 定研究电极的相对电位。

参比电极的种类较多，如标准氢参比电极、甘汞参比电极，银/氯化银 参比电极等，此类参比电极适用于含有液体电解质的电化学体系，不适合 含有固态电解质的PEMFC体系。为了解决含有固态电解质的PEMFC体系 的参比电极问题，R.Madhusudana Rao等人（文献1“Dynamic characteristics  of spherical agglomerate for study of cathode catalyst layers in proton exchange  membrane fuel cells(PEMFC)”，Journal of Power Sources 158(2006)110-123) 将两根铂丝末端直接放入燃料电池膜（MEA）组件内，构成动态氢电极的 工作电极和对电极，此方法制得的动态氢电极在燃料电池大电密长时间工 作情况下，动态氢电极的阴极氢还原反应电极电位波动较大，极化电位较 高；Zyun Siroma等人（文献2“Compact dynamic hydrogen electrode unit as a reference electrode for PEMFCs”，Journal of Power Sources 156(2006) 284-287)将两根铂丝末端蘸上催化剂并将其末端包裹两片nafion膜之间，构 成成动态氢电极的工作电极和对电极，将其压制在燃料电池膜（MEA）组 件内，构成动态氢电极体系。此方法催化剂担量不易控制，每次制得工作 电极与对电极之间间距不等，动态氢电极的极化较大，动态氢电极阴极氢 还原反应电极电位重复性不高。

发明内容

鉴于上述现有动态氢电极所存在的问题，本发明的目的是研究设计一 种新型的使用方便、性能可靠稳定的燃料电池动态氢电极。在评价燃料电 池运行过程中阳极极化、阴极极化等各种极化对电池性能的影响时，可以 将该参比电极热压在燃料电池膜(MEA)组件内，随时进行电池阳极电位、阴 极电位的原位测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：

a.将质子交换膜裁剪为小块状（如3×8mm的长方形），将调制好的催 化剂浆料均匀喷涂在同一块质子交换膜上下两侧表面相对一端边缘部分区 域（如长方形的边缘3×5mm区域），两侧含有催化剂的质子交换膜表面各 形成催化层，质子交换膜为固态电解质。

b.将该质子交换膜沿着含有催化剂的部分表面等比例对折，将催化剂 完全包含在对折区域内而不外漏。

c.将两根铂丝末端分别放入对折区域内，作为动态氢电极的对电极与 工作电极，在油压机上热压制成型。

d.将压制成型的电极放置在燃料电池膜(MEA)组件内，将两根铂丝的 另一端与外电源正负极相连接，施加稳定电流电解，构成动态氢电极体系， 外电源正极为阳极，电源负极为阴极，发生如下反应：

阳极反应：H₂O→1/2O₂+2H⁺+2e(标准电极电位为1.229V)

阴极反应：2H⁺+2e→H₂(标准电极电位0V)

本发明的动态氢电极是用质子交换膜的上下表面相对一端部分区域喷 涂催化剂与铂丝组合，形成动态氢电极的工作电极与对电极，质子交换膜 作为电极体系的固态电解质，工作电极与对电极的间距为质子交换膜的厚 度，间距可控且距离较小，电极体系自身的极化较小。

本发明具有结构新颖，方法简单实用，可操作性强，可批量制备，测 量精度与稳定性、重复性高，其应用在燃料电池原位测量技术，评价燃料 电池阴极极化、阳极极化等方面将就有一定的现实意义。

附图说明

图1.本发明制备的动态氢电极流程图。

图2.本发明制备的含有动态氢电极的MEA结构图。

图3.本发明不同批次制备的动态氢电极时间电位曲线。

具体实施方式

下面结合实施例与附图，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施 方式不限于此，其具体工作步骤如下：

下面结合实施例与附图，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施 方式不限于此，其具体工作步骤如下：

a.用一级天平称取铂黑10mg，滴水润湿，称取5wt.%的nafion溶液 30mg，加入5ml异丙醇，配制成催化剂浆料，用超声波震荡将催化剂完全 分散。

b.附图1为制备动态氢电极的方法：取一小块3×8mm的长方形 212膜1，将催化剂浆料喷涂在212膜1的上表面第一区域2 处，面积为3×5mm，将212膜面翻转，催化剂喷涂在212 膜1下表面第二区域3处，面积为3×5mm。

c.将喷涂好的212膜1的第一区域2、第二区域3沿着有催化剂 的表面对折，形成两个相反方向的3×2.5mm对折区域，保证将催化剂全部 含在对折区域内，212膜1对折区域的内表面形成催化层4。

d.将两根直径为80μm，长度为40mm的铂丝5的第一末端6、第二末 端7放入催化层4内，铂丝5第一末端6、第二末端7的长度均为2mm， 确保其完全包裹在催化层4中。

e.将步骤d组合好的铂丝5、具有催化层4的212膜1固定放好， 油压机热压成型。热压过程：热压温度为140℃，热压压力为2Mpa，热压 时间120s，制备动态氢电极8。

f.将步骤e压制成型的动态氢电极8放置在0.5mol·L^-1硫酸溶液中，将 两根铂丝5的末端分别与外电源正、负极相连接构成动态氢电极体系。动 态氢电极氢还原电位测量使用三电极体系，包含在催化层4内的两根铂丝5 的第一末端6、第二末端7作为氢电极反应的工作电极与对电极，参比电极 为饱和甘汞电极（SCE）。将动态氢电极体系施加200μA电流，进行动态氢 电极阴极氢还原反应电位测量。

g.附图2为制备含有动态氢电极8的MEA方法：在燃料电池膜MEA的制 备过程中，把经过步骤f测量过的动态氢电极8放置在阳极气体扩散电极9与 面积为270cm²的212膜10边缘之间，聚酯框11置于气体扩散电极外 侧，将特制组合好的MEA组件（212膜、动态氢电极、气体扩散电 极、聚酯框）置于两片不锈钢平板中间，热压成型。两根铂丝5的一端与3V 干电池12正极连接，另一端与15kΩ的电阻13一极连接，电阻13的另一极与 电池负极连接。

h.按上述方法制备含有动态氢电极的MEA、双极板、端板组装成燃料 电池单池或电堆，测试系统分别原位监测燃料电池运行过程中阴极、阳极 电位值（Vs.动态氢电极）。

附图3为不同批次（6批次）制备的动态氢电极在硫酸体系中的阴极氢 还原反应电位值：动态氢电极体系施加200μA电流，当反应3min左右达到稳 态至30min时，同一动态氢电极体系氢电极阴极氢还原反应电位值大约为 -40mV，且30min钟内电位波动值不超过2mV，稳定性较好；不同批次制备 的动态氢电极阴极氢还原反应电位值相差不大，最大误差为±5mV左右， 重复性较好。

此方法制备的动态氢电极结构简单，制备容易，操作方便，测量精度 和稳定性高，重复性高，可靠性高等优点。