CN109950551A - 一种用于燃料电池膜电极的增强型气体扩散层微孔膜、膜电极及其制备方法 - Google Patents

一种用于燃料电池膜电极的增强型气体扩散层微孔膜、膜电极及其制备方法 Download PDF

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邓晗
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Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池膜电极的增强型气体扩散层微孔膜、膜电极及其制备方法，属于燃料电池领域。燃料电池增强型气体扩散层为自支撑微孔膜，微孔膜的制备采用聚四氟乙烯、碳粉混合浆料，通过滚压、拉伸成膜、经焙烧获得，自支撑微孔膜，厚度为30‑50微米，在微孔膜表面涂覆制备催化层，获得微孔膜支撑催化层。增强膜电极由阳极气体扩散层、阳极微孔膜支撑催化层、质子交换膜、阴极微孔膜支撑催化层、阴极气体扩散层构成。通过组合获得增强膜电极。本发明制备的增强型气体扩散层，具有优异的导电性和强度，高导气性和导水性，微孔分布均匀，微孔膜支撑催化层组装膜电极显著提高膜电极强度，加工工艺简单，膜电极性能更优，利于工业化大规模生产。

Description

一种用于燃料电池膜电极的增强型气体扩散层微孔膜、膜电 极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池技术领域，特别是增强型气体扩散层的制备技术及增强膜电极组装方法。
背景技术
膜电极是燃料电池的核心部件，其由气体扩散层、催化层和质子交换膜构成，并通过热压工艺进行组装。为了提高燃料电池比功率，电解质膜已由约100μm降到10-20μm，这样带了使用过程中机械强度和膜电极加工过程的复杂性两个问题，质子交换膜本身具有溶胀性，这使催化剂涂覆工艺复杂，而且影响膜电极的耐久性。气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，基底层通常主要起到支撑作用，微孔层则用于改善基底孔隙结构，降低接触电阻，进行有效的水、气分配。气体扩散层常规方法是将微孔层炭黑颗粒通过固相粘接热压与基底层复合。
发明内容
目前应用较广的燃料电极气体扩散层中，炭黑颗粒通过固相粘接热压与基底层复合形成微孔层，对膜电极机械强度贡献较小，催化剂层在质子交换膜表面制备，膜电极加工过程复杂。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种用于燃料电池膜电极的增强型气体扩散层微孔膜的制备方法具体步骤如下：
(1)将聚四氟乙烯乳液、碳粉按一定质量比在乙醇溶液分散，充分混合均匀后在水浴中加热聚凝，使其成为粘稠状的浆料；
(2)将步骤(1)获得的粘稠状浆料与增塑剂混合，采用滚压技术，并湿法拉伸制备薄膜；
室温晾干后，在240-260度焙烧20-40分钟，在340-360度焙烧20-40分钟，获得燃料电池增强型气体扩散层微孔膜。
本发明提供一种膜电极的制备方法，具特征在于，具有以下工序：
工序(a),在权利要求1得到的微孔膜单侧表面涂覆阳极催化剂或阴极催化剂制备阳极催化层或阴极催化层，获得阳极微孔膜支撑催化层或阴极微孔膜支撑催化层，和
工序(b)，在电解质膜一侧与工序(a)阳极微孔膜支撑的催化层或阴极微孔膜支撑的催化层接合，所述的电解质膜另一侧涂覆催化层；
工序(c)，在微孔膜的外侧面结合支撑层；在电解质膜涂覆催化层的一侧结合气体扩散层。
本发明另外提供一种膜电极的制备方法，具特征在于，具有以下工序：
工序(a),在权利要求1得到的微孔膜单侧表面涂覆阳极催化剂制备阳极催化层，获得阳极微孔膜支撑催化层,和在权利要求1得到的微孔膜单侧表面涂覆阴极催化剂制备阴极催化层，获得阴极微孔膜支撑催化层，和
工序(b)，在电解质膜一侧与工序(a)阳极微孔膜支撑的催化层接合，所述的电解质膜另一侧与所述的阴极微孔膜支撑的催化层接合，和
工序(c)，分别在两个微孔膜的外侧面结合支撑层。
进一步地，在上述技术方案中，步骤(1)所述碳粉为导电碳黑、导电碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
进一步地，在上述技术方案中，步骤(1)所述粘稠状的浆料原料配比为，碳粉45-55重量份，质量浓度为60％的聚四氟乙烯乳液25-35重量份，无水乙醇15-25重量份。
进一步地，在上述技术方案中，步骤(2)所述增塑剂为甲苯、氯甲苯、氯苯、乙苯、苯酚、环己酮、吡啶中的至少一种。
进一步地，在上述技术方案中，步骤(2)所述粘稠状浆料与增塑剂原料配比为，粘稠状浆料92-97重量份，增塑剂3-8重量份。
进一步地，在上述技术方案中，步骤(3)所述增强型气体扩散层微孔膜，其厚度为20-60微米。
本发明燃料电池增强型气体扩散层制备方法及增强膜电极组装方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明提出了以自支撑微孔膜为组成部分的增强型气体扩散层制备方法，可以为膜电极强度提供有效补偿。
2、本发明提出微孔膜支撑催化层结构，微孔膜由聚四氟乙烯和碳材料构成，无溶胀性且具有一定机械强度和韧度，催化剂涂覆工艺更加简单易行，确保了催化层的均匀性和电化学性能。
3、本发明提出将微孔层制备成微孔膜，不改变微孔层性能和现有膜电极组成，易于工业化。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
将聚四氟乙烯乳液、导电碳黑加入乙醇中超声分散30分钟，然后在80度水浴中加热聚凝20分钟，制得粘稠状浆料，浆料原料中，碳粉50重量份，质量浓度为60％的聚四氟乙烯乳液30重量份，无水乙醇20重量份；
将步骤(1)获得的粘稠状浆料与增塑剂混合，浆料96重量份，增塑剂4重量份，增塑剂为甲苯，机械搅拌10分钟，采用滚压技术制备薄膜；
室温晾干后，在240度焙烧30分钟，在340度焙烧30分钟，获得燃料电池增强型气体扩散层微孔膜；
采用丝网印刷技术，在微孔膜单侧表面涂覆制备Pt/C催化层,制备微孔膜支撑催化层,催化层Pt担量约为0.3mg/cm2；
在电解质膜一侧与阳极微孔膜支撑的催化层接合，电解质膜另一侧与阴极微孔膜支撑的催化层接合，微孔膜两侧结合碳纤维纸；
将阳极气体扩散层碳纸、阳极微孔膜支撑催化层、质子交换膜、阴极微孔膜支撑催化层、阴极气体扩散层碳纸顺序热压，获得增强膜电极。
实施例2
将聚四氟乙烯乳液、石墨烯加入乙醇中超声分散30分钟，然后在80度水浴中加热聚凝16分钟，制得粘稠状浆料，浆料原料中，石墨烯56重量份，质量浓度为60％的聚四氟乙烯乳液28重量份，无水乙醇16重量份；
将步骤(1)获得的粘稠状浆料与增塑剂混合，浆料95重量份，增塑剂5重量份，增塑剂为苯酚，机械搅拌10分钟，采用湿法拉伸技术制备薄膜；
室温晾干后，在250度焙烧25分钟，在350度焙烧25分钟，获得燃料电池增强型气体扩散层微孔膜；
采用静电喷涂技术，在微孔膜单侧表面涂覆制备Pt/C催化层,制备微孔膜支撑催化层,催化层Pt担量约为0.3mg/cm2；
在电解质膜一侧与阳极微孔膜支撑的催化层接合，电解质膜另一侧与阴极微孔膜支撑的催化层接合，微孔膜两侧结合碳纤维纸；
将阳极气体扩散层碳纸、阳极微孔膜支撑催化层、质子交换膜、阴极微孔膜支撑催化层、阴极气体扩散层碳纸顺序热压，获得增强膜电极。
实施例3
将聚四氟乙烯乳液、碳纳米管加入乙醇中超声分散20分钟，然后在80度水浴中加热聚凝10分钟，制得粘稠状浆料，浆料原料中，碳纳米管62重量份，质量浓度为60％的聚四氟乙烯乳液25重量份，无水乙醇13重量份；
将步骤(1)获得的粘稠状浆料与增塑剂混合，浆料98重量份，增塑剂2重量份，增塑剂为环己酮，机械搅拌20分钟，采用湿法拉伸技术制备薄膜；
室温晾干后，在250度焙烧25分钟，在350度焙烧25分钟，获得燃料电池增强型气体扩散层微孔膜；
采用静电喷涂技术，在微孔膜单侧表面涂覆制备催化层Pt/C,制备微孔膜支撑催化层,催化层Pt担量约为0.3mg/cm2；
在电解质膜一侧与阳极微孔膜支撑的催化层接合，电解质膜另一侧与阴极微孔膜支撑的催化层接合，微孔膜两侧结合碳纤维纸；
将阳极气体扩散层碳纸、阳极微孔膜支撑催化层、质子交换膜、阴极微孔膜支撑催化层、阴极气体扩散层碳纸顺序热压，获得增强膜电极。
对比例1
将聚四氟乙烯乳液、导电碳黑加入乙醇中超声分散30分钟，然后在80度水浴中加热聚凝20分钟，制得粘稠状浆料，浆料原料中，碳粉50重量份，质量浓度为60％的聚四氟乙烯乳液30重量份，无水乙醇20重量份；
将步骤(1)获得的粘稠状浆料涂覆在碳纸表面，室温晾干后，在240度焙烧30分钟，在340度焙烧30分钟，获得气体扩散层；
对比例2
采用厚度0.1mm传统多孔表面疏水处理碳纸作为气体扩散层。
将制得的气体扩散层采用四点探针法测定气体扩散层的面电导率。
将对比例1-2得到的气体扩散层与实施例1-3相同的催化剂、质子交换膜热压为膜电极，以氢气、空气为反应气条件下，其放电性能，初始输出功率密度和连续工作100小时输出功率密度如表1所示。
表1

Claims (10)

1.一种用于燃料电池膜电极的增强型气体扩散层微孔膜的制备方法，具体步骤如下：
(1)将聚四氟乙烯乳液、碳粉按一定质量比在乙醇溶液分散，充分混合均匀后在水浴中加热聚凝，使其成为粘稠状的浆料；
(2)将步骤(1)获得的粘稠状浆料与增塑剂混合，采用滚压技术，并湿法拉伸制备薄膜；
(3)将步骤(2)获得的薄膜室温晾干后，在240-260℃焙烧20-40分钟，在340-360℃焙烧20-40分钟，获得增强型气体扩散层微孔膜。
2.一种膜电极的制备方法，具特征在于，具有以下工序：
工序(a),在权利要求1得到的微孔膜单侧表面涂覆阳极催化剂或阴极催化剂制备阳极催化层或阴极催化层，获得阳极微孔膜支撑催化层或阴极微孔膜支撑催化层，和
工序(b)，在电解质膜一侧与工序(a)阳极微孔膜支撑的催化层或阴极微孔膜支撑的催化层接合，所述的电解质膜另一侧涂覆催化层；
工序(c)，在微孔膜的外侧面结合支撑层；在电解质膜涂覆催化层的一侧结合气体扩散层。
3.一种膜电极的制备方法，具特征在于，具有以下工序：
工序(a),在权利要求1得到的微孔膜单侧表面涂覆阳极催化剂制备阳极催化层，获得阳极微孔膜支撑催化层,和在权利要求1得到的微孔膜单侧表面涂覆阴极催化剂制备阴极催化层，获得阴极微孔膜支撑催化层，和
工序(b)，在电解质膜一侧与工序(a)阳极微孔膜支撑的催化层接合，所述的电解质膜另一侧与所述的阴极微孔膜支撑的催化层接合，和
工序(c)，分别在两个微孔膜的外侧面结合支撑层。
4.根据权利要求1所述微孔膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述碳粉为导电碳黑、导电碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述微孔膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述粘稠状的浆料原料配比为，碳粉45-55重量份，质量浓度为60％的聚四氟乙烯乳液25-35重量份，无水乙醇15-25重量份。
6.根据权利要求1所述微孔膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述增塑剂为甲苯、氯甲苯、氯苯、乙苯、苯酚、环己酮、吡啶中的至少一种。
7.根据权利要求1所述微孔膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述粘稠状浆料与增塑剂原料配比为，粘稠状浆料92-97重量份，增塑剂3-8重量份。
8.根据权利要求1所述微孔膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述增强型气体扩散层微孔膜，其厚度为20-60微米。
9.根据权利要求2或3所述膜电极的制备方法，其特征在于：所述支撑层选自多孔碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维非纺材料及碳黑纸的一种。
10.一种微孔层增强膜电极质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：由权利要求2-9任一项所述方法制备得到。
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