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CN114865029A - 一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 Download PDF

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CN114865029A
CN114865029A CN202210534425.5A CN202210534425A CN114865029A CN 114865029 A CN114865029 A CN 114865029A CN 202210534425 A CN202210534425 A CN 202210534425A CN 114865029 A CN114865029 A CN 114865029A
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China
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membrane
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CN202210534425.5A
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徐洪峰
唐嘉敏
李玉平
张萍俊
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Shanghai Anchi Technology Co ltd
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Shanghai Anchi Technology Co ltd
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Abstract

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体公开了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，所述方法包括将碳载铂催化剂与全氟磺酸树脂溶液混合，利用异丙醇为溶剂，配制成混合乳液，在丝网印刷机上将所述混合乳液印刷到阳极扩散层的多孔层表面，烘干，在丝网印刷机上将所述混合乳液印刷到电解质膜的阴极面表面，烘干，将电解质膜的阳极面与阳极扩散层的阳极催化层表面相接触，将电解质膜的阴极催化层表面与阴极扩散层的多孔层表面相接触，在热压机上将三者热压在一起，形成一张膜电极。本发明通过丝网印刷技术实现阳极催化层和阴极催化层分别附着在阳极扩散层上和电解质膜上，简化了操作难度，设备成本低，催化剂损失小，操作灵活。

Description

一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，空气为氧化剂，通过电化学反应直接把燃料和氧化剂内的化学能转化为电能，不受卡诺循环限制，能量转换效率高。同时，反应的产物为水，可以直接排放，环境友好。质子交换膜燃料电池发电系统由多个子系统和零部件组成。其中膜电极是其核心部件，是电化学反应的场所。
膜电极通常由阳极、电解质膜和阴极组成，其中电解质膜至于阳极和阴极中间，三者密切接触。阳极由阳极扩散层和阳极催化层构成，阴极由阴极扩散层和阴极催化层构成，其中催化层在靠近电解质膜一侧，阳极扩散层和阴极扩散层均由含憎水聚四氟乙烯的碳纸层和多孔层构成，阴、阳极的碳纸层厚度和结构相同，多孔层厚度和结构可以相同，也可以不相同。
目前，扩散层已经形成商业化产品。电解质膜也是固定化商品，是由全氟磺酸树脂与多孔聚四氟乙烯薄膜复合在一起的复合膜，中间是多孔的聚四氟乙烯薄膜，阴极和阳极面为一定厚度的全氟磺酸树脂，树脂贯穿多孔膜，阴极树脂膜比阳极树脂膜厚一些，分不同规格，厚度在8微米作左右和12微米左右。催化层由催化剂和全氟磺酸树脂构成，通常是把催化剂与全氟磺酸树脂溶液配成墨汁状均匀混合物，涂敷在扩散层(GDE)或电解质膜上(CCM)。
目前，为了降低传质阻力，减薄催化层厚度，催化层的制备方法主要是CCM法，CCM的制备方法主要是喷涂法和狭缝涂布法。喷涂法设备简单，间歇操作，适合小批量生产，存在的问题是喷涂带来大量的催化剂浪费，增大成本。狭缝涂布技术适合大规模操作，自动化操作，质量可控。存在的问题是需要连续化生产，停机和开机均有大量材料浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法，以克服现有技术中膜电极催化层的制备过程中存在的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，包括以下步骤：
S1.将碳载铂催化剂与全氟磺酸树脂溶液混合，利用异丙醇为溶剂，配制成混合乳液；
S2.将阳极扩散层裁剪到指定大小，在丝网印刷机上将所述混合乳液印刷到阳极扩散层的多孔层表面，烘干，完成阳极催化层的制备；
S3.将电解质膜裁剪成指定大小，在丝网印刷机上将所述混合乳液印刷到电解质膜的阴极面表面，烘干，完成阴极催化层的制备；
S4.将电解质膜的阳极面与阳极扩散层的阳极催化层表面相接触，将电解质膜的阴极催化层表面与阴极扩散层的多孔层表面相接触，在热压机上将三者热压在一起，形成一张膜电极。
优选的，所述步骤S1中，碳载铂催化剂与全氟磺酸树脂溶液的重量比例为3：1。
优选的，所述步骤S1中，所述混合乳液的粘度范围为30-80cP。
优选的，所述步骤S2和S3中，丝网印刷机的网格为80-100目。
优选的，所述步骤S2中，所述阳极催化层的厚度为5-10微米。
优选的，所述步骤S2和S3中，烘干温度为50-60℃，烘干时间为3-5分钟。
优选的，所述步骤S3中，所述阴极催化层的厚度为15-25微米。
优选的，所述步骤S4中，先将电解质膜阳极面的保护支撑聚酯膜剥离，再将电解质膜的阳极面与阳极扩散层的阳极催化层表面相接触。
优选的，所述步骤S4中，热压机的热压温度110-130℃，热压压力为1.5-3MPa。
本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极，由所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法制成。
本发明的质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法依据氢气和空气中氧气传递速度不同，以及目前商业膜电机产品的特点，提出一种阴、阳极催化层采用不同的支撑方法，通过丝网印刷技术实现阳极催化层和阴极催化层分别附着在阳极扩散层上和电解质膜上，简化了操作难度，设备成本低，催化剂损失小，操作灵活。
附图说明
图1为本发明实施例的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法的示意图。
图中，1：阳极扩散层；2：阳极催化层；3：电解质膜；4：阴极催化层；5：阴极扩散层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1所示，本实施例的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法包括以下步骤：
S1.将碳载铂催化剂与全氟磺酸树脂溶液混合，碳载铂催化剂(Pt/C)与全氟磺酸树脂溶液(Nafion溶液)按Pt/C：Nafion为3：1的重量比例，利用异丙醇为溶剂，配制成一定粘度的混合乳液，粘度范围为30-80cP。
S2.将阳极扩散层裁剪到指定大小，在丝网印刷机上将所述混合乳液印刷到阳极扩散层的多孔层表面，丝网印刷机的网格为80-100目，烘干，烘干温度为50-60℃，烘干时间为3-5分钟，催化层厚度依据不同的催化剂载量，可以为5-10微米，根据催化剂载量的需要，可以印一遍或多遍，完成阳极催化层的制备。
S3.目前商业电解质膜在阳极面有一层保护支撑聚酯膜，将电解质膜裁剪成指定大小，电解质膜阴极面朝向丝网方向，聚保护支撑酯膜面朝向丝网印刷机台面，这种电解质膜阳极面的保护支撑聚酯膜可以起到支撑作用，使电解质膜能够在丝网印刷机上进行丝网印刷，而如果没有保护支撑聚酯膜，电解质膜由于太薄则无法使用丝网印刷机进行丝网印刷，固定电解质膜，在丝网印刷机上将所述混合乳液印刷到电解质膜的阴极面表面，丝网印刷机的网格为80-100目，烘干，烘干温度为50-60℃，烘干时间为3-5分钟，催化层厚度依据不同的催化剂载量，可以为15-25微米，根据催化剂载量的需要，可以印一遍或多遍，完成阴极催化层的制备。
S4.先将电解质膜阳极面的保护支撑聚酯膜剥离，将电解质膜的阳极面与阳极扩散层的阳极催化层表面相接触，将电解质膜的阴极催化层表面与阴极扩散层的多孔层表面相接触，在热压机上将三者热压在一起，热压机的热压温度110-130℃，热压压力为1.5-3MPa，形成一张膜电极。
本实施例的质子交换膜燃料电池膜电极由权所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法制成，如图1所示，其包括：阳极扩散层1、阳极催化层2、电解质膜3、阴极催化层4和阴极扩散层5。
本发明的质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法依据氢气和空气中氧气传递速度不同，以及目前商业膜电机产品的特点，提出一种阴、阳极催化层采用不同的支撑方法，通过丝网印刷技术实现阳极催化层和阴极催化层分别附着在扩散层上和电解质膜上，简化了操作难度，设备成本低，催化剂损失小，操作灵活。
由于阴极催化层比阳极催化层厚，电解质膜阴极侧电解质层也比阳极侧电介质层厚，阴极采用把催化剂直接涂敷到电解质膜上可以使阴极扩散层与催化结合牢固，同时电化学反应的传递阻力主要集中在阴极，把催化层制备到电解质膜上更有利；而阳极催化层薄，电解质膜的电解质层也薄，采用把催化层附着在扩散层上更有利于其与电解质结合。
因为氢气的传递速度远大于氧，而且阳极侧是纯氢，阴极侧是含氧为20％左右的空气。阳极传递速度的适当降低不影响整个电化学反应。这样采用不同的方式制备阴极和阳极催化层主要是考虑了阴极和阳极反应的特点，和电解质膜的结构，从而在不影响电池性能的前提下，最大程度简化制作工艺，使其易于操作，设备投资少，膜电极尺寸改变灵活。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将碳载铂催化剂与全氟磺酸树脂溶液混合，利用异丙醇为溶剂，配制成混合乳液；
S2.将阳极扩散层裁剪到指定大小，在丝网印刷机上将所述混合乳液印刷到阳极扩散层的多孔层表面，烘干，完成阳极催化层的制备；
S3.将电解质膜裁剪成指定大小，在丝网印刷机上将所述混合乳液印刷到电解质膜的阴极面表面，烘干，完成阴极催化层的制备；
S4.将电解质膜的阳极面与阳极扩散层的阳极催化层表面相接触，将电解质膜的阴极催化层表面与阴极扩散层的多孔层表面相接触，在热压机上将三者热压在一起，形成一张膜电极。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，碳载铂催化剂与全氟磺酸树脂溶液的重量比例为3：1。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述混合乳液的粘度范围为30-80cP。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S2和S3中，丝网印刷机的网格为80-100目。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述阳极催化层的厚度为5-10微米。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S2和S3中，烘干温度为50-60℃，烘干时间为3-5分钟。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述阴极催化层的厚度为15-25微米。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，先将电解质膜阳极面的保护支撑聚酯膜剥离，再将电解质膜的阳极面与阳极扩散层的阳极催化层表面相接触。
9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，热压机的热压温度110-130℃，热压压力为1.5-3MPa。
10.一种质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于，由权利要求1-9中任何一项所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法制成。
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