CN109088073A - 质子交换膜燃料电池ccm膜电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法及其制品，该制备方法包括以下步骤：提供催化剂浆料、二离型膜、质子交换膜；将其中一离型膜放置于涂布机上，采用涂布工具，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阴极转印介质；将另一离型膜放置于涂布机上，采用涂布工具，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阳极转印介质；将阴极转印介质、阳极转印介质烘干，获得烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质；将烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质分别置于质子交换膜的两侧，热压转印，然后分别剥离阴极转印介质及阳极转印介质中的离型膜，获得质子交换膜燃料电池ccm膜电极。采用离型膜作为转印介质，催化剂转印率高，提高了生产效率。

Description

质子交换膜燃料电池ccm膜电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池制备技术领域，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池ccm膜电极及其制备方法。
背景技术
燃料电池技术目前正在走向大规模市场应用的风口上，而膜电极作为燃料电池的核心组件，电池性能的优劣直接受其影响。
目前膜电极制备技术多种多样，主要分为GDE法和GDL法，GDE法为将催化剂涂覆在气体扩散层上形成催化层，然后通过热压技术将气体扩散层、催化剂层、质子交换膜结合在一起，形成膜电极；GDL法则是将催化剂涂覆在质子交换膜上形成ccm(catalyst coatedmembrane，指燃料电池中催化剂涂敷在质子交换膜两侧制备的催化剂/质子交换膜组件)，再通过热压技术将三者结合在一起形成膜电极。在GDL法中多数采用气动喷涂法和超声喷涂法制备，将催化剂溶液在一定环境条件下均匀喷涂在质子膜上，但是催化剂溶液直接与质子膜接触时会发生膜的溶胀皱褶，导致质子膜卷翘，膜平面不平整，在后续翻转喷涂过程中增大的工艺的难度。
分别来看，现有技术中GDE法和GDL法都存在着不完善的方面，如何解决催化剂利用率及在生产中出现质子膜卷翘的情况是目前亟需解决的问题。
发明内容
基于此，本发明提供一种质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，采用离型膜作为转印介质，避免将催化剂直接喷涂在质子交换膜上引起膜的溶胀皱褶，导致容易卷翘、不易翻转铺膜的问题，提高了良率和生产效率。
一种质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，包括以下步骤：
提供催化剂浆料、二离型膜、质子交换膜；
将其中一离型膜放置于涂布机上，采用涂布工具，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阴极转印介质；将另一离型膜放置于涂布机上，采用涂布工具，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阳极转印介质；阴极转印介质中的催化剂载量大于阳极转印介质中的催化剂载量；
将阴极转印介质、阳极转印介质烘干，获得烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质；
将烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质分别置于质子交换膜的两侧，热压转印，然后分别剥离阴极转印介质及阳极转印介质中的离型膜，获得质子交换膜燃料电池ccm膜电极。
上述质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，采用离型膜作为转印介质，将催化剂浆料涂布于离型膜上，然后转印至质子交换膜，并利用离型膜的离型性能，剥离转印介质，催化剂的转印率高达95％以上，甚至100％，提高催化剂的有效利用率，且避免了将催化剂直接喷涂在质子交换膜上引起膜的溶胀皱褶，导致容易卷翘、不易翻转铺膜的问题，提高了良率和生产效率。
在其中一个实施例中，催化剂浆料的制备方法包括以下步骤：
提供Pt/C催化剂、Nafion溶液、水、溶剂及分散剂；
将Nafion溶液与Pt/C催化剂按质量比1：2～4混合，搅拌均匀，得到溶液Ⅰ；
将Nafion溶液、分散剂、溶剂按质量比1:1～2.5:4～12混合，搅拌均匀，得到溶液Ⅱ；
将溶液Ⅰ缓慢加入溶液Ⅱ中得到溶液Ⅲ，溶液Ⅰ与溶液Ⅱ的体积比为1:1，搅拌，再超声震荡15～30min，温度保持≤32℃，超声和搅拌重复操作0～n次，直至溶液混合均匀，得到粘度适宜适合涂布的催化剂浆料。
在其中一个实施例中，Pt/C催化剂中的Pt质量含量为40％，Nafion溶液中的Nafion质量含量为5％。
在其中一个实施例中，分散剂为异丙醇，溶剂为甘油。
在其中一个实施例中，离型膜为PET离型膜。
在其中一个实施例中，涂布工具为刮刀或线棒。
在其中一个实施例中，将催化剂浆料涂布于离型膜上的步骤中，涂布的间隙为10μm～50μm，涂布的速度为5mm/s～100mm/s。
在其中一个实施例中，阴极转印介质中的催化剂载量0.25mg/cm2～0.85mg/cm2，阳极转印介质中的催化剂载量0.25mg/cm2～0.85mg/cm2。
在其中一个实施例中，热压转印的温度为80℃～140℃、压力为4MPa～10MPa、时间60s～180s。
本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池ccm膜电极，采用上述的制备方法制成，质子交换膜燃料电池ccm膜电极包括阴极层、质子交换膜及阳极层，阴极层与阳极层分别附着于质子交换膜的两侧。
附图说明
图1为实施例1及实施例2的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的电学性能测试结果。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明提供一种质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，主要用于制备燃料电池中膜电极，即ccm(ccm指燃料电池中催化剂涂敷在质子交换膜两侧制备的催化剂/质子交换膜组件)。所述质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法包括以下步骤：
S110：提供催化剂浆料、二离型膜、质子交换膜。
一个实施例中，催化剂浆料包括Pt/C催化剂、Nafion溶液、水、溶剂及分散剂，Pt/C催化剂为铂-碳催化剂，即在碳材料中负载铂纳米粒子，一般地，碳材料为表面改性碳纳米管，Nafion溶液为全氟磺酸型聚合物溶液。催化剂浆料的制备方法包括以下步骤：
提供Pt/C催化剂、Nafion溶液、水、溶剂及分散剂。
将Nafion溶液与Pt/C催化剂按质量比1：2～4混合，Nafion溶液与Pt/C催化剂的质量比例如可以为，但不限于1:2、1：2.1、1:2.2、1:2.3、1:2.5、1:2.6、1:2.8、1:3、1:3.1、1:3.3、1:3.5、1:3.7、1:3.8或1:4等；Nafion溶液与Pt/C催化剂混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅰ。
将Nafion溶液、分散剂、溶剂按质量比1:1～2.5:4～12混合，Nafion溶液、分散剂、溶剂的质量比例如可以为，但不限于1:1:4、1:1.5:4、1:2:5、1:2.5:5、1:2:6、1:2.2:7、1:1.8:8、1:2:9、1:2.5:11或1:2.4:12等；Nafion溶液、分散剂、溶剂混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅱ。
将溶液Ⅰ缓慢加入溶液Ⅱ中得到溶液Ⅲ，溶液Ⅰ与溶液Ⅱ的体积比为1:1，搅拌，初步混合，再超声震荡，进一步混合，超声震荡的温度保持≤32℃，温度高于32℃会降低催化剂溶液的活性。一些实施例中，超声和搅拌重复操作0～n次，n≥1，即进行一次搅拌和超声震荡后，再重复操作0～n次，直至溶液混合均匀，得到粘度适合涂布的催化剂浆料。
一些实施例中，搅拌的速度选为500～2400r/min，搅拌时间为15～30min，超声震荡的时间为15～30min，两者配合，重复操作，可以以较快的速度获得适合涂布的粘度。
上述搅拌可以采用常规的搅拌方法进行，如采用磁力搅拌器，或其它类似的易于控制的搅拌器件。
一个实施例中，Pt/C催化剂中的Pt质量含量为40％，Nafion溶液中的Nafion质量含量为5％。
一个实施例中，分散剂为异丙醇，溶剂为甘油，异丙醇作为溶剂制备出的催化剂浆料粘度系数小，不适合用于涂布刮刀技术，需要添加甘油提高粘度。
一些实施例中，离型膜选用PET离型膜。PET离型膜，底材是PET(聚脂薄膜)，经过表面涂布硅油，降低PET薄膜表面的附着力，达到离型的效果，表面平整光洁、剥离性好；且在转印过程中没有迁移现象，即表面硅油不会转移到所紧贴的材料表面，如质子交换膜的表面；热稳定性好，在较长工作时间内耐高温性可达到180℃左右。
一些实施例中，PET离型膜的厚度选为0.05mm～0.1mm，为催化剂浆料提供较好的载体，且转印完成后，易于剥离。
S220：将其中一离型膜放置于涂布机上，采用涂布工具，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阴极转印介质；将另一离型膜放置于涂布机上，采用涂布工具，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阳极转印介质；阴极转印介质中的催化剂载量大于阳极转印介质中的催化剂载量。即阴极转印介质和阳极转印介质分别制备。
涂布机可以采用实验室小型涂布机，可以制备面积较小的转印介质。涂布时，将一待涂布的PET离型膜平放在实验室小型涂布机底座上，并用前端夹具夹紧。将横向推杆放置在涂布底座两侧的固定杆上，用机台两侧千分尺控制涂布间隙，在刮刀两侧添加挡板控制涂布宽度(有效涂布尺寸300mm*420mm)，将涂膜器放置在横向推杆的前方。
选择适合的涂布工具，如刮刀或线棒。采用刮刀涂布，其涂布厚度的精度达到3μm，采用线棒涂布，其涂布厚度的精度达到1μm，相对于传统技术的15μm厚的精度，采用刮刀或线棒涂布更加精细，可制备更薄的催化剂涂层，根据需求灵活控制催化剂涂层的厚度，避免浪费，甚至影响热压转印效果的问题。
涂布间隙(即为催化剂涂覆在离型膜上的涂布厚度)可以调节Pt的不同载量，一个实施例中，涂布工具的涂布间隙为10μm～50μm。一般地，在固定涂布工具间隙的前提下，涂布速度越快涂覆在离型膜上的Pt载量越少，剥离离型膜后催化剂的厚度越小，即转印率越高。一个实施例中，涂布工具的涂布速度为5mm/s～100mm/s。
涂布的长度和宽度根据实验所需选择，一个实施例中，涂布的长度和宽度采用6cm*6cm，用于制备有效面积为25cm2的单电池性能测试。
一个实施例中，阴极转印介质中的催化剂载量0.25mg/cm2～0.85mg/cm2，阳极转印介质中的催化剂载量0.25mg/cm2～0.85mg/cm2。较优地，阴极转印介质中的催化剂载量为2倍极转印介质中的催化剂载量。
S330：将阴极转印介质、阳极转印介质烘干，获得烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质。
一个实施例中，阴极转印介质、阳极转印介质烘干采用烘箱烘干，烘干温度为60℃～135℃，烘干3h～6h。
异丙醇和甘油在催化剂溶液中起到分散剂和造孔剂的作用，当催化剂层涂覆完成后，将载有催化剂层的阴极转印介质、阳极转印介质放入烘箱进行干燥，挥发后在催化剂层形成孔隙，使得反应气体H2和O2更加容易进入催化剂层与催化剂活性位直接接触，从而提高催化剂中Pt的利用率，并减少气体传质阻力。
S440：将烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质分别置于质子交换膜的两侧后，在热压机上板、下板装上相应的模具，热压转印，然后分别剥离阴极转印介质及阳极转印介质中的离型膜，获得质子交换膜燃料电池ccm膜电极。该质子交换膜燃料电池ccm膜电极包括阴极层、质子交换膜及阳极层，阴极层与阳极层分别附着于质子交换膜的两侧。
一个实施例中，热压转印的温度为80℃～140℃、压力为4MPa～10MPa、时间60s～180s。
选择热压转印的温度为80℃～140℃，温度对质子交换膜燃料电池ccm膜电极性能的影响，主要体现在催化层与质子交换膜之间的质子通道的建立情况。在热压印过程中，温度是一个重要的因素。只有当热压时的温度超过Nafion膜的玻璃态转化温度(约80℃)，催化层与质子交换膜之间才能牢固结合，从而达到降低接触电阻的目的。
热压转印的温度高于质子交换膜的玻璃化温度时，催化层和质子交换膜中的Nafion都达到软化点以上，粘接良好，有利于建立了质子通道，降低质子阻抗。但是热压温度超过140℃时，Nafion的活性基团受到破坏，不利于质子在膜中的传导。
选择热压转印压力4MPa～10MPa，适当的施加热压转印的压力，加大了催化剂层中Nafion聚合物团粒的变形，Nafion与催化剂的接触界面增多，因而增大催化剂层活性比表面积。与此同时，还可以改善Nafion膜与催化剂层之间的接触，减小层间的界面接触电阻。这两方面的共同作用提高了膜电极性能。
选择热压转印时间60s～180s，在热压温度一定时，热压时间小于60s时，使得催化剂与质子交换膜之间不能够达到比较好的粘结效果，二者之间建立的质子通道数不足，造成电极性能相对较差；热压时间大于180s时，由于Nafion膜内部磺酸基团受到破坏影响，催化层和质子交换膜之间的交换通道减少，导致的性能降低。
上述制备方法的催化剂浆料的转印率计算方法为：
转印率＝[(b-a)-(c-a)]/(b-a)*100％＝(b-c)/(b-a)*100％，
其中a为离型膜的质量，b为具有催化剂层的转印介质的质量(即阴极转印介质或阳极转印介质的质量)，c为转印完成后的转印介质的质量。三种质量均为完全烘干后的质量。
本发明质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，采用离型膜作为转印介质，将催化剂浆料涂布于离型膜上，然后转印至质子交换膜，并利用离型膜的离型性能，剥离转印介质，催化剂的转印率高达95％以上，甚至100％，提高催化剂的有效利用率，且避免了将催化剂直接喷涂在质子交换膜上引起膜的溶胀皱褶，导致容易卷翘、不易翻转铺膜的问题，提高了良率和生产效率。
以下为具体实施例说明。
实施例1
本实施例的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法包括以下步骤：
S110：提供催化剂浆料、二离型膜、质子交换膜。离型膜选用PET离型膜，PET离型膜的厚度选为0.08mm。
催化剂浆料的制备方法包括以下步骤：
提供Pt/C催化剂、Nafion溶液、水、溶剂及分散剂，Pt/C催化剂中的Pt质量含量为40％，Nafion溶液中的Nafion质量含量为5％，分散剂为异丙醇，溶剂为甘油。
将Nafion溶液与Pt/C催化剂按质量比1：2混合；Nafion溶液与Pt/C催化剂混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅰ。
将Nafion溶液、异丙醇、甘油按质量比1:1:6混合，Nafion溶液、异丙醇、甘油混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅱ。
将溶液Ⅰ缓慢加入溶液Ⅱ中得到溶液Ⅲ，溶液Ⅰ与溶液Ⅱ的体积比为1:1，磁力搅拌器搅拌，搅拌的速度选为500r/min，搅拌时间为30min，初步混合，再超声震荡，超声震荡的时间为18min，进一步混合，超声震荡的温度保持≤30℃，超声和搅拌重复操作1次，至溶液混合均匀，得到粘度适合涂布的催化剂浆料。
S220：将其中一待涂布的PET离型膜平放在实验室小型涂布机底座上，并用前端夹具夹紧。将横向推杆放置在涂布底座两侧的固定杆上，用机台两侧千分尺控制涂布间隙，采用涂布工具刮刀，在刮刀两侧添加挡板控制涂布长度和宽度采用6cm*6cm，将涂膜器放置在横向推杆的前方，刮刀间隙调为10μm，刮刀速度调为99mm/s，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阴极转印介质，阴极转印介质中的催化剂载量0.80mg/cm2。
将阴极转印介质取出，然后制备阳极转印介质。
将另一待涂布的PET离型膜平放在实验室小型涂布机底座上，并用前端夹具夹紧。将横向推杆放置在涂布底座两侧的固定杆上，用机台两侧千分尺控制涂布间隙，采用涂布工具刮刀，在刮刀两侧添加挡板控制涂布长度和宽度采用6cm*6cm，将涂膜器放置在横向推杆的前方，刮刀间隙调为10μm，刮刀/线棒速度调为99mm/s，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阳极转印介质，阳极转印介质中的催化剂载量0.4mg/cm2。
S330：将阴极转印介质、阳极转印介质放入烘箱烘干，烘干温度为70℃，烘干4h，获得烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质。
S440：将烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质分别置于质子交换膜的两侧后，在热压机上板、下板装上相应的模具，热压转印，热压转印的温度为100℃、压力为5MPa、时间80s，然后分别剥离阴极转印介质及阳极转印介质中的离型膜，获得质子交换膜燃料电池ccm膜电极，催化剂的转印率为100％。
实施例2
本实施例的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法包括以下步骤：
S110：提供催化剂浆料、二离型膜、质子交换膜。离型膜选用PET离型膜，PET离型膜的厚度选为0.07mm。
催化剂浆料的制备方法包括以下步骤：
提供Pt/C催化剂、Nafion溶液、水、溶剂及分散剂，Pt/C催化剂中的Pt质量含量为40％，Nafion溶液中的Nafion质量含量为5％，分散剂为异丙醇，溶剂为甘油。
将Nafion溶液与Pt/C催化剂按质量比1：2.5混合；Nafion溶液与Pt/C催化剂混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅰ。
将Nafion溶液、异丙醇、甘油按质量比1:2:4混合，Nafion溶液、异丙醇、甘油混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅱ。
将溶液Ⅰ缓慢加入溶液Ⅱ中得到溶液Ⅲ，溶液Ⅰ与溶液Ⅱ的体积比为1:1，磁力搅拌器搅拌，搅拌的速度选为900r/min，搅拌时间为25min，初步混合，再超声震荡，超声震荡的时间为20min，进一步混合，超声震荡的温度保持≤28℃，超声和搅拌重复操作1次，至溶液混合均匀，得到粘度适合涂布的催化剂浆料。
S220：将其中一待涂布的PET离型膜平放在实验室小型涂布机底座上，并用前端夹具夹紧。将横向推杆放置在涂布底座两侧的固定杆上，用机台两侧千分尺控制涂布间隙，采用涂布工具刮刀，在刮刀两侧添加挡板控制涂布长度和宽度采用6cm*6cm，将涂膜器放置在横向推杆的前方，刮刀间隙调为20μm，刮刀速度调为70mm/s，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阴极转印介质，阴极转印介质中的催化剂载量0.85mg/cm2。
将阴极转印介质取出，然后制备阳极转印介质。
将另一待涂布的PET离型膜平放在实验室小型涂布机底座上，并用前端夹具夹紧。将横向推杆放置在涂布底座两侧的固定杆上，用机台两侧千分尺控制涂布间隙，采用涂布工具刮刀或线棒，在刮刀两侧添加挡板控制涂布长度和宽度采用6cm*6cm，将涂膜器放置在横向推杆的前方，刮刀/线棒间隙调为20μm，刮刀/线棒速度调为70mm/s，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阳极转印介质，阳极转印介质中的催化剂载量0.42mg/cm2。
S330：将阴极转印介质、阳极转印介质放入烘箱烘干，烘干温度为100℃，烘干4h，获得烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质。
S440：将烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质分别置于质子交换膜的两侧后，在热压机上板、下板装上相应的模具，热压转印，热压转印的温度为90℃、压力为8MPa、时间120s，然后分别剥离阴极转印介质及阳极转印介质中的离型膜，获得质子交换膜燃料电池ccm膜电极，催化剂的转印率为99％。
实施例3
本实施例的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法包括以下步骤：
S110：提供催化剂浆料、二离型膜、质子交换膜。离型膜选用PET离型膜，PET离型膜的厚度选为0.1mm。
催化剂浆料的制备方法包括以下步骤：
提供Pt/C催化剂、Nafion溶液、水、溶剂及分散剂，Pt/C催化剂中的Pt质量含量为40％，Nafion溶液中的Nafion质量含量为5％，分散剂为异丙醇，溶剂为甘油。
将Nafion溶液与Pt/C催化剂按质量比1：4混合；Nafion溶液与Pt/C催化剂混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅰ。
将Nafion溶液、异丙醇、甘油按质量比1:2:6混合，Nafion溶液、异丙醇、甘油混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅱ。
将溶液Ⅰ缓慢加入溶液Ⅱ中得到溶液Ⅲ，溶液Ⅰ与溶液Ⅱ的体积比为1:1，磁力搅拌器搅拌，搅拌的速度选为2400r/min，搅拌时间为15min，初步混合，再超声震荡，超声震荡的时间为15min，进一步混合，超声震荡的温度保持≤32℃，超声和搅拌重复操作2次，至溶液混合均匀，得到粘度适合涂布的催化剂浆料。
S220：将其中一待涂布的PET离型膜平放在实验室小型涂布机底座上，并用前端夹具夹紧。将横向推杆放置在涂布底座两侧的固定杆上，用机台两侧千分尺控制涂布间隙，采用涂布工具刮刀，在刮刀两侧添加挡板控制涂布长度和宽度采用6cm*6cm，将涂膜器放置在横向推杆的前方，刮刀间隙调为40μm，刮刀速度调为100mm/s，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阴极转印介质，阴极转印介质中的催化剂载量0.68mg/cm2。
将阴极转印介质取出，然后制备阳极转印介质。
将另一待涂布的PET离型膜平放在实验室小型涂布机底座上，并用前端夹具夹紧。将横向推杆放置在涂布底座两侧的固定杆上，用机台两侧千分尺控制涂布间隙，采用涂布工具刮刀，在刮刀两侧添加挡板控制涂布长度和宽度采用6cm*6cm，将涂膜器放置在横向推杆的前方，刮刀间隙调为40μm，刮刀速度调为20mm/s，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阳极转印介质，阳极转印介质中的催化剂载量0.34mg/cm2。
S330：将阴极转印介质、阳极转印介质放入烘箱烘干，烘干温度为60℃，烘干6h，获得烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质。
S440：将烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质分别置于质子交换膜的两侧后，在热压机上板、下板装上相应的模具，热压转印，热压转印的温度为140℃、压力为4.5MPa、时间60s，然后分别剥离阴极转印介质及阳极转印介质中的离型膜，获得质子交换膜燃料电池ccm膜电极，催化剂的转印率为100％。
实施例4
本实施例的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法包括以下步骤：
S110：提供催化剂浆料、二离型膜、质子交换膜。离型膜选用PET离型膜，PET离型膜的厚度选为0.1mm。
催化剂浆料的制备方法包括以下步骤：
提供Pt/C催化剂、Nafion溶液、水、溶剂及分散剂，Pt/C催化剂中的Pt质量含量为40％，Nafion溶液中的Nafion质量含量为5％，分散剂为异丙醇，溶剂为甘油。
将Nafion溶液与Pt/C催化剂按质量比1：2.5混合；Nafion溶液与Pt/C催化剂混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅰ。
将Nafion溶液、异丙醇、甘油按质量比1:2:10混合，Nafion溶液、异丙醇、甘油混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅱ。
将溶液Ⅰ缓慢加入溶液Ⅱ中得到溶液Ⅲ，溶液Ⅰ与溶液Ⅱ的体积比为1:1，磁力搅拌器搅拌，搅拌的速度选为1000r/min，搅拌时间为18min，初步混合，再超声震荡，超声震荡的时间为20min，进一步混合，超声震荡的温度保持≤32℃，至溶液混合均匀，得到粘度适合涂布的催化剂浆料。
S220：将其中一待涂布的PET离型膜平放在实验室小型涂布机底座上，并用前端夹具夹紧。将横向推杆放置在涂布底座两侧的固定杆上，用机台两侧千分尺控制涂布间隙，采用涂布工具刮刀或线棒，在刮刀两侧添加挡板控制涂布长度和宽度采用6cm*6cm，将涂膜器放置在横向推杆的前方，刮刀/线棒间隙调为10μm，刮刀/线棒速度调为50mm/s，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阴极转印介质，阴极转印介质中的催化剂载量0.50mg/cm2。
将阴极转印介质取出，然后制备阳极转印介质。
将另一待涂布的PET离型膜平放在实验室小型涂布机底座上，并用前端夹具夹紧。将横向推杆放置在涂布底座两侧的固定杆上，用机台两侧千分尺控制涂布间隙，采用涂布工具刮刀或线棒，在刮刀两侧添加挡板控制涂布长度和宽度采用6cm*6cm，将涂膜器放置在横向推杆的前方，刮刀/线棒间隙调为10μm，刮刀/线棒速度调为50mm/s，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阳极转印介质，阳极转印介质中的催化剂载量0.25mg/cm2。
S330：将阴极转印介质、阳极转印介质放入烘箱烘干，烘干温度为95℃，烘干3h，获得烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质。
S440：将烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质分别置于质子交换膜的两侧后，在热压机上板、下板装上相应的模具，热压转印，热压转印的温度为80℃、压力为10MPa、时间180s，然后分别剥离阴极转印介质及阳极转印介质中的离型膜，获得质子交换膜燃料电池ccm膜电极，催化剂的转印率为98％。
实施例5
本实施例的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法包括以下步骤：
S110：提供催化剂浆料、二离型膜、质子交换膜。离型膜选用PET离型膜，PET离型膜的厚度选为0.05mm。
催化剂浆料的制备方法包括以下步骤：
提供Pt/C催化剂、Nafion溶液、水、溶剂及分散剂，Pt/C催化剂中的Pt质量含量为40％，Nafion溶液中的Nafion质量含量为5％，分散剂为异丙醇，溶剂为甘油。
将Nafion溶液与Pt/C催化剂按质量比1：3混合；Nafion溶液与Pt/C催化剂混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅰ。
将Nafion溶液、异丙醇、甘油按质量比1:2.5:7混合，Nafion溶液、异丙醇、甘油混合后，搅拌均匀，得到溶液Ⅱ。
将溶液Ⅰ缓慢加入溶液Ⅱ中得到溶液Ⅲ，溶液Ⅰ与溶液Ⅱ的体积比为1:1，磁力搅拌器搅拌，搅拌的速度选为800r/min，搅拌时间为20min，初步混合，再超声震荡，超声震荡的时间为20min，进一步混合，超声震荡的温度保持≤32℃，超声和搅拌重复操作1次，至溶液混合均匀，得到粘度适合涂布的催化剂浆料。
S220：将其中一待涂布的PET离型膜平放在实验室小型涂布机底座上，并用前端夹具夹紧。将横向推杆放置在涂布底座两侧的固定杆上，用机台两侧千分尺控制涂布间隙，采用涂布工具线棒，在线棒两侧添加挡板控制涂布长度和宽度采用6cm*6cm，将涂膜器放置在横向推杆的前方，线棒间隙调为10μm，线棒速度调为10mm/s，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阴极转印介质，阴极转印介质中的催化剂载量0.70mg/cm2。
将阴极转印介质取出，然后制备阳极转印介质。
将另一待涂布的PET离型膜平放在实验室小型涂布机底座上，并用前端夹具夹紧。将横向推杆放置在涂布底座两侧的固定杆上，用机台两侧千分尺控制涂布间隙，采用涂布工具线棒，在线棒两侧添加挡板控制涂布长度和宽度采用6cm*6cm，将涂膜器放置在横向推杆的前方，线棒间隙调为10μm，线棒速度调为10mm/s，将催化剂浆料涂布于离型膜上，获得阳极转印介质，阳极转印介质中的催化剂载量0.35mg/cm2。
S330：将阴极转印介质、阳极转印介质放入烘箱烘干，烘干温度为105℃，烘干3h，获得烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质。
S440：将烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质分别置于质子交换膜的两侧后，在热压机上板、下板装上相应的模具，热压转印，热压转印的温度为120℃、压力为5MPa、时间80s，然后分别剥离阴极转印介质及阳极转印介质中的离型膜，获得质子交换膜燃料电池ccm膜电极，催化剂的转印率为100％。
取实施例1及实施例2的质子交换膜燃料电池ccm膜电极测试其电学性能，测试结果如图1所示，由测试结果可知，实施例1及实施例2的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的电学性能相近，额定电压约0.6V，此时的电流密度达到1.3A/cm2，则两个实施例的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的功率适用于燃烧电池。
取实施例1至实施例5的质子交换膜燃料电池ccm膜电极观察其外观，膜组件平整，无卷翘和褶皱现象。
另外，实施例1至实施例5的催化剂转印率均达98％以上，甚至可达100％，即可将转印介质上的催化剂完全转印至质子交换膜上，并且转印后的催化剂层与质子交换膜的工作效果良好(如实施例1及实施例2的电学性能测试)，则本发明质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法采用离型膜作用转印介质，实现了催化剂完全转印至质子交换膜，大大提升了催化剂的有效利用率，避免材料的浪费，也防止了转印率过低，造成质子交换膜燃料电池ccm膜电极上催化剂载量不足而影响组件性能的问题，且制备方法简单易行，利于推广。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供催化剂浆料、二离型膜、质子交换膜；
将其中一所述离型膜放置于涂布机上，将所述催化剂浆料涂布于所述离型膜上，获得阴极转印介质；将另一所述离型膜放置于涂布机上，将所述催化剂浆料涂布于所述离型膜上，获得阳极转印介质；控制所述阴极转印介质中的催化剂载量大于所述阳极转印介质中的催化剂载量；
将所述阴极转印介质、阳极转印介质烘干，获得烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质；
将所述烘干后的阴极转印介质、阳极转印介质分别置于质子交换膜的两侧，热压转印，然后分别剥离阴极转印介质及阳极转印介质中的离型膜，获得质子交换膜燃料电池ccm膜电极。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，其特征在于，所述催化剂浆料的制备方法包括以下步骤：
提供Pt/C催化剂、Nafion溶液、水、溶剂及分散剂；
将所述Nafion溶液与所述Pt/C催化剂按质量比1：2～4混合，搅拌均匀，得到溶液Ⅰ；
将所述Nafion溶液、分散剂、溶剂按质量比1:1～2.5:4～12混合，搅拌均匀，得到溶液Ⅱ；
将溶液Ⅰ按照1:1的体积比缓慢加入溶液Ⅱ中，得到溶液Ⅲ，搅拌，再超声震荡，温度保持≤32℃，超声和搅拌重复操作0～n次，直至溶液混合均匀，得到粘度适宜适合涂布的催化剂浆料。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，其特征在于，所述Pt/C催化剂中的Pt质量含量为40％，所述Nafion溶液中的Nafion质量含量为5％。
4.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，其特征在于，所述分散剂为异丙醇，所述溶剂为甘油。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，其特征在于，所述离型膜为PET离型膜。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，其特征在于，所述涂布工具为刮刀或线棒。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，其特征在于，将所述催化剂浆料涂布于所述离型膜上的步骤中，所述涂布的间隙为10μm～50μm，涂布的速度为5mm/s～100mm/s。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，其特征在于，所述阴极转印介质中的催化剂载量0.25mg/cm2～0.85mg/cm2，所述阳极转印介质中的催化剂载量0.25mg/cm2～0.85mg/cm2。
9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池ccm膜电极的制备方法，其特征在于，所述热压转印的温度为80℃～140℃、压力为4MPa～10MPa、时间60s～180s。
10.一种质子交换膜燃料电池ccm膜电极，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的制备方法制成，所述质子交换膜燃料电池ccm膜电极包括阴极层、质子交换膜及阳极层，所述阴极层与所述阳极层分别附着于所述质子交换膜的两侧。
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