CN102496727A - 一种碱性阴离子交换膜电极的制备方法 - Google Patents

一种碱性阴离子交换膜电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碱性阴离子交换膜电极的制备方法，步骤包括：⑴在碱性阴离子交换膜两面喷涂一层粘结剂；⑵在粘结剂上喷涂催化剂层；多孔碳纸喷有气体扩散层的面对应在催化剂层上；热压后自然冷却，即制成碱性阴离子交换膜电极。本发明采用高压气体喷枪，先后在碱性阴离子交换膜两面喷涂碱性阴离子树脂和催化层，形成了均匀性和粘接紧密性稳定的三合一组件，提高了碱性燃料电池阴离子交换速率；在催化层上面再热压一层扩散层，形成五合一组件，进一步提高了碱性燃料电池阴离子交换速率，从而对提高电池性能产生影响；采用该电极取代碱性燃料电池中的隔膜和碱性电解液，制备成的碱性燃料电池安全性高，扩大了碱性燃料电池的使用范围。

Description

一种碱性阴离子交换膜电极的制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种碱性阴离子交换膜电极的制备方法。
背景技术
目前质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用的主导电解质膜是美国Du Pont公司生产的Nafion系列膜。这种膜具有良好的质子电导率、耐酸碱性、化学稳定性、机械性能和较长的使用寿命等。然而由于这类电池属于酸性体系，对极板、密封件和导流板等材料抗腐蚀性要求较高，Nafion膜对水的需求较高，电池内水管理比较复杂，阴阳两极的催化剂均需要贵金属Pt等原因影响了PEMFC的研究进展。碱性燃料电池早在60年代就在航天飞行中成功应用，有着价格低廉，可靠性高等诸多优点，但是由于它以浓碱液为电解液，在地面应用时必须脱除空气中的微量CO2，其燃料气中也不能含有CO2，而且用作隔膜的石棉膜太厚，导致OH-传输效率较低。而碱性阴离子交换膜的碱性燃料电池具备碱性燃料电池和PEM燃料电池的双重优点，特别是碱性燃料电池地面应用的不利。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供提高阴离子交换速率的一种碱性阴离子交换膜电极的制备方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是： 
一种碱性阴离子交换膜电极的制备方法，其特点是：步骤包括：
⑴ 在厚度为0.16-0.25mm 的碱性阴离子交换膜固定在回型框架上，在框架内的交换膜两面分别喷涂一层由含质量比70-80%的去离子水和20-30%的碱性阴离子树脂混合成的悬浮液作为喷料，自然环境下晾干，碱性阴离子交换膜两面各形成一层粘结剂；
⑵ 根据步骤⑴中粘结剂的面积，以按照2-5mg/cm2称取Pt/C催化剂，加入与Pt/C质量比为40-60%的纳米导电碳黑，配入适量5-20g的去离子水和相应的溶剂5-20g，充分搅拌均匀，制成催化剂混合浆料作为喷料，喷涂在步骤⑴中的粘结剂上，放入60-70℃的恒温烘箱中，干燥10-20分钟，取出后自然冷却，碱性阴离子交换膜两面各形成一层0.15-0.5mm的催化剂层，形成三合一电极组件； 
⑶ 裁制两张与步骤⑵中催化剂层尺寸相同10-20微米的多孔碳纸，将质量比70%-90%导电碳粉和30%-10%的疏水剂混合，再加入10-20g的去离子水和10-20g异丙醇溶剂，搅拌成混合浆料作为喷料；在多孔碳纸一面喷涂一层20-50微米的所述浆料，放入60-70℃的恒温烘箱中，干燥10-20分钟，取出后自然冷却，每张多孔碳纸的一面均形成一层气体扩散层； 
⑷ 将步骤⑶中带有气体扩散层面的多孔碳纸贴在步骤⑵中的三合一组件两面后，放置在热压机上，热压后自然冷却，即制成五合一碱性阴离子交换膜电极。
本发明还可以采用如下技术措施：
所述步骤⑴-⑶的喷涂为将所述喷料放入高压气体喷枪中，调节气压至2-0.3MPa，启动喷枪，喷料通过喷枪的嘴部小孔雾化后均匀喷出。
碱性阴离子膜为Neosepta系列阴离子膜或Morgane-ADP 膜；所述碱性阴离子树脂为日本Tokuyama公司碱性阴离子树脂。
所述溶剂为异丙醇。
所述步骤⑶中疏水剂为聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯或聚偏四氟乙烯中的一种或一种以上。
所述步骤⑷中热压的温度为100-125℃、热压的压力为50-200Kg/cm2、热压的时间为2-5分钟。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明采用高压气体喷枪，先后在碱性阴离子交换膜两面喷涂通过气体喷枪嘴部小孔雾化后的碱性阴离子树脂和催化层，形成了均匀性和粘接紧密性稳定的三合一组件，提高了碱性燃料电池阴离子交换速率；在催化层上面再热压一层扩散层，形成五合一组件，进一步提高了碱性燃料电池阴离子交换速率，从而对提高电池性能产生影响。
2、采用本发明制备的电极取代碱性燃料电池中的隔膜和碱性电解液，制备成的碱性燃料电池安全性高，扩大了碱性燃料电池的使用范围。
附图说明
图1是本发明制备的碱性阴离子交换膜电极结构示意图。
其中，1-碱性阴离子交换膜，2-催化剂层，3-气体扩散层，4-多孔碳纸。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围：
碱性阴离子交换膜电极的制备方法，步骤包括：
⑴ 在厚度为0.16-0.25mm 的碱性阴离子交换膜固定在回型框架上，在框架内的交换膜两面分别喷涂一层由含质量比70-80%的去离子水和20-30%的碱性阴离子树脂混合成的悬浮液作为喷料，自然环境下晾干，碱性阴离子交换膜两面各形成一层粘结剂；所述喷涂为将所述喷料放入高压气体喷枪中，调节气压至2-0.3MPa，启动喷枪，喷料通过喷枪的嘴部小孔雾化后均匀喷出；
⑵ 根据步骤⑴中粘结剂的面积，以按照2-5mg/cm2称取Pt/C催化剂，加入与Pt/C质量比为40-60%的纳米导电碳黑，配入5-20g的去离子水和5-20g溶剂，充分搅拌均匀，制成催化剂混合浆料作为喷料，喷涂在步骤⑴中的粘结剂上，放入60-70℃的恒温烘箱中，干燥10-20分钟，取出后自然冷却，碱性阴离子交换膜两面各形成一层0.15-0.5mm的催化剂层，形成三合一电极组件；所述喷涂为将所述喷料放入高压气体喷枪中，调节气压至2-0.3MPa，启动喷枪，喷料通过喷枪的嘴部小孔雾化后均匀喷出； 
⑶ 裁制两张与步骤⑵中催化剂层尺寸相同10-20微米的多孔碳纸，将质量比70%-90%导电碳粉和30%-10%的聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯或聚偏四氟乙烯中的一种或一种以上作为疏水剂混合，再加入10-20g的去离子水和10-20g溶剂，搅拌成混合浆料作为喷料；在多孔碳纸一面喷涂一层20-50微米的所述浆料，放入60-70℃的恒温烘箱中，干燥10-20分钟，取出后自然冷却，每张多孔碳纸的一面均形成一层气体扩散层；所述喷涂为将所述喷料放入高压气体喷枪中，调节气压至2-0.3MPa，启动喷枪，喷料通过喷枪的嘴部小孔雾化后均匀喷出； 
⑷ 将步骤⑶中带有气体扩散层面的多孔碳纸贴在步骤⑵中的三合一组件两面后，放置在热压机上，热压的温度为100-125℃、热压的压力为50-200Kg/cm2、热压的时间为2-5分钟，自然冷却后，即制成五合一碱性阴离子交换膜电极。
实施例1：
⑴ 选取日本Tokuyama公司Neosepta系列AHA型0.2mm阴离子交换膜，用NaOH溶液充分浸泡后，用清水漂洗干净，作为碱性阴离子交换膜1，将碱性阴离子交换膜固定在回型框架上，内框面积为50cm2；取0.5g日本Tokuyama公司阴离子树脂，加入2g去离子水，充分搅拌后形成悬浮液状粘结剂，将粘结剂放入高压气体喷枪的料仓内，高压气体喷枪的气压调节至0.2MPa，将所述粘结剂均匀喷涂到碱性阴离子交换膜的两面，自然环境下晾干；
⑵ 分别称取两份0.2g 50%Pt/C催化剂和0.3g纳米导电碳黑，各加入8g去离子水和8g异丙醇，充分搅拌均匀，配置成两份混合浆料；将其中一份混合浆料放入高压气体喷枪的料仓内，将高压气体喷枪的气压调节至0.3MPa，将所述料仓内的混合浆料均匀喷涂在喷有粘结剂的阴离子交换膜一面，放入60℃烘箱内，烘10分钟；将其中另一份混合浆料用相同方式均匀喷涂在阴离子交换膜另一面，放入60℃烘箱内，烘10分钟，阴离子交换膜两面各喷有一层0.2mm催化剂层2，制得三合一电极组件；
⑶ 根据回型边框内框的寸截取2张相同大小10微米厚的的多孔碳纸4。分别称取两份1.0g纳米导电碳黑，各加入0.15g聚四氟乙烯（PTFE）、15g的去离子水和15异丙醇，充分搅拌，制作成两份混合浆料；将其中一份混合浆料放入高压气体喷枪中的料仓内，将高压气体喷枪的气压调节至0.3MPa，在一张多孔碳纸的一面均匀喷涂20微米料仓内的混合浆料；同样办法将另一张多孔碳纸的一面均匀喷涂20微米料仓内的混合浆料；将喷有混合浆料的两张多孔碳纸均放入60℃的恒温烘箱中，干燥10分钟，取出后自然冷却，每张多孔碳纸的一面均形成一层气体扩散层；将两张多孔碳纸喷有气体扩散层的面贴在三合一组件两面的催化层上； 
⑷ 将步骤⑶中对应贴有扩散层三合一组件放在精密热压机上，调节温度至120℃， 施加100kg/cm2压力，热压时间2.5分钟，自然冷却后，即制得采用碱性阴离子交换膜制备的五合一碱性阴离子交换膜电极。
实施例2：
⑴ 选取0.2mm 厚Morgane-ADP 碱性阴离子交换膜，用NaOH溶液充分浸泡后，用清水漂洗干净，作为碱性阴离子交换膜，将碱性阴离子交换膜固定在回型框架上，内框面积为50cm2；取0.8 g日本Tokuyama公司阴离子树脂，加入2g去离子水，充分搅拌后形成悬浮液状粘结剂，将粘结剂放入高压气体喷枪料仓内，高压气体喷枪的气压调节至0.2MPa，将所述粘结剂均匀喷涂到碱性阴离子交换膜两面，自然环境下晾干。
⑵ 分别称取两份0.4g 40%Pt/C催化剂和0.6g纳米导电碳黑，加入15g去离子水和15异丙醇，充分搅拌均匀，配置成两份混合浆料；将其中一份混合浆料放入高压气体喷枪中的料仓内，将高压气体喷枪的气压调节至0.3MPa，将所述料仓内的混合浆料均匀喷涂在喷有粘结剂的阴离子交换膜一面，放入70℃烘箱内，烘干5分钟；将其中另一份混合浆料用相同方式均匀喷涂在阴离子交换膜另一面，放入70℃烘箱内，烘干10分钟，阴离子交换膜两面各覆有一层0.2mm催化剂层，制得三合一电极组件。
⑶ 根据回型边框内框尺寸截取2张相同大小10微米厚的多孔碳纸，分别称取两份2.0g纳米导电碳黑，各加入0.3g聚全氟乙丙烯、12g的去离子水和12g异丙醇，充分搅拌，制作成两份混合浆料；将其中一份混合浆料放入高压气体喷枪中的料仓内，将高压气体喷枪的气压调节至0.3MPa，在一张多孔碳纸的一面均匀喷涂20微米料仓内的混合浆料；同样办法将另一张多孔碳纸的一面均匀喷涂20微米料仓内的混合浆料；将喷有混合浆料的两张多孔碳纸均放入60℃的恒温烘箱中，干燥10分钟，取出后自然冷却，每张多孔碳纸的一面均形成一层气体扩散层；将两张多孔碳纸喷有气体扩散层的面贴在三合一组件两面的催化层上；
⑷ 将步骤⑶中对应贴有扩散层三合一组件放在精密热压机上，调节温度至125℃， 施加200kg/cm2压力，热压时间3分钟，自然冷却后，即制得采用碱性阴离子交换膜制备的五合一碱性阴离子交换膜电极。
本发明中，碱性阴离子交换膜起着分隔气体和传导阴离子的作用；阴离子树脂以提高催化层与碱性阴离子交换膜的粘接性能；催化剂层由Pt/C催化剂和纳米导电碳黑构成，附在碱性阴离子交换膜两侧，是气体发生电化学反应的场所；气体扩散层由纳米导电碳黑和疏水剂构成，导电碳黑用来传导电子，疏水剂构成气体通道，使通过多孔碳纸的气体均匀分布到催化剂层上；多孔碳纸起着传导气体和支撑气体扩散层的作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种碱性阴离子交换膜电极的制备方法，其特征在于：步骤包括：
⑴ 在厚度为0.16-0.25mm 的碱性阴离子交换膜固定在回型框架上，在框架内的交换膜两面分别喷涂一层由含质量比70-80%的去离子水和20-30%的碱性阴离子树脂混合成的悬浮液作为喷料，自然环境下晾干，碱性阴离子交换膜两面各形成一层粘结剂；
⑵ 根据步骤⑴中粘结剂的面积，以按照2-5mg/cm2称取Pt/C催化剂，加入与Pt/C质量比为40-60%的纳米导电碳黑，配入适量5-20g的去离子水和相应的溶剂5-20g，充分搅拌均匀，制成催化剂混合浆料作为喷料，喷涂在步骤⑴中的粘结剂上，放入60-70℃的恒温烘箱中，干燥10-20分钟，取出后自然冷却，碱性阴离子交换膜两面各形成一层0.15-0.5mm的催化剂层，形成三合一电极组件； 
⑶ 裁制两张与步骤⑵中催化剂层尺寸相同10-20微米的多孔碳纸，将质量比70%-90%导电碳粉和30%-10%的疏水剂混合，再加入10-20g的去离子水和10-20g溶剂，搅拌成混合浆料作为喷料；在多孔碳纸一面喷涂一层20-50微米的所述浆料，放入60-70℃的恒温烘箱中，干燥10-20分钟，取出后自然冷却，每张多孔碳纸的一面均形成一层气体扩散层； 
⑷ 将步骤⑶中带有气体扩散层面的多孔碳纸贴在步骤⑵中的三合一组件两面后，放置在热压机上，热压后自然冷却，即制成五合一碱性阴离子交换膜电极。
2.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电极的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴-⑶的喷涂为将所述喷料放入高压气体喷枪中，调节气压至2-0.3MPa，启动喷枪，喷料通过喷枪的嘴部小孔雾化后均匀喷出。
3.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电极的制备方法，其特征在于：碱性阴离子膜为Neosepta系列阴离子膜或Morgane-ADP 膜；所述碱性阴离子树脂为日本Tokuyama公司碱性阴离子树脂。
4.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电极的制备方法，其特征在于：所述溶剂为异丙醇。
5.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电极的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中疏水剂为聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯或聚偏四氟乙烯中的一种或一种以上。
6.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电极的制备方法，其特征在于：所述步骤⑷中热压的温度为100-125℃、热压的压力为50-200Kg/cm2、热压的时间为2-5分钟。
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