CN107658473A - 燃料电池膜电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池膜电极的制备方法，将碳粉、水和粘接剂进行混合，得到碳粉浆料；将所述碳粉浆料涂布于碳纸或碳布上，得到碳载量为0.5‑2mg/cm2的扩散层；将电催化剂浆料涂覆在转印介质上，与离子交换树脂进行第一次热压处理，热压后去除转印介质，得到涂覆有电催化剂的质子交换膜；将所述扩散层与质子交换膜进行第二次热压处理，得到所述膜电极。用水作为分散剂，与粘接剂的结合效果更好，其成本低，更加环保，在生产车间中不会产生易燃易爆的挥发性气体，更加安全；将扩散层与催化剂层分别制备，再经热压组成电极膜，能有效避免催化剂进入碳纸或碳布中，提高催化剂的利用率，并且通过转印法制备电催化膜的方法简单，可以大大提高生产效率。

Description

燃料电池膜电极的制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应转换为电能的发电装置，且不受热力学卡诺循环的限制，能量利用率高达80％以上。质子交换膜燃料电池作为燃料电池的一种，具有效率高、能量密度大、反应温度低、无噪音和无污染等显著优点，被广泛应用于便携式发电机、热电联供装置和航空航天动力电源等方面。膜电极作为燃料电池的核心元件，其性能和稳定性直接决定燃料电池的整体性能的好坏，因此，膜电极的制备方法对燃料电池的性能有着至关重要的作用。膜电极主要由质子交换膜、催化层和扩散层3个部分构成。质子交换膜的材质主要是全氟磺酸聚合物，扩散层的材质主要碳纸或者碳布，其主要作用是支撑催化层，收集电流，并且为内部反应提高气体扩散通道和电子传质通道等，原则上扩散层越薄越有利于传质和减小电阻，一般其厚度为100～300um。
传统的膜电极制备方法，即GDE法，主要是将催化层负载在扩散层上，形成GDE扩散电极，然后将扩散层、催化层和质子交换膜热压在一起，形成膜电极。传统的膜电极制备(GDE)方法，催化剂与质子交换膜的结合有限，反应不能充分进行，且催化剂的颗粒较小，容易堵塞气体扩散通道，增加传质阻力，降低催化剂利用率，影响电池的性能。
申请号为200810024885.3的中国专利公开了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备工艺，采用极性板作为质子交换膜的担载板，将放质子交换膜的担载板放在加热台上恒温加热到100～150℃，然后将催化剂浆料均匀地喷涂在质子交换膜上。这种方法仍然不能有效解决质子交换膜的溶胀问题，且质子交换膜容易褶皱，喷涂前的铺膜会花费较长的时间。
公开号为WO0243171A2的美国专利公开了一种用凸版印刷法制备膜电极的方法，先将浆液网辊涂到转印介质上，调整凸版和膜片的距离，将催化层印刷到膜上，干燥后将两片分别涂有阳极、阴极催化剂的转印介质放在一片质子交换膜的两侧，进行热压，剥离介质后得到了膜电极，可以实现大规模生产。但由于催化剂受温度和压力的影响，其在质子膜上的附着强度无法控制，在热压时膜与转印介质边上的催化剂由于受力不均匀而不能完全转印到膜上，降低了催化剂的利用率；且转印介质经常由于热压发生形变而不能重复利用，增加膜电极制作成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种制备工艺简单且可以提高催化剂利用率的燃料电池膜电极的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种燃料电池膜电极的制备方法，将碳粉、水和粘接剂进行混合，得到碳粉浆料；将所述碳粉浆料涂布于碳纸或碳布上，得到碳载量为0.5-2mg/cm2的扩散层；将铂含量为40％的Pt/C催化剂、异丙醇和全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物含量为4％的Nafion溶液进行混合，得到电催化剂浆料；将所述电催化剂浆料涂覆在转印介质上，将涂覆有电催化剂浆料的转印介质与离子交换树脂进行第一次热压处理，热压后去除转印介质，得到涂覆有电催化剂的质子交换膜；将所述扩散层与质子交换膜进行第二次热压处理，得到所述膜电极。
本发明的有益效果在于：碳粉浆料中用水作为分散剂，与粘接剂的结合效果更好，其成本低，更加环保，与传统的乙醇分散剂相比，在生产车间中不会产生易燃易爆的挥发性气体，更加安全；将扩散层与催化剂层分别制备，再经热压组成电极膜，能有效避免催化剂进入碳纸或碳布中，提高催化剂的利用率，并且通过转印法制备电催化膜的方法简单，可以大大提高生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例一的涂布机的部分结构示意图。
标号说明：
1、料槽；2、料辊；3、第一滚轮；4、第二滚轮；5、刮刀；6、碳纸(布)。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：碳粉浆料中用水作为分散剂，将扩散层与催化剂层分别制备，再经热压组成电极膜。
请参照图1，一种燃料电池膜电极的制备方法，将碳粉、水和粘接剂进行混合，得到碳粉浆料；将所述碳粉浆料涂布于碳纸或碳布上，得到碳载量为0.5-2mg/cm2的扩散层；将铂含量为40％的Pt/C催化剂、异丙醇和全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物含量为4％的Nafion溶液进行混合，得到电催化剂浆料；将所述电催化剂浆料涂覆在转印介质上，将涂覆有电催化剂浆料的转印介质与离子交换树脂进行第一次热压处理，热压后去除转印介质，得到涂覆有电催化剂的质子交换膜；将所述扩散层与质子交换膜进行第二次热压处理，得到所述膜电极。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：碳粉浆料中用水作为分散剂，与粘接剂的结合效果更好，其成本低，更加环保，与传统的乙醇分散剂相比，在生产车间中不会产生易燃易爆的挥发性气体，更加安全；将扩散层与催化剂层分别制备，再经热压组成电极膜，能有效避免催化剂进入碳纸或碳布中，提高催化剂的利用率，并且通过转印法制备电催化膜的方法简单，可以大大提高生产效率。
进一步的，所述碳粉浆料中碳粉的重量百分比为40-60％。
由上述描述可知，碳粉的重量百分比可以根据具体的需要进行选择。
进一步的，所述粘接剂为全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物含量为4％的Nafion溶液。
进一步的，将碳粉浆料通过涂布机涂布于碳纸或碳布上。
由上述描述可知，通过涂布机进行涂布，与传统的超声喷涂法相比，涂布机涂布更加均匀，有利于气体的传输，并且涂布面积大，效率高。
进一步的，所述电催化剂浆料中Pt/C催化剂与Nafion溶液的重量比为1:1-1:3。
进一步的，所述转印介质的材质为聚四氟乙烯。
由上述描述可知，采用聚四氟乙烯作为转印介质，其耐高温，并且表面具有一定的纹路，不易粘附催化剂颗粒，可以提高催化剂的利用率，提高电池性能。
进一步的，转印介质与离子交换树脂进行第一次热压处理的压力为5-10MPa，时间为3-10min。
进一步的，扩散层与质子交换膜进行第二次热压处理的压力为3-8MPa，时间为5-15min。
由上述描述可知，热压的具体压力和时间可以根据需要进行选择。
进一步的，先对涂覆有电催化剂浆料的转印介质在140-160℃条件下进行干燥处理，然后与离子交换树脂进行第一次热压处理。
由上述描述可知，对涂覆的电催化剂浆料先进行干燥有利于电催化剂层的转印。
进一步的，将碳纸或碳布在乙醇溶液中浸泡5-10min，然后进行干燥处理，将碳粉浆料涂布于干燥处理后的碳纸或碳布上。
由上述描述可知，用乙醇浸泡碳布或碳纸，可以对其进行清洗，去除碳布或碳纸上的杂质等，提高电池的性能。
实施例一
请参照图1，本发明的实施例一为：
一种燃料电池膜电极的制备方法，其制备工艺简单且可以提高催化剂的利用率。
将碳粉、水和粘接剂进行混合后搅拌4-6h，得到碳粉浆料，所述碳粉浆料中碳粉的重量百分比为50％，所述粘接剂为全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物含量为4％的Nafion溶液，碳粉浆料中粘接剂重量百分比为4％-30％，在可以根据需要进行选择。
将碳纸或碳布在乙醇溶液中浸泡10min，然后进行干燥处理，将碳粉浆料采用涂布机涂布于干燥处理后的碳纸或碳布上。如图1所示，将配置好的碳粉浆料置于料槽1中，利用滚轮间的牵引力将碳纸或碳布6牵引至第一滚轮3和第二滚轮4之间，调整第一滚轮3和第二滚轮4的速度和间隙，可以控制碳粉浆料的出料量的大小，在涂布期间，启用料辊2，为了避免料辊2高速运转时引起弹性的刮刀5的震动或跳动，使碳粉浆料弹起，造成涂布不均的现象，刮刀5同第一滚轮3接触点之间的距离在1～4mm之间。当间隙/辊轮比较大时，碳粉浆料的粘度控制在1000～3000Pa.s，可以进行均匀涂布，涂布后，得到碳载量为0.5mg/cm2的扩散层。
将铂含量为40％的Pt/C催化剂、异丙醇和全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物含量为4％的Nafion溶液进行混合，得到电催化剂浆料，所述电催化剂浆料中Pt/C催化剂与Nafion溶液的重量比为1:2。将所述电催化剂浆料涂覆在转印介质上，然后在150℃条件下进行干燥处理，所述转印介质的材质为聚四氟乙烯。然后将涂覆有电催化剂浆料的转印介质与离子交换树脂进行第一次热压处理，热压的温度为100℃左右，热压的压力为5MPa，时间为10min。热压后去除转印介质，得到涂覆有电催化剂的质子交换膜。将所述扩散层与质子交换膜进行第二次热压处理，得到膜电极，热压的温度为120℃左右，热压时的压力为5MPa，时间为10min。
实施例二
本发明的实施例二与实施例一的不同之处在于：
将碳粉、水和粘接剂进行混合后搅拌4-6h，得到碳粉浆料，所述碳粉浆料中碳粉的重量百分比为40％。
将碳纸或碳布在乙醇溶液中浸泡8min，然后进行干燥处理，将碳粉浆料采用涂布机涂布于干燥处理后的碳纸或碳布上，得到碳载量为1mg/cm2的扩散层。
将铂含量为40％的Pt/C催化剂、异丙醇和全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物含量为4％的Nafion溶液进行混合，得到电催化剂浆料，所述电催化剂浆料中Pt/C催化剂与Nafion溶液的重量比为1:1。将所述电催化剂浆料涂覆在转印介质上，然后在140℃条件下进行干燥处理。然后将涂覆有电催化剂浆料的转印介质与离子交换树脂进行第一次热压处理，热压的压力为8MPa，时间为8min。热压后去除转印介质，得到涂覆有电催化剂的质子交换膜。将所述扩散层与质子交换膜进行第二次热压处理，得到膜电极，热压时的压力为3MPa，时间为15min。
实施例三
将碳粉、水和粘接剂进行混合后搅拌4-6h，得到碳粉浆料，所述碳粉浆料中碳粉的重量百分比为60％。
将碳纸或碳布在乙醇溶液中浸泡5min，然后进行干燥处理，将碳粉浆料采用涂布机涂布于干燥处理后的碳纸或碳布上，得到碳载量为2mg/cm2的扩散层。
将铂含量为40％的Pt/C催化剂、异丙醇和全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物含量为4％的Nafion溶液进行混合，得到电催化剂浆料，所述电催化剂浆料中Pt/C催化剂与Nafion溶液的重量比为1:3。将所述电催化剂浆料涂覆在转印介质上，然后在160℃条件下进行干燥处理。然后将涂覆有电催化剂浆料的转印介质与离子交换树脂进行第一次热压处理，热压的压力为10MPa，时间为3min。热压后去除转印介质，得到涂覆有电催化剂的质子交换膜。将所述扩散层与质子交换膜进行第二次热压处理，得到膜电极，热压时的压力为8MPa，时间为5min。
综上所述，本发明提供的一种燃料电池膜电极的制备方法，其制备过程简单，生产效率高，适合批量化生产，膜电极的催化剂的利用率高，采用该膜电极的燃料电池的性能好。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，将碳粉、水和粘接剂进行混合，得到碳粉浆料；将所述碳粉浆料涂布于碳纸或碳布上，得到碳载量为0.5-2mg/cm2的扩散层；将铂含量为40％的Pt/C催化剂、异丙醇和全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物含量为4％的Nafion溶液进行混合，得到电催化剂浆料；将所述电催化剂浆料涂覆在转印介质上，将涂覆有电催化剂浆料的转印介质与离子交换树脂进行第一次热压处理，热压后去除转印介质，得到涂覆有电催化剂的质子交换膜；将所述扩散层与质子交换膜进行第二次热压处理，得到所述膜电极。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述碳粉浆料中碳粉的重量百分比为40-60％。
3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述粘接剂为全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物含量为4％的Nafion溶液。
4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，将碳粉浆料通过涂布机涂布于碳纸或碳布上。
5.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述电催化剂浆料中Pt/C催化剂与Nafion溶液的重量比为1:1-1:3。
6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述转印介质的材质为聚四氟乙烯。
7.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，转印介质与离子交换树脂进行第一次热压处理的压力为5-10MPa，时间为3-10min。
8.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，扩散层与质子交换膜进行第一次热压处理的压力为3-8MPa，时间为5-15min。
9.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，先对涂覆有电催化剂浆料的转印介质在140-160℃条件下进行干燥处理，然后与离子交换树脂进行第一次热压处理。
10.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，将碳纸或碳布在乙醇溶液中浸泡5-10min，然后进行干燥处理，将碳粉浆料涂布于干燥处理后的碳纸或碳布上。
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