CN112117468A - 一种骨架燃料电池催化层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种骨架燃料电池催化层的制备方法，包括：在质子交换膜或气体扩散层侧面设置催化层基础骨架，将催化层浆料涂布于催化剂层基础骨架内，经干燥后拆除骨架边框，再经过辊压后即得到骨架燃料电池催化层；其中，催化层基础骨架包括纤维网络以及可拆卸设于纤维网络四周的骨架边框。与现有技术相比，本发明可有效减少浆料的流延、流失，降低催化层开裂、变形的风险，并通过选用合适材质的纤维网络可减小燃料电池催化层内电子或质子传输阻力；此外，本发明还具有制备过程精确可控、可大幅提高催化层涂布效率和涂布质量、降低对燃料电池涂布设备的要求等优点。

Description

一种骨架燃料电池催化层的制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池催化层制备技术领域，涉及一种骨架燃料电池催化层的制备方法。
背景技术
膜电极(MEA)是由气体扩散层(GDL)、催化层(CL)和质子交换膜(PEM)组成。其中，催化层是燃料电池内部发生电化学反应的场所。在燃料电池工作期间，发生着质子和电子的传递，以及反应气和产物水气液两相流的传递。一般把反应气体、Pt颗粒和粒子聚合物结合的位置称为三相反应界面，其本质上是电子、质子和分子(反应气体)传递通道的交汇处。一般情况下，催化层内暴露出的有效反应活性点位越多，催化层的催化能力越强，燃料电池的性能也越好，而反应活性位点的分布与催化层的结构和形貌之间有着重要联系，因此通常认为催化层的结构和形貌决定了燃料电池的性能。同时，科研人员也发现，催化层的结构主要受浆料组分及制备过程中组分间的相互作用影响，因此催化层的制备工艺就成为膜电极组件整个生产工艺中对膜电极质量影响程度极大的最重要的一个环节。
常见的催化层是由催化剂浆料直接涂覆在质子交换膜两侧制备而成(CCM法)。而涂覆方法主要包括喷涂和刮涂。喷涂由于效率很低，只适用于实验室CCM的制备，很难实现大规模的批量化生产。狭缝涂布是常见的一种刮涂法制备CCM方法，使用注射泵控制上料速度，利用狭缝宽度和模头与基底的缝隙大小控制催化层涂布厚度，利用基底加热或风道烘干的温度、湿度控制湿涂层干燥速度。目前制备的催化层最大问题是干燥后存在明显裂纹。裂纹不仅影响催化层的形貌，更会影响催化层中质子、电子传递通道和气体、水的扩散和排放，较大裂纹会造成质子传输通道和电子传输通道的断裂，会对反应气体和产物水的扩散造成旁路，影响燃料电池的性能及寿命。
发明内容
本发明的目的就是提供一种骨架燃料电池催化层的制备方法，用于解决燃料电池催化层涂布大裂纹缺陷问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种骨架燃料电池催化层的制备方法，包括：在质子交换膜或气体扩散层侧面设置催化层基础骨架，将催化层浆料涂布于催化剂层基础骨架内，经干燥后拆除骨架边框，再经过辊压后即得到骨架燃料电池催化层；
其中，所述的催化层基础骨架包括纤维网络以及可拆卸设于纤维网络四周的骨架边框。
作为优选的技术方案，所述的骨架燃料电池催化层厚度为10-20μm。
进一步地，所述的纤维网络包括多个呈立体交叉状设于骨架边框内的骨架纤维。
进一步地，所述的纤维网络包括至少一个平行布设于骨架边框内的纤维平面，该纤维平面包括多个平行或交错设置的骨架纤维。
进一步地，当纤维网络包括多个纤维平面时，多个纤维平面内的骨架纤维平行或交错设置。
进一步地，所述的骨架纤维包括PTFE纤维、碳纤维及离子聚合物纤维(如Nafion制备的纤维丝)中的至少一种。
作为优选的技术方案，当纤维网络包括多个平行设置的纤维平面时，多个纤维平面等间距或不等间距设置。
作为优选的技术方案，当纤维平面包括多个平行设置的骨架纤维时，多个骨架纤维等间距或不等间距设置。
进一步地，所述的催化层浆料的涂布工艺包括CCM法，催化层涂覆方法包括狭缝涂布、刮板涂布、喷涂中的至少一种。
进一步地，所述的干燥包括直接加热干燥、微波加热干燥、风干加热干燥以及红外加热干燥中的至少一种。
进一步地，所述的骨架边框的厚度高于纤维网络的分布厚度。
进一步地，涂布前在质子交换膜侧面喷涂用于增强催化层与质子交换膜之间结合程度的粘结剂，该粘结剂包括PTFE或离子聚合物(如Nafion)。
进一步地，所述的催化层浆料中含有用于增强催化层与质子交换膜之间结合程度的粘结剂，该粘结剂包括PTFE或离子聚合物(如Nafion)。
所述的骨架边框用于在涂布和干燥过程中对催化层进行物理限位，减少催化层浆料的流延、流失，减少蒸发过程中催化层变形、开裂的风险；制备结束后，纤维网络即作为骨架网络固定于催化层内，有利于提高催化层的抗拉、抗剪性能；同时骨架网络中各类纤维还可根据其自身的电子、质子导体特性，自主构建催化层内电子或质子传输通道，减小燃料电池运行过程中催化层内传荷阻力。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明在催化层涂布过程中设置催化层基础骨架，通过骨架边框避免催化层浆料的流延、流失或变形、开裂的风险；
2)制备过程精确可控，可大幅提高催化层涂布效率和涂布质量，降低对燃料电池涂布设备的要求和成本；
3)相较于现有技术中，采用由浆液经静电纺丝、高温还原后制得的、具有无序随机特性纳米纤维网络结构的催化层，本发明通过将骨架纤维排列规整化、有序化，最大程度地减少传质传荷阻抗；此外，从制备工序上来说，本发明操作更为简单，具有更强的适用性。
附图说明
图1为实施例中一种催化层基础骨架的结构示意图；
图2为实施例中采用催化层基础骨架制备得到的干催化层的结构示意图；
图3为实施例中所得具有碳纤维骨架的燃料电池催化层的结构示意图；
图中标记说明：
1-纤维网络、101-骨架纤维、2-骨架边框。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种骨架燃料电池催化层的制备方法，包括：在质子交换膜或气体扩散层侧面设置催化层基础骨架，将催化层浆料涂布于催化剂层基础骨架内，经干燥后拆除骨架边框，再经过辊压后即得到骨架燃料电池催化层；骨架燃料电池催化层优选厚度为10-20μm。催化层浆料的涂布工艺包括CCM法，催化层涂覆方法包括狭缝涂布、刮板涂布、喷涂中的至少一种。干燥包括直接加热干燥、微波加热干燥、风干加热干燥以及红外加热干燥中的至少一种。为增强催化层与质子交换膜之间结合程度，涂布前，可在质子交换膜侧面喷涂粘结剂。也可在喷涂过程中选用含有粘结剂的催化层浆料，其中粘结剂包括PTFE或离子聚合物(如Nafion)。
催化层基础骨架包括纤维网络以及可拆卸设于纤维网络四周的骨架边框。其中，纤维网络包括立体交叉状网络结构、单纤维平面结构、多纤维平面平行结构以及多纤维平面交错结构。其中单纤维平面结构中，骨架纤维呈平行或相互交错设置；多纤维平面平行结构中，相邻纤维平面内的骨架纤维平行或交错设置，并且任意相邻两个纤维平面之间的距离相等或不等；任意相邻两个骨架纤维之间的距离相等或不等。骨架纤维包括PTFE纤维、碳纤维及离子聚合物纤维中的至少一种。骨架边框的厚度高于纤维网络的分布厚度。
以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
如图1所示的一种催化层基础骨架，包括纤维网络1以及可拆卸设于纤维网络1四周的骨架边框2，其中纤维网络1采用垂直交叉立体编织结构，即包括三个等间距平行设置的纤维平面，每个纤维平面包括多个纵横交错设置的骨架纤维101，相邻两个纤维平面内的骨架纤维101平行设置，采用上述结构有利于增强催化层的抗拉、抗剪切能力，减少裂纹产生风险。并且本实施例选用可增强催化剂层内电子传输能力的碳纤维作为骨架纤维101。
一种基于上述催化层基础骨架的骨架燃料电池催化层的制备方法，包括：将质子交换膜固定在涂布设备，在质子交换膜侧面设置催化层基础骨架，自动控制喷枪，定量喷涂Nafion至催化层基础骨架内的质子交换膜表面；采用刮涂方式，单层涂布得到湿催化层；采用红外加热方式，缓慢蒸发掉浆料中的溶剂，得到如图2所示的干催化层；拆除骨架边框2后，再通过辊压机辊压，即得到如图3所示的具有碳纤维骨架的燃料电池催化层。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种骨架燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，该方法包括：在质子交换膜或气体扩散层侧面设置催化层基础骨架，将催化层浆料涂布于催化剂层基础骨架内，经干燥后拆除骨架边框(2)，再经过辊压后即得到骨架燃料电池催化层；
其中，所述的催化层基础骨架包括纤维网络(1)以及可拆卸设于纤维网络(1)四周的骨架边框(2)。
2.根据权利要求1所述的一种骨架燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述的纤维网络(1)包括多个呈立体交叉状设于骨架边框(2)内的骨架纤维(101)。
3.根据权利要求1所述的一种骨架燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述的纤维网络(1)包括至少一个平行布设于骨架边框(2)内的纤维平面，该纤维平面包括多个平行或交错设置的骨架纤维(101)。
4.根据权利要求3所述的一种骨架燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，当纤维网络(1)包括多个纤维平面时，多个纤维平面内的骨架纤维(101)平行或交错设置。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的一种骨架燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述的骨架纤维(101)包括PTFE纤维、碳纤维及离子聚合物纤维中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种骨架燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述的催化层浆料的涂布工艺包括CCM法，催化层涂覆方法包括狭缝涂布、刮板涂布、喷涂中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种骨架燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述的干燥包括直接加热干燥、微波加热干燥、风干加热干燥以及红外加热干燥中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种骨架燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述的骨架边框(2)的厚度高于纤维网络(1)的分布厚度。
9.根据权利要求1所述的一种骨架燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，涂布前，在质子交换膜侧面喷涂用于增强催化层与质子交换膜之间结合程度的粘结剂，该粘结剂包括PTFE或离子聚合物(如Nafion)。
10.根据权利要求1所述的一种骨架燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述的催化层浆料中含有用于增强催化层与质子交换膜之间结合程度的粘结剂，该粘结剂包括PTFE或离子聚合物(如Nafion)。
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