CN110808392B - 一种燃料电池膜电极及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池制备技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极的制备工艺，包括以下步骤：取一质子交换膜，将其弯折形成若干段依次堆叠的质子交换膜，并且使得相邻两段质子交换膜之间留有间隙；在首段质子交换膜和尾段质子交换膜两者的外表面设置单面涂覆阳极催化剂或阴极催化剂的转印介质，并且在每相邻的两个间隙中，一间隙插设双面涂覆阳极催化剂的转印介质，另一间隙插设双面涂覆阴极催化剂的转印介质，使得每段质子交换膜的一面对应有阳极催化剂，另一面对应有阴极催化剂；热压，剥离转印介质。相比于现有技术，该制备工艺能将阳极/阴极催化剂均匀地转印到质子交换膜上，确保燃料电池的性能。

Description

一种燃料电池膜电极及其制备工艺
技术领域
本发明属于燃料电池制备技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极及其制备工艺。
背景技术
传统的膜电极制备方法，即GDE法，主要是将催化剂涂到扩散层上形成催化层，然后通过热压工艺将扩散层、催化层和质子交换膜经过高温高压及一定的时间热压在一起，形成膜电极。但是传统的膜电极制备方法，即GDE法，使催化剂不能与质子交换膜紧密结合充分进行反应，与此同时，由于催化剂颗粒较小，很可能堵塞扩散层中的微孔，影响气体的运输，增加传质阻力，从而降低催化剂的利用率和电池的性能。之后通过科技的发展，膜电极的制备将催化层直接转移到质子交换膜上，即形成CCM，再与扩散层热压形成膜电极。
美国专利US5211984、US6847518公开了一种用转印法制备膜电极的方法，先将催化剂浆液涂到转印介质上，干燥后将两片分别涂有阳极、阴极催化剂的转印介质放在一片质子交换膜两侧，进行热压，剥离介质后得到了膜电极。但是此方法存在的问题是催化剂受温度和压力的影响使其在膜上的附着强度无法控制，且由于整体厚度较薄(100μm左右)，在热压时膜与转印介质边上的催化剂由于受力不均匀而不能完全转印到膜上，从而降低了催化剂的利用率，甚至导致最终燃料电池性能受损。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种燃料电池膜电极的制备工艺，解决因受力不均而无法将催化剂均匀转印到质子交换膜上的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池膜电极的制备工艺，包括以下步骤：
1)取一质子交换膜，将其弯折形成若干段依次堆叠的质子交换膜，并且使得相邻两段质子交换膜之间留有间隙；
2)在首段质子交换膜和尾段质子交换膜两者的外表面设置单面涂覆阳极催化剂或阴极催化剂的转印介质，并且在每相邻的两个间隙中，一个间隙插设双面涂覆阳极催化剂的转印介质，另一个间隙插设双面涂覆阴极催化剂的转印介质，使得每段质子交换膜的一面对应有阳极催化剂，另一面对应有阴极催化剂；
3)对步骤2)所得进行热压，剥离转印介质。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备工艺的一种改进，在步骤3)中，热压温度为150～180℃，热压压力为0.35～0.6MPa。热压温度过低催化剂无法很好的转印到质子交换膜上，热压温度太高会影响催化剂和质子交换膜的性能。同样地，热压压力过小会使得催化剂与质子交换膜的结合不够紧密，而热压压力过大会影响催化剂的性能，甚至对质子交换膜造成损坏。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备工艺的一种改进，所述间隙的个数为N，N为偶数，所述首段质子交换膜的外表面设置单面涂覆阳极催化剂的转印介质，且所述尾段质子交换膜的外表面设置单面涂覆阴极催化剂的转印介质；或者所述首段质子交换膜的外表面设置单面涂覆阴极催化剂的转印介质，且所述尾段质子交换膜的外表面设置单面涂覆阳极催化剂的转印介质。如此设置，确保质子交换膜的一面结合有阴极催化剂，另一面结合有阳极催化剂。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备工艺的一种改进，所述间隙的个数为N，N为奇数，所述首段质子交换膜的外表面和所述尾段质子交换膜的外表面均设置单面涂覆阳极催化剂的转印介质，或者所述首段质子交换膜的外表面和所述尾段质子交换膜的外表面均设置单面涂覆阴极催化剂的转印介质。如此设置，确保质子交换膜的一面结合有阴极催化剂，另一面结合有阳极催化剂。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备工艺的一种改进，所述阳极催化剂包括碳载贵金属，其中贵金属的载量为0.5～4mg/cm2。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备工艺的一种改进，所述阴极催化剂包括碳载贵金属，其中贵金属的载量为0.5～4mg/cm2。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备工艺的一种改进，所述转印介质为聚合物膜材料、钢化平板玻璃或者金属薄板。转印介质包括但不限于所列举的材料，具备耐高温、耐压性能并且热压后可剥离即可。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备工艺的一种改进，还包括步骤4)，在阳极催化剂和阴极催化剂的表面分别设置一层气体扩散层。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备工艺的一种改进，所述气体扩散层为碳纤维纸或碳纤维布。
本发明的另一个目的在于：提供一种燃料电池膜电池，采用说明书前文任一段所述的制备工艺制备得到。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明将质子交换膜弯折成多段，再将覆有阳极催化剂或阴极催化剂的转印介质与之进行热压，实现在质子交换膜的两面结合阳极催化剂和阴极催化剂，由于是弯折成多段进行热压，其厚度相比于单一长片的厚度厚，用力更加均匀，热压效果更好，能将阳极催化剂和阴极催化剂更加均匀地转印到质子交换膜上，而且能耗低，工艺效率高。另外，由于膜电极的质量得到了保证，燃料电池的性能也相应得到了保证。
附图说明
图1是本发明中实施例1的操作示意图。
图2是本发明中实施例2的操作示意图。
其中：1-质子交换膜，2-间隙，3-转印介质，4-阳极催化剂，5-阴极催化剂。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
如图1所示，一种燃料电池膜电极的制备工艺，包括以下步骤：
1)取一质子交换膜1，将其弯折形成若干段依次堆叠的质子交换膜1，并且使得相邻两段质子交换膜1之间留有间隙2，间隙2共N个，N为奇数；
2)在首段质子交换膜1和尾段质子交换膜1两者的外表面设置单面涂覆阳极催化剂4的转印介质3，并且在每相邻的两个间隙2中，一个间隙2插设双面涂覆阳极催化剂4的转印介质3，另一个间隙2插设双面涂覆阴极催化剂5的转印介质3，使得每段质子交换膜1的一面对应有阳极催化剂4，另一面对应有阴极催化剂5；
3)对步骤2)所得进行热压，热压温度为150～180℃，热压压力为0.35～0.6MPa，剥离转印介质3。
进一步地，阳极催化剂4包括碳载贵金属，其中贵金属的载量为0.5～4mg/cm2。
进一步地，阴极催化剂5包括碳载贵金属，其中贵金属的载量为0.5～4mg/cm2。
进一步地，转印介质3为聚合物膜材料、钢化平板玻璃或者金属薄板。转印介质3包括但不限于所列举的材料，具备耐高温、耐压性能并且热压后可剥离即可。
实施例2
与实施例1不同的是：
如图2所示，在本实施例中，间隙2的个数为N，N为偶数，首段质子交换膜1的外表面设置单面涂覆阴极催化剂5的转印介质3，且尾段质子交换膜1的外表面设置单面涂覆阳极催化剂4的转印介质3。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例3
与实施例1不同的是：本实施例的制备工艺还包括步骤4)，在阳极催化剂4和阴极催化剂5的表面分别设置一层气体扩散层。气体扩散层为碳纤维纸或碳纤维布。
其余同实施例1相同，这里不再赘述。
实施例4
与实施例2不同的是：本实施例的制备工艺还包括步骤4)，在阳极催化剂4和阴极催化剂5的表面分别设置一层气体扩散层。气体扩散层为碳纤维纸或碳纤维布。
其余同实施例2相同，这里不再赘述。
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)

1.一种燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1）取一质子交换膜，将其弯折形成若干段依次堆叠的质子交换膜，并且使得相邻两段质子交换膜之间留有间隙；
2）在首段质子交换膜和尾段质子交换膜两者的外表面设置单面涂覆阳极催化剂或阴极催化剂的转印介质，并且在每相邻的两个间隙中，一个间隙插设双面涂覆阳极催化剂的转印介质，另一个间隙插设双面涂覆阴极催化剂的转印介质，使得每段质子交换膜的一面对应有阳极催化剂，另一面对应有阴极催化剂；
3）对步骤2）所得进行热压，剥离转印介质。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于：在步骤3）中，热压温度为150~180℃，热压压力为0.35~0.6MPa。
3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于：所述间隙的个数为N，N为偶数，所述首段质子交换膜的外表面设置单面涂覆阳极催化剂的转印介质，且所述尾段质子交换膜的外表面设置单面涂覆阴极催化剂的转印介质；或者所述首段质子交换膜的外表面设置单面涂覆阴极催化剂的转印介质，且所述尾段质子交换膜的外表面设置单面涂覆阳极催化剂的转印介质。
4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于：所述间隙的个数为N，N为奇数，所述首段质子交换膜的外表面和所述尾段质子交换膜的外表面均设置单面涂覆阳极催化剂的转印介质，或者所述首段质子交换膜的外表面和所述尾段质子交换膜的外表面均设置单面涂覆阴极催化剂的转印介质。
5.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于：所述阳极催化剂包括碳载贵金属，其中贵金属的载量为0.5~4mg/cm2。
6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于：所述阴极催化剂包括碳载贵金属，其中贵金属的载量为0.5~4mg/cm2。
7.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于：所述转印介质为聚合物膜材料、钢化平板玻璃或者金属薄板。
8.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于：还包括步骤4），在阳极催化剂和阴极催化剂的表面分别设置一层气体扩散层。
9.根据权利要求8所述的燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于：所述气体扩散层为碳纤维纸或碳纤维布。
10.一种燃料电池膜电极，其特征在于：采用权利要求1~9任一项所述的制备工艺制备得到。
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