CN110676494A - 一种膜电极的制备方法、膜电极及质子交换膜燃料电池 - Google Patents

一种膜电极的制备方法、膜电极及质子交换膜燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极的制备方法，将第一活性物质催化剂粉末和第一添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的一面，均匀喷淋第一溶液，干燥固化；重复若干次，得到第一活性物质催化剂层；将第二活性物质催化剂粉末和第二添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的相对一面，均匀喷淋第二溶液，干燥固化；重复若干次，得到第二活性物质催化剂层；在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的表面覆盖碳纸，得到膜电极。已喷淋的溶液会产生挥发，通过调节喷淋的速度，实现喷淋量与溶剂挥发的平衡，避免大量溶剂与质子交换膜接触导致质子交换膜溶胀。

Description

一种膜电极的制备方法、膜电极及质子交换膜燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极的制备方法、膜电极及质子交换膜燃料电池。
背景技术
燃料电池是能将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能的能量转化装置，具有环境友好、能量密度高、室温下可快速启动和可靠性高等优点。燃料电池包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等。与其他种类的燃料电池相比，质子交换膜燃料电池工作温度相对较低，适合用作电动车载、便携式电源。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，决定着质子交换膜燃料电池的性能、寿命以及成本。膜电极包括催化剂层、扩散层和质子交换膜，为质子交换膜燃料电池的电化学反应提供了质子、电子、反应气体和水连续通道。
传统制备膜电极的方法有喷涂法和转印法。喷涂法效率低，制造成本高，自动化程度低，不能满足生产扩大化的要求。转印法首先将催化剂浆料涂覆在转印基质上，然后再转印到质子交换膜上，工艺流程复杂，转印基质价格昂贵，在转印过程中还存在不能完全转印，膜利用率低的问题。
另外，制备膜电极的方法还有直接涂布法，直接涂布法制备CCM型膜电极是将催化剂直接涂覆在质子交换膜的两侧，即可制得三层膜电极。采用直接涂布方法制备的膜电极，自动化程度高，效率高，制造成本低，可满足生产扩大化生产。然而，在直接涂布过程中，由于催化剂浆料中的溶剂会导致质子交换膜溶胀，导致制备的膜电极表面不平整、均匀度差，还会影响膜电极性能，降低了铂贵金属催化剂的载量，提高了膜电极的成本。
在现有技术中，通常采用将催化剂干粉与nafion溶液混合后，制成粉末状，采用喷墨打印或激光打印的方式制成涂层，以避免溶剂导致的质子交换膜溶胀。然而，采用喷墨打印或激光打印的方式成本较高。
发明内容
本发明的目的之一在于：提供一种膜电极的制备方法，能够解决直接涂布过程中存在的质子交换膜在涂布过程中因接触溶剂导致的溶胀问题，并且制备过程简单，可工业化生产。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种膜电极的制备方法，包括以下操作：
步骤一，将第一活性物质催化剂粉末和第一添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的一面，均匀喷淋第一溶液，干燥固化；
步骤二，重复步骤一若干次，得到第一活性物质催化剂层；
步骤三，将第二活性物质催化剂粉末和第二添加剂粉末混合后均匀平铺在所述质子交换膜的相对一面，均匀喷淋第二溶液，干燥固化；
步骤四，重复步骤三若干次，得到第二活性物质催化剂层；
步骤五，在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的表面覆盖碳纸，得到膜电极。需要说明的是，已喷淋到粉末层的溶液会产生挥发，通过调节喷淋的速度，实现喷淋量与溶剂挥发的平衡，达到避免大量溶剂与质子交换膜接触，从而减小其溶胀的效果。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述第一活性物质催化剂粉末包括铂、铂/碳和合金中的至少一种；所述第二活性物质催化剂粉末包括铂、铂/碳和合金中的至少一种。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述第一添加剂粉末为聚四氟乙烯或氯化亚铁；所述第二添加剂粉末为聚四氟乙烯或氯化亚铁。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，步骤一具体操作为，将所述第一活性物质催化剂粉末和所述第一添加剂粉末混合后均匀平铺在所述质子交换膜的一面，得到厚度为0.5～5μm的第一粉末层，均匀喷淋所述第一溶液，干燥固化；步骤三具体操作为，将所述第二活性物质催化剂粉末和所述第二添加剂粉末混合后均匀平铺在所述质子交换膜的相对一面，得到厚度为0.5～5μm的第二粉末层，均匀所述喷淋第二溶液，干燥固化。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述第一溶液包括全氟磺酸树脂溶液、固化剂和第三添加剂；所述第二溶液包括全氟磺酸树脂溶液、固化剂和第三添加剂。固化剂包括异丙醇、乙酸乙酯和四氢呋喃，第三添加剂包括乙醇、丙醇和乙二醇。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述第一活性物质催化剂层为阴极催化剂层，第二活性物质催化剂层为阳极催化剂层；或，所述第一活性物质催化剂层为阳极催化剂层，所述第二活性物质催化剂层为阴极催化剂层。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，在步骤一和步骤三中，所述干燥固化操作具体为烘烤或风干。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，在步骤二的重复步骤一的操作中，所述第一活性物质催化剂粉末、所述第一添加剂粉末、所述第一溶液的成分和配比均与步骤一相同；在步骤四的重复步骤三的操作中，所述第二活性物质催化剂粉末、所述第二添加剂粉末、所述第二溶液的成分和配比均与步骤三相同。通过步骤二和步骤四，重复铺粉、喷淋和干燥固化的过程制成厚度适宜的催化剂涂层。
本发明的另一目的在于，提供一种膜电极，采用说明书前文任意一项所述的方法制备，所述膜电极包括质子交换膜、分布于所述质子交换膜两侧的第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层、贴合在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层四周的边框，以及覆盖在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层表面的碳纸。
本发明的再一目的在于，提供一种质子交换膜燃料电池，包括说明书前文所述的膜电极。
本发明的有益效果包括但不限于：本发明将催化剂粉末和添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜上，再均匀喷淋溶液，干燥固化，已喷淋的溶液会产生挥发，通过调节喷淋的速度，实现喷淋量与溶剂挥发的平衡，避免大量溶剂与质子交换膜接触，从而达到避免质子交换膜溶胀的效果。另外，本发明通过重复铺粉、喷淋和干燥固化的操作可制成厚度适宜的催化剂涂层。相对于喷墨打印或激光打印的方式，本发明方法成本较低，易于操作。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，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作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。
实施例1
本实施例提供一种膜电极的制备方法，包括以下操作：
步骤一，将第一活性物质催化剂粉末和第一添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的一面，均匀喷淋第一溶液，干燥固化；
步骤二，重复步骤一3次，得到第一活性物质催化剂层；
步骤三，将第二活性物质催化剂粉末和第二添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的相对一面，均匀喷淋第二溶液，干燥固化；
步骤四，重复步骤三3次，得到第二活性物质催化剂层；
步骤五，在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的表面覆盖碳纸，得到膜电极。
其中，在步骤一中，第一活性物质催化剂粉末包括铂/碳和合金；第一添加剂粉末为聚四氟乙烯；第一活性物质催化剂粉末和第一添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的一面的铺设厚度为3μm；第一溶液包括全氟磺酸树脂溶液、固化剂和第三添加剂；固化剂包括异丙醇、乙酸乙酯和四氢呋喃，第三添加剂包括乙醇、丙醇和乙二醇；干燥固化具体为烘烤。
在步骤二的重复步骤一的操作中，第一活性物质催化剂粉末、第一添加剂粉末、第一溶液的成分和配比均与步骤一相同。
在步骤三中，第二活性物质催化剂粉末包括铂/碳和合金。第二添加剂粉末为聚四氟乙烯。第二活性物质催化剂粉末和第二添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的相对一面的铺设厚度为3μm。第二溶液包括全氟磺酸树脂溶液、固化剂和第三添加剂；固化剂包括异丙醇、乙酸乙酯和四氢呋喃，第三添加剂包括乙醇、丙醇和乙二醇；干燥固化具体为烘烤。
在步骤四的重复步骤三的操作中，第二活性物质催化剂粉末、第二添加剂粉末、第二溶液的成分和配比均与步骤三相同。
第一活性物质催化剂层为阴极催化剂层，第二活性物质催化剂层为阳极催化剂层。
实施例2
本实施例提供一种膜电极的制备方法，包括以下操作：
步骤一，将第一活性物质催化剂粉末和第一添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的一面，均匀喷淋第一溶液，干燥固化；
步骤二，重复步骤一3次，得到第一活性物质催化剂层；
步骤三，将第二活性物质催化剂粉末和第二添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的相对一面，均匀喷淋第二溶液，干燥固化；
步骤四，重复步骤三3次，得到第二活性物质催化剂层；
步骤五，在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的表面覆盖碳纸，得到膜电极。
其中，在步骤一中，第一活性物质催化剂粉末包括铂和合金；第一添加剂粉末为氯化亚铁；第一活性物质催化剂粉末和第一添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的一面的铺设厚度为5μm；第一溶液包括全氟磺酸树脂溶液、固化剂和第三添加剂；固化剂包括异丙醇、乙酸乙酯和四氢呋喃，第三添加剂包括乙醇、丙醇和乙二醇；干燥固化具体为风干。
在步骤二的重复步骤一的操作中，第一活性物质催化剂粉末、第一添加剂粉末、第一溶液的成分和配比均与步骤一相同。
在步骤三中，第二活性物质催化剂粉末包括铂和合金。第二添加剂粉末为氯化亚铁。第二活性物质催化剂粉末和第二添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的相对一面的铺设厚度为5μm。第二溶液包括全氟磺酸树脂溶液、固化剂和第三添加剂；固化剂包括异丙醇、乙酸乙酯和四氢呋喃，第三添加剂包括乙醇、丙醇和乙二醇；干燥固化具体为风干。
在步骤四的重复步骤三的操作中，第二活性物质催化剂粉末、第二添加剂粉末、第二溶液的成分和配比均与步骤三相同。
第一活性物质催化剂层为阴极催化剂层，第二活性物质催化剂层为阳极催化剂层。
实施例3
本实施例提供一种膜电极的制备方法，包括以下操作：
步骤一，将第一活性物质催化剂粉末和第一添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的一面，均匀喷淋第一溶液，干燥固化；
步骤二，重复步骤一1次，得到第一活性物质催化剂层；
步骤三，将第二活性物质催化剂粉末和第二添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的相对一面，均匀喷淋第二溶液，干燥固化；
步骤四，重复步骤三1次，得到第二活性物质催化剂层；
步骤五，在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的表面覆盖碳纸，得到膜电极。
其中，在步骤一中，第一活性物质催化剂粉末包括铂/碳和合金中；第一添加剂粉末为聚四氟乙烯；第一活性物质催化剂粉末和第一添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的一面的铺设厚度为0.5μm；第一溶液包括全氟磺酸树脂溶液、固化剂和第三添加剂；固化剂包括异丙醇、乙酸乙酯和四氢呋喃，第三添加剂包括乙醇、丙醇和乙二醇；干燥固化具体为烘烤。
在步骤二的重复步骤一的操作中，第一活性物质催化剂粉末、第一添加剂粉末、第一溶液的成分和配比均与步骤一相同。
在步骤三中，第二活性物质催化剂粉末包括铂、铂/碳和合金中的至少一种。第二添加剂粉末为聚四氟乙烯或氯化亚铁。第二活性物质催化剂粉末和第二添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的相对一面的铺设厚度为0.5μm。第二溶液包括全氟磺酸树脂溶液、固化剂和第三添加剂；固化剂包括异丙醇、乙酸乙酯和四氢呋喃，第三添加剂包括乙醇、丙醇和乙二醇；干燥固化具体为烘烤。
在步骤四的重复步骤三的操作中，第二活性物质催化剂粉末、第二添加剂粉末、第二溶液的成分和配比均与步骤三相同。
第一活性物质催化剂层为阳极催化剂层，第二活性物质催化剂层为阴极催化剂层。
对比例1
本对比例提供一种膜电极的制备方法，包括以下操作：
步骤一，在质子交换膜的一侧涂布第一活性物质催化剂浆料，干燥，得到第一活性物质催化剂层；
步骤二，在质子交换膜的相对一侧涂布第二活性物质催化剂浆料，干燥，得到第二活性物质催化剂层。
步骤三，在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的表面覆盖碳纸，得到膜电极。
催化剂浆料包括催化剂和溶剂，催化剂为铂/碳，溶剂包括全氟磺酸树脂溶液、固化剂和第三添加剂；固化剂包括异丙醇、乙酸乙酯和四氢呋喃，第三添加剂包括乙醇、丙醇和乙二醇。
将实施例1～3和对比例1制备的燃料电池做以下性能测试：
(1)均匀性测试：采用XRF对膜电极中阳极催化剂层中铂载量均匀性测试，长度方向每隔20cm取一个点(共7个点)，宽度方向均匀取12个点，计算平均值、方差和方差与平均值的比值。
(2)电化学性能测试：取长宽相等的50cm2实施例1～3制备的膜电极，在75℃，阴极压力70KPa，阳极压力80KPa条件下，分别测试电流密度为1A/cm2和1.5A/cm2条件下的电压V1和V2。
测试结果如表1。
表1
方差 平均值 方差/平均值 V1(V) V2(V)
实施例1 0.32 12.8 0.025 0.712 0.658
实施例2 0.36 13.0 0.028 0.707 0.652
实施例3 0.35 13.2 0.027 0.710 0.641
对比例1 5.3 13.3 0.398 0.674 0.573
通过表1可以看出，对比例1相对于实施例1～3得到的膜电极均匀性差，电化学性能也较差，原因是对比例1直接将第二活性物质催化剂层涂布在质子交换膜上，导致质子交换膜溶胀严重，涂布均匀性较差。
综上所述，本发明将催化剂粉末和添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜上，再均匀喷淋溶液，干燥固化，已喷淋的溶液会产生挥发，通过调节喷淋的速度，实现喷淋量与溶剂挥发的平衡，避免大量溶剂与质子交换膜接触，从而达到避免质子交换膜溶胀的效果。另外，本发明通过重复铺粉、喷淋和干燥固化的操作可制成厚度适宜的催化剂涂层。相对于喷墨打印或激光打印的方式，本发明方法成本较低，易于操作。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下操作：
步骤一，将第一活性物质催化剂粉末和第一添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的一面，均匀喷淋第一溶液，干燥固化；
步骤二，重复步骤一若干次，得到第一活性物质催化剂层；
步骤三，将第二活性物质催化剂粉末和第二添加剂粉末混合后均匀平铺在所述质子交换膜的相对一面，均匀喷淋第二溶液，干燥固化；
步骤四，重复步骤三若干次，得到第二活性物质催化剂层；
步骤五，在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的表面覆盖碳纸，得到膜电极。
2.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一活性物质催化剂粉末包括铂、铂/碳和合金中的至少一种；所述第二活性物质催化剂粉末包括铂、铂/碳和合金中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一添加剂粉末为聚四氟乙烯或氯化亚铁；所述第二添加剂粉末为聚四氟乙烯或氯化亚铁。
4.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，步骤一具体操作为，将所述第一活性物质催化剂粉末和所述第一添加剂粉末混合后均匀平铺在所述质子交换膜的一面，得到厚度为0.5～5μm的第一粉末层，均匀喷淋所述第一溶液，干燥固化；步骤三具体操作为，将所述第二活性物质催化剂粉末和所述第二添加剂粉末混合后均匀平铺在所述质子交换膜的相对一面，得到厚度为0.5～5μm的第二粉末层，均匀所述喷淋第二溶液，干燥固化。
5.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一溶液包括全氟磺酸树脂溶液、固化剂和第三添加剂；所述第二溶液包括全氟磺酸树脂溶液、固化剂和第三添加剂。
6.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一活性物质催化剂层为阴极催化剂层，第二活性物质催化剂层为阳极催化剂层；或，所述第一活性物质催化剂层为阳极催化剂层，所述第二活性物质催化剂层为阴极催化剂层。
7.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，在步骤一和步骤三中，所述干燥固化操作具体为烘烤或风干。
8.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，在步骤二的重复步骤一的操作中，所述第一活性物质催化剂粉末、所述第一添加剂粉末、所述第一溶液的成分和配比均与步骤一相同；在步骤四的重复步骤三的操作中，所述第二活性物质催化剂粉末、所述第二添加剂粉末、所述第二溶液的成分和配比均与步骤三相同。
9.一种由权利要求1～8任意一项所述的制备方法制得的膜电极，其特征在于，所述膜电极包括质子交换膜、分布于所述质子交换膜两侧的第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层、贴合在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层四周的边框，以及覆盖在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层表面的碳纸。
10.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括如权利要求9所述的膜电极。
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