CN117059849A - 一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 - Google Patents
一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117059849A CN117059849A CN202311212534.6A CN202311212534A CN117059849A CN 117059849 A CN117059849 A CN 117059849A CN 202311212534 A CN202311212534 A CN 202311212534A CN 117059849 A CN117059849 A CN 117059849A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- proton exchange
- exchange membrane
- membrane electrode
- fuel cell
- microporous layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 112
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 title claims abstract description 25
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims abstract description 32
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 41
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 33
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 33
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 30
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 27
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 21
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 19
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 16
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 14
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 13
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 10
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 10
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 10
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 10
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 9
- 239000006258 conductive agent Substances 0.000 claims description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 6
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 claims description 6
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 6
- 159000000000 sodium salts Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 5
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 4
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 3
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 3
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 3
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 claims description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 2
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims description 2
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 claims description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 2
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- 238000010023 transfer printing Methods 0.000 claims description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 abstract description 11
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 7
- 238000012795 verification Methods 0.000 abstract description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 3
- 238000011981 development test Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 10
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 7
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 3
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L potassium sulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S([O-])(=O)=O OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052939 potassium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011151 potassium sulphates Nutrition 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0223—Composites
- H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0241—Composites
- H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
本发明提供一种质子交换膜燃料电池膜电极，包括质子交换膜，质子交换膜上表面设置阳极催化层，质子交换膜下表面设置阴极催化层，阳极催化层远离质子交换膜的一侧设置阳极微孔层，阴极催化层远离质子交换膜的一侧设置阴极微孔层。本发明微孔层直接成型，减少了对碳纸的需求，降低成本；不涉及带碳纸的热压加工，避免催化层与质子交换膜、或催化层与微孔层之间接触不充分的问题，优化了膜电极内的接触电阻；催化层与质子交换膜接触紧密，并提前激活了三相反应区，在膜电极的制备过程中同步实现了电池的预活化，该步骤一方面降低了膜电极开发时测试时的活化需求，提高开发测试验证的效率；另一方面降低后端电堆、系统的验证和使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种能够直接将氢气的化学能转化为电能的能量转换装置，具备清洁、高效等优点，可广泛应用于汽车、发电站、便携式电源等领域；质子交换膜燃料电池的核心部件为膜电极（MEA），占据了质子交换膜燃料电池的主要成本，并直接决定了质子交换膜燃料电池的性能和耐久；膜电极制备方法有两种主流路线，气体扩散电极(GDE)式和催化剂涂覆膜（CCM）式，两种方法的标志性差异在于催化层在制备时涂覆到气体扩散层还是质子交换膜上。
基于GDE的典型过程为：1）将基材碳纸或碳布疏水处理制备基底层（GDB）；2）制备微孔层（MPL）浆料并涂覆在GDB上制得气体扩散层（GDL）；3）制备催化剂浆料并在GDL上涂覆催化剂层（CL），制得气体扩散电极（GDE）；4）将阴阳极GDE和质子交换膜（PEM）热压封装得到MEA。
基于CCM的典型过程为：1）将基材碳纸或碳布疏水处理制备GDB；2）制备MPL浆料并涂覆在GDB上制得GDL；3）制备催化剂浆料并涂布到背膜上形成CL再转印到PEM上，或制备催化剂浆料并直涂到PEM上，制得CCM；4）将阴阳极GDL和CCM贴合封装得到MEA。
CCM方法的形成历史上，从将CL涂布到背膜上成型、再转印到PEM上，发展到将CL直接涂布到PEM上，为保证CL的完整转印，早期开发了预先将质子交换树脂钠型化处理后高温（150℃以上）转印、之后再氢型化的方式。
GDE式的电池结构在MEA热压成型时，多孔疏松的GDL部分为主要承压，GDL结构受到不可逆的破坏；且CL无法充分的贴合到PEM上，影响三相反应区的形成，从而对电池设计和使用造成负面影响。
CCM方法在MEA成型时，如果CCM与GDL选择热压贴合，会造成GDL的受压变形；如果选择不加压直接贴合封装，会影响CL和MPL的接触。质子交换膜燃料电池CL和MPL的接触对电池性能具备很大的影响；如果CL-MPL界面接触较差，会导致欧姆电阻急剧上升；且该界面之间若因未充分贴合而具有间隙的话，可能导致液态水在界面间隙之间积累，阻碍气体传质进而影响电池性能。
发明内容
本发明的目的是在于克服、补充现有技术中存在的不足，提供一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法，改进膜电极制备结构和工艺，优化电池内接触，并更快的释放性能，最终实现在制造和使用中降低成本。
本发明采用的技术方案是：
一种质子交换膜燃料电池膜电极，其中：包括质子交换膜，所述质子交换膜上表面设置阳极催化层，所述质子交换膜下表面设置阴极催化层，所述阳极催化层远离质子交换膜的一侧设置阳极微孔层，所述阴极催化层远离质子交换膜的一侧设置阴极微孔层。
优选的是，所述的质子交换膜燃料电池膜电极，其中：所述阳极微孔层和阴极微孔层的厚度均为40~100μm。
一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其中：所述制备方法包括以下步骤：
S1.制备催化层浆料，并在质子交换膜的上表面涂覆催化层浆料形成阳极催化层，在质子交换膜的下表面涂覆催化层浆料形成阴极催化层，得到催化剂涂覆膜；
S2.将步骤S2制得的催化剂涂覆膜钠型化处理，得到钠型化涂覆膜；
S3.制备微孔层浆料，将微孔层浆料涂覆在钠型化涂覆膜两侧制备阳极微孔层和阴极微孔层，随后干燥、烧结，得到钠型化膜电极；
S4.将钠型化膜电极煮制使得膜电极恢复氢型化，干燥得到质子交换膜燃料电池膜电极。
优选的是，所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其中：步骤S1中催化层浆料包括电催化剂、质子交换树脂、添加剂与溶剂；催化层浆料通过转印涂布或直涂在质子交换膜的表面。
优选的是，所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其中：步骤S2中钠型化处理具体为：将催化剂涂覆膜放入钠盐溶液中浸泡0.1h-2h，控制钠盐溶液的温度为室温～100℃，钠盐溶液为氯化钠水溶液或硫酸钠水溶液，质量浓度为1%~10%。
优选的是，所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其中：步骤S3中微孔层浆料包括导电剂、疏水剂、造孔剂和溶剂，导电剂、疏水剂、造孔剂占微孔层浆料中总质量的5-25%，所述溶剂占微孔层浆料中总质量的75-95%，按微孔层浆料固体含量的质量百分数计，微孔层浆料包括50-80%导电剂、20~45%疏水剂、0.5-5%造孔剂，所述导电剂选自碳纳米管、石墨、石墨烯、纳米碳纤维、导电炭黑、活性炭中的一种或几种；所述疏水剂选自聚偏氟乙烯PVDF或聚偏氟乙烯的共聚物；所述造孔剂为水溶性盐，所述溶剂选自水、乙二醇、异丙醇、正丙醇、乙醇中一种或几种。
优选的是，所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其中：水溶性盐选自Na2CO3、Na2SO4、K2CO3或K2SO4中的一种或几种。
优选的是，所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其中：步骤S3中干燥温度为50-80℃，干燥时间为5-30min后，烧结温度为150-180℃，烧结时间为5-60min。
优选的是，所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其中：步骤S4中膜电极恢复氢型化具体为：将钠型化膜电极放入稀硫酸溶液中浸泡，再放入水中清洗，最后干燥。
优选的是，所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其中：所述稀硫酸浸泡条件为：浸泡温度为60℃～100℃，浸泡时间为0.5h～2h，稀硫酸的质量浓度为1%~10%；清洗温度为80℃到100℃，清洗时间为0.5h-2h；干燥温度为60℃到100℃，干燥时间为0.3h-0.6h。
本发明的优点：
本发明的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，微孔层直接成型，减少了对碳纸的需求，降低成本；不涉及带碳纸的热压加工，避免催化层与质子交换膜、或催化层与微孔层之间接触不充分的问题，优化了膜电极内的接触电阻；催化层与质子交换膜接触紧密，并提前激活了三相反应区，在膜电极的制备过程中同步实现了电池的预活化，该步骤一方面降低了膜电极开发时测试时的活化需求，提高开发测试验证的效率；另一方面降低后端电堆、系统的验证和使用成本。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为实施例1组装单电池和对比例1贴上商用GDL组装单电池后的电池性能对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其中：所述制备方法包括以下步骤：
S1.称取1克60%Pt/C催化剂（英国庄信公司）置于50mL烧杯中，加入12.5mL去离子水，搅拌分散；量取5mL异丙醇，11mL质量分数为5%的Nafion溶液和55mg聚乙烯醇混合均匀，超声10min分散得到催化剂浆料，用超声喷涂的方式将催化剂浆料喷涂到面积为25cm2的质子交换膜的正反面，烘干，得到催化剂涂覆膜；
S2.将催化剂涂覆膜浸入5%的Na2SO4溶液，80℃煮制2h得到钠型化涂覆膜；
S3.将200g去离子水、21gXC-72炭黑、30g质量分数为30%的水性PVDF乳液及1g硫酸钠混合在一起，机械搅拌2h，形成均匀一致的微孔层浆料，将微孔层浆料喷涂在钠型化涂覆膜两侧制备阳极微孔层和阴极微孔层，喷涂后在70℃烘箱干燥0.5h后，160℃焙烧30min，降温后取出，得到钠型化膜电极；
S4.将钠型化膜电极放在80℃、5%的硫酸溶液中煮制2h，随后放入去离子水中80℃煮制2h，然后干燥，微孔层中PVDF含量为30%，载量为5mg/cm2，厚度为60μm，得到质子交换膜燃料电池膜电极。
实施例2
一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其中：所述制备方法包括以下步骤：
S1.称取1克60%Pt/C催化剂（英国庄信公司）置于50mL烧杯中，加入12.5mL去离子水，搅拌分散；量取5mL异丙醇，11mL质量分数为5%的Nafion溶液和55mg聚乙烯醇混合均匀，超声10min分散得到催化剂浆料，用超声喷涂的方式将催化剂浆料喷涂到面积为25cm2的质子交换膜的正反面，烘干，得到催化剂涂覆膜；
S2.将催化剂涂覆膜浸入5%的Na2SO4溶液，80℃煮制2h得到钠型化涂覆膜；
S3.将200g去离子水、15g碳纳米管和6g石墨、18g质量分数为30%的水性PVDF乳液及1g硫酸钾混合在一起，砂磨15min，形成均匀一致的微孔层浆料，将微孔层浆料喷涂在钠型化涂覆膜两侧制备阳极微孔层和阴极微孔层，喷涂后在70℃烘箱干燥0.5h后，170℃焙烧25min，降温后取出，得到钠型化膜电极；
S4.将钠型化膜电极放在90℃、5%的硫酸溶液中煮制1.5h，随后放入去离子水中80℃煮制2h，然后干燥，微孔层中PVDF含量为20%，载量为10mg/cm2，厚度为100μm，得到质子交换膜燃料电池膜电极。
对比例1
称取1克60%Pt/C催化剂（英国庄信公司）置于50mL烧杯中，加入12.5mL去离子水，搅拌分散；量取5mL异丙醇，11mL质量分数为5%的Nafion溶液和55mg聚乙烯醇混合均匀，超声10min分散制得催化剂浆料，用超声喷涂的方式将催化剂浆料喷涂到面积为25cm2的质子交换膜的正反面，烘干，得到膜电极。
将实施例1组装单电池，将对比例1贴上商用GDL组装单电池；两个电池组装的电池放电活化半小时后，测试一组极化曲线；极化性能测试后，再放电活化2小时，并随后测试第二组极化曲线；放电活化剂极化测试的流程参照国标《GB/T 28817-2022 聚合物电解质燃料电池单电池测试方法》开展；测试结果如图2，由图可以看出，得益于制备时已经过水煮活化的步骤，按实施例1准备的单电池在半小时活化后即可达到较高的极化性能，比对比例制备的电池性能显著提高；经过后续进一步充分活化后，实施例与对比例的电池性能逐渐接近，可见，本发明的方法可以在制备时实现预活化，产品具有更快的活化效果，有利于后续下游应用产品的设计和使用。
本发明的一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法，微孔层直接成型，减少了对碳纸的需求，降低成本；不涉及带碳纸的热压加工，避免催化层与质子交换膜、或催化层与微孔层之间接触不充分的问题，优化了膜电极内的接触电阻；通过本制备方法制备的膜电极中，催化层与质子交换膜接触紧密，并提前激活了三相反应区，在膜电极的制备过程中同步实现了电池的预活化。该措施一方面降低了膜电极开发时测试时的活化需求，提高开发测试验证的效率；另一方面降低后端电堆、系统的验证和使用成本。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：包括质子交换膜，所述质子交换膜上表面设置阳极催化层，所述质子交换膜下表面设置阴极催化层，所述阳极催化层远离质子交换膜的一侧设置阳极微孔层，所述阴极催化层远离质子交换膜的一侧设置阴极微孔层。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述阳极微孔层和阴极微孔层的厚度均为40~100μm。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
S1.制备催化层浆料，并在质子交换膜的上表面涂覆催化层浆料形成阳极催化层，在质子交换膜的下表面涂覆催化层浆料形成阴极催化层，得到催化剂涂覆膜；
S2.将步骤S2制得的催化剂涂覆膜钠型化处理，得到钠型化涂覆膜；
S3.制备微孔层浆料，将微孔层浆料涂覆在钠型化涂覆膜两侧制备阳极微孔层和阴极微孔层，随后干燥、烧结，得到钠型化膜电极；
S4.将钠型化膜电极煮制使得膜电极恢复氢型化，干燥得到质子交换膜燃料电池膜电极。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤S1中催化层浆料包括电催化剂、质子交换树脂、添加剂与溶剂；催化层浆料通过转印涂布或直涂在质子交换膜的表面。
5.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤S2中钠型化处理具体为：将催化剂涂覆膜放入钠盐溶液中浸泡0.1h-2h，控制钠盐溶液的温度为室温～100℃，钠盐溶液为氯化钠水溶液或硫酸钠水溶液，质量浓度为1%~10%。
6.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤S3中微孔层浆料包括导电剂、疏水剂、造孔剂和溶剂，导电剂、疏水剂、造孔剂占微孔层浆料中总质量的5-25%，所述溶剂占微孔层浆料中总质量的75-95%，按微孔层浆料固体含量的质量百分数计，微孔层浆料包括50-80%导电剂、20~45%疏水剂、0.5-5%造孔剂，所述导电剂选自碳纳米管、石墨、石墨烯、纳米碳纤维、导电炭黑、活性炭中的一种或几种；所述疏水剂选自聚偏氟乙烯PVDF或聚偏氟乙烯的共聚物；所述造孔剂为水溶性盐，所述溶剂选自水、乙二醇、异丙醇、正丙醇、乙醇中一种或几种。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：水溶性盐选自Na2CO3、Na2SO4、K2CO3或K2SO4中的一种或几种。
8.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤S3中干燥温度为50-80℃，干燥时间为5-30min后，烧结温度为150-180℃，烧结时间为5-60min。
9.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤S4中膜电极恢复氢型化具体为：将钠型化膜电极放入稀硫酸溶液中浸泡，再放入水中清洗，最后干燥。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述稀硫酸浸泡条件为：浸泡温度为60℃～100℃，浸泡时间为0.5h～2h，稀硫酸的质量浓度为1%~10%；清洗温度为80℃到100℃，清洗时间为0.5h-2h；干燥温度为60℃到100℃，干燥时间为0.3h-0.6h。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311212534.6A CN117059849A (zh) | 2023-09-20 | 2023-09-20 | 一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311212534.6A CN117059849A (zh) | 2023-09-20 | 2023-09-20 | 一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117059849A true CN117059849A (zh) | 2023-11-14 |
Family
ID=88653736
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311212534.6A Pending CN117059849A (zh) | 2023-09-20 | 2023-09-20 | 一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117059849A (zh) |
-
2023
- 2023-09-20 CN CN202311212534.6A patent/CN117059849A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1704609B1 (en) | Gas diffusion electrodes and membrane electrode assemblies for proton exchange membrane fuel cells | |
| CN113517449B (zh) | 一种膜电极组件及制备方法 | |
| CN111063925B (zh) | 催化剂涂覆膜、燃料电池及制备方法 | |
| CN110890553A (zh) | 一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 | |
| CN102496726B (zh) | 质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法和质子交换膜燃料电池膜电极成型夹具 | |
| CN111261878A (zh) | 含水凝胶的催化剂浆料及制得的催化层和燃料电池电极 | |
| CN110289420A (zh) | 一种pem燃料电池膜电极的制备方法 | |
| CN112909267A (zh) | 一种质子交换膜燃料电池用mea及其制备方法 | |
| CN109786762A (zh) | 一种梯度亲疏水/气空气电极的结构及其制备方法 | |
| CN110416581B (zh) | 一种阳极液流均相催化燃料电池及其制备方法 | |
| CN108767297B (zh) | 一种燃料电池膜电极的制备方法 | |
| CN110943233A (zh) | 一种高效燃料电池铂基催化剂的制备方法 | |
| US9520610B2 (en) | Method of manufacturing 5-layer MEA having improved electrical conductivity | |
| CN113555568A (zh) | 一种膜电极及其制备方法 | |
| CN117691124A (zh) | 一种质子交换膜燃料电池低铂膜电极及其制备方法 | |
| CN113839051A (zh) | 一种电化学发电反应电极的制备方法 | |
| CN115986136A (zh) | 一种燃料电池ccm电极、其制备方法及膜电极 | |
| CN117059849A (zh) | 一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 | |
| CN115441023A (zh) | 一种燃料电池用膜电极及制备方法 | |
| CN115332560A (zh) | 一种单边框膜电极结构的封装方法 | |
| CN210516886U (zh) | 低Pt载量膜电极 | |
| CN108011120B (zh) | 一种膜电极的制备方法 | |
| KR100705553B1 (ko) | 연료전지용 막전극접합체의 수소이온교환막 상에 촉매층을형성시키는 방법 | |
| KR102633027B1 (ko) | 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법 및 이로부터 제조된 고분자 전해질 연료전지 | |
| CN108011109B (zh) | 一种膜电极的制备方法和燃料电池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |