CN109921033B - 一种燃料电池膜电极的制备方法 - Google Patents

一种燃料电池膜电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池膜电极的制备方法，所述的制备方法具备以下工序：(a)将阴极催化剂浆液和阳极催化剂浆液分别涂覆于平板状带有微孔层的气体扩散层的微孔层一侧表面上，干燥后形成阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极；(b)将电解质涂覆于上述(a)步骤得到的阴极气体扩散电极和/或阳极气体扩散电极的催化剂一侧表面上；(c)将(b)步骤得到的阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极分别置于支撑材料的二侧，阴极气体扩散电极或阳极气体扩散电极电解质涂覆一侧表面或催化剂一侧表面面向支撑材料，并与平板状支撑材料贴合成一体，形成膜电极。这种新工艺兼顾CCM和GDE工艺的优点，可以显著提高膜电极的性能和寿命，同时具有较低的生产成本。

Description

一种燃料电池膜电极的制备方法
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的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高，环境友好等特点，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。
膜电极是电化学反应发生的场所，在此燃料中的化学能直接转化为电能。膜电极通常由阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极气体扩散层这五层结构堆叠形成。膜电极的制备方法分为催化剂涂覆于质子交换膜上(CCM工艺)和催化剂涂覆于气体扩散层上(GDE工艺)两种。CCM工艺的主要优点在于具有优异的质子交换膜和催化层界面结构，放电性能较高；缺点在于工艺实现难度高，生产效率低，这主要是由于质子交换膜的操作性决定的，全氟磺酸树脂在水或醇溶液的作用下，很容易发生溶胀，涂覆过程中体积变大造成缺陷较多，浸酸的聚苯并咪唑膜中含有大量磷酸，催化剂无法在膜上涂覆。GDE工艺的主要优点是基底的涂覆操作性较好，不会在涂布过程中体积变化，因此形成的催化层质量较高，其主要问题是质子交换膜和催化层界面要依靠后期热压操作构建，导致性能和稳定性较差。目前，现有技术的改性主要集中于这两种工艺上，不能兼顾性能和生产效率与质量这两个方面。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足,目的在于提供一种燃料电池膜电极的制造方法。结合CCM工艺和GDE工艺的优点，首先利用GDE工艺实现催化层的高质量高速度制备，随后在GDE电极表面涂覆一层电解质构建性能优异的催化层和电解质膜界面，最后再通过压合工艺完成膜电极制备。这种新工艺兼顾CCM和GDE工艺的优点，可以显著提高膜电极的性能和寿命，同时具有较低的生产成本。
本发明采用以下技术方案来实现:
一种燃料电池膜电极的制备方法，所述的制备方法具备以下工序：
(a)将阴极催化剂浆液和阳极催化剂浆液分别涂覆于平板状带有微孔层的气体扩散层的微孔层一侧表面上，干燥后形成阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极；
(b)将电解质涂覆于上述(a)步骤得到的阴极气体扩散电极和/或阳极气体扩散电极的催化剂一侧表面上；
(c)将(b)步骤得到的阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极分别置于支撑材料的二侧，阴极气体扩散电极或阳极气体扩散电极电解质涂覆一侧表面或催化剂一侧表面面向支撑材料，并与平板状支撑材料贴合成一体，形成膜电极。根据该制造方法，制备得到的膜电极兼顾CCM和GDE工艺两种方法的优点，具有优异的电解质膜和催化层界面，同时兼具良好的生产操作性。这样使得膜电极的性能和寿命提高的同时，具有较低的生产成本。
其中所述工序(a)中的涂覆工艺为喷涂法、涂布法、丝网印刷法中的一种或几种。
根据该制造方法，进一步明确了涂覆工艺，有利于得到高质量的催化层涂层，进而提高膜电极的性能、寿命和一致性。
当涂覆工艺为喷涂法时，浆液的参数优选为粘度小于100mPas，浆液的固含量小于5％，浆液组分中溶剂包含水、乙二醇、丙二醇、正丙醇、异丙醇、乙醇中的任意一种或二种以上；工艺参数的优选为催化剂单次喷涂量为0.025-0.25mgcm-2，喷涂次数为两次及三次以上。
根据该制造方法，对涂覆工艺为喷涂法时，进行浆液参数和工艺参数进行了优化研究，有利于进一步提高喷涂工艺的质量，避免催化层裂纹的产生，构筑优异的催化层和微孔层界面，对于喷涂工艺也有较好的操作性，进而提高膜电极的性能、寿命和一致性。
当涂覆工艺为涂布法和丝网印刷法时，浆液的参数优选为粘度范围800-5000mPas，浆液的固含量为5％-50％，浆液组分采用的溶剂中包含水、乙二醇、丙二醇、正丙醇、异丙醇、乙醇中的任意一种或二种以上；工艺参数的优选为催化剂单次施加量为0.1-8mgcm-2，涂布次数为一次及两次以上。
根据该制造方法，对涂覆工艺为涂布法和丝网印刷法时，进行了浆液参数和工艺参数的优化，有利于提高生产效率，构建优异的催化层和微孔层界面，这两种方法构建的催化层具有平整特性，降低催化层刺穿质子交换膜造成电极内串的可能性，有利于进一步提高膜电极的性能、寿命和一致性。
浆液参数的更优选方案为粘度范围2000-4000mPas，浆液组分中不包含离聚物，浆液的温度为40-80℃。根据该制造方法，浆液的粘度的进一步优化有助于解决催化剂渗透的问题，当浆液的粘度较高时，催化剂不容易渗透到气体扩散层的微孔层内，具有较高的催化剂利用效率，这样的粘度下浆液的流平性较好，催化层质量较高。催化层中不含离聚物时，催化层中会形成空隙结构，这些空隙结构可以部分作为反应时气体高速传输的通道，还有部分会被下一工序中的电解质部分填充，有利于离子导电网络的形成，提高电极性能。浆液温度的调节有助于在浆液中不含离聚物得到高质量的催化层，较高的浆液温度会抑制浆液干燥过程中的应力不平衡现象，减少催化层形成大尺寸龟裂的比例。
其中所述工序(b)中的电解质为全氟磺酸树脂乳液，热熔挤出的全氟磺酸树脂，磷酸、聚苯并咪唑和二甲基乙酰胺三种物质的混合物(质量比为1:0.01-1:1-50)，磷酸溶液中的一种。根据该制造方法，对工序(b)中的电解质进行明细，使得该制备方法可以应用于质子交换膜燃料电池和高温质子交换膜燃料电池膜电极中。
其中所述的全氟磺酸树脂乳液的粘度优选范围为1000-5000mPas。
根据该制造方法，对全氟磺酸树脂乳液的粘度进行优化，在该粘度范围内，有利于得到较高质量的质子交换膜，降低质子交换膜涂布不均匀的概率，避免内串现象的发生。
其中所述的磷酸、聚苯并咪唑和二甲基乙酰胺三种物质的混合物粘度优选范围为1000-5000mPas。
根据该制造方法，对磷酸、聚苯并咪唑和二甲基乙酰胺三种物质的混合物粘度进行优化，在该粘度范围内，有利于得到较高质量的高温质子交换膜，降低质子交换膜涂布不均匀的概率，避免内串现象的发生。
当浆液参数的更优选方案为粘度范围2000-4000mPas，浆液组分中不包含离聚物，浆液的温度为40-80℃时，其中所述工序(b)中的电解质为全氟磺酸树脂乳液，热熔挤出的全氟磺酸树脂，磷酸、聚苯并咪唑和二甲基乙酰胺三种物质的混合物，磷酸溶液中的一种，其中全氟磺酸树脂乳液，磷酸、聚苯并咪唑和二甲基乙酰胺三种物质的混合物的粘度优选范围为50-1000mPas。
根据该制造方法，电解质溶液的粘度进行了优选，该粘度的电解质会有部分渗透到催化层电极的孔内，有助于催化层离子导电网络的形成，进而提高膜电极的性能和寿命。
其中工序(c)中的支撑材料为多孔聚四氟乙烯、多孔聚偏氟乙烯、多孔聚酰亚胺、多孔聚苯并咪唑、聚对苯二甲酸乙二醇酯、多孔聚乙烯、全氟磺酸树脂、聚苯并咪唑中的一种。
根据该制造方法，对支撑材料进行了优选，这些支撑材料具有优异的稳定性，其中聚酰亚胺材料、聚苯并咪唑材料具有优异的热稳定性，可以满足高温质子交换膜燃料电池的使用要求。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明的一种燃料电池膜电极的制造方法，以及燃料电池。
实施例1
一种燃料电池膜电极的制备方法，所述的制备方法具备以下工序：
(a)将阴极催化剂浆液和阳极催化剂浆液分别涂覆于平板状带有微孔层的气体扩散层的微孔层一侧表面上，干燥后形成阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极；
(b)将电解质涂覆于上述(a)步骤得到的阴极气体扩散电极和/或阳极气体扩散电极的催化剂一侧表面上；
(c)将(b)步骤得到的阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极分别置于支撑材料的二侧，阴极气体扩散电极或阳极气体扩散电极电解质涂覆一侧表面或催化剂一侧表面面向支撑材料，并与平板状支撑材料贴合成一体，形成膜电极。
对比实施例1
一种燃料电池膜电极的制备方法，所述的制备方法具备以下工序：
(a)将阴极和阳极催化剂浆液分别涂覆于带有微孔层的气体扩散层上，干燥后形成阴极和阳极气体扩散电极；
(b)将(a)步骤得到的气体扩散电极与电解质膜贴合成一体，形成膜电极。
对比实施例2
一种燃料电池膜电极的制备方法，所述的制备方法具备以下工序：
(a)将阴极和阳极催化剂浆液分别涂覆于质子交换膜上，得到CCM电极；
(b)将(a)步骤得到的CCM电极与气体扩散层贴合成一体，形成膜电极。
利用相同的电解质、催化剂浆液和气体扩散层，其中电解质为全氟磺酸树脂；催化剂浆液为Pt/C(Pt含量50wt.％)催化剂分散于丙醇和水的混合溶剂中(质量比为1:1)，离聚物为全氟磺酸树脂(与Pt/C质量比为1：2)，总固含量为15％；气体扩散层为碳纤维纸。最大可能的确保膜电极使用原材料、工艺参数和设备相同，制备不少于100片的膜电极，并对其性能进行对比，结果如下表所示：
工艺 性能 寿命 生产效率 内串失效概率
实施例1 100％ 100％ 100％ 0％
对比实施例1 57％ 78％ 112％ 3％
对比实施例2 98％ 93％ 83％ 1％
从上述对比结果可以看出，实施例1具有较好的技术优势。
实施例2
如实施例1所述的膜电极的制备方法，其中所述工序(a)中的涂覆工艺为喷涂法。
实施例3
如实施例1所述的膜电极的制备方法，其中所述工序(a)中的涂覆工艺为涂布法。
实施例4
如实施例1所述的膜电极的制备方法，其中所述工序(a)中的涂覆工艺为丝网印刷法。
实施例5
如实施例1所述的膜电极的制备方法，其中所述工序(a)中的涂覆工艺为先采用喷涂法、再采用涂布法。
实施例6
如实施例2所述的膜电极的制备方法，浆液的粘度为90mPas，浆液的固含量为4.7％，浆液组分中采用的溶剂包含水、乙二醇、正丙醇三种，质量比为1:1.2:1；工艺参数的优选为催化剂单次喷涂量为0.1mgcm-2，喷涂次数为5次。利用该工艺参数可以得到实施例2所述方法中的调变上述参数时，电极性能和成本、生产生产效率的正交最有值。
实施例7
如实施例3所述的膜电极的制备方法，浆液粘度的为5000mPas，浆液的固含量为50％，浆液组分中包含水、乙二醇、正丙醇三种，质量比为1:1.2:1；工艺参数的优选为催化剂单次施加量为0.13mgcm-2，涂布次数为2次。
实施例8
如实施例3所述的膜电极的制备方法，浆液粘度的为3000mPas，浆液的固含量为24％，浆液组分中包含水、乙二醇、正丙醇三种，质量比为1:1.2:1；工艺参数的优选为催化剂单次施加量为0.13mgcm-2，涂布次数为2次。利用该工艺参数可以得到实施例3所述方法中的调变上述参数时，电极性能和成本、生产生产效率的正交最有值。
实施例9
如实施例8所述的膜电极的制备方法，浆液组分中不包含离聚物，浆液的温度为60℃。利用该工艺参数制备得到的膜电极性能、一致性和成本综合指标比实施例8有了进一步提升。
实施例10
如实施例1所述的膜电极的制备方法，其中所述工序(b)中的电解质为热熔挤出的全氟磺酸树脂。
实施例11
如实施例1所述的膜电极的制备方法，其中所述的电解质为全氟磺酸树脂乳液，其粘度为2578mPas。
实施例12
如权利要求1所述的膜电极的制备方法，其中所述的电解质为磷酸、聚苯并咪唑和二甲基乙酰胺三种物质的混合物，其粘度为3452mPas。
实施例13
如实施例9所述的膜电极的制备方法，其中所述工序(b)中的电解质为全氟磺酸树脂乳液，粘度为117mPas。
实施例14
如实施例1所述的膜电极的制备方法，其中工序(c)中的支撑材料为多孔聚四氟乙烯。
实施例15
如实施例1所述的膜电极的制备方法，其中工序(c)中的支撑材料为多孔聚苯并咪唑。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述的制备方法具备以下工序：
（a）将阴极催化剂浆液和阳极催化剂浆液分别涂覆于平板状带有微孔层的气体扩散层的微孔层一侧表面上，干燥后形成阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极；
（b）将电解质涂覆于上述（a）步骤得到的阴极气体扩散电极和/或阳极气体扩散电极的催化剂一侧表面上；
（c）将（b）步骤得到的阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极分别置于支撑材料的二侧，阴极气体扩散电极或阳极气体扩散电极电解质涂覆一侧表面或催化剂一侧表面面向支撑材料，并与平板状支撑材料贴合成一体，形成膜电极。
2.如权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于：其中所述工序（a）中的涂覆工艺为喷涂法、涂布法、丝网印刷法中的一种或几种。
3.如权利要求2所述的膜电极的制备方法，其特征在于：当涂覆工艺为喷涂法时，浆液的参数为粘度小于100 mPas，浆液的固含量小于5%，浆液组分中溶剂包含水、乙二醇、丙二醇、正丙醇、异丙醇、乙醇中的任意一种或二种以上；工艺参数为催化剂单次喷涂量为0.025-0.25mgcm-2，喷涂次数为两次及三次以上。
4.如权利要求2所述的膜电极的制备方法，其特征在于：当涂覆工艺为涂布法和丝网印刷法时，浆液的参数为粘度范围800-5000mPas，浆液的固含量为5%-50%，浆液组分采用的溶剂中包含水、乙二醇、丙二醇、正丙醇、异丙醇、乙醇中的任意一种或二种以上；工艺参数为催化剂单次施加量为0.1-8mgcm-2，涂布次数为一次及两次以上。
5.如权利要求4所述的膜电极的制备方法，其特征在于：浆液参数的方案为粘度范围2000-4000mPas，浆液组分中不包含离聚物，浆液的温度为40-80℃。
6.如权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于：其中所述工序（b）中的电解质为全氟磺酸树脂乳液，热熔挤出的全氟磺酸树脂，磷酸、聚苯并咪唑和二甲基乙酰胺三种物质的混合物，磷酸溶液中的一种。
7.如权利要求6所述的膜电极的制备方法，其中所述的全氟磺酸树脂乳液的粘度范围为1000-5000mPas。
8.如权利要求6所述的膜电极的制备方法，其特征在于：其中所述的磷酸、聚苯并咪唑和二甲基乙酰胺三种物质的混合物粘度范围为1000-5000mPas。
9.如权利要求5所述的膜电极的制备方法，其特征在于：其中所述工序（b）中的电解质为全氟磺酸树脂乳液，热熔挤出的全氟磺酸树脂，磷酸、聚苯并咪唑和二甲基乙酰胺三种物质的混合物，磷酸溶液中的一种，其中全氟磺酸树脂乳液，磷酸、聚苯并咪唑和二甲基乙酰胺三种物质的混合物的粘度范围为50-1000mPas。
10.如权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于：其中工序（c）中的支撑材料为多孔聚四氟乙烯、多孔聚偏氟乙烯、多孔聚酰亚胺、多孔聚苯并咪唑、聚对苯二甲酸乙二醇酯、多孔聚乙烯、全氟磺酸树脂、聚苯并咪唑中的一种。
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