CN113381029A - 一种膜电极及其制备方法、燃料电池 - Google Patents

一种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，尤其涉及一种膜电极的制备方法，包括以下步骤：S1，在质子交换膜的一面复合第一催化剂层，在质子交换膜的另一面复合第二催化剂层，形成膜电极组件；S2，走带膜连续卷绕运作，在走带膜的表面依次贴设第一边框膜、膜电极组件以及第二边框膜，第一边框膜位于第一催化剂层的边缘，第二边框膜位于第二催化剂层的边缘，形成附着于走带膜表面的膜电极。相比于现有技术，本发明的制备方法中，尺寸易于控制，不存在逸散，可连续化生产，生产效率高。

Description

一种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，尤其涉及一种膜电极及其制备方法、燃料电池。
背景技术
膜电极(MEA)，又称膜、电极“三合一”或“五合一”组件，它是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件，是燃料电池内部能量转换的场所。膜电极承担燃料电池内的多相物质传输(包括液态水、氢气、氧气、质子和电子传输)，通过电化学反应，负责将燃料氢气的化学能转换成电能。膜电极的性能和成本影响甚至决定PEMFC的性能、寿命及成本。膜电极包括质子交换膜、设置在该质子交换膜表面的电极以及设置电极边缘的边框膜，电极包括催化层和气体扩散剂层。
目前，膜电极的制备方法包括有以下几种：1)将膜电极组件(包括质子交换膜和催化层)以及边框膜均制成片料，然后按照相应位置关系一层层贴合在一起，制成片式膜电极，在该制备方法中，片料尺寸比较好控制，而且没有涂布工艺，不存在逸散问题，但是该制备方法不能实现连续化生产，效率低；2)以质子交换膜作为卷料支撑带，先在质子交换膜的两面制作催化层，然后再两面分别复合边框膜，在该制备方法中，虽然能连续化生产，但是中间需要进行翻面操作，较为麻烦；3)用一种辅助支撑膜，然后上面，一层一层的涂覆制作边框层，催化层，质子交换膜，另外一面催化层，另外一面的边框层，形成卷料，虽然其能连续化生产，但是采用涂覆工艺存在逸散问题。
有鉴于此，确有必要提供有一种膜电极的制备方法以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种膜电极的制备方法，尺寸易于控制，不存在逸散，适用于连续化生产，生产效率高。
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，包括以下步骤：
S1，在质子交换膜的一面复合第一催化剂层，在质子交换膜的另一面复合第二催化剂层，形成膜电极组件；
S2，走带膜连续卷绕运作，在走带膜的表面依次贴设第一边框膜、膜电极组件以及第二边框膜，第一边框膜位于第一催化剂层的边缘，第二边框膜位于第二催化剂层的边缘，形成附着于走带膜表面的膜电极。
需要说明的是，其中，膜电极组件与第一边框膜和第二边框膜在贴设过程中，对位时，膜电极组件的第一催化剂层和第一边框膜的内边缘贴合且不重叠，膜电极组件中的第二催化剂层和第二边框膜的内边缘贴合且不重叠；或者膜电极组件中的第一催化剂层与第一边框膜有小部分重叠，膜电极组件中的第二催化剂层与第二边框膜有小部分重叠。优选存在重叠的对位方式，因为如此对位使得第一催化剂层和第二催化剂层两者的边缘部位分别被第一边框膜和第二边框膜包覆起来，对较为脆弱的第一催化剂层和第二催化剂层起到保护作用。除此之外，该结构还能避免质子交换膜发生氧化。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述膜电极组件、所述第一边框膜和所述第二边框膜设置有加强层。加强层在第一边框膜、膜电极组件和第二边框膜贴设完之后撕开，加强层用于加强第一边框膜、膜电极组件和第二边框膜的强度，防止第一边框膜、膜电极组件和第二边框膜在贴设过程中造成褶皱、翘曲甚至破损等现象。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，在所述膜电极组件、所述第一边框膜、所述第二边框膜和所述走带膜中，相互连接的两者在其连接表面均设置有粘接层。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述质子交换膜包括全氟磺酸树脂质子交换膜、磺化聚苯基喹喔啉质子交换膜、磺化聚联苯酚质子交换膜、聚苯并咪唑质子交换膜、聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚砜质子交换膜、磺化聚醚砜质子交换膜或者沉积有全氟磺酸树脂的多孔PTFE复合质子交换膜。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述第一催化剂层和所述第二催化剂层中均含有贵金属催化剂或碳载贵金属催化剂，其中，贵金属含量为0.01～1mg/cm2，贵金属为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种，或者贵金属为为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种与Co、Ni或Mn形成的二元以上合金。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述第一边框膜和所述第二边框膜包括但不限于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。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述走带膜包括但不限于PET膜、BOPP膜、PTFE膜、ETFE膜、FEP膜、PMP膜、PE膜、PVC膜、EVA膜、PC膜、ABS膜、PS膜、PMMA膜中的任意一种或者其中至少两种组成的复合膜。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述第一催化剂层和所述第二催化剂层的厚度为0.5～100μm，所述第一边框膜和所述第二边框膜的厚度为10～500μm。
本发明的目的之二在于：提供一种膜电极，采用本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，包括本说明书前文所述的膜电极。
相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：
1)本发明将膜电极组件以及第一边框膜和第二边框膜均制成贴片式，然后按照相应位置关系一层层贴合于连续卷绕运作的走带膜表面，制成卷料式膜电极，在该制备方法中，尺寸比较好控制，而且无需进行翻面操作，可实现连续化生产，效率高。
2)本发明将膜电极组件以及第一边框膜和第二边框膜均制成贴片式，然后按照相应位置关系一层层贴合于连续卷绕运作的走带膜表面，制成卷料式膜电极，在该制备方法中，采用的是贴片工艺而不是涂布工艺，不存在逸散问题。
附图说明
图1是本发明中制备方法的结构流程示意图。
图2是本发明中膜电极的结构示意图。
其中：1-膜电极组件，2-第一边框膜，3-第二边框膜，4-走带膜，11-质子交换膜，12-第一催化剂层，13-第二催化剂层。
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，一种膜电极的制备方法，包括以下步骤：
S1，在质子交换膜11的一面复合第一催化剂层12，在质子交换膜11的另一面复合第二催化剂层13，形成膜电极组件1；第一催化剂层12和第二催化剂层13均通过热压转印的方式复合于质子交换膜11表面；
S2，走带膜4连续卷绕运作，在走带膜4的表面依次贴设第一边框膜2、膜电极组件1以及第二边框膜3，第一边框膜2位于第一催化剂层12的边缘，第二边框膜3位于第二催化剂层13的边缘，形成附着于走带膜4表面的膜电极。
优选的，膜电极组件1与第一边框膜2和第二边框膜3在贴设过程中，对位时，膜电极组件1中的第一催化剂层12与第一边框膜3有小部分重叠，膜电极组件1中的第二催化剂层13与第二边框膜3有小部分重叠。因为如此对位使得第一催化剂层12和第二催化剂层13两者的边缘部位分别被第一边框膜2和第二边框膜3包覆起来，对较为脆弱的第一催化剂层12和第二催化剂层13起到保护作用。除此之外，该结构还能避免质子交换膜11发生氧化。
优选的，膜电极组件1、第一边框膜2和第二边框膜3设置有加强层。加强层在第一边框膜2、膜电极组件1和第二边框膜贴3设完之后撕开，加强层用于加强第一边框膜2、膜电极组件1和第二边框膜3的强度，防止膜电极组件1、第一边框膜2和第二边框膜3在贴设过程中造成褶皱、翘曲甚至破损等现象。
优选的，在膜电极组件1、第一边框膜2、第二边框膜3和走带膜4中，相互连接的两者在其连接表面均设置有粘接层。粘接层的设置能使得各贴片元件之间紧密连接，当然，贴设完成后还可通过热压或冷压工艺使得各贴片元件紧密压合，确保膜电极的性能。
优选的，质子交换膜1包括但不限于全氟磺酸树脂质子交换膜、磺化聚苯基喹喔啉质子交换膜、磺化聚联苯酚质子交换膜、聚苯并咪唑质子交换膜、聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚砜质子交换膜、磺化聚醚砜质子交换膜或者沉积有全氟磺酸树脂的多孔PTFE复合质子交换膜。
优选的，第一催化剂层12和第二催化剂层13中均含有贵金属催化剂或碳载贵金属催化剂，其中，贵金属含量为0.01～1mg/cm2，贵金属为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种，或者贵金属为为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种与Co、Ni或Mn形成的二元以上合金。
优选的，第一边框膜2和第二边框膜3包括但不限于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。
优选的，走带膜4包括但不限于PET膜、BOPP膜、PTFE膜、ETFE膜、FEP膜、PMP膜、PE膜、PVC膜、EVA膜、PC膜、ABS膜、PS膜、PMMA膜中的任意一种或者其中至少两种组成的复合膜。
优选的，第一催化剂层12和第二催化剂层13的厚度为0.5～100μm。
优选的，第一边框膜2和第二边框膜3的厚度为10～500μm。
本实施例制得的膜电极附于走带膜4上，并且形成卷料，使用时，只需要将膜电极从走带膜4上取下即可。
实施例2
如图2所示，一种采用实施例1的制备方法制备而得的膜电极，包括膜电极组件1、第一边框膜2和第二边框膜3，膜电极组件1包括质子交换膜11、设置于质子交换膜11一面的第一催化剂层12以及设置于质子交换膜11另一面的第二催化剂层13，第一边框膜2位于第一催化剂层12的边缘，第二边框膜3位于第二催化剂层13的边缘。
实施例3
一种燃料电池，包括实施例2的膜电极、框架构件以及一对分隔件，框架构件包围膜电极，框架构件和膜电极被夹在分隔件之间。
对比例1
与实施例1不同的是：膜电极组件1与第一边框膜2和第二边框膜3在贴设过程中，对位时，膜电极组件1的第一催化剂层12和第一边框膜2的内边缘贴合且不重叠，膜电极组件1中的第二催化剂层13和第二边框膜3的内边缘贴合且不重叠。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例2
与实施例1不同的是：膜电极组件1、第一边框膜2和第二边框膜3没有设置加强层。
其余同实施例1，这里不再赘述。
性能测试
分别采用实施例1、对比例1和对比例2的方法制备100个膜电极，观察膜电极的外观，并计算膜电极的良率。测试结果如表1所示。
表1测试结果
外观 良率
实施例1 无任何损坏 100％
对比例1 催化剂层有损坏 91％
对比例2 存在褶皱、翘曲 78％
由表1可以看出：
1)实施例1中，膜电极组件与第一边框膜和第二边框膜在贴设过程中，膜电极组件中的第一催化剂层与第一边框膜有小部分重叠，膜电极组件中的第二催化剂层与第二边框膜有小部分重叠，相比于对比例1未重叠的制备对位方式，实施例1制得的膜电极良率更好，这是因为，小部分重叠的对位方式，使得第一催化剂层和第二催化剂层两者的边缘部位分别被第一边框膜和第二边框膜包覆起来，对较为脆弱的第一催化剂层和第二催化剂层起到保护作用。除此之外，该结构还能避免质子交换膜发生氧化。
2)实施例1中，膜电极组件、第一边框膜和第二边框膜设置有加强层，相比于对比例2未设置加强层的制备方法，实施例1制得的膜电极良率更好，这是因为，加强层能加强膜电极组件、第一边框膜和第二边框膜的强度，防止膜电极组件、第一边框膜和第二边框膜在贴设过程中造成褶皱、翘曲甚至破损等现象。而且加强层在膜电极组件、第一边框膜和第二边框膜贴设完之后方便撕开，并不会损坏膜电极组件、第一边框膜和第二边框膜。
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 (9)

1.一种膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在质子交换膜的一面复合第一催化剂层，在质子交换膜的另一面复合第二催化剂层，形成膜电极组件；
S2，走带膜连续卷绕运作，在走带膜的表面依次贴设第一边框膜、膜电极组件以及第二边框膜，第一边框膜位于第一催化剂层的边缘，第二边框膜位于第二催化剂层的边缘，形成附着于走带膜表面的膜电极。
2.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述膜电极组件、所述第一边框膜和所述第二边框膜设置有加强层。
3.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，在所述膜电极组件、所述第一边框膜、所述第二边框膜和所述走带膜中，相互连接的两者在其连接表面均设置有粘接层。
4.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述质子交换膜包括全氟磺酸树脂质子交换膜、磺化聚苯基喹喔啉质子交换膜、磺化聚联苯酚质子交换膜、聚苯并咪唑质子交换膜、聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚砜质子交换膜、磺化聚醚砜质子交换膜或者沉积有全氟磺酸树脂的多孔PTFE复合质子交换膜。
5.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一催化剂层和所述第二催化剂层中均含有贵金属催化剂或碳载贵金属催化剂，其中，贵金属含量为0.01～1mg/cm2，贵金属为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种，或者贵金属为为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种与Co、Ni或Mn形成的二元以上合金。
6.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一边框膜和所述第二边框膜包括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。
7.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一催化剂层和所述第二催化剂层的厚度为0.5～100μm，所述第一边框膜和所述第二边框膜的厚度为10～500μm。
8.一种膜电极，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的制备方法制备而得。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求8所述的膜电极。
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