CN110289420A - 一种pem燃料电池膜电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新能源燃料电池技术领域，具体的说是一种PEM燃料电池膜电极的制备方法。该直奔方法采用直接法与一次转印相结合的方式，将催化剂涂敷在质子交换膜的一侧，另一侧采用转印的方式经过一次热压将催化剂负载其上，并且转印介质采用聚烯烃树脂膜，相比于PTFE膜不但具有较好的耐热性、热收缩率，而且具有较低的表面粗糙度，能够保证催化剂转印完全，提高了催化剂利用率，解决了现有膜电极存在不足。

Description

一种PEM燃料电池膜电极的制备方法
技术领域
本发明属于新能源燃料电池技术领域，具体的说是一种PEM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，它的原理是利用氢气和氧气发生反应，将化学能直接转化为电能，由于具有能量转化效率高、低温启动快速，无污染、耐久性好、比功率高等优点，因此被认为是20世纪的最佳绿色能源之一。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，其制备的好坏直接决定整个电池的耐久寿命。
目前最常见的膜电极有两种制备方法：一种是采用印刷、喷涂、转印、干粉喷涂或狭缝喷涂等方法将阴阳极催化剂直接涂敷于质子交换膜的两侧，得到CCM(CatalystCoated Membrane)，再与扩散层组合(可热压也可不热压)；另一种是将催化层通过同样的工艺分布于扩散层表面，得到CCS(Catalyst Coated Substrate)，再与质子交换膜热压，紧密结合为五合一膜电极组件。不管是哪一种方法，最终得到的结构是一致的。随着车用燃料电池对Pt载量下降和利用率上升的要求，CCM工艺逐渐成为主流。
CCM工艺主要有直接法和转印法两种。直接法是将催化剂层做到Nafion膜上使得二者结合紧密，通将催化剂涂覆到质子交换膜的两侧，在一定温度、压力下与气体扩散层进行热压形成膜电极。直接法缺点是质子交换膜一侧经过喷涂阴极(或阳极)催化剂后，在其另一侧涂覆阳极(或阴极)催化剂时，质子交换膜会溶胀变形，制备的膜电极性能偏低、差异性大、生产效率低的问题。转引法先将催化剂浆料涂覆到转移转印介质PTFE表面，然后通过热压将催化层转印到质子交换膜上。转印法工艺比较复杂，制备成本较高，热压转印时温度较高，容易导致质子交换膜损伤；另外在转印过程中，由于转印不完全，使得部分催化剂粘在转印介质上，导致催化剂利用率下降。此外，转印介质PTFE表面粗糙度高、热收缩变化大，易被破坏而不能重复使用，增加了制造成本。
发明内容
本提供一种PEM燃料电池膜电极的制备方法，采用直接法与一次转印相结合的方式，将催化剂涂敷在质子交换膜的一侧，另一侧采用转印的方式经过一次热压将催化剂负载其上，并且转印介质采用聚烯烃树脂膜，相比于PTFE膜不但具有较好的耐热性、热收缩率，而且具有较低的表面粗糙度，能够保证催化剂转印完全，提高了催化剂利用率，解决了现有膜电极存在的上述不足。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种PEM燃料电池膜电极的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤一、催化剂溶液的制备；
将一定质量含量Pt/C催化剂粉末经少许去离子水润湿，逐滴加入5％Nafion与异丙醇的混合均匀液，最后定容一定体积，经超声、剪切搅拌、超声波破碎各20-60min，所述Pt/C 催化剂、去离子水、5％Nafion溶液、异丙醇的质量比为0.0005-0.0008：0.027-0.07：0.03-0.07： 0.91-0.94；
步骤二、催化层的制备；
a)阴极催化层制备；
将步骤一制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，在45-60℃、真空吸附的条件下喷涂在Nafion质子交换膜的一侧，喷涂的质量为0.2-0.35mg/cm2；
b)阳极催化层制备；
将步骤一制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，在65-85℃、真空吸附的条件下喷涂在聚烯烃树脂转印膜的一侧，喷涂的质量为0.08-0.15mg/cm2；
c)热压；
将b)中带有转印膜阳极催化层放在a)中Nafion质子交换膜的另一侧，经加热 95-110℃、1-3MPa下热压30-60s，剥去转印膜即可得到催化层与膜的组合件；
步骤三、气体扩散层的制备；
在催化层与膜的组合件的两侧分别放上碳纸，经65-80℃、0.4-0.6MPa下热压10-30s，即得到一种PEM燃料电池膜电极。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用直接法与一次转印相结合的方式，将催化剂涂敷在质子交换膜的一侧，另一侧采用转印的方式经过一次热压将催化剂负载其上。同时，本发明中转印介质采用聚烯烃树脂膜，相比于PTFE膜不但具有较好的耐热性、热收缩率，而且具有较低的表面粗糙度，能够保证催化剂转印完全，提高了催化剂利用率。
2、采用本发明技术制备的膜电极具有易于放大化生产、制备过程简单易控、批次一致性好、成本低。
附图说明
图1为本发明PEM燃料电池膜电极制备示意图；
图2为本发明实施例一、对比例一制备的膜电极组装单电池进行性能测试曲线对比图；
图3为本发明实施例一制备催化剂的SEM下结构示意图。
具体实施方式
实施例一
步骤一、催化剂溶液的制备；
称取30mg的70％Pt/C催化剂粉末用1.5ML离子水润湿，逐滴加入5％Nafion2.8g与10mL 异丙醇的混合均匀液，超声15min,最后加入异丙醇定质量为40g，经超声20min、剪切搅拌 60min、超声波破碎20min，即可待用。
步骤二、催化层的制备；
a)阴极催化层的制备；
将步骤一制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，45℃真空吸附的条件下喷涂在 Nafion质子交换膜的一侧，喷涂的质量为0.2mg/cm2。
b)阳极催化层的制备；
将(1)制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，在65℃真空吸附的条件下喷涂在聚烯烃树脂转印膜的一侧，喷涂的质量为0.08mg/cm2。
c)热压；
将b)中带有转印膜阳极催化层放在a)中Nafion质子交换膜的另一侧，经加热95℃、 0.5MPa下热压60s，剥去转印膜即可得到催化层与膜的组合件。
步骤三气体扩散层的制备；
在催化层与膜的组合件的两侧分别放上碳纸，经65℃、1MPa下热压30s，即得到一种 PEM燃料电池膜电极。
将实施例一制备得到催化剂进行SEM测试，如图1所示颗粒比较均一。将实施例一制备得到具有自加湿质子交换膜燃料电池膜电极组装单电池进行性能测试(活性面积5cm*5cm，下同)，测试了膜电极在75℃、20％RH、0.1Mpa条件下的电流密度，如图2所示。从图2 可知，本发明制备具有自加湿质子交换膜燃料电池膜电极的稳定性较好，0.8V可以达到350mA/cm2以上，具有优异的电流密度。
对比例一
步骤一、催化剂溶液的制备；
称取30mg的70％Pt/C催化剂粉末用1.5ML离子水润湿，逐滴加入5％Nafion2.0g与10mL 异丙醇的混合均匀液，超声15min,最后加入异丙醇定质量为40g，经超声20min、剪切搅拌 60min、超声波破碎20min，即可待用。
步骤二、催化层的制备；
a)阴极催化层的制备；
将步骤一制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，45℃真空吸附的条件下喷涂在 Nafion质子交换膜的一侧，喷涂的质量为0.2mg/cm2。
b)阳极催化层的制备；
将步骤一制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，在65℃真空吸附的条件下喷涂在 PTFE转印膜的一侧，喷涂的质量为0.08mg/cm2。
c)热压
将b)中带有转印膜阳极催化层放在a)中Nafion质子交换膜的另一侧，经加热95℃、 0.5MPa下热压60s，剥去转印膜即可得到催化层与膜的组合件。
步骤三、气体扩散层的制备；
在催化层与膜的组合件的两侧分别放上碳纸，经65℃、1MPa下热压30s，即得到一种 PEM燃料电池膜电极。
分别将实施例一、对比例一制备的膜电极组装单电池进行性能测试，测试了膜电极在 75℃、60％RH、0.1Mpa条件下的电流密度，如图2所示。从图2可知，从0.68V开始，电流密度下降逐步加快。这是因为对比例1催化剂转印不完全。而本发明制备膜电极的稳定性得到很大提高。
从图3可以看出喷涂粒子的分布比较均匀，有利于提高催化剂的活性面积。
实施例二
步骤一、催化剂溶液的制备；
称取42mg的70％Pt/C催化剂粉末用2.5ML离子水润湿，逐滴加入5％Nafion2.0g与10mL 异丙醇的混合均匀液，超声10min,最后加入异丙醇定质量为60g，经超声20min、剪切搅拌 30min、超声波破碎60min，即可待用。
步骤二、催化层的制备；
a)阴极催化层的制备；
将步骤一制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，65℃、真空吸附的条件下喷涂在 Nafion质子交换膜的一侧，喷涂的质量为0.35mg/cm2。
b)阳极催化层的制备；
将步骤一制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，在85℃、真空吸附的条件下喷涂在聚烯烃树脂转印膜交换膜的一侧，喷涂的质量为0.15mg/cm2。
c)热压
将b)中带有转印膜阳极催化层放在a)中Nafion质子交换膜的另一侧，经加热110℃、 3MPa下热压60s，剥去转印膜即可得到催化层与膜的组合件。
步骤三、气体扩散层的制备；
在催化层与膜的组合件的两侧分别放上碳纸，经80℃、0.6MPa下热压10s，即得到一种PEM燃料电池膜电极。
实施例三
步骤一、催化剂溶液的制备；
称取30mg的30％Pt/C催化剂粉末用4ML离子水润湿，逐滴加入5％Nafion2.3g与12mL 异丙醇的混合均匀液，超声10min,最后加入异丙醇定质量为56g，经超声20min、剪切搅拌 30min、超声波破碎30min，即可待用。
(2)催化层的制备；
a)阴极催化层制备
将步骤一制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，75℃真空吸附的条件下喷涂在 Nafion质子交换膜的一侧，喷涂的质量为0.30mg/cm2。
b)阳极催化层的制备；
将步骤一制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，在85℃真空吸附的条件下喷涂在聚烯烃树脂转印膜交换膜的一侧，喷涂的质量为0.12mg/cm2。
c)热压
将b)中带有转印膜阳极催化层放在a)中Nafion质子交换膜的另一侧，经加热95℃、 2MPa下热压40s，剥去转印膜即可得到催化层与膜的组合件。
步骤三、气体扩散层制备；
在催化层与膜的组合件的两侧分别放上碳纸，经75℃、0.5MPa下热压15s，即得到一种PEM燃料电池膜电极。

Claims (1)

1.一种PEM燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤一、催化剂溶液的制备；
将一定质量含量Pt/C催化剂粉末经少许去离子水润湿，逐滴加入5％Nafion与异丙醇的混合均匀液，最后定容一定体积，经超声、剪切搅拌、超声波破碎各20-60min，所述Pt/C催化剂、去离子水、5％Nafion溶液、异丙醇的质量比为0.0005-0.0008：0.027-0.07：0.03-0.07：0.91-0.94；
步骤二、催化层的制备；
a)阴极催化层制备；
将步骤一制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，在45-60℃、真空吸附的条件下喷涂在Nafion质子交换膜的一侧，喷涂的质量为0.2-0.35mg/cm2；
b)阳极催化层制备；
将步骤一制备的催化剂溶液采用超声波喷涂的方式，在65-85℃、真空吸附的条件下喷涂在聚烯烃树脂转印膜的一侧，喷涂的质量为0.08-0.15mg/cm2；
c)热压；
将b)中带有转印膜阳极催化层放在a)中Nafion质子交换膜的另一侧，经加热95-110℃、1-3MPa下热压30-60s，剥去转印膜即可得到催化层与膜的组合件；
步骤三、气体扩散层的制备；
在催化层与膜的组合件的两侧分别放上碳纸，经65-80℃、0.4-0.6MPa下热压10-30s，即得到一种PEM燃料电池膜电极。
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