CN109817991B - 一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

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：(1)制备催化剂墨水；(2)利用超声波喷涂机，采用层叠式网格喷涂方法，将催化剂墨水喷涂于质子交换膜两侧获得三层膜电极组件CCM；(3)CCM两侧热压气体扩散层获得五层膜电极组件。配置固含量催化剂墨水，包含铂碳催化剂、去离子水、全氟磺酸溶液和分散剂，其中分散剂为乙醇、乙二醇、丙酮、异丙醇中的两种或三种混合溶液。层叠式网格喷涂方法设置多个喷涂周期，每个周期由横向和纵向喷涂轨迹覆盖喷涂面积，后一个周期相较于前一个周期横向喷涂轨迹向上或向下平移，纵向喷涂轨迹向左或向右平移，每个周期的横向和纵向平移的距离和方向保持一致。本发明的质子交换膜燃料电池膜电极制备方法提升催化剂喷涂一致性，制备工艺流程简单，适合批量生产，催化层致密而有层次。

Description

一种质子交换膜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，具体地说是一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池作为新型清洁能量转换装置，具有能效高、功率密度大、快速启动、运行安静、零污染、加注时间短等优势，在未来出行、备用供电、可移动电源等多个领域将发挥巨大的作用。
膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池的心脏，是氧化还原反应进行的场所，是电流输出的源头。膜电极由两侧的气体扩散层、催化层和中间的质子交换膜组成，氧气的还原和氢气的氧化分别在阴阳极催化层进行，反应过程中所需的质子传导由中间的质子交换膜实现，电子经由外电路传导，产生电流。
作为质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极的制备工艺主要分为两种，一种是将催化剂涂覆于气体扩散层上，然后将阴、阳两片气体扩散电极热压在质子交换膜的两侧，该工艺简单、成熟，但内阻较大，且催化剂利用率低，另一种是将催化剂涂覆于质子交换膜上，制成CCM，然后将碳纸热压于CCM两侧，该工艺制得的膜电极内阻小、且催化剂利用率高，但由于质子交换膜易变形，所以工艺较为复杂，一致性差。综合比较两种工艺的优劣势，人们大多采用后者的CCM制备工艺。
专利CN201710089092.9公开了膜电极CCM的制备方法，包括催化剂浆料的制备，超声波雾化喷涂参数和方向的设置等，喷涂工艺简单且实现了催化剂的均匀分散，但催化剂墨水的配制略繁琐，且该喷涂工艺下CCM的一致性欠佳。
专利CN201710595430.6公开了一种燃料电池膜电极组件的制备方法，包括取催化剂分散于混合溶剂中，采用真空消泡工艺制备催化剂浆料，将制备的催化剂浆料直接涂覆在质子交换膜两侧，干燥，得到膜电极CCM，将气体扩散层固定在CCM两侧，并进行封边处理，制得所述燃料电池膜电极组件。该工艺简单、无需热压，但催化剂墨水组份过于繁琐，不利于批量化生产，且CCM的一致性不能得到有效保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：简单、有效的实现催化剂墨水的配制，通过合理的喷涂工艺提高喷涂质量和产品一致性。
上述技术问题通过以下技术方案解决：
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：
(1)制备待喷涂催化剂墨水；
(2)利用超声波喷涂机，采用层叠式网格喷涂方法，将催化剂墨水分别喷涂于质子交换膜两面，烘干，获得三层膜电极组件CCM；
(3)在CCM两侧热压气体扩散层，获得五层膜电极组件。
其中，步骤(1)中制备催化剂墨水包括以下步骤：
(a)称取适量铂含量为50％-70％的铂碳催化剂，用去离子水进行润湿；
(b)加入质量分数为5％的全氟磺酸(nafion)溶液，其中，全氟磺酸(nafion)溶液与催化剂的质量比为1：(3-5)；
(c)加入分散剂，分散剂与催化剂的质量比为(30-60):1，混合均匀，其中分散剂为乙醇、乙二醇、丙酮、异丙醇中的两种或三种混合溶液；
(d)加入适量去离子水，使催化剂固含量为1％-2.5％；
(e)采用高速乳化剪切机进行强力分散20-40min，获得待喷涂催化剂墨水，分散速度为10000-30000r/min。
所述步骤(2)中超声波喷涂机的喷涂台面具有加热和真空吸附的功能。
所述步骤(2)中层叠式网格喷涂方法包括如下步骤：
(a)根据CCM活性面积要求，划定催化剂喷涂面积，设置横向喷涂轨迹覆盖喷涂面积，然后设置纵向喷涂轨迹覆盖喷涂面积，此为一个喷涂周期，其中，喷涂轨迹均为蛇形，相邻正向和逆向轨迹重叠面积为喷雾宽幅的1/2；
(b)设置第二个喷涂周期，其中横向喷涂轨迹相较于第一个喷涂周期，向上或向下平移1-3mm，纵向喷涂轨迹相较于第一个喷涂周期向左或向右平移1-3mm；
(c)根据实际情况设置多个喷涂周期，每个周期的平移距离和方向保持一致；
(d)将质子交换膜真空吸附于喷涂台面上，加热至60-80℃，按照设置好的喷涂程序完成催化剂喷涂作业。
所述步骤(2)中CCM的烘干在喷涂台面上进行，烘干时开启真空吸附功能，烘干条件为：60-80℃下5-10min。
所述步骤(3)中热压条件为：0.1-0.5MPa下，80-120℃中持续10-30s。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：本发明的质子交换膜燃料电池膜电极制备方法可大幅提升催化剂喷涂一致性，制备工艺流程简单，适合批量生产，催化层致密而有层次。
附图说明
图1是一个喷涂周期轨迹示意图；
图2是两个喷涂周期轨迹示意图；
图3是多个喷涂周期轨迹示意图；
图4是本发明实施例1的极化曲线测试图；
图5是本发明实施例2的极化曲线测试图；
图6是本发明实施例3的极化曲线测试图。
具体实施方式
结合附图的实施例对本发明
进行详细阐述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
实施例1
(1)称取1.5g铂碳催化剂，其中铂含量为50％，用去离子水进行润湿。
(2)加入5％的全氟磺酸(nafion)溶液，其中，全氟磺酸(nafion)溶液与催化剂的质量比为1:5。
(3)加入分散剂，分散剂与催化剂的质量比为30:1，混合均匀，其中分散剂为乙醇和异丙醇的混合溶液，质量比为1:2。
(4)加入适量去离子水，使催化剂固含量为2.5％。
(5)采用高速乳化剪切机进行强力分散20min，获得待喷涂催化剂墨水，分散速度为30000r/min。
(6)根据CCM活性面积要求，划定催化剂喷涂面积，设置横向喷涂轨迹覆盖喷涂面积，然后设置纵向喷涂轨迹覆盖喷涂面积，此为一个喷涂周期，其中，喷涂轨迹均为蛇形，相邻正向和逆向轨迹重叠面积为喷雾宽幅的1/2。
(7)设置第二个喷涂周期，其中横向喷涂轨迹相较于第一个喷涂周期，向上或向下平移1mm，纵向喷涂轨迹相较于第一个喷涂周期向左或向右平移1mm。
(8)阴极侧设置5个喷涂周期，阳极侧设置3个喷涂周期，每个周期的平移距离和方向保持一致。
(9)将质子交换膜真空吸附于喷涂台面上，加热至60℃，按照设置好的喷涂程序完成催化剂喷涂作业。
(10)将CCM在喷涂台面上进行烘干，烘干时开启真空吸附功能，烘干条件为：60℃下10min。
(11)将适当尺寸的碳纸热压于CCM两侧，热压条件为：0.5MPa下，80℃中持续30s。
(12)将制得的五层膜电极组件进行测试，极化曲线如图4所示。测试条件：电池温度60℃，气体过量系数H2/Air＝1.5/2.5，湿度50-70％，无背压。
实施例2
(1)称取1.5g铂碳催化剂，其中铂含量为60％，用去离子水进行润湿。
(2)加入5％的全氟磺酸(nafion)溶液，其中，全氟磺酸(nafion)溶液与催化剂的质量比为1:4。
(3)加入分散剂，分散剂与催化剂的质量比为40:1，混合均匀，其中分散剂为乙醇、丙酮、异丙醇的混合溶液，质量比为1:1:4。
(4)加入适量去离子水，使催化剂固含量为1.5％。
(5)采用高速乳化剪切机进行强力分散30min，获得待喷涂催化剂墨水，分散速度为20000r/min。
(6)根据CCM活性面积要求，划定催化剂喷涂面积，设置横向喷涂轨迹覆盖喷涂面积，然后设置纵向喷涂轨迹覆盖喷涂面积，此为一个喷涂周期，其中，喷涂轨迹均为蛇形，相邻正向和逆向轨迹重叠面积为喷雾宽幅的1/2。
(7)设置第二个喷涂周期，其中横向喷涂轨迹相较于第一个喷涂周期，向上或向下平移2mm，纵向喷涂轨迹相较于第一个喷涂周期向左或向右平移2mm。
(8)阴极侧设置5个喷涂周期，阳极侧设置3个喷涂周期，每个周期的平移距离和方向保持一致。
(9)将质子交换膜真空吸附于喷涂台面上，加热至70℃，按照设置好的喷涂程序完成催化剂喷涂作业。
(10)将CCM在喷涂台面上进行烘干，烘干时开启真空吸附功能，烘干条件为：70℃下8min。
(11)将适当尺寸的碳纸热压于CCM两侧，热压条件为：0.3MPa下，100℃中持续20s。
(12)将制得的五层膜电极组件进行测试，极化曲线如图5所示。测试条件：电池温度60℃，气体过量系数H2/Air＝1.5/2.5，湿度50-70％，无背压。
实施例3
(1)称取适量1.5g铂碳催化剂，其中铂含量为70％，用去离子水进行润湿。
(2)加入5％的全氟磺酸(nafion)溶液，其中，全氟磺酸(nafion)溶液与催化剂的质量比为1:3。
(3)加入分散剂，分散剂与催化剂的质量比为60:1，混合均匀，其中分散剂为乙二醇、丙酮、异丙醇的混合溶液，质量比为1:2:4。
(4)加入适量去离子水，使催化剂固含量为1％。
(5)采用高速乳化剪切机进行强力分散40min，获得待喷涂催化剂墨水，分散速度为10000r/min。
(6)根据CCM活性面积要求，划定催化剂喷涂面积，设置横向喷涂轨迹覆盖喷涂面积，然后设置纵向喷涂轨迹覆盖喷涂面积，此为一个喷涂周期，其中，喷涂轨迹均为蛇形，相邻正向和逆向轨迹重叠面积为喷雾宽幅的1/2。
(7)设置第二个喷涂周期，其中横向喷涂轨迹相较于第一个喷涂周期，向上或向下平移3mm，纵向喷涂轨迹相较于第一个喷涂周期向左或向右平移3mm。
(8)阴极侧设置5个喷涂周期，阳极侧设置3个喷涂周期，每个周期的平移距离和方向保持一致。
(9)将质子交换膜真空吸附于喷涂台面上，加热至80℃，按照设置好的喷涂程序完成催化剂喷涂作业。
(10)将CCM在喷涂台面上进行烘干，烘干时开启真空吸附功能，烘干条件为：80℃下5min。
(11)将适当尺寸的碳纸热压于CCM两侧，热压条件为：0.1MPa下，120℃中持续10s。
(12)将制得的五层膜电极组件进行测试，极化曲线如图6所示。测试条件：电池温度60℃，气体过量系数H2/Air＝1.5/2.5，湿度50-70％，无背压。

Claims (6)

1.一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备待喷涂催化剂墨水；
(2)利用超声波喷涂机，采用层叠式网格喷涂方法，将催化剂墨水分别喷涂于质子交换膜两面，烘干，获得三层膜电极组件CCM；
(3)在CCM两侧热压气体扩散层，获得五层膜电极组件；
步骤(1)中制备催化剂墨水包括以下步骤：
(a)称取适量铂含量为50％-70％的铂碳催化剂，用去离子水进行润湿；
(b)加入质量分数5％的全氟磺酸溶液，其中，全氟磺酸溶液与催化剂的质量比为1:3-5；
(c)加入分散剂，分散剂与催化剂的质量比为30-60：1，混合均匀，其中分散剂为乙醇、乙二醇、丙酮、异丙醇中的两种或三种混合溶液；
(d)加入适量去离子水，使催化剂固含量为1-2.5％；
(e)采用高速乳化剪切机进行强力分散20-40min，获得待喷涂催化剂墨水，分散速度为10000-30000r/min；
步骤(2)中层叠式网格喷涂方法包括如下步骤：
(a)根据CCM活性面积要求，划定催化剂喷涂面积，设置横向喷涂轨迹覆盖喷涂面积，然后设置纵向喷涂轨迹覆盖喷涂面积，此为一个喷涂周期，其中，喷涂轨迹均为蛇形，相邻正向和逆向轨迹重叠面积为喷雾宽幅的1/2；
(b)设置第二个喷涂周期，其中横向喷涂轨迹相较于第一个喷涂周期，向上或向下平移1-3mm，纵向喷涂轨迹相较于第一个喷涂周期向左或向右平移1-3mm，
(c)根据实际情况设置多个喷涂周期，每个周期的平移距离和方向保持一致；
(d)将质子交换膜真空吸附于喷涂台面上，加热至60-80℃，按照设置好的喷涂程序完成催化剂喷涂作业。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，分散剂为乙醇和异丙醇的混合溶液，质量比为1：2。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，分散剂为乙醇、丙酮、异丙醇的混合溶液，质量比1：1：4。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，分散剂为乙二醇、丙酮、异丙醇的混合溶液，质量比1：2：4。
5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中CCM的烘干在喷涂台面上进行，烘干条件为：60-80℃下5-10min。
6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)中热压条件为：0.1-0.5MPa下，80-120℃中持续10-30s。
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