一种基于石墨烯热电管理层的新型燃料电池制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于能量转化与储能技术领域，特别涉及到燃料电池新能源发电领域，具体涉及一种基于石墨烯热电管理层的新型燃料电池制备方法。
【背景技术】
[0002]质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，以下简称燃料电池)是一种零排放、高效与高功率密度的发电装置，特别是在新能源交通动力应用方面具有极其诱人的前景。经过世界范围内多年持续研发，目前燃料电池在能量效率、功率密度、比功率、低温启动等性能指标方面已经取得了突破性进展，如:I)Hyunda1-Kia开发的燃料电池发动机能量效率@25%额定功率(DC输出电能与输入氢燃料LHV的比值)达到60% ;2)日本丰田Mirai燃料电池汽车用PEMFC模块的功率密度达到3.lkW/L，英国IntelligentEnergy的新一代EC200-192模块的功率密度达到5kW/L ；3)日产2011-model PEMFC模块的比功率达到2kW/kg ;4)丰田燃料电池汽车实现零下37度启动，本田燃料电池也实现了零下30度启动。虽然通过全球氢能科研工作者的努力，燃料电池技术取得了以上成就，但燃料电池系统的耐久性和成本还没达到商业化目标。目前燃料电池系统的耐久性一般水平为2500小时，系统成本在49美元/kW，距离5000小时和30美元/kW的商业化目标仍有距离，构成了其产业化的最后障碍。燃料电池的成本主要受制于催化剂，目前常采用Pt/C作为电极的催化剂，Pt载量一般为Ig Pt/kW，每辆燃料电池汽车需要铂为50g/轿车和10g/大巴车，在兼顾燃料电池成本和性能的同时，降低Pt用量是一个巨大的挑战。美国DOE关于燃料电池催化剂Pt簇金属载量和总含量的2017年目标分别为0.125mg/cm2、0.125g/kW。另一方面，燃料电池的寿命主要与运行工况有关。通过燃料电池汽车的大量示范运行，人们发现燃料电池的关键材料和部件的劣化模式主要有四种:1)频繁的启动停止引起的高电位造成燃料电池中碳黑的腐蚀；2)反复加减速引起的电位循环造成催化剂铂颗粒粗大化；3)低负荷运行导致质子交换膜分解；4)低温循环所伴随的胀缩造成膜电极机械损伤。其中频繁的启动停止引起的高电位造成燃料电池中碳黑腐蚀是燃料电池失效的主要因素。
[0003]膜电极是燃料电池的核心部件，决定着燃料电池的成本与寿命，主要由扩散层水管理层I阳极催化层I质子交换膜I阴极催化层I水管理层I扩散层构成。燃料电池的成本降低和寿命延长的基本思路是:通过燃料电池核心部件-膜电极的催化层结构、制备方法与基础理论创新研究，以实现膜电极的高性能(高功率密度或大电流密度)、低成本(低铂载量)、长寿命发电，从而满足燃料电池汽车商业化目标。有鉴于此，人们开始尝试对燃料电池膜电极的结构创新与配方优化。美国3M公司在专利(CN200980156878.1)中提供了具有多层阴极的聚合物电解质膜的燃料电池膜电极组件，其中更靠近聚合物电解质膜的电极第一层比电极的更远的第二层更亲水，以此发明来提高燃料电池的性能。上海电力学院在专利(CN201010100451.4)中公布了一种燃料电池用Ru基/Pt肤膜纳米薄膜电极制备方法。采用两步湿法在金基底上电沉积5?6纳米厚的Ru膜，然后在Ru膜纳米电极上采用欠电位沉积Cu自发置换法覆盖Pt层，重复多次即可得到燃料电池用的Ru基/Pt肤纳米薄膜电极，对降低Pt用量有一定效果。中科院大化所在专利(CN201310090903.9)中提供了一种燃料电池膜电极的制备方法，在喷涂浆料的过程中，通过静电发生器使浆料带上静电荷，进而提高浆料与膜之间的吸附力，改善了催化层的Pt利用率。哈尔滨工程大学在专利(CN201410075796.7)中提供了一种纸-石墨-CoPd薄膜电极的制备方法，一定程度上解决了燃料电池阴极活性差的问题。日本昭和电工株式会社在专利(CN201280066888.8)中发明了一种氧还原催化剂，其包含钛化合物的一次粒子分散在碳结构体中的复合粒子，具有良好的启停耐久性。美国通用汽车公司在专利(CN200680016848.7)中发明了以Ti02为载体的Pt/Ti02催化剂，提高了燃料电池的耐久性。总之，上述专利均侧重于燃料电池的成本或耐久性单方面的创新，而不能兼顾到燃料电池的成本和耐久性的综合改善，缺乏基于高性能、低成本、长寿命的核心技术，这是造成目前燃料电池系统的耐久性和成本还没达到商业化目标的重要原因。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了弥补现有技术的不足，提供一种基于石墨烯热电管理层的新型燃料电池制备方法，提高电池的耐久性，降低电池的成本。
[0005]为了达到本发明的目的，技术方案如下:
[0006]—种基于石墨烯热电管理层的新型燃料电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007]I)提供一质子交换膜；
[0008]2)采用具有条状凸出结构的模板将上述I)步骤中质子交换膜热压制备成表面带有微米级凹凸结构的质子交换膜；
[0009]3)采用湿化学方法或原子层气相沉积法在上述步骤2)制得的带有微米凹凸结构的质子交换膜表面上制备一层催化剂薄膜层，制成催化层I质子交换膜I催化层三合一组件；其中所述催化剂为具有高催化活性金属材料或者其合金，并且催化剂颗粒均匀地附着于质子交换膜表面上，每个催化剂颗粒之间紧密相连；
[0010]4)将石墨烯、醇溶剂和分散剂混合均匀，将所述三合一组件固定在超声雾化设备上并加热，然后将混合均匀的浆料通过超声雾化设备喷涂在上述步骤3)制得的三合一组件两表面，形成具有热电管理层的热电管理层I催化层I质子交换膜I催化层I热电管理层五合一组件；
[0011]5)在上述步聚4)制得的五合一组件两侧分别贴合两片扩散层，形成扩散层I热电管理层I阳极催化层I质子交换膜I阴极催化层I热电管理层I扩散层七合一组件；
[0012]6)将上述步骤5)中制得的七合一组件置入流场夹具中，制得石墨烯燃料电池单体。
[0013]优选地:所述质子交换膜的厚度为5?40 μ m。
[0014]优选地:所述步骤I)中质子交换膜热压温度为130?160°C。
[0015]优选地:所述步骤3)中三合一组件在超声雾化设备上加热到70?90°C。
[0016]优选地:所述质子交换膜正反两个表面上具有微米级的凹凸结构。
[0017]优选地:所述凹凸结构具有0.5?10 μm的间距。
[0018]优选地:所述催化层为Pt薄膜层或Pt合金薄膜层。
[0019]优选地:所述催化层中催化剂颗粒的粒径为I?10nm。
[0020]优选地:所述热电管理层的厚度为0.5?10 μ m。
[0021]优选地:所述热电管理层中石墨烯的质量分数为0.1?20%。
[0022]优选地:所述分散剂为全氟磺酸树脂溶液、杂多酸或者它们的混合物。
[0023]优选地:所述扩散层为碳纸或多孔金属板。
[0024]质子交换膜，为燃料电池电化学反应质子迀移和输送提供通道，使得电化学反应中的质子可在阳极和阴极两个电极之间传输，同时也可阻隔所述两个电极的物理连通，避免阳极和阴极直接接触和还原气与氧化气直接混和。质子交换膜的厚度可以为5微米?40微米。