一種基于石墨烯熱電管理層的新型燃料電池制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于能量轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到燃料電池新能源發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯熱電管理層的新型燃料電池制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，以下簡(jiǎn)稱(chēng)燃料電池)是一種零排放、高效與高功率密度的發(fā)電裝置，特別是在新能源交通動(dòng)力應(yīng)用方面具有極其誘人的前景。經(jīng)過(guò)世界范圍內(nèi)多年持續(xù)研發(fā)，目前燃料電池在能量效率、功率密度、比功率、低溫啟動(dòng)等性能指標(biāo)方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，如:I)Hyunda1-Kia開(kāi)發(fā)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)能量效率@25%額定功率(DC輸出電能與輸入氫燃料LHV的比值)達(dá)到60% ;2)日本豐田Mirai燃料電池汽車(chē)用PEMFC模塊的功率密度達(dá)到3.lkW/L，英國(guó)IntelligentEnergy的新一代EC200-192模塊的功率密度達(dá)到5kW/L ；3)日產(chǎn)2011-model PEMFC模塊的比功率達(dá)到2kW/kg ;4)豐田燃料電池汽車(chē)實(shí)現(xiàn)零下37度啟動(dòng)，本田燃料電池也實(shí)現(xiàn)了零下30度啟動(dòng)。雖然通過(guò)全球氫能科研工作者的努力，燃料電池技術(shù)取得了以上成就，但燃料電池系統(tǒng)的耐久性和成本還沒(méi)達(dá)到商業(yè)化目標(biāo)。目前燃料電池系統(tǒng)的耐久性一般水平為2500小時(shí)，系統(tǒng)成本在49美元/kW，距離5000小時(shí)和30美元/kW的商業(yè)化目標(biāo)仍有距離，構(gòu)成了其產(chǎn)業(yè)化的最后障礙。燃料電池的成本主要受制于催化劑，目前常采用Pt/C作為電極的催化劑，Pt載量一般為Ig Pt/kW，每輛燃料電池汽車(chē)需要鉑為50g/轎車(chē)和10g/大巴車(chē)，在兼顧燃料電池成本和性能的同時(shí)，降低Pt用量是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。美國(guó)DOE關(guān)于燃料電池催化劑Pt簇金屬載量和總含量的2017年目標(biāo)分別為0.125mg/cm2、0.125g/kW。另一方面，燃料電池的壽命主要與運(yùn)行工況有關(guān)。通過(guò)燃料電池汽車(chē)的大量示范運(yùn)行，人們發(fā)現(xiàn)燃料電池的關(guān)鍵材料和部件的劣化模式主要有四種:1)頻繁的啟動(dòng)停止引起的高電位造成燃料電池中碳黑的腐蝕；2)反復(fù)加減速引起的電位循環(huán)造成催化劑鉑顆粒粗大化；3)低負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致質(zhì)子交換膜分解；4)低溫循環(huán)所伴隨的脹縮造成膜電極機(jī)械損傷。其中頻繁的啟動(dòng)停止引起的高電位造成燃料電池中碳黑腐蝕是燃料電池失效的主要因素。
[0003]膜電極是燃料電池的核心部件，決定著燃料電池的成本與壽命，主要由擴(kuò)散層水管理層I陽(yáng)極催化層I質(zhì)子交換膜I陰極催化層I水管理層I擴(kuò)散層構(gòu)成。燃料電池的成本降低和壽命延長(zhǎng)的基本思路是:通過(guò)燃料電池核心部件-膜電極的催化層結(jié)構(gòu)、制備方法與基礎(chǔ)理論創(chuàng)新研究，以實(shí)現(xiàn)膜電極的高性能(高功率密度或大電流密度)、低成本(低鉑載量)、長(zhǎng)壽命發(fā)電，從而滿(mǎn)足燃料電池汽車(chē)商業(yè)化目標(biāo)。有鑒于此，人們開(kāi)始嘗試對(duì)燃料電池膜電極的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與配方優(yōu)化。美國(guó)3M公司在專(zhuān)利(CN200980156878.1)中提供了具有多層陰極的聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池膜電極組件，其中更靠近聚合物電解質(zhì)膜的電極第一層比電極的更遠(yuǎn)的第二層更親水，以此發(fā)明來(lái)提高燃料電池的性能。上海電力學(xué)院在專(zhuān)利(CN201010100451.4)中公布了一種燃料電池用Ru基/Pt膚膜納米薄膜電極制備方法。采用兩步濕法在金基底上電沉積5?6納米厚的Ru膜，然后在Ru膜納米電極上采用欠電位沉積Cu自發(fā)置換法覆蓋Pt層，重復(fù)多次即可得到燃料電池用的Ru基/Pt膚納米薄膜電極，對(duì)降低Pt用量有一定效果。中科院大化所在專(zhuān)利(CN201310090903.9)中提供了一種燃料電池膜電極的制備方法，在噴涂漿料的過(guò)程中，通過(guò)靜電發(fā)生器使?jié){料帶上靜電荷，進(jìn)而提高漿料與膜之間的吸附力，改善了催化層的Pt利用率。哈爾濱工程大學(xué)在專(zhuān)利(CN201410075796.7)中提供了一種紙-石墨-CoPd薄膜電極的制備方法，一定程度上解決了燃料電池陰極活性差的問(wèn)題。日本昭和電工株式會(huì)社在專(zhuān)利(CN201280066888.8)中發(fā)明了一種氧還原催化劑，其包含鈦化合物的一次粒子分散在碳結(jié)構(gòu)體中的復(fù)合粒子，具有良好的啟停耐久性。美國(guó)通用汽車(chē)公司在專(zhuān)利(CN200680016848.7)中發(fā)明了以Ti02為載體的Pt/Ti02催化劑，提高了燃料電池的耐久性。總之，上述專(zhuān)利均側(cè)重于燃料電池的成本或耐久性單方面的創(chuàng)新，而不能兼顧到燃料電池的成本和耐久性的綜合改善，缺乏基于高性能、低成本、長(zhǎng)壽命的核心技術(shù)，這是造成目前燃料電池系統(tǒng)的耐久性和成本還沒(méi)達(dá)到商業(yè)化目標(biāo)的重要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于石墨烯熱電管理層的新型燃料電池制備方法，提高電池的耐久性，降低電池的成本。
[0005]為了達(dá)到本發(fā)明的目的，技術(shù)方案如下:
[0006]—種基于石墨烯熱電管理層的新型燃料電池制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]I)提供一質(zhì)子交換膜；
[0008]2)采用具有條狀凸出結(jié)構(gòu)的模板將上述I)步驟中質(zhì)子交換膜熱壓制備成表面帶有微米級(jí)凹凸結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜；
[0009]3)采用濕化學(xué)方法或原子層氣相沉積法在上述步驟2)制得的帶有微米凹凸結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜表面上制備一層催化劑薄膜層，制成催化層I質(zhì)子交換膜I催化層三合一組件；其中所述催化劑為具有高催化活性金屬材料或者其合金，并且催化劑顆粒均勻地附著于質(zhì)子交換膜表面上，每個(gè)催化劑顆粒之間緊密相連；
[0010]4)將石墨烯、醇溶劑和分散劑混合均勻，將所述三合一組件固定在超聲霧化設(shè)備上并加熱，然后將混合均勻的漿料通過(guò)超聲霧化設(shè)備噴涂在上述步驟3)制得的三合一組件兩表面，形成具有熱電管理層的熱電管理層I催化層I質(zhì)子交換膜I催化層I熱電管理層五合一組件；
[0011]5)在上述步聚4)制得的五合一組件兩側(cè)分別貼合兩片擴(kuò)散層，形成擴(kuò)散層I熱電管理層I陽(yáng)極催化層I質(zhì)子交換膜I陰極催化層I熱電管理層I擴(kuò)散層七合一組件；
[0012]6)將上述步驟5)中制得的七合一組件置入流場(chǎng)夾具中，制得石墨烯燃料電池單體。
[0013]優(yōu)選地:所述質(zhì)子交換膜的厚度為5?40 μ m。
[0014]優(yōu)選地:所述步驟I)中質(zhì)子交換膜熱壓溫度為130?160°C。
[0015]優(yōu)選地:所述步驟3)中三合一組件在超聲霧化設(shè)備上加熱到70?90°C。
[0016]優(yōu)選地:所述質(zhì)子交換膜正反兩個(gè)表面上具有微米級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)。
[0017]優(yōu)選地:所述凹凸結(jié)構(gòu)具有0.5?10 μm的間距。
[0018]優(yōu)選地:所述催化層為Pt薄膜層或Pt合金薄膜層。
[0019]優(yōu)選地:所述催化層中催化劑顆粒的粒徑為I?10nm。
[0020]優(yōu)選地:所述熱電管理層的厚度為0.5?10 μ m。
[0021]優(yōu)選地:所述熱電管理層中石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1?20%。
[0022]優(yōu)選地:所述分散劑為全氟磺酸樹(shù)脂溶液、雜多酸或者它們的混合物。
[0023]優(yōu)選地:所述擴(kuò)散層為碳紙或多孔金屬板。
[0024]質(zhì)子交換膜，為燃料電池電化學(xué)反應(yīng)質(zhì)子迀移和輸送提供通道，使得電化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)子可在陽(yáng)極和陰極兩個(gè)電極之間傳輸，同時(shí)也可阻隔所述兩個(gè)電極的物理連通，避免陽(yáng)極和陰極直接接觸和還原氣與氧化氣直接混和。質(zhì)子交換膜的厚度可以為5微米?40微米。