CN114335565A - 一种燃料电池膜电极及其制备方法和燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池膜电极及其制备方法，包括将膜电极的质子交换膜材料、阴极催化剂层材料和阳极催化剂层材料通过多层熔融共挤出复合制得膜电极。其中，所述阳极催化剂层材料或阴极催化剂层材料的制备方法包括将阳极催化剂或阴极催化剂与质子传导聚合物在惰性氛围下混合均匀，混合过程中不加入有机溶剂，得到阳极催化剂层材料或阴极催化剂层材料。本发明的燃料电池膜电极的制备方法，无需使用有机溶剂，制备方法简单，提高了生产效率，并且降低了膜电极中催化剂层与质子交换膜之间的缺陷和间隙，有效提高了膜电极的传质效果和一致性。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池膜电极及其制备方法，更进一步地，还涉及一种燃料电池。
背景技术
燃料电池作为一种高效环保可持续的能源利用装置，正在被越来越多地应用到交通、发电和储能等各个方面。膜电极是燃料电池的核心部件，膜电极的阴阳极催化剂层和质子交换膜是燃料电池电化学反应发生和质子传输所在场所，对燃料电池的性能至关重要。目前，膜电极的阴阳极催化剂层和质子交换膜主要通过湿法制备，即先将质子交换膜树脂溶解分散在溶剂中，再制备成固体质子交换膜；然后再将阴阳极催化剂材料分别混合在特定溶剂中制备成浆料后，通过转印或者喷涂等方式在质子交换膜两侧制备成阴阳极催化剂层。
由于湿法制备膜电极需要使用大量的有机溶剂，对人体和环境有害，不利于环保。因此需要对现有膜电极制备方法进行改进。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：采用湿法制备膜电极，质子交换膜和阴阳极催化剂层都是分别单独制作，涉及工序多，不利于提高膜电极的制备效率，并且需要使用大量有机溶剂，造成环境污染。而且，由于功能层单独制备，催化剂层与质子交换膜之间的接触界面通常会存在各种缺陷和间隙，影响膜电极传质效果和一致性。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种燃料电池膜电极的制备方法，无需使用有机溶剂，制备方法简单，提高了生产效率，并且降低了膜电极中催化剂层与质子交换膜之间的缺陷和间隙，有效提高了膜电极的传质效果和一致性。
本发明实施例的燃料电池膜电极的制备方法，包括将膜电极的质子交换膜材料、阴极催化剂层材料和阳极催化剂层材料通过多层熔融共挤出复合制得膜电极。
本发明实施例的燃料电池膜电极的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法中，直接将质子交换膜材料、阴极催化剂层材料和阳极催化剂层材料熔融共挤出复合制备得到膜电极，无需分别制备功能层，制备方法简单，提高了生产效率；2、本发明实施例的方法中，无需加入有机溶剂，不仅降低了溶剂使用，节约了生产成本，而且绿色环保，易于推广应用；3、本发明实施例的方法中，实现了阴阳极催化剂层和质子交换膜同时制备，有效降低了催化剂层与质子交换膜之间的缺陷和间隙，提高了膜电极的性能。
在一些实施例中，所述阳极催化剂层材料或阴极催化剂层材料的制备方法包括将阳极催化剂或阴极催化剂与质子传导聚合物在惰性氛围下混合均匀，得到阳极催化剂层材料或阴极催化剂层材料。
在一些实施例中，所述阳极催化剂或阴极催化剂与质子传导聚合物混合过程中不加入有机溶剂。
在一些实施例中，所述阳极催化剂或阴极催化剂包括膜电极用含铂催化剂或非铂催化剂；所述质子传导聚合物为全氟磺酸聚合物。
在一些实施例中，将质子传导聚合物加热干燥得到质子交换膜材料。
在一些实施例中，所述加热温度为60-100℃，加热时间为1-24h。
在一些实施例中，所述质子传导聚合物包括全氟磺酸聚合物、部分含氟磺化聚合物、非氟磺化聚合物中的至少一种，其质子交换当量EW值为700～1200。
在一些实施例中，所述阴极催化剂层材料和阳极催化剂层材料的熔融加热温度为100-200℃。
在一些实施例中，所述多层熔融共挤出的模口温度单位150-250℃。
本发明实施例还提供了一种膜电极，采用本发明实施例的方法制得。本发明实施例的膜电极，制备方法简单，无需使用有机溶剂，催化剂层与质子交换膜之间的缺陷和间隙少，性能优异。
本发明实施例还提供了一种燃料电池，包括本发明实施例的膜电极。本发明实施例的燃料电池，具备本发明实施例的膜电极能够带来的所有优点，在此不再赘述。
附图说明
图1是本发明实施例制得的膜电极的结构示意图。
图2是实施例1制得的膜电极的扫描电镜截面图。
图3是对比例1制得的膜电极的扫描电镜截面图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例的燃料电池膜电极的制备方法，包括将膜电极的质子交换膜材料、阴极催化剂层材料和阳极催化剂层材料通过多层熔融共挤出复合制得膜电极。
本发明实施例的燃料电池膜电极的制备方法中，直接将质子交换膜材料、阴极催化剂层材料和阳极催化剂层材料熔融共挤出复合制备得到膜电极，无需分别制备功能层，制备方法简单，提高了生产效率；本发明实施例的方法中，无需加入有机溶剂，不仅降低了溶剂使用，节约了生产成本，而且绿色环保，易于推广应用；本发明实施例的方法中，实现了阴阳极催化剂层和质子交换膜同时制备，有效降低了催化剂层与质子交换膜之间的缺陷和间隙，提高了膜电极的性能。
在一些实施例中，所述阳极催化剂层材料或阴极催化剂层材料的制备方法包括将阳极催化剂或阴极催化剂与质子传导聚合物在惰性氛围下混合均匀，优选采用研磨或、球磨或混炼机混合，得到阳极催化剂层材料或阴极催化剂层材料。优选地，所述阳极催化剂或阴极催化剂与质子传导聚合物混合过程中不加入有机溶剂。优选地，所述惰性气体包括氩气或氮气中的至少一种。本发明实施例的方法中，无需采用大量的有机溶剂单独制备阳极催化剂层浆料和阴极催化剂层浆料，只需将阳极催化剂或阴极催化剂与质子传导聚合物均匀混合形成阳极催化剂层材料或阴极催化剂层材料，然后与质子交换膜材料通过多层熔融共挤出即复合形成了膜电极，制备方法简单，环保无污染，易于工业应用。
在一些实施例中，所述阳极催化剂或阴极催化剂包括膜电极用含铂催化剂或非铂催化剂；所述质子传导聚合物为全氟磺酸聚合物。本发明实施例中，对阳极催化剂层材料或阴极催化剂层材料中所采用的催化剂没有特别限制，只要能够用于燃料电池膜电极的催化剂均可以采用，并且催化剂与质子传导聚合物之间的用量配比也没有特别限制，根据燃料电池膜电极的需求设计即可。
在一些实施例中，质子交换膜材料为质子传导聚合物，可以根据质子传导聚合物的具体情况进行预处理，优选地，将质子传导聚合物加热干燥得到质子交换膜材料，优选地，加热温度为60-100℃，加热时间为1-24h。进一步优选地，所述质子传导聚合物包括全氟磺酸聚合物、部分含氟磺化聚合物、非氟磺化聚合物中的至少一种，其质子交换当量EW值为700～1200。本发明实施例的方法中，无需将质子传导聚合物分散在有机溶剂中再制备固体质子交换膜，无需采用有机溶剂不仅降低了生产成本，而且绿色环保，并且，采用多层熔融共挤出的方法使质子交换膜与阴阳极催化剂层同时形成，显著降低了膜电极的界面缺陷，提高了膜电极的性能。
在一些实施例中，所述阴极催化剂层材料和阳极催化剂层材料的熔融加热温度为100-200℃。优选地，所述多层熔融共挤出的模口温度为150-250℃。本发明实施例的方法中，对阴极催化剂层材料、阳极催化剂层材料、质子交换膜材料的熔融加热温度没有特别限制，只要熔融加热温度不低于各材料的熔融温度且不高于各材料的分解温度即可。
本发明实施例还提供了一种膜电极，采用本发明实施例的方法制得。本发明实施例的膜电极，制备方法简单，无需使用有机溶剂，催化剂层与质子交换膜之间的缺陷和间隙少，性能优异。
本发明实施例还提供了一种燃料电池，包括本发明实施例的膜电极。本发明实施例的燃料电池，具备本发明实施例的膜电极能够带来的所有优点，在此不再赘述。
下面结合附图和实施例详细描述本发明。
实施例1
(1)制备阳极催化剂层材料，取100g铂含量为30％的铂炭催化剂，20g全氟磺酸树脂，在氮气保护氛围下在球磨机中充分混合均匀。
(2)制备阴极催化剂层材料，取100g铂含量为60％的铂炭催化剂，30g全氟磺酸树脂，在氮气保护氛围下在球磨机中充分混合均匀。
(3)准备质子交换膜材料，将200g全氟磺酸树脂(EW值为700)在100℃下加热1h。
(4)将混合后的阴极催化剂层材料、阳极催化剂层材料和质子交换膜材料分别加入多层熔融共挤出机料盒中，加热使催化剂层材料和质子交换膜材料熔融至呈流体状。其中，阴极催化剂层材料加热温度为100℃，阳极催化剂层材料加热温度为100℃，质子交换膜材料加热温度为200℃。
(5)将熔融的阴极催化剂层材料、阳极催化剂层材料和质子交换膜材料通过挤出机共挤出，模口温度为150℃，阴极催化剂层和阳极催化剂层分别在质子交换膜层两侧，制得燃料电池膜电极，膜电极结构如图1所示。
本实施例制得的膜电极的扫描电镜截面图见图2，通过图2可以看出，本实施例中通过多层熔融共挤出同时制备的膜电极的催化剂层与质子传导聚合物层之间结合完整，缺陷较少。
实施例2
(1)制备阳极催化剂层材料，取200g铂含量为20％的铂炭催化剂，50g全氟磺酸树脂，在氩气保护氛围下在混炼机中充分混合均匀。
(2)制备阴极催化剂层材料，取200g铂含量为70％的铂炭催化剂，60g全氟磺酸树脂，在氩气保护氛围下在球磨机中充分混合均匀。
(3)准备质子交换膜材料，将500g磺化聚醚醚酮(EW值为1200，熔融温度为334℃)在60℃下加热24h。
(4)将混合后的阴极催化剂层材料、阳极催化剂层材料和质子交换膜材料分别加入多层熔融共挤出机料盒中，加热使催化剂层材料和质子交换膜材料熔融至呈流体状。其中，阴极催化剂层材料的加热熔融温度为200℃，阳极催化剂层材料的加热熔融温度为200℃，质子交换膜材料磺化聚醚醚酮的加热熔融温度为350℃。
(5)将熔融的阴极催化剂层材料、阳极催化剂层材料和质子交换膜材料磺化聚醚醚酮通过挤出机共挤出，模口温度为150℃，阴极催化剂层和阳极催化剂层分别在质子交换膜层两侧，制得燃料电池膜电极，膜电极结构如图1所示。
对比例1
与实施例1的方法相同，不同之处在于所述步骤(5)中，先单独挤出质子交换膜材料，待质子交换膜冷却定型后，再依次分别在质子交换膜两侧挤出阴极催化剂层材料和阳极催化剂层材料得到阴极催化剂层和阳极催化剂层，制得膜电极，膜电极结构如图1所示。
对比例1制得的膜电极的扫描电镜截面图见图3，通过图3可以看出，对比例1的膜电极中催化剂层和质子交换膜单独制备得到，其催化剂层和质子交换膜之间存在明显的缺陷。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，包括将膜电极的质子交换膜材料、阴极催化剂层材料和阳极催化剂层材料通过多层熔融共挤出复合制得膜电极。
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，所述阳极催化剂层材料或阴极催化剂层材料的制备方法包括将阳极催化剂或阴极催化剂与质子传导聚合物在惰性氛围下混合均匀，得到阳极催化剂层材料或阴极催化剂层材料。
3.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述阳极催化剂或阴极催化剂与质子传导聚合物混合过程中不加入有机溶剂。
4.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述阳极催化剂或阴极催化剂包括膜电极用含铂催化剂或非铂催化剂；所述质子传导聚合物为全氟磺酸聚合物。
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，将质子传导聚合物加热干燥得到质子交换膜材料。
6.根据权利要求5所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述加热温度为60-100℃，加热时间为1-24h。
7.根据权利要求5所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述质子传导聚合物包括全氟磺酸聚合物、部分含氟磺化聚合物、非氟磺化聚合物中的至少一种，其质子交换当量EW值为700～1200。
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，所述阴极催化剂层材料和阳极催化剂层材料的熔融加热温度为100-200℃，和/或，所述多层熔融共挤出的模口温度为150-250℃。
9.一种膜电极，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的方法制得。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求9所述的膜电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Ni Jiangpeng Inventor after: Liu Zhen Inventor after: Xia Fengjie Inventor after: Liu Hao Inventor after: Zhou Mingzheng Inventor after: Tang Haolin Inventor after: Cheng Geng Inventor after: Zhao Zhuang Inventor after: Zhang Lin Inventor after: Li Daoxi Inventor before: Ni Jiangpeng Inventor before: Xia Fengjie Inventor before: Liu Hao Inventor before: Cheng Geng Inventor before: Zhao Zhuang Inventor before: Zhang Lin Inventor before: Li Daoxi Inventor before: Liu Zhen |