CN112531188A - 一种燃料电池膜电极制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池膜电极制备方法，包括如下步骤，制备催化剂浆料：称取Pt基催化剂将其分散在水与有机溶剂的混合溶液中，在冰浴冷却超声分散的同时，向其中逐滴滴加Nafion与异丙醇的混合溶液，在冰浴冷却超声分散0.5‑5小时，裁剪膜体：根据要制备的膜电极催化活性面积大小，将质子交换膜以及气体扩散膜裁剪成需要尺寸，每边多预留出1‑10mm，根据裁剪的质子交换膜以及气体扩散膜的大小对封边膜进行裁剪，固定支撑膜：将通过裁剪得到的质子交换膜的正面通过胶水粘接支撑膜，反面不作任何处理，降低质子交换膜的用量，在第一次热压后，边框膜与气体扩散层能起到支撑保护作用，可以有效避免操作喷涂热压等过程中出现的溶胀、变形与扭曲问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池膜电极加工领域，具体为一种燃料电池膜电极制备方法。
背景技术
随着传统能源逐渐退出历史舞台,以氢能和燃料电池将成为新兴能源变革已经来临。氢燃料电池技术作为氢能源革命的重要环节，已成为世界各国重点发展的清洁能源技术。燃料电池由双极板和膜电极组成，其中膜电极是燃料电池的核心部件，约占整个燃料电池成本的60％。开发高质量、低成本的膜电极的制备工艺是氢燃料电池发展的重要环节。
当前，膜电极的制备技术主要有两种工艺：一种是将催化剂涂覆于气体扩散层(碳纸或碳布)上，然后将阴极与阳极的气体扩散层，通过热压的方式，压在质子交换膜的两侧，该工艺相对简单、成熟，但制备的膜电极接触内阻较大，且催化剂利用率低，无法实现高质量膜电极技术的制备；另一种工艺是也是比较主流的膜电极商业制备方法是CCM技术(Catalyst Coated Membrane，CCM)，即将催化剂浆料直接喷涂到质子交换膜上，形成催化层-膜-催化层三合一整体，然后与气体扩散层组装成膜电极，此工艺制备的膜电极内阻相对较小、且催化剂利用率高。但由于质子交换膜正向超薄(主流的质子膜厚度已经降到20微米以下)趋势发展，一方面膜很高的柔韧性使其易变形，膜在喷涂过程中易发生溶胀变形，所以工艺较为复杂，一致性差；另一方面超薄的膜对封边技术难度要求也很高，必须预留过多的质子膜用于封边密封要求，从而会造成质子膜的浪费，增加了膜电极成本。
相关专利
专利CN201710595430.6公开了一种基于CCM技术燃料电池膜电极组件的制备工艺，包括取催化剂浆料的制备，再将催化剂浆料直接涂覆在质子交换膜两侧，再将气体扩散层固定在CCM膜电极两侧，并进行封边处理，获得所述燃料电池膜电极组件。该工艺简单、无需热压，但是对于50微米以下柔软的质子膜，膜的转移、封装操作技术难度大，不利于批量化生产，并且制备出的CCM膜电极的一致性不能得到有效保证。
专利CN CN200810204032.8公开了一种质子交换膜燃料电池电极制备方法，先将催化剂喷涂在转印膜上，在通过两次转印-热压的方式，将阴阳极催化层热压在质子交换膜上，最后将完成催化剂转印的质子交换膜与扩散层的三合一膜电极加上用作密封、绝缘的边框，该膜电极制备方法具有界面电阻小、可大规模生产的优点，但是该方法经过多次转印过程复杂。
因此怎样在应用层面使用更佳的膜电极制备工艺来降低界面电阻，提高质子交换膜的使用率，降低膜电极中质子膜的成本，在不使电池性能和使用寿命衰减的情况下减少催化剂使用量，降低电极制作成本，同时保证制备膜电极的一致性。
发明内容
本发明的主要目的提供一种燃料电池膜电极制备方法，可以有效的解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种燃料电池膜电极制备方法，包括如下步骤，制备催化剂浆料：称取Pt基催化剂将其分散在水与有机溶剂的混合溶液中，在冰浴冷却超声分散的同时，向其中逐滴滴加Nafion与异丙醇的混合溶液，在冰浴冷却超声分散0.5-5小时，裁剪膜体：根据要制备的膜电极催化活性面积大小，将质子交换膜以及气体扩散膜裁剪成需要尺寸，每边多预留出1-10mm，根据裁剪的质子交换膜以及气体扩散膜的大小对封边膜进行裁剪，固定支撑膜：将通过裁剪得到的质子交换膜的正面通过胶水粘接支撑膜，反面不作任何处理，质子交换膜反面超声喷涂催化剂层：将带有支撑膜的质子交换膜真空吸平在真空吸盘上，采用超声喷涂的方法将催化剂喷涂在质子交换膜的反面，质子交换膜反面单边封装：调节平板热压机压力使作用于电极的力为0.1-0.8MPa的压力，调节平板热压机上下板温度到80-160℃，按照次序封边膜、气体扩散层、热熔胶膜、质子交换膜反面，在平板热压机上热压1-120s，得到半片膜电极，质子交换膜正面超声喷涂催化剂层：将通过单边封装得到的半片膜电极上的支撑膜揭去，真空吸平在真空吸盘上，采用超声超声喷涂质子交换膜正面；质子交换膜正面单边封装：调节平板热压机压力使作用于电极的力为0.1-0.8MPa的压力，并调节上下板温度到60-160℃，按照次序半片膜电极-热熔胶-气体扩散层-封边膜A，在热压机上热压1-180s，经干燥后，得到全组装的膜电极。
本发明具有如下优点：
通过先在带有支撑膜的质子交换膜另一面喷涂催化剂层，然后将封边膜、热熔胶、碳纸经过第一次热压成半片膜电极，然后去除支撑膜，再在质子交换膜另一面喷涂催化剂层后，在将封边膜、热熔胶、碳纸进行热压，最终形成八合一的膜电极，在第一次热压前，质子交换膜拥有单面的支撑保护层，可以有效避免操作喷涂热压等过程中出现的溶胀、变形与扭曲问题，同时操作的便捷性可以减少封边预留质子交换膜的使用，降低质子交换膜的用量，在第一次热压后，边框膜与气体扩散层能起到支撑保护作用，可以有效避免操作喷涂热压等过程中出现的溶胀、变形与扭曲问题，具有针对性的解决了背景技术所涉及的技术问题。
附图说明
图1为本发明各膜层的层压顺序图；
图2为本发明各膜层的层压顺序图；
图3为本发明各膜层的层压顺序图；
图4是传统膜电极封装形式与采用本发明封装方式封装的膜电极的性能对比图；
具体实施方式
下面，基于实施例对本发明要解决的防止操作喷涂热压等过程中出现的溶胀、变形与扭曲问题，进行具体的说明，但本发明不限于这些实施例。
(实施例1)
传统一次热压制备有效活性面积为5*5cm的膜电极：
步骤1.称取60％Pt/C催化剂25mg，将其超声分散在10mL水中，在加入异丙醇5mL与3mL的DMF，充分搅拌后在冰浴冷却超声分散；
步骤2.称取0.2g的5％Nafion溶液加入的12mL的异丙醇中，在冰浴冷却超声分散条件下，向上一步骤制得溶液中逐滴滴加Nafion与异丙醇的混合溶液，在冰浴冷却继续超声分散1小时；
步骤3.分别裁剪质子交换膜、两片封边膜、热熔胶膜以及气体扩散层，尺寸分别为：质子交换膜(5.2*5.2cm)、封边膜(内方孔：5*5cm，外方9*9cm以及内方孔：5.2*5.2cm，外方9*9cm)、气体扩散层(5*5cm)、热熔胶(内方孔5*5cm，外方9*9cm)；
步骤4.将质子交换膜，真空吸平在真空吸盘上，采用超声喷涂的方法将催化剂喷涂在质子交换膜上，喷涂17.5mL，喷涂速率50微升/分钟，喷涂面积为中间位置5*5cm；
步骤5.采用超声喷涂的方法将催化剂喷涂在质子交换膜另一面上，催化剂喷涂4mL，喷涂速率50微升/分钟，喷涂面积为中间位置5*5cm；
步骤6.按照如图1的堆叠方式，将质子交换膜、封边膜、热熔胶、气体扩散层平铺的真空吸盘上，采用压力0.4MPa，在热压温度为100℃下，热压25s，从而制备好膜电极。
(实施例2)
采用本发明提供的方法制备有效活性面积为5*5cm的膜电极：
步骤1.先称取60％Pt/C催化剂25mg，将其超声分散在10mL水中，再加入异丙醇5mL与3mL的DMF，充分搅拌后在冰浴冷却超声分散得到溶液；
步骤2.取0.2g的5％Nafion溶液加入的12mL的异丙醇中，在冰浴冷却超声分散条件下，向步骤1所得溶液逐滴滴加Nafion与异丙醇的混合溶液，在冰浴冷却继续超声分散1小时；
步骤3.分别裁剪质子交换膜、两片封边膜、热熔胶膜以及气体扩散层，尺寸分别为：质子交换膜(5.2*5.2cm)、封边膜(内方孔：5*5cm，外方9*9cm以及内方孔：5.2*5.2cm，外方9*9cm)、气体扩散层(5*5cm)、热熔胶(内方孔5*5cm，外方9*9cm)；
步骤4.将通过裁剪得到的质子交换膜的正面通过胶水粘接支撑膜，反面不作任何处理；
步骤5.将带有支撑膜的质子交换膜真空吸平在真空吸盘上，采用超声喷涂的方法将催化剂喷涂在质子交换膜的反面，催化剂喷涂量为17.5mL，喷涂速率50微升/分钟，催化剂喷涂面积为中间位置5*5cm；
步骤6.将质子交换膜、封边膜、热熔胶膜、气体扩散层平铺的真空吸盘上，采用压力0.3MPa，在热压温度为100℃下，热压5s，得到半片膜电极；
步骤7.将得到的半片膜电极中质子交换膜上的支撑膜揭去，真空吸平在真空吸盘上，采用超声喷涂的方法将催化剂喷涂在质子交换膜上，催化剂喷涂量为4mL，喷涂速率50微升/分钟，喷涂面积为中间位置5*5cm；
步骤8.按照图2的堆叠方式，将质子交换膜、封边膜、热熔胶、气体扩散层平铺的真空吸盘上，采用压力0.4MPa，在热压温度为100℃下，热压20s，从而制备出膜电极。
(实施例3)
采用本发明提供的方法制备有效活性面积为15*15cm的膜电极：
步骤1.先称取40％Pt/C催化剂500mg，将其超声分散在100mL水中，再加入异丙醇50mL与30mL的DMF，充分搅拌后在冰浴冷却超声分散得到溶液；
步骤2.称取6g的5％Nafion溶液加入的20mL的异丙醇中，在冰浴冷却超声分散条件下，向步骤1所得溶液逐滴滴加Nafion与异丙醇的混合溶液，在冰浴冷却继续超声分散1小时；
步骤3.分别裁剪质子交换膜、两片封边膜、热熔胶膜以及气体扩散层，尺寸分别为：质子交换膜(15.5*15.5cm)、封边膜(内方孔：15*15cm，外方20*16cm以及内方孔：15.5*15.5cm，外方20*16cm)、气体扩散层(15*15cm)、热熔胶(内方孔15*15cm，外方20*16cm)；
步骤4.将通过裁剪得到的质子交换膜的正面通过胶水粘接支撑膜，反面不作任何处理；
步骤5.将带有支撑膜的质子交换膜真空吸平在真空吸盘上，采用超声喷涂的方法将催化剂喷涂在质子交换膜的反面，催化剂喷涂量为78mL，喷涂速率1毫升/分钟，催化剂喷涂面积为中间位置15*15cm；
步骤6.将质子交换膜、封边膜、热熔胶膜、气体扩散层平铺的真空吸盘上，采用压力0.4MPa，在热压温度为120℃下，热压5s，得到半片膜电极；
步骤7.将得到的半片膜电极中质子交换膜上的支撑膜揭去，真空吸平在真空吸盘上，采用超声喷涂的方法将催化剂喷涂在质子交换膜上，催化剂喷涂量为18mL，喷涂速率500微升/分钟，喷涂面积为中间位置15*15cm；
步骤8.按照图2的堆叠方式，将质子交换膜、封边膜、热熔胶、气体扩散层平铺的真空吸盘上，采用压力0.6MPa，在热压温度为120℃下，热压20s，从而制备出膜电极。
实施例1中在对膜电极进行制备时，质子交换膜在喷涂催化剂时很容易发成溶胀与扭曲，同时实施例1中的堆叠各种材料进行热压时的可操作性非常差，很容易造成质子交换膜的扭曲与错位；实施例2与实施例3制备膜电极制备工艺在制备膜电极时所采用的的两次热压法有效解决实施例1中所遇到的溶胀、扭曲、错位等问题，并且操作非常简便；通过实施例3可以看出两次热压法制备更大的膜电极时的操作性也非常好。通过对实施例1与实施例2中制备的膜电极进行性能测试，可以清晰看出实施例2中两次热压法制备的膜电极性能远好于实施例1中膜电极的性能，更能说明本发明所采用的两次热压方法可以提高膜电极工艺的可操作性与电池性能。
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
Claims (5)
1.一种燃料电池膜电极制备方法，其特征在于：包括如下步骤
制备催化剂浆料：称取Pt基催化剂将其分散在水与有机溶剂的混合溶液中，在冰浴冷却超声分散的同时，向其中逐滴滴加Nafion与异丙醇的混合溶液，在冰浴冷却超声分散0.5-5小时；
裁剪膜体：根据要制备的膜电极催化活性面积大小，将质子交换膜以及气体扩散膜裁剪成需要尺寸，每边多预留出1-10mm，根据裁剪的质子交换膜以及气体扩散膜的大小对封边膜进行裁剪；
固定支撑膜：将通过裁剪得到的质子交换膜的正面通过胶水粘接支撑膜，反面不作任何处理；
质子交换膜反面超声喷涂催化剂层：将带有支撑膜的质子交换膜真空吸平在真空吸盘上，采用超声喷涂的方法将催化剂喷涂在质子交换膜的反面；
质子交换膜反面单边封装：调节平板热压机压力使作用于电极的力为0.1-0.8MPa的压力，调节平板热压机上下板温度到80-160℃，按照次序封边膜-气体扩散层-热熔胶膜-质子交换膜反面，在平板热压机上热压1-120s，得到半片膜电极；
质子交换膜正面超声喷涂催化剂层：将通过单边封装得到的半片膜电极上的支撑膜揭去，真空吸平在真空吸盘上，采用超声超声喷涂质子交换膜正面；
质子交换膜正面单边封装：调节平板热压机压力使作用于电极的力为0.1-0.8MPa的压力，并调节上下板温度到60-160℃，按照次序半片膜电极-热熔胶-气体扩散层-封边膜，在热压机上热压1-180s，经干燥后，得到全组装的膜电极。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极制备方法，其特征在于：所述支撑膜为PET保护膜。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为DMF、乙二醇、异丙醇、甲醇、乙醇、丙酮、乙腈中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极制备方法，其特征在于：所述制备催化剂浆料步骤中Pt基催化剂为Pt/C催化剂或Pt合金/C催化剂。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极制备方法，其特征在于：所述裁剪膜体步骤中封边膜加上热熔胶的厚度小于或等于气体扩散层的厚度。
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