CN109473706A - 一种质子交换膜燃料电池的电极组件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的电极组件，它由依次层叠设置且结合在一起的第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层以及气体扩散层组成，其中第一催化剂层通过催化剂浆料涂布到所述质子交换膜上形成，质子交换膜和第二催化剂层之间以及第二催化剂层和气体扩散层之间通过催化剂浆液涂布或热压合方式结合在一起。本发明还涉及其电极组件的制作方法。在气体扩散层的基体支撑下，具有一定的尺寸稳定性，并且便于操作，简化了后期组装步骤，降低了难度，提高了效率；在实际操作过程中，四层的电极组件可灵活、方便地与另一部分的气体扩散层、双极板以及密封组件等组合成电堆中能够正常发电所需的结构。

Description

一种质子交换膜燃料电池的电极组件及其制作方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其是质子交换膜燃料电池（PEMFC），涉及一种质子交换膜燃料电池的电极组件。本发明还涉及一种质子交换膜燃料电池的电极组件的制作方法。
背景技术
常规的质子交换膜燃料电池（PEMFC）的电极为3层、5层或7层结构。其中，3层结构是指依次层叠设置的催化剂层、质子交换膜、催化剂层，一般称为CCM（catalyst coatedmembrane）的组件结构；5层结构是指依次层叠设置的气体扩散层、催化剂层、质子交换膜、催化剂层和气体扩散层，一般称为MEA（membrane electrode assembly）的组件结构；7层电极结构MEA是指在5层MEA的两侧周围添加对MEA起到加固、保护和密封等左右的固化边框后组成一个组件。
早些时间，5层MEA的制备方法一般是在气体扩散层支撑体上涂敷催化剂层，获得气体扩散层支撑的单电极、两片单电极和质子交换膜热压在一起组成5层结构MEA。目前，主流技术路线是采用3层的CCM和两面添加气体扩散层，通过热复合，边缘胶粘贴等方式组成的5层MEA，并在此基础上进一步密封边框工艺组成7层MEA。
3层结构CCM，5层结构MEA以及7层结构MEA，其连续化生产过程中，实现该结构组件对设备的要求比较高，工艺过程复杂，过程中需要大量对阴阳极材料的对应涂布装配工作，一般条件下，采用人工目测对齐装配等方式，生产制作效率低下，同时很难满足高精度要求。
同时，在电池堆组装过程中，对操作过程要求比较高，需要设备流水线流程长，过程复杂，提高了设备投资成本，降低了效率。
发明内容
本发明的目的是要提供一种质子交换膜燃料电池的电极组件，能够简化后续电池堆的组装步骤。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的电极组件，它由依次层叠设置且结合在一起的第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层以及气体扩散层组成，其中第一催化剂层通过催化剂浆料涂布到所述质子交换膜上形成，质子交换膜和第二催化剂层之间以及第二催化剂层和气体扩散层之间通过催化剂浆液涂布或热压合方式结合在一起。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的质子交换膜燃料电池的电极组件，由于电极组件包括依次层叠设置的第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层以及气体扩散层，在气体扩散层的基体支撑下，具有一定的尺寸稳定性，并且便于操作，简化了后期组装步骤，降低了难度，提高了效率；在实际操作过程中，四层的电极组件可灵活、方便地与另一部分的气体扩散层、双极板以及密封组件等组合成电堆中能够正常发电所需的结构。
本发明的另一目的是要提供一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法，能够制得四层结构的质子交换膜燃料电池的电极组件，从而简化后续电池堆的组装步骤。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法，它包括：
步骤一：将催化浆料涂布到气体扩散层上，随后110℃~180℃加热，烘干1~5分钟，催化剂浆料在气体扩散层表面形成第一催化剂层，得到第一半成品；
步骤二：取用卷状PTFE增强膜，即质子交换膜和带可剥离型的基体保护层的靠静电力贴合在一起的膜，将催化剂浆料涂布到卷状PTFE增强膜中裸露的质子交换膜上，随后110℃~180℃加热烘干，该涂布和烘干过程进行一次或多次，催化剂浆料在质子交换膜表面形成第二催化剂层，制得第二半成品；
步骤三：将第二半成品中的基体保护层剥离得到第三半成品；
步骤四：将第三半成品中质子交换膜与第一半成品中第一催化剂层之间热压合将第一半成品和第三半成品结合在一起，热压温度为110℃~180℃，压力为1MPa~30MPa，制成四层电极材料；
步骤五：将卷状的四层电极材料模切成需要的大小尺寸。
另一种方案，一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法，它包括：
步骤一：取用卷状PTFE增强膜，即质子交换膜和带可剥离型的基体保护层的靠静电力贴合在一起的膜，将催化剂浆料涂布到卷状PTFE增强膜中裸露的质子交换膜上，随后110℃~180℃加热烘干，该涂布和烘干过程进行一次或多次，催化剂浆料在质子交换膜表面形成第二催化剂层，制得第四半成品；
步骤二：将第四半成品第二催化剂层的一面与气体扩散层进行热压合，热压温度为110℃~180℃，压力为1MPa~30MPa，制得第五半成品，收卷备用；
步骤三：将第五半成品中的基体保护层剥离，将气体扩散层一面接触加热源，加热源的加热温度为110℃~180℃，将催化剂浆料涂敷到第五半成品揭去基体保护层后裸露的质子交换膜上，制成四层电极材料；
步骤四：将卷状的四层电极材料模切成需要的大小尺寸。
又一种方案，一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法，它包括：
步骤一：取用卷状PTFE增强膜，即质子交换膜和带可剥离型的基体保护层的靠静电力贴合在一起的膜，将催化剂浆料涂布到卷状PTFE增强膜中裸露的质子交换膜上，随后110℃~180℃加热烘干，该涂布和烘干过程进行一次或多次，催化剂浆料在质子交换膜表面形成第二催化剂层，制得第六半成品；
步骤二：将第六半成品中的基体保护层剥离，其中第二催化剂层的一面接触加热源，加热温度为110℃~180℃，将催化剂浆料涂敷到第六半成品揭去基体保护层后裸露的质子交换膜上形成第一催化剂层，制得第七半成品；
步骤三：将第七半成品的第二催化剂层与气体扩散层进行热压合，热压合温度为110℃~180℃，热压合压力为1MPa~30MPa，制得四层电极材料，收卷备用；
步骤四：将卷状的四层电极材料模切成需要的大小尺寸。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法，由于可以制得四层结构的质子交换膜燃料电池的电极组件，电极组件包括依次层叠设置的第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层以及气体扩散层，在气体扩散层的基体支撑下，具有一定的尺寸稳定性，并且便于操作，简化了后期组装步骤，降低了难度，提高了效率；在实际操作过程中，四层的电极组件可灵活、方便地与另一部分的气体扩散层、双极板以及密封组件等组合成电堆中能够正常发电所需的结构。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一种质子交换膜燃料电池的电极组件优选实施例的结构示意图；
图2是根据本发明一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法实施例1的步骤示意图；
图3是根据本发明一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法实施例2的步骤示意图；
图4是根据本发明一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法实施例3的步骤示意图；
其中，附图标记说明如下：
1、第一催化剂层；
2、质子交换膜；
3、第二催化剂层；
4、气体扩散层；
5、基体保护层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
一种质子交换膜燃料电池的电极组件
图1是根据本发明一种质子交换膜燃料电池的电极组件优选实施例的结构示意图。
质子交换膜燃料电池的电极组件一般性地可包括第一催化剂层1、质子交换膜2、第二催化剂层3以及气体扩散层4组成。第一催化剂层1、质子交换膜2、第二催化剂层3以及气体扩散层4依次层叠设置。
其中，第一催化剂层1通过催化剂浆料涂布到所述质子交换膜上形成，可采用喷涂或刮涂等方式将催化剂浆料涂布到气体扩散层上，110℃~180℃加热，烘干1~5min。
其中，质子交换膜和第二催化剂层，以及第二催化剂层和气体扩散层之间，可以通过将催化剂浆料涂布或者热压合方式结合。第二催化剂层通过涂布催化剂浆料的方式结合到质子交换膜或气体扩散层表面，然后通过热压合的方式再结合气体扩散层或质子交换膜。通过将催化剂浆料涂布的方式形成第二催化剂层时，可使用喷涂或刮涂等方式将催化剂浆料涂布到气体扩散层上，110℃~180℃加热，烘干1~5min。当采用热压合的方式时，热压温度一般在110℃~180℃之间，压力一般在1MPa-30MPa之间。
一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法
实施例1
如图2，本实施例一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法包括以下步骤。
步骤一：将催化浆料涂布到气体扩散层4上，可采用喷涂或刮涂等方式将催化浆料涂布到气体扩散层上，随后110℃~180℃加热，烘干1~5分钟，催化剂浆料在气体扩散层4表面形成第二催化剂层3，得到第一半成品；
步骤二：取用卷状PTFE增强膜，即质子交换膜2和带可剥离型的基体保护层5的靠静电力贴合在一起的膜，将催化剂浆料涂布到卷状PTFE增强膜中裸露的质子交换膜上，随后110℃~180℃加热烘干，快速挥发掉所用溶剂，该涂布和烘干过程进行一次或多次，催化剂浆料在质子交换膜2表面形成第一催化剂层1，保持第一催化剂层1的膜表面平整，制得第二半成品；
步骤三：将第二半成品中的基体保护层5剥离得到第三半成品；
步骤四：将第三半成品中质子交换膜2与第一半成品中第二催化剂层3之间热压合将第一半成品和第三半成品结合在一起，热压温度为110℃~180℃，压力为1MPa~30MPa，制成四层电极材料；
步骤五：将卷状的四层电极材料模切成需要的大小尺寸。
实施例2
如图3，本实施例一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法包括以下步骤。
步骤一：取用卷状PTFE增强膜，即质子交换膜2和带可剥离型的基体保护层5的靠静电力贴合在一起的膜，将催化剂浆料涂布到卷状PTFE增强膜中裸露的质子交换膜上，随后110℃~180℃加热烘干，快速挥发掉所用溶剂，保持单面涂催化剂的膜表面平整，该涂布和烘干过程可进行一次或多次，催化剂浆料在质子交换膜表面形成第二催化剂层3，制得第四半成品，收卷备用；
步骤二：将第四半成品第二催化剂层3的一面与气体扩散层4进行热压合，热压温度为110℃~180℃，压力为1MPa~30MPa，制得第五半成品，收卷备用；
步骤三：将第五半成品中的基体保护层5剥离，将气体扩散层4一面接触加热源，加热源可以是平板或加热辊，使气体扩散层4紧密接触加热源，加热源的加热温度为110℃~180℃，将催化剂浆料涂敷到第五半成品揭去基体保护层后裸露的质子交换膜2上。可采用喷涂或刮涂，丝网，凹版印刷，或狭缝挤出等方式将催化剂层浆料涂敷到质子交换膜2上。待催化剂浆料迅速烘干后即得四层电极材料；
步骤四：将卷状的四层电极材料模切成需要的大小尺寸。
实施例3
如图4，本实施例一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法包括以下步骤。
步骤一：取用卷状PTFE增强膜，即质子交换膜2和带可剥离型的基体保护层5的靠静电力贴合在一起的膜，将催化剂浆料涂布到卷状PTFE增强膜中裸露的质子交换膜上。可采用喷涂或刮涂，丝网，凹版，狭缝挤出等方式将催化剂浆料涂布到质子交换膜2的一个面上。随后110℃~180℃加热烘干，快速挥发掉所用溶剂，该涂布和烘干过程进行一次或多次，保持单面涂催化剂的膜表面平整，催化剂浆料在质子交换膜2表面形成第二催化剂层3，制得第六半成品；
步骤二：将第六半成品中的基体保护层5剥离，其中第二催化剂层3的一面接触加热源，加热源可以是平板或加热辊，使气体扩散层4紧密接触加热源，加热温度为110℃~180℃，将催化剂浆料涂敷到第六半成品揭去基体保护层后裸露的质子交换膜2上形成第一催化剂层1。可采用喷涂或刮涂，丝网，凹版印刷，或狭缝挤出等方式将催化剂层涂敷到裸露的质子交换膜2上，制得第七半成品；
步骤三：将第七半成品的第二催化剂层3与气体扩散层4进行热压合，热压合温度为110℃~180℃，热压合压力为1MPa~30MPa，制得四层电极材料，收卷备用；
步骤四：将卷状的四层电极材料模切成需要的大小尺寸。
本发明的四层电极组件结构使膜电极在扩散层的基体支撑下具有一定的尺寸稳定性，便于操作，简化了后期组装步骤，降低了难度，提高了效率。需要说明的是，四层电极组件只是方便电池装配操作提供了一种优化形式的结构，在实际的操作过程中，四层电极组件还要同另一部分的气体扩散层双极板以及密封组件等组合成电堆中能够正常发电所需的结构。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种质子交换膜燃料电池的电极组件，其特征在于，它由依次层叠设置且结合在一起的第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层以及气体扩散层组成，其中第一催化剂层通过催化剂浆料涂布到所述质子交换膜上形成，质子交换膜和第二催化剂层之间以及第二催化剂层和气体扩散层之间通过催化剂浆液涂布或热压合方式结合在一起。
2.一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法，其特征在于，它包括：
步骤一：将催化浆料涂布到气体扩散层上，随后110℃~180℃加热，烘干1~5分钟，催化剂浆料在气体扩散层表面形成第二催化剂层，得到第一半成品；
步骤二：取用卷状PTFE增强膜，即质子交换膜和带可剥离型的基体保护层的靠静电力贴合在一起的膜，将催化剂浆料涂布到卷状PTFE增强膜中裸露的质子交换膜上，随后110℃~180℃加热烘干，该涂布和烘干过程进行一次或多次，催化剂浆料在质子交换膜表面形成第一催化剂层，制得第二半成品；
步骤三：将第二半成品中的基体保护层剥离得到第三半成品；
步骤四：将第三半成品中质子交换膜与第一半成品中第二催化剂层之间热压合将第一半成品和第三半成品结合在一起，热压温度为110℃~180℃，压力为1MPa~30MPa，制成四层电极材料；
步骤五：将卷状的四层电极材料模切成需要的大小尺寸。
3.一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法，其特征在于，它包括：
步骤一：取用卷状PTFE增强膜，即质子交换膜和带可剥离型的基体保护层的靠静电力贴合在一起的膜，将催化剂浆料涂布到卷状PTFE增强膜中裸露的质子交换膜上，随后110℃~180℃加热烘干，该涂布和烘干过程进行一次或多次，催化剂浆料在质子交换膜表面形成第二催化剂层，制得第四半成品；
步骤二：将第四半成品第二催化剂层的一面与气体扩散层进行热压合，热压温度为110℃~180℃，压力为1MPa~30MPa，制得第五半成品，收卷备用；
步骤三：将第五半成品中的基体保护层剥离，将气体扩散层一面接触加热源，加热源的加热温度为110℃~180℃，将催化剂浆料涂敷到第五半成品揭去基体保护层后裸露的质子交换膜上，制成四层电极材料；
步骤四：将卷状的四层电极材料模切成需要的大小尺寸。
4.一种质子交换膜燃料电池的电极组件制作方法，其特征在于，它包括：
步骤一：取用卷状PTFE增强膜，即质子交换膜和带可剥离型的基体保护层的靠静电力贴合在一起的膜，将催化剂浆料涂布到卷状PTFE增强膜中裸露的质子交换膜上，随后110℃~180℃加热烘干，该涂布和烘干过程进行一次或多次，催化剂浆料在质子交换膜表面形成第二催化剂层，制得第六半成品；
步骤二：将第六半成品中的基体保护层剥离，其中第二催化剂层的一面接触加热源，加热温度为110℃~180℃，将催化剂浆料涂敷到第六半成品揭去基体保护层后裸露的质子交换膜上形成第一催化剂层，制得第七半成品；
步骤三：将第七半成品的第二催化剂层与气体扩散层进行热压合，热压合温度为110℃~180℃，热压合压力为1MPa~30MPa，制得四层电极材料，收卷备用；
步骤四：将卷状的四层电极材料模切成需要的大小尺寸。
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