CN110828869A - 一种燃料电池膜电极及其制备方法、燃料电池 - Google Patents

一种燃料电池膜电极及其制备方法、燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池膜电极的制备方法，包括步骤：S1，取质子交换膜，质子交换膜的A面带PET膜，在质子交换膜的B面涂布形成第一催化剂层；S2，取一单面设置有胶层的保护膜，使得所述胶层与所述第一催化剂层粘接；S3，剥离PET膜，在质子交换膜的B面涂布形成第二催化剂层；S4，将保护膜或胶膜剥离，在第一催化剂层的表面形成第一气体扩散层，在第二催化剂层的表面形成第二气体扩散层。相比于现有技术，该方法操作简单，解决质子交换膜遇溶剂产生溶胀起皱的问题，改善被涂覆面的平整度。另外，本发明还提供一种采用该方法制得的燃料电池膜电极和一种燃料电池。

Description

一种燃料电池膜电极及其制备方法、燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极及其制备方法、燃料电池。
背景技术
燃料电池是通过发生电化学反应而产生电能的一种发电装置。燃料电池通常可分为碱性燃料电池、固态氧化物燃料电池、以及质子交换膜燃料电池等；其中，质子交换膜燃料电池近年来发展迅速，越来越受到重视。
膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极通常由一质子交换膜和分别设置在该质子交换膜两表面的电极组成。通常，电极又包括催化剂层和气体扩散层，且催化剂层设置在气体扩散层与质子交换膜之间。其中，催化剂层的制备方法有两种，一种是直接法，将催化剂浆料直接涂在质子交换膜上，另一种是间接法，先将催化剂浆料涂覆在转移戒指上，然后通过热压将催化剂层固定在质子交换膜上。直接法虽然操作简单，但是催化剂浆料中含有低级醇类溶剂，质子交换膜遇到这类溶剂后会产生溶胀起皱，导致催化剂浆料的直接涂覆困难，特别是在质子交换膜的完成第二面的涂覆时。而间接法虽然能解决质子交换膜的溶胀起皱的问题，但是操作较复杂，在转印过程中存在贵金属催化剂的浪费现象。
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池的制备方法，操作简单，解决质子交换膜遇溶剂产生溶胀起皱的问题，改善被涂覆面的平整度。
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方法，包括以下步骤：
S1，取质子交换膜，所述质子交换膜的A面自带PET膜，在所述质子交换膜的B面涂布第一催化剂浆料，干燥形成第一催化剂层；
S2，取一单面设置有胶层的保护膜，使得所述胶层与所述第一催化剂层粘接；
S3，剥离所述PET膜，在所述质子交换膜的A面涂布第二催化剂浆料，干燥形成第二催化剂层；
S4，将所述保护膜剥离，在第一催化剂层的表面形成第一气体扩散层，在所述第二催化剂层的表面形成第二气体扩散层，得到燃料电池膜电极。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备方法的一种改进，在步骤S2中，操作环境为常压或者真空度为0～-0.1MPa的真空环境下。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备方法的一种改进，所述保护膜为PET膜、PE膜、PP膜、PI膜和PEN膜中的任意一种或者其中至少两种组成的复合膜。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备方法的一种改进，所述胶层的材料为有机硅、氟改性有机硅和氟改性硅油中的至少一种；在步骤S4中，所述保护膜直接剥离即可。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备方法的一种改进，所述胶层为热失粘胶层，在步骤S4中，通过热处理使所述热失粘胶层失去粘性后对所述保护膜进行剥离。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备方法的一种改进，所述胶层为UV失粘胶层，在步骤S4中，通过UV处理使所述UV失粘胶层失去粘性后对所述保护膜进行剥离。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备方法的一种改进，所述第一催化剂浆料和所述第二催化剂浆料中均含有碳载贵金属催化剂，其中，贵金属含量为0.1～1mg/cm2。碳载贵金属催化剂为Pt/C或者PtRu/C。
作为本发明所述的燃料电池膜电极的制备方法的一种改进，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层为碳纤维纸或碳纤维布。
本发明的目的之二在于：提供一种燃料电池膜电极，采用说明书前文任一段所述的制备方法制备而得。
本发明的目的之三在于：提供一种燃料电池，包括说明书前文所述的燃料电池膜电极。
相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：
1)在本发明中，在常压或真空条件下在第一催化剂层的表面覆一层保护膜，可以去除第一催化剂层中存在的空气。
2)在本发明中，当对质子交换膜另一面进行涂覆，由于保护膜的存在，会在质子交换膜的两面形成压差，大气压会将质子交换膜紧压于保护膜上，不会鼓起，克服了质子交换膜遇溶剂溶胀变形的问题，保证被涂覆面的平整易涂。
3)本发明的工艺简单，生产成本低，第一催化剂层和第二催化剂层均匀性好，适合工业化生产，可满足质子交换膜燃料电池领域的开发和应用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式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
膜电极的制备：
S1，取质子交换膜，质子交换膜的A面自带PET膜，在质子交换膜的B面涂布第一催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的Pt/C)，干燥形成第一催化剂层；
S2，取一单面设置有氟改性有机硅胶层的PET膜，真空条件(真空度为0～-0.1MPa)下，使得氟改性有机硅胶层与第一催化剂层粘接；
S3，剥离PET膜，在质子交换膜的A面涂布第二催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的Pt/C)，干燥形成第二催化剂层；
S4，直接将PEI膜剥离，在第一催化剂层的表面形成第一气体扩散层(碳纤维纸)，在第二催化剂层的表面形成第二气体扩散层(碳纤维纸)，得到燃料电池膜电极。
燃料电池的制备：
将膜电极、集流板与端板及密封材料等组装成燃料电池。
实施例2
与实施例1不同的是膜电极的制备：
S1，取质子交换膜，质子交换膜的A面自带PET膜，在质子交换膜的B面涂布第一催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的Pt/C)，干燥形成第一催化剂层；
S2，取一单面设置有热失粘胶层的PI膜，真空条件(真空度为0～-0.1MPa)下，使得热失粘胶层与第一催化剂层粘接；
S3，剥离PET膜，在质子交换膜的A面涂布第二催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的PtRu/C)，干燥形成第二催化剂层；
S4，通过热处理使得热失粘胶层失去粘性后将PI膜剥离，在第一催化剂层的表面形成第一气体扩散层(碳纤维纸)，在第二催化剂层的表面形成第二气体扩散层(碳纤维布)，得到燃料电池膜电极。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例3
与实施例1不同的是膜电极的制备：
S1，取质子交换膜，质子交换膜的A面自带PET膜，在质子交换膜的B面涂布第一催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的PtRu/C)，干燥形成第一催化剂层；
S2，取一单面设置有UV失粘胶层的PEN膜，真空条件(真空度为0～-0.1MPa)下，使得UV失粘胶层与第一催化剂层粘接；
S3，剥离PET膜，在质子交换膜的A面涂布第二催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的Pt/C)，干燥形成第二催化剂层；
S4，通过UV处理使UV失粘胶层失去粘性后将PEN膜剥离，在第一催化剂层的表面形成第一气体扩散层(碳纤维布)，在第二催化剂层的表面形成第二气体扩散层(碳纤维纸)，得到燃料电池膜电极。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例4
与实施例1不同的是膜电极的制备：
S1，取质子交换膜，质子交换膜的A面自带PET膜，在质子交换膜的B面涂布第一催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的PtRu/C)，干燥形成第一催化剂层；
S2，取一单面设置有热失粘胶层的PE/PP复合膜，常压下，使得热失粘胶层与第一催化剂层粘接；
S3，剥离PET膜，在质子交换膜的A面涂布第二催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的PtRu/C)，干燥形成第二催化剂层；
S4，通过热处理使热失粘胶层失去粘性实现PE/PP复合膜剥离，在第一催化剂层的表面形成第一气体扩散层(碳纤维布)，在第二催化剂层的表面形成第二气体扩散层(碳纤维布)，得到燃料电池膜电极。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例5
与实施例1不同的是膜电极的制备：
S1，取质子交换膜，质子交换膜的A面自带PET膜，在质子交换膜的B面涂布第一催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的Pt/C)，干燥形成第一催化剂层；
S2，取一单面设置有UV失粘胶层的PE/PP/PI复合膜，常压下，使得UV失粘胶层与第一催化剂层粘接；
S3，剥离PET膜，在质子交换膜的A面涂布第二催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的Pt/C)，干燥形成第二催化剂层；
S4，通过UV处理使UV失粘胶层失去粘性实现PE/PP/PI复合膜剥离，在第一催化剂层的表面形成第一气体扩散层(碳纤维纸)，在第二催化剂层的表面形成第二气体扩散层(碳纤维纸)，得到燃料电池膜电极。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例1
与实施例1不同的是膜电极的制备：
S1，取质子交换膜，在质子交换膜的A面涂布第一催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的Pt/C)，干燥形成第一催化剂层；
S2，在质子交换膜的B面涂布第二催化剂浆料(含贵金属含量为0.1～1mg/cm2的Pt/C)，干燥形成第二催化剂层；
S3，在第一催化剂层的表面形成第一气体扩散层(碳纤维纸)，在第二催化剂层的表面形成第二气体扩散层(碳纤维纸)，得到燃料电池膜电极。
其余同实施例1，这里不再赘述。
性能测试
将实施例1～5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对膜电极中第一催化剂层和第二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。结果如表1。
(2)燃料电池电化学性能测试：测试条件为H2/空气，空气0.1MPa背压，阳极阴极增湿50％，燃料电池工作温度75℃，测试结果如表2所示。
表1均匀性测试结果
Figure BDA0002241641600000081
表2电化学性能测试结果
Figure BDA0002241641600000082
通过表1和表2可以看出，对比例1相对于实施例1～5得到的膜电极均匀性差，燃料电池电化学性能也较差，原因是对比例1直接将第一催化剂层和第二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。而本发明先在真空条件或常压下在所述第一催化剂层的表面覆一设置有胶层的保护膜，再对质子交换膜另一面进行涂覆，由于保护膜或胶膜的存在，会在质子交换膜的两面形成压差，大气压会将质子交换膜紧压于保护膜上，不会鼓起，克服了质子交换膜遇溶剂溶胀变形的问题，保证被涂覆面的平整易涂。
综上，本发明的工艺简单，生产成本低，第一催化剂层和第二催化剂层均匀性好，适合工业化生产，可满足质子交换膜燃料电池领域的开发和应用。
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方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，取质子交换膜，所述质子交换膜的A面自带PET膜，在所述质子交换膜的B面涂布第一催化剂浆料，干燥形成第一催化剂层；
S2，取一单面设置有胶层的保护膜，使得所述胶层与所述第一催化剂层粘接；
S3，剥离所述PET膜，在所述质子交换膜的A面涂布第二催化剂浆料，干燥形成第二催化剂层；
S4，将所述保护膜剥离，在第一催化剂层的表面形成第一气体扩散层，在所述第二催化剂层的表面形成第二气体扩散层，得到燃料电池膜电极。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，操作环境为常压或者真空度为0～-0.1MPa的真空环境下。
3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述保护膜为PET膜、PE膜、PP膜、PI膜和PEN膜中的任意一种或者其中至少两种组成的复合膜。
4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述胶层的材料为有机硅、氟改性有机硅和氟改性硅油中的至少一种；在步骤S4中，所述保护膜直接剥离即可。
5.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述胶层为热失粘胶层，在步骤S4中，通过热处理使所述热失粘胶层失去粘性后对所述保护膜进行剥离。
6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述胶层为UV失粘胶层，在步骤S4中，通过UV处理使所述UV失粘胶层失去粘性后对所述保护膜进行剥离。
7.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一催化剂浆料和所述第二催化剂浆料中均含有碳载贵金属催化剂，其中，贵金属含量为0.1～1mg/cm2。
8.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层为碳纤维纸或碳纤维布。
9.一种燃料电池膜电极，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的制备方法制备而得。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求9所述的燃料电池膜电极。
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