CN116014151A - 一种燃料电池膜电极催化层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池膜电极催化层的制备方法，属于燃料电池技术领域。所述制备方法首先将催化剂和树脂颗粒混合配成催化层粉料，粉料经充电后在高压电产作用下吸附在转印基底表面，然后在加热条件下转印至膜表面形成催化层，最后通过热压进一步固化催化层。与制备燃料电池膜电极催化层的传统湿法相比，本发明所述的制备方法不使用任何有机或无机溶剂，避免了膜溶胀、环境污染、溶剂浪费和额外能耗等问题。

Description

一种燃料电池膜电极催化层的制备方法

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催化层的制备方法。

背景技术

膜电极是燃料电池的核心部件，其结构由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成，其中质子交换膜用于传输电化学反应需要的质子，而催化层用于催化电化学反应，两者结合成的催化剂/质子交换膜组件是膜电极的核心部件。传统制备膜电极催化层的方法主要有喷涂法、转印法和刮涂法，其中喷涂法是将催化剂和树脂溶液配成的浆料用喷枪喷涂在质子交换膜表面，然后干燥形成催化层；转印法是将催化剂和树脂溶液配成的浆料涂覆在转印基质上，然后干燥形成催化层，最后通过热压将转印基质上的催化层转印至质子交换膜上；而刮涂法是将催化剂和树脂溶液配成的浆料直接刮涂在质子交换膜表面，然后干燥形成催化层。可以看出，以上传统膜电极催化层的制备方法都需要使用溶剂来分散催化剂颗粒和树脂成分，而溶剂的使用难免会导致膜的溶胀问题。另外，由于溶剂成分不参与形成催化层，在制备过程中需要干燥挥发掉，因此，这一方面带来了一定的环境污染问题，另一方面也导致了额外能耗，提升了催化层的制备成本。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种燃料电池电极催化层的制备方法。本发明的方法摒弃了溶剂的使用，改善了因为使用溶剂分散催化剂颗粒和树脂成分产生的膜的溶胀问题，减少了环境污染、溶剂浪费和额外能耗，降低了成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种燃料电池膜电极催化层的制备方法，包括如下步骤：

(1)将催化剂颗粒和树脂颗粒混合配成催化层粉料；

(2)对催化层粉料和转印基底施加电压，其中催化层粉料接负极，转印基底接正极，然后使充电后的催化层粉料在转印基底表面扫过，使催化层粉料在电场和静电作用下平铺并附着在转印基底表面；

(3)对膜加热，依靠催化层粉料中树脂的粘性将转印基底上附着的粉料转印粘接在膜的两侧表面形成催化层；

(4)通过热压使膜两面的催化层固化。

膜电极催化层的均匀程度是影响其性能的关键因素之一，在所述制备方法步骤(2)中粉料在转印基底表面的均匀分布以及步骤(3)中粉料从转印基底向膜上的均匀转印有利于在后续步骤中形成均匀的催化层；

所述制备方法的步骤(2)中，对粉料充电会使其带有一定的负电荷，在电场的诱导作用下又会在转印基底上感应出正电荷，使得当粉料扫过转印基底表面时，粉料平铺并附着在转印基底表面，其吸附量与充电电压相关；为了使吸附在转印基底表面的粉料尽可能分布均匀，转印基底表面应尽量平整，并且粉料仓狭缝的宽度也应一致；

所述制备方法的步骤(3)中，膜与粉料中的树脂成分在受热时粘性会提高，使得粉料能够粘接在膜表面形成催化层，完成转印；为了保证粉料向膜表面的转印效果，膜和转印基底之间需紧密接触，有利于膜和树脂材料的均匀受热，进而提升转印效果。

进一步地，所述催化剂选自Pt/C或铂黑中的一种；

所述催化剂颗粒的粒径为1-20nm；

所述树脂选自Nafion-H、PVDF或PTFE中的一种；

所述树脂颗粒的粒径为0.1-10μm；

所述催化层粉料中催化剂和树脂的质量比为10:1-1:10；

优选地，所述催化层粉料中催化剂和树脂的质量比为2:1-1:5。

进一步地，所述膜选自Nafion-H膜或PBI膜中的一种。

由于制备工艺的原因，所述催化剂和树脂颗粒的粒径并非某一特定数值，而是具有一定的粒径分布：对于催化剂颗粒，其分布范围上限低于20nm且下限高于1nm；对于树脂颗粒，其分布范围上限低于10μm且下限高于0.1μm；

所述用于制备催化层的粉料为催化剂和树脂颗粒充分混合制成，在混合过程中由于静电作用会形成内层树脂外层催化剂的包覆结构，使得催化剂颗粒在被树脂粘合的同时能够尽可能暴露以便实现其催化功能；

基于所述的制备方法，催化剂和树脂存在比例要求：当催化剂的量过多时，多余的催化剂因无法被树脂粘合住而容易流失；当催化剂的量过少时，会造成树脂的浪费。

进一步地，步骤(2)中对催化层粉料和转印基底施加的电压为1-20kV；

优选地，对催化层粉料和转印基底施加的电压为10-20kV。

步骤(2)中所述催化层粉料在转印基底表面扫过的速度为5-30cm/min；

优选地，所述催化层粉料在转印基底表面扫过的速度为10-15cm/min。

所述制备方法的步骤(2)中，粉料的充电电压和催化层粉料在转印基底表面扫过的速度(基于实施例所述装置进行转印时，对应的为粉料仓狭缝在转印基底表面扫过的速度)决定了粉料在转印基底上的吸附密度，进而影响粉料在单位面积膜表面的转印量：充电电压降低或扫过速度提高会减小粉料在转印基底上的吸附密度，相反充电电压提高或扫过速度降低会增大粉料在转印基底上的吸附密度，因此实际操作中可以通过这两个参数来控制粉料(或催化剂)在膜上的担载量；

另一方面，所述制备方法的步骤(2)中，对粉料的充电电压和催化层粉料在转印基底表面扫过的速度有一定要求：充电电压过低时粉料在转印基底上吸附不牢固，容易受气流扰动，而扫过速度过高时转印基底上容易出现没有吸附粉料颗粒的空点，两者都不利于粉料颗粒在转印基底上的均匀分布；相反，充电电压过高或扫过速度过低时，粉料的吸附密度过高，会使得转印基底表面的粉料在靠近膜时提前飞出，导致转印效果变差。

进一步地，步骤(3)中对膜的加热温度为80-120℃；

优选地，对膜的加热温度为100-120℃。

所述制备方法的步骤(3)中，对膜加热可以增加其粘性，这对粉料颗粒在其表面的粘合转印过程是必要的；但是，对膜的加热温度过高又会使其出现变形甚至分解，导致最终的膜电极性能下降。

进一步地，所述热压的温度为80-200℃；

优选地，所述热压的温度为100-120℃；

所述热压的压力为0.1-5.0MPa；

优选地，所述热压的压力为0.5-1.0MPa；

所述热压的时间为1-60min；

优选地，所述热压的时间为5-20min。

所述制备方法步骤(4)的目的在于进一步固化粘接在膜表面的粉料，使形成的催化层更为牢固，减少在实际工况中反应物冲刷下的流失；

另一方面，相比于传统制备膜电极催化层的湿法，本发明所述制备方法的一大优势在于能够较大程度地保留粉料颗粒的大孔结构，这有利于在实际电池工作时反应物料的传输，因此，所述制备方法步骤(4)中的热压过程是整个制备方法的又一关键点，对热压过程的参数也有一定要求：

(1)粉料中的树脂成分在受热时会软化，进而起到粘合作用，若加热温度过低则粘合作用变差，导致催化剂颗粒容易剥落，而加热温度过高会使得膜发生变形甚至分解，导致最终的膜电极性能下降；

(2)在加热的同时施加一定压力有利于使得粉料中的树脂颗粒充分受热，提升粘合效果，但压力过大又会破坏粉料颗粒之间的孔隙结构，导致最终的膜电极性能下降；

(3)热压过程持续时间的选择能够使得粉料颗粒和膜充分受热并粘接牢固即可。

进一步地，利用所述制备方法制备燃料电池膜电极催化层的装置，包括高压发生器、温度控制器、放电器、粉料仓、转印辊和加热辊，所述转印辊和所述加热辊均为辊面设有绝缘层的金属辊；

所述高压发生器的高压端(负极)与粉料仓连接；所述高压发生器的接地端(正极)分别与放电器和转印辊内部的金属辊连接；所述粉料仓与所述放电器分别位于所述转印辊的相对两侧的辊面上；所述转印辊的辊面和所述加热辊的辊面相贴合；所述温度控制器与加热辊连接；所述转印辊和所述加热辊之间设有膜，所述膜与所述转印辊和所述加热辊相切。

进一步地，所述加热辊的内部设有加热丝和热电偶，所述温度控制器设有加热接口和测温接口，所述加热接口与所述加热丝连接，所述测温接口与所述热电偶连接。

进一步地，所述粉料仓为底部设有狭缝的金属仓，所述放电器为表面平整的金属片；所述放电器处于膜运动方向的一侧；所述粉料仓处于背离膜运动方向的一侧；

所述转印辊的转轴和所述加热辊的转轴通过齿轮连接，使得转印辊旋转时能够带动加热辊旋转，所述转印辊和所述加热辊的旋转方向相反并且两者辊面的线速度相等。

所述燃料电池膜电极催化层的制备装置中，放电器的作用在于消除粉料向膜转印后在转印辊表面留下的剩余电荷，防止被绝缘层包裹的转印辊表面由于携带负电荷导致的粉料吸附量降低；放电器金属片的表面需尽可能平整光滑，其与转印辊之间好的贴合程度能够实现转印辊表面好的放电效果。

所述放电器、粉料仓的外壳、转印辊和加热辊内部的金属辊应具有良好的导电性，其材质为不锈钢；

所述转印辊和加热辊辊面包覆的绝缘层应具有一定的防粘性，其材质为聚四氟乙烯；

所述转印辊的外径为5-10cm；

所述加热辊的外径为2-5cm。

进一步地，利用所述装置制备燃料电池膜电极催化层的方法，包括如下步骤：

(1)将催化剂和树脂颗粒混合配制成粉料，放置于粉料仓中；

(2)打开温度控制器，对加热辊进行加热并保持恒温，然后将膜的一端送入转印辊与加热辊的贴合处；

(3)打开高压发生器，对粉料仓中的粉料进行充电，然后转动转印辊和加热辊，转动方向为使转印辊表面依次经过粉料仓、加热辊和放电器，此时粉料仓中的粉料受电场作用会不断覆盖在转印辊表面，由转印辊传送并且在加热辊的加热下粘合至膜的一面形成催化层；

(4)将一侧带有催化层的膜的一端送入转印辊与加热辊的贴合处，并且令带有催化层的一侧朝向加热辊，重复步骤(3)，使膜的另一面也形成催化层；

(5)对两面都带有催化层的膜进行热压处理，使催化层固化。

所述制备方法的步骤(3)中，膜与粉料中的树脂成分在受加热辊加热时粘性会提高，在转印辊和加热辊贴合处的挤压作用下会使得粉料粘接在膜表面，为了保证粉料向膜表面的转印效果，加热辊的表面应尽量平整，并且加热辊和转印辊的转轴应尽量平行，这样一方面使得贴合处对膜的挤压程度一致，另一方面也有利于膜的受热均匀。

综上所述，本发明所述的燃料电池膜电极催化层的制备方法在原理和装置结构上有以下特点：

(1)不同于激光打印所用碳粉，所述制备方法所用粉料中的催化剂有良好的导电性能，且在粉料中占比较高，因此可以直接对其充电，也在装置结构上省去了用于向转印辊充电的充电辊；

(2)所述制备方法一方面为了防止膜被电场击穿损坏，另一方面为了使吸附在转印辊上的粉料能够尽可能全部一次转印至膜表面，防止残余的粉料影响转印效果，因此需利用膜本身的粘性，在加热条件下将粉料粘合转印在膜表面；

(3)所述制备方法中，由于膜本身没有纸张中纤维形成的多孔结构，并且膜的加热温度不能过高，因此在加热时膜和加热辊务必紧密贴合，使形成的催化层更为牢固。

本发明还提供了根据上述的制备方法制备得到的燃料电池膜电极催化层，所述膜电极催化层由表面包覆有催化剂颗粒的树脂颗粒相互粘合堆积而成，在树脂颗粒之间具有交错的孔道结构，提高了反应物料在催化层中的传输能力，并且覆盖在树脂外层的催化剂具有较高的利用率。

本发明还提供了上述的制备方法制备得到的燃料电池膜电极催化层，所述膜电极催化层由表面包覆有催化剂颗粒的树脂颗粒相互粘合堆积而成，在树脂颗粒之间具有交错的孔道结构。

本发明还提供了上述的燃料电池膜电极催化层在膜电极中的应用。

与现有技术相比，本发明所提供的燃料电池膜电极催化层的制备方法具有如下优点：

(1)同传统湿法相比，所述制备方法不使用溶剂来分散树脂材料和催化剂，避免了膜的溶胀问题；

(2)所述制备方法由于不使用溶剂，避免了蒸发溶剂步骤带来的额外能耗，因此降低了制备成本；

(3)传统湿法中由于溶剂组分最终会挥发，所述制备方法更加绿色、环保；

(4)包含树脂和催化剂的粉料颗粒通过静电作用直接输送至膜表面，因此采用所述制备方法制备的膜电极的催化层能够较大程度地保留粉料颗粒的大孔结构，这有利于在实际工况条件下反应物料的传输；

(5)膜电极催化层中催化剂分布在树脂外层，有利于其与反应物料接触，提升了催化剂利用率。

附图说明

图1是所述膜电极催化层的制备方法所用的装置示意图。图中：1、高压发生器；2、温度控制器；3、放电器；4、粉料仓；5、转印辊；6、加热辊；7、膜。

图2为包含所述燃料电池电极催化层的催化剂/膜组件CCM-3(侧面)的SEM图。

图3是采用催化剂/膜组件CCM-1安装的单节燃料电池的性能测试结果(极化曲线)。

图4是采用催化剂/膜组件CCM-1安装的单节燃料电池的稳定性测试结果。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，根据实验结果结合附图列举以下实施例，但并不限制权利要求所定义的发明范围。

实施例1

按照如图1所示安装制备膜电极催化层的装置：

所述转印辊5为辊面包覆绝缘层的金属辊，所述加热辊6为辊面包覆有绝缘层且内部设有加热丝和热电偶的金属辊。所述转印辊5与所述加热辊6的转轴通过齿轮连接，使得转印辊5旋转时能够带动加热辊6旋转，两者旋转方向相反并且两者表面的线速度相等。所述转印辊5与所述加热辊6之间设有膜7，所述膜7与所述转印辊5和所述加热辊6相切。所述加热辊6与温度控制器2连接，具体为，所述温度控制器2设有加热接口和测温接口，所述加热接口与加热辊6内部的加热丝连接，所述测温接口与加热辊6内部的热电偶接口连接。

所述转印辊5的辊面还分别与放电器3和粉料仓4连接，所述放电器3为表面平整的金属片，粉料仓4为下部有狭缝的金属仓，所述转印辊5的辊面与所述分料仓4下部的狭缝相贴合。所述狭缝为出料口。所述放电器3与所述膜7相互垂直，所述粉料仓4的出料方向与所述膜7相互垂直，所述放电器3与所述粉料仓4的出料方向相互平行，所述粉料仓4位于转印辊5与加热辊6贴合处沿转印辊5转动方向提前的位置，所述放电器3位于转印辊5与加热辊6贴合处沿转印辊5转动方向延后的位置。所述粉料仓4的外壳体与高压发生器1的高压端(负极)连接，所述高压发生器1的接地端(正极)与放电器3和转印辊5内部的金属辊连接。

实施例2

本实施例说明采用所述制备方法制备燃料电池膜电极催化层。

1)首先根据实施例1结合图1安装好制备膜电极催化层的装置，所采用的转印辊和加热辊分别为直径5cm和2cm的辊面包覆有聚四氟乙烯层的不锈钢筒(即不锈钢筒的铜侧壁包覆聚四氟乙烯层)，然后将Pt/C(Pt含量为40wt.％)催化剂与Nafion-H树脂(粒径分布为0.7-5.0μm)按照质量比3:1混合均匀制成粉料放置于粉料仓中；

2)打开温度控制器，设定温度为100℃，待温度稳定后打开高压发生器，设定输出电压为10kV，对粉料进行充电，然后将Nafion-H膜的一端送入转印辊与加热辊的贴合处；

3)转动转印辊和加热辊，其表面线速度为10cm/min，使粉料由转印辊传送至Nafion-H膜的一面并且在加热辊的加热下粘合形成催化层；

4)将步骤3)得到的一侧带有催化层的Nafion-H膜再次送入转印辊与加热辊的贴合处，并且令带有催化层的一侧朝向加热辊，重复步骤3)，使Nafion-H膜的另一面也形成催化层；

5)将两面都转印有催化层的Nafion-H膜置于热压台上进行热压，热压温度为120℃，热压压力为1.0MPa，热压时间为10min，即得到制备好的催化剂/膜组件，记为CCM-1。

实施例3

本实施例说明采用所述的制备方法，改变催化剂和树脂的比例，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤1)中催化剂与Nafion树脂的质量比采用5:1代替3:1外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-2。

实施例4

本实施例说明采用所述的制备方法，改变催化剂和树脂的比例，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤1)中催化剂与Nafion树脂的质量比采用1:1代替3:1外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-3。

对催化剂/膜组件CCM-3做SEM表征查看形貌，结果如附图2所示，可以看出其电极催化层的骨架结构由树脂颗粒相互粘结而成，颗粒互相堆砌形成了交错的孔道结构，并且粒径相对较小的催化剂颗粒附着在粒径相对较大的树脂颗粒表面，使得催化剂颗粒在被树脂粘合的同时能够尽可能暴露以便实现其催化功能。

实施例5

本实施例说明采用所述的制备方法，改变转印时膜的加热温度，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤2)中温度控制器的温度设定采用80℃代替100℃外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-4。

实施例6

本实施例说明采用所述的制备方法，改变转印时膜的加热温度，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤2)中温度控制器的温度设定采用120℃代替100℃外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-5。

实施例7

本实施例说明采用所述的制备方法，改变转印时粉料的充电电压，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤2)中高压发生器的输出电压设定采用5kV代替10kV外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-6。

实施例8

本实施例说明采用所述的制备方法，改变转印时粉料的充电电压，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤2)中高压发生器的输出电压设定采用15kV代替10kV外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-7。

实施例9

本实施例说明采用所述的制备方法，改变转印时粉料的充电电压，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤2)中高压发生器的输出电压设定采用20kV代替10kV外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-8。

实施例10

本实施例说明采用所述的制备方法，改变热压温度，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤5)中的热压温度采用100℃代替120℃外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-9。

实施例11

本实施例说明采用所述的制备方法，改变热压温度，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤5)中的热压温度采用110℃代替120℃外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-9。

实施例12

本实施例说明采用所述的制备方法，改变热压压力，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤5)中的热压压力采用0.1MPa代替1.0MPa外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-11。

实施例13

本实施例说明采用所述的制备方法，改变热压压力，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤5)中的热压压力采用0.5MPa代替1.0MPa外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-12。

实施例14

本实施例说明采用所述的制备方法，改变热压压力，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤5)中的热压压力采用2.0MPa代替1.0MPa外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-13。

实施例15

本实施例说明采用所述的制备方法，改变热压压力，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤5)中的热压压力采用3.0MPa代替1.0MPa外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-14。

实施例16

本实施例说明采用所述的制备方法，改变热压时间，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤5)中的热压时间采用1min代替10min外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-15。

实施例17

本实施例说明采用所述的制备方法，改变热压时间，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤5)中的热压时间采用5min代替10min外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-16。

实施例18

本实施例说明采用所述的制备方法，改变热压时间，制备燃料电池膜电极催化层，作为实施例2的对比。

除了步骤5)中的热压时间采用20min代替10min外，以与实施例2相同的制备方法制备得到催化剂/膜组件，记为CCM-17。

实施例19

本实施例说明对以所述制备方法制备得到的燃料电池催化剂/膜组件进行性能测试。

分别将实施例2-18制得的催化剂/膜组件CCM-1至CCM-17剪裁后与扩散层和边框一起热压成膜电极组件，安装在单节燃料电池上(CCM有效面积为2.0×2.5cm²)，然后再将单节电池安装在燃料电池测试台架上进行性能测试，测试条件为：正极侧进气为空气，压力为0.1MPa，流速为800mL/min，负极侧进气为氢气，压力为0.1MPa，流速为200mL/min，电池80℃恒温，正负极增湿罐温度80℃(100％增湿)。测试开始时首先设定好以上相关参数，待稳定后开启电子负载，设定输出电流密度为1000mA/cm²进行膜电极活化，活化过程持续6h。待活化过程结束后测量极化曲线，以催化剂/膜组件CCM-1为例，其极化曲线如附图3所示。分别记录每个极化曲线中的开路电压(对应电流密度为0)、500mA/cm²对应电压和1000mA/cm²对应电压，结果如下表所示：

实施例20

本实施例说明采用催化剂/膜组件CCM-1安装的单节燃料电池的稳定性测试。

将实施例2制得的催化剂/膜组件CCM-1剪裁后与扩散层和边框一起热压成膜电极组件，安装在单节燃料电池上(CCM有效面积为2.0×2.5cm²)，然后再将单节电池安装在燃料电池测试台架上进行性能测试，测试条件为：正极侧进气为空气，压力为0.1MPa，流速为800mL/min，负极侧进气为氢气，压力为0.1MPa，流速为200mL/min，电池80℃恒温，正负极增湿罐温度80℃(100％增湿)。测试开始时首先设定好以上相关参数，待稳定后开启电子负载，设定输出电流密度为1000mA/cm²进行膜电极活化，活化过程持续6h。待活化过程结束后维持输出电流密度为1000mA/cm²，持续120h，每隔2h记录电池的输出电压，结果如附图4所示，可以看出具有按照本发明所述制备方法得到的电极催化层的膜电极具有较好的稳定性。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将催化剂颗粒和树脂颗粒混合配成催化层粉料；

(2)对催化层粉料和转印基底施加电压，其中催化层粉料接负极，转印基底接正极，然后使充电后的催化层粉料在转印基底表面扫过，使催化层粉料在电场和静电作用下平铺并附着在转印基底表面；

(3)对膜加热，依靠催化层粉料中树脂的粘性将转印基底上附着的粉料转印粘接在膜的两侧表面形成催化层；

(4)通过热压使膜两面的催化层固化。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

所述催化剂选自Pt/C或铂黑中的一种；

所述催化剂颗粒的粒径为1-20nm；

所述树脂选自Nafion-H、PVDF或PTFE中的一种；

所述树脂颗粒的粒径为0.1-10μm；

所述催化层粉料中催化剂和树脂的质量比为10:1-1:10；

所述膜选自Nafion-H膜或PBI膜中的一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

步骤(2)中对催化层粉料和转印基底施加的电压为1-20kV；

步骤(2)中所述催化层粉料在转印基底表面扫过的速度为5-30cm/min；

步骤(3)中对膜的加热温度为80-120℃。

步骤(4)中所述热压的温度为80-200℃；

步骤(4)中所述热压的压力为0.1-5.0MPa；

步骤(4)中所述热压的时间为1-60min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

利用所述制备方法制备燃料电池膜电极催化层的装置包括高压发生器(1)、温度控制器(2)、放电器(3)、粉料仓(4)、转印辊(5)和加热辊(6)，所述转印辊(5)和所述加热辊(6)均为辊面设有绝缘层的金属辊；

所述高压发生器(1)的负极与粉料仓(4)连接；所述高压发生器(1)的正极分别与放电器(3)和转印辊(5)内部的金属辊连接；所述粉料仓(4)与所述放电器(3)分别位于所述转印辊(5)的相对两侧的辊面上；所述转印辊(5)的辊面和所述加热辊(6)的辊面相贴合；所述温度控制器(2)与加热辊连接。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

所述转印辊(5)和所述加热辊(6)之间设有膜(7)，所述膜(7)与所述转印辊(5)和所述加热辊(6)相切；

所述加热辊(6)的内部设有加热丝和热电偶，所述温度控制器(2)设有加热接口和测温接口，所述加热接口与所述加热丝连接，所述测温接口与所述热电偶连接。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

所述粉料仓(4)为底部设有狭缝的金属仓，所述放电器(3)为表面平整的金属片；所述放电器(3)处于膜(7)运动方向的一侧；所述粉料仓(4)处于背离膜(7)运动方向的一侧；

所述转印辊(5)的转轴和所述加热辊(6)的转轴通过齿轮连接，使得转印辊(5)旋转时能够带动加热辊(6)旋转，所述转印辊(5)和所述加热辊(6)的旋转方向相反并且两者辊面的线速度相等。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

所述放电器(3)、粉料仓(4)、转印辊(5)和加热辊(6)的材质包括不锈钢；

所述转印辊(5)和加热辊(6)辊面的绝缘层的材质包括聚四氟乙烯；

所述转印辊(5)的外径为5-10cm；

所述加热辊(6)的外径为2-5cm。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：利用所述装置制备燃料电池膜电极催化层的方法，包括如下步骤：

(1)将催化剂和树脂颗粒混合配制成粉料，放置于粉料仓中；

(2)打开温度控制器，对加热辊进行加热并保持恒温，然后将膜的一端送入转印辊与加热辊的贴合处；

(3)打开高压发生器，对粉料仓中的粉料进行充电，然后转动转印辊和加热辊，转动方向为使转印辊表面依次经过粉料仓、加热辊和放电器，此时粉料仓中的粉料受电场作用会不断覆盖在转印辊表面，由转印辊传送并且在加热辊的加热下粘合至膜的一面形成催化层；

(4)将一侧带有催化层的膜的一端送入转印辊与加热辊的贴合处，并且令带有催化层的一侧朝向加热辊，重复步骤(3)，使膜的另一面也形成催化层；

(5)对两面都带有催化层的膜进行热压处理，使催化层固化。

9.权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备得到的燃料电池膜电极催化层，其特征在于：

所述膜电极催化层由表面包覆有催化剂颗粒的树脂颗粒相互粘合堆积而成，在树脂颗粒之间具有交错的孔道结构。

10.权利要求9所述的燃料电池膜电极催化层在膜电极中的应用。

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