CN110350150A - 一种转印工艺和膜电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池的技术领域，提出了一种转印工艺和膜电极，其中一种转印工艺包括以下步骤：将异丙醇与水混合作为溶剂，加入全氟磺酸树脂后混合均匀配制全氟磺酸树脂溶液；将全氟磺酸树脂溶液喷涂于质子交换膜上；将喷有催化剂的基底材料放置在质子交换膜的两侧，并进行热压；剥离基底材料，获得膜电极。由于全氟磺酸树脂与原有质子交换膜，以及与催化层之间均形成良好的结合力，质子交换膜和催化层就通过该层全氟磺酸树脂而结合，在保障较高转印率的同时，大大降低转印所需的温度和压力，因此保护了质子交换膜不会在高温、高压下受到损伤。

Description

一种转印工艺和膜电极
技术领域
本发明涉及燃料电池的技术领域，特别涉及一种膜电极的转印工艺。
背景技术
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能经氧化还原反应直接转化为电能的电化学电池。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为燃料电池领域的重要分枝，除了拥有如能量转换效率高、环境友好之外等燃料电池一般性特点外，还具有室温下启动速度快、体积小、无电解液损失、容易排水、寿命长、比功率和比能量高等突出优点。质子交换膜燃料电池不仅适用于分散式电站的建设，而且适用于移动供电，是一种新型的军用和民用移动电源。因此，质子交换膜燃料电池具有非常广阔的应用前景。
膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是燃料电池进行氧化还原反应的场所，主要由全氟磺酸质子交换膜、催化剂、气体扩散层以及密封材料组成。膜电极作为燃料电池电化学反应的基本单元，其结构设计和制备工艺方案的提出，需要以燃料电池电化学反应的基本原理和特性为理论基础，并结合其实际工作条件加以综合考量。膜电极的结构设计和制备工艺技术是燃料电池研究的关键技术，它决定了燃料电池的工作性能。
近来，短支链低交换当量(EW)质子交换膜和离子树脂因其相较于传统的长支链高当量质子交换膜和离子树脂(比如Nafion)，具有更高的质子传导率、更好的保水性、以及结晶度较高所带来的高温耐受性，而得到了极大的重视。目前用短支链低交换当量质子交换膜和离子树脂来制备膜电极已成为趋势，因其能简化燃料电池系统(简化增湿系统，采用风冷代替水冷等)从而大大的降低了燃料电池的成本(由于膜电极和催化层设计和结构的改进，以及性能的提高，燃料电池的成本的重心已从膜电极转到了系统)。
膜电极CCM一般通过转印法来制备，将催化剂涂覆在承载基底材料上，然后将阴阳极催化剂夹在质子交换膜的两侧经热压后，经催化层与承载基底脱离而转印到质子交换膜上而得到膜电极CCM。目前对于含有短支链低交换当量(EW)质子交换膜和离子树脂的膜电极，采用常规的转印温度(135-140℃)及压力(10bar)来进行转印，或者采用高温及高压进行转印。
由于短支链低交换当量质子交换膜和离子树脂的结晶度较高，其玻璃化温度也较高，在常规转印温度和压力下，催化层和质子交换膜之间的结合力不够，容易导致难以完全转印；如果采用较高压力及温度转印，则可能会破坏催化层的结构，并对质子交换膜造成物理损伤。因此如何在常规转印温度及压力下，将含有短支链低当量离子树脂的催化层完全转印到短支链低当量质子交换膜上是一个急需解决的问题。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的中难以在常规转印温度和压强下将短支链低当量离子树脂催化层完全转印至短支链低当量质子交换膜上的问题。
为此，本发明提出一种转印工艺，包括以下步骤：将异丙醇与水混合作为溶剂，加入全氟磺酸树脂后混合均匀配制全氟磺酸树脂溶液；将所述全氟磺酸树脂溶液喷涂于质子交换膜上；将喷有催化剂的基底材料放置在所述质子交换膜的两侧，并进行热压；剥离所述基底材料，获得膜电极。
进一步地，所述异丙醇与水的质量比为1:1。
进一步地，在所述全氟磺酸树脂溶液中，所述全氟磺酸树脂的占溶液的质量分数为2％～8％。
进一步地，还包括以下步骤：将所述全氟磺酸树脂加入异丙醇与水的溶液后，放置在超声箱内进行超声震荡，获得溶液混合均匀的所述全氟磺酸树脂溶液。
进一步地，在所述将所述全氟磺酸树脂溶液喷涂于质子交换膜上之前，还包括以下步骤：在氮气环境中对所述质子交换膜吹扫5至10分钟，除去灰尘。
进一步地，在所述将所述全氟磺酸树脂溶液喷涂于质子交换膜上之后，还包括以下步骤：将喷涂过的所述质子交换膜，放置在氮气环境箱中，以120℃-200℃热处理10-30分钟。
进一步地，所述全氟磺酸树脂溶液的交换当量为900-1000。
本发明还提供了膜电极，包括质子交换膜和热压于所述质子交换膜两端面的催化剂层，还包括位于所述催化剂层与所述质子交换膜之间的全氟磺酸树脂层。
本发明中的一种转印工艺以及其所制备的膜电极，由于全氟磺酸树脂与原有质子交换膜，以及与催化层之间均形成良好的结合力，质子交换膜和催化层就通过该层全氟磺酸树脂而结合，在保障较高转印率的同时，大大降低转印所需的温度和压力，因此保护了质子交换膜不会在高温、高压下受到损伤。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述的和/或附加的方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中的质子交换膜的示意图；
图2为本发明实施例中的质子交换膜喷涂全氟磺酸树脂溶液后的示意图；
图3为本发明实施例中的基底材料的示意图；
图4为本发明实施例中的热压后的膜电极示意图；
图5为本发明实施例中的剥离基底材料后的膜电极示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以下结合附图描述根据本发明实施例。
如图1至图5所示，本实施例中提供了一种
为此，本发明提出一种转印工艺，包括以下步骤：
将异丙醇与水混合作为溶剂，加入全氟磺酸树脂2后混合均匀配制全氟磺酸树脂溶液2；
如图1和图2所示，将全氟磺酸树脂溶液2喷涂于质子交换膜1上；
如图3和图4所示，将喷有催化剂31的基底材料3放置在质子交换膜1的两侧，并进行热压，形成膜电极4a；
如图5所示，剥离基底材料3，获得膜电极4b。
在上述的一种转印工艺中，将全氟磺酸树脂溶液2喷涂于质子交换膜1的表面，可以改变原有质子交换膜1以及催化剂31层表面的表面能，使这层全氟磺酸树脂2与原有质子交换膜1，以及与催化剂31层之间均形成良好的结合力，所以质子交换膜1和催化剂31层就通过该层全氟磺酸树脂2而结合，从使转印完全。
在上述转印过程中，相较于现有技术大大降低转印所需的温度和压力，保护质子交换膜1不会在高温、高压下受到损伤。而且全氟磺酸树脂2与催化剂31层之间结合力较佳，使得催化剂31能几乎全部转印至膜上，转印材料上残留较少，转印效率高。
此外，由于添加了全氟磺酸树脂溶液2在质子交换膜1与催化剂31之间，使得催化剂31层与质子交换膜1之间的质子传导能力提高，界面电阻下降，膜电极4具有更加优异的电学性能。
优选的，本实施例中的异丙醇与水的质量比为1:1，在其他的实施例中，也可以为其他的质量比，例如1：1.5等。
在本实施例中，在全氟磺酸树脂溶液2中，全氟磺酸树脂2的占溶液的质量分数为2％～8％，优选为5％。
优选的，一种转印工艺中还包括以下步骤：将全氟磺酸树脂2加入异丙醇与水的溶液后，放置在超声箱内进行超声震荡，获得溶液混合均匀的全氟磺酸树脂溶液2。在其他的实施例中，也可以采用其他的装置进行混合，例如双螺旋混合机等。
优选的，在将全氟磺酸树脂溶液2喷涂于质子交换膜1上之前，一种转印工艺还包括以下步骤：在氮气环境中对质子交换膜1吹扫5至10分钟，除去灰尘。
在将全氟磺酸树脂溶液2喷涂于质子交换膜1上之后，一种转印工艺还包括以下步骤：将喷涂过的质子交换膜1，放置在氮气环境箱中，以120℃-200℃热处理10-30分钟。
本实施例中全氟磺酸树脂溶液2的交换当量为900-1000。
如图4和图5所示，本实施例中还提供了由上述的一种转印工艺所制备得膜电极4，包括质子交换膜1和热压于质子交换膜1两端面的催化剂31层，在催化剂31层与质子交换膜1之间还设有全氟磺酸树脂2层。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种转印工艺，其特征在于，包括以下步骤：
将异丙醇与水混合作为溶剂，加入全氟磺酸树脂后混合均匀配制全氟磺酸树脂溶液；
将所述全氟磺酸树脂溶液喷涂于质子交换膜上；
将喷有催化剂的基底材料放置在所述质子交换膜的两侧，并进行热压；
剥离所述基底材料，获得膜电极。
2.根据权利要求1所述的一种转印工艺，其特征在于，所述异丙醇与水的质量比为1:1。
3.根据权利要求1所述的一种转印工艺，其特征在于，在所述全氟磺酸树脂溶液中，所述全氟磺酸树脂的占溶液的质量分数为2％～8％。
4.根据权利要求1所述的一种转印工艺，其特征在于，还包括以下步骤：
将所述全氟磺酸树脂加入异丙醇与水的溶液后，放置在超声箱内进行超声震荡，获得溶液混合均匀的所述全氟磺酸树脂溶液。
5.根据权利要求1所述的一种转印工艺，其特征在于，在所述将所述全氟磺酸树脂溶液喷涂于质子交换膜上之前，还包括以下步骤：
在氮气环境中对所述质子交换膜吹扫5至10分钟，除去灰尘。
6.根据权利要求1所述的一种转印工艺，其特征在于，在所述将所述全氟磺酸树脂溶液喷涂于质子交换膜上之后，还包括以下步骤：
将喷涂过的所述质子交换膜，放置在氮气环境箱中，以120℃-200℃热处理10-30分钟。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种转印工艺，其特征在于，所述全氟磺酸树脂溶液的交换当量为900-1000。
8.膜电极，包括质子交换膜和热压于所述质子交换膜两端面的催化剂层，其特征在于，还包括位于所述催化剂层与所述质子交换膜之间的全氟磺酸树脂层。
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