一种燃料电池膜电极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池膜电极的制备方法，包括：采用喷涂法将第一催化剂浆料喷涂于质子交换膜的A面；将第二催化剂浆料涂布于转印介质上，并进行干燥处理；将干燥后的转印介质与喷涂第一催化剂浆料的质子交换膜贴合，其中转印介质喷涂有第二催化剂的一面朝向质子交换膜未被喷涂的B面，在质子交换膜被喷涂第一催化剂浆料的A面覆上保护膜，采用热转印工艺，热压后剥离转印介质即得到燃料电池膜电极。本发明专利技术先喷涂后转印避免了单一超声喷涂法中不易翻转铺膜，以及质子交换膜容易卷翘的问题，提高了生产效率，避免了单一转印法中催化层与质子交换膜界面电阻较大的问题，降低了欧姆阻抗损失。

Preparation of membrane electrode for fuel cell

The invention discloses a preparation method of fuel cell membrane electrode, which comprises: spraying the first catalyst slurry on the A-side of the proton exchange membrane by spraying method; coating the second catalyst slurry on the transfer medium and drying treatment; binding the dried transfer medium with the proton exchange membrane sprayed with the first catalyst slurry, wherein the transfer medium is sprayed with the second catalyst One side is facing the B side of the proton exchange membrane which is not sprayed, and the a side of the proton exchange membrane which is sprayed with the first catalyst slurry is covered with a protective film. After hot pressing, the transfer medium is peeled off to obtain the fuel cell membrane electrode. The invention avoids the problems that the single ultrasonic spraying method is not easy to turn over and lay the membrane, and the proton exchange membrane is easy to roll up, improves the production efficiency, avoids the problem that the interface resistance between the catalytic layer and the proton exchange membrane is large in the single transfer printing method, and reduces the ohmic impedance loss.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池膜电极的制备方法
本专利技术涉及一种燃料电池膜电极的制备方法，属于燃料电池膜电极

技术介绍
近几年质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCells,PEMFC)作为一种新型的清洁能源，由于其低污染甚至是无污染性被全球广泛关注。而PEMFC的核心部件膜电极(MembraneElectrodeAssembly,MEA)，是燃料电池发生氧化还原的主要场所，也是研究者们研究的重点，特别是对其制作工艺的研究。按照结构不同的特点，传统的膜电极制备方法可以分为GDE法(GasDiffusionElectrode,GDE)和CCM法(CatalystCoatedMembrane,CCM)。所谓GDE法主要是将催化剂浆料涂到气体扩散层上形成催化剂层，然后通过热压工艺将GDE与质子交换膜结合在一起制成MEA。但是该工艺制备的膜电极界面电阻较大，不利于质子传导，而且催化剂颗粒可能堵塞扩散层中的孔隙，影响气体的扩散，增加传质阻力，从而降低电池性能。目前普遍采用的是CCM法，即在质子交换膜上形成催化剂层，再与气体扩散层结合形成MEA。该方法制备的膜电极孔隙率较大，有利于气体扩散，可以提高催化剂的利用率，而且制备的催化剂层与质子交换膜接触紧密，从而提高了质子传导性。采用直接喷涂法制备膜电极，喷涂效率低，制备时间长，而且对于较薄的质子交换膜，在除去保护层后容易褶皱，喷涂前的铺膜花费时间较长，所以目前喷涂法只能用于小规模的生产和研发，不利于批量化生产。另外，喷涂法制备的催化层较为疏松，随着膜电极的使用，催化层容易脱落，严重影响电池的使用寿命。采用转印法制备膜电极，催化层与质子交换膜界面电阻较大，而且涂布干燥后再热压会使催化层更为密实，降低了催化剂层的孔隙率，进而影响膜电极的性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种燃料电池膜电极的制备方法，先喷涂后转印避免了单一超声喷涂法中不易翻转铺膜，以及质子交换膜容易卷翘的问题，提高了生产效率，避免了单一转印法中催化层与质子交换膜界面电阻较大的问题，降低了欧姆阻抗损失。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征是，包括：采用喷涂法将第一催化剂浆料喷涂于质子交换膜的A面；将第二催化剂浆料涂布于转印介质上，并进行干燥处理；将干燥后的转印介质与喷涂第一催化剂浆料的质子交换膜贴合，其中转印介质喷涂有第二催化剂的一面朝向质子交换膜未被喷涂的B面，在质子交换膜被喷涂第一催化剂浆料的A面覆上保护膜，采用热转印工艺，热压后剥离转印介质即得到燃料电池膜电极。进一步地，所述第一催化剂浆料的配制方法是：将催化剂、去离子水、5％Nafion溶液和溶剂混合，其中催化剂、去离子水、5％Nafion溶液以及溶剂之间质量比为1:1~20:2~15:20~50；经过超声剪切处理0.5~1h得到所需的第一催化剂浆料。进一步地，所述第二催化剂浆料的配制方法是：将催化剂、分散剂、5％Nafion溶液和粘结剂混合，其中催化剂、分散剂、5％Nafion溶液和粘结剂之间质量比为1:1~12:2~15:0.2~5；经过超声搅拌处理1~16h得到所需的第二催化剂浆料。进一步地，所述第一催化剂浆料和第二催化剂浆料中的催化剂为Pt、Ru、Ir、Pd、Co、Ni、Fe、Mn中的一种，或多种金属形成的合金或金属间化合物，所述催化剂的载体为炭黑、活性炭、石墨烯中的一种或多种。进一步地，所述溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、甘油中的一种或多种。进一步地，所述分散剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或多种，所述粘结剂为乙二醇、丙三醇、聚乙二醇、乙酸丁酯中的一种或多种。进一步地，喷涂第一催化剂浆料的设备为超声喷涂仪器，第一催化剂浆料的载量为0.05~0.70mg/cm2，喷涂面A面为阳极或阴极。进一步地，将第二催化剂浆料涂覆到转印介质上通过丝网印刷、刮刀涂布或狭缝涂布的方法，第二催化剂浆料的载量为0.05~0.70mg/cm2。进一步地，所述转印介质为聚四氟乙烯膜、离型膜、聚酰亚胺膜、锡箔纸中的一种。进一步地，所述干燥温度为60~140℃，干燥时间为10~180min，热转印温度为80~150℃，热压时间为1~5min，热压压力为50~140Kg/cm2。本专利技术所达到的有益效果：1.先喷涂后转印避免了单一超声喷涂法中不易翻转铺膜，以及质子交换膜容易卷翘的问题，提高了生产效率。2.本专利技术相对于单一超声喷涂法，一面喷涂一面转印减少了喷涂次数，进而降低了喷涂过程中因溅射导致的催化剂浆料浪费，降低了生产成本。3.喷涂法制备的膜电极催化剂颗粒排列疏松，随着膜电极的使用，催化层容易脱落。本专利技术CCM制备过程中采用热压工艺，先喷涂后转印使得喷涂上的催化层经过热压后更为紧密，避免了上述问题的发生。4.本专利技术相对于单一热转印法，阴极采用喷涂法避免了催化层与质子交换膜界面电阻较大的问题，降低了欧姆阻抗损失。附图说明图1是实施例1、实施例2、对比例1、对比例2和对比例3的膜电极组装单电池的性能比较图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。第一催化剂浆料的配制：在第一烧杯中称取一定量的Pt/C催化剂，其中Pt质量含量为60%，然后加入去离子水。在第二烧杯中称取一定量5％Nafion溶液（DuPont公司生产）和异丙醇溶液，在冰水浴超声条件下，将第二烧杯中的溶液逐滴滴入到第一烧杯中，最后用异丙醇进行定容。然后进行超声，高速剪切以及细胞破碎各处理10min，其中浆料中催化剂、5％Nafion溶液以及溶剂之间质量比为1:8:50。第二催化剂浆料的配制：称取一定量的Pt/C催化剂，其中Pt质量含量为40%，将其置于去离子水中，然后加入5％Nafion溶液（DuPont公司生产）和异丙醇溶液，置于冰水浴中超声30mim，然后再加入乙二醇，机械搅拌6h。其中催化剂、异丙醇、5％Nafion溶液以及乙二醇之间质量比为1:6:10:4。【实施例1】：喷涂法制备CCM阴极：裁取大小合适的质子交换膜，喷涂面朝上置于超声喷涂仪的加热平台上，打开真空泵将质子交换膜平整吸附，然后喷涂第一催化剂浆料，控制Pt载量为0.48mg/cm2，只进行质子交换膜单面喷涂。刮刀涂布：取50μm厚的PTFE膜，在涂覆浆料前，用无水乙醇对转印介质进行清洗。清洗完干燥后将转印介质吸附在真空平台上，并采用刮刀涂布设备将第二催化剂浆料涂覆到转印介质上，设置涂布机刮刀涂布厚度和涂布速度使Pt载量控制在0.20mg/cm2，涂覆完成后进行干燥处理。转印法制备CCM阳极：将涂覆干燥后的转印介质与上述只喷涂一面的质子交换膜贴合，其中转印介质有催化剂层的一面朝向质子交换膜未喷涂的一面，在质子交换膜喷涂的一面覆上保护膜。在120℃，压力1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征是，包括：/n采用喷涂法将第一催化剂浆料喷涂于质子交换膜的A面；/n将第二催化剂浆料涂布于转印介质上，并进行干燥处理；/n将干燥后的转印介质与喷涂第一催化剂浆料的质子交换膜贴合，其中转印介质喷涂有第二催化剂的一面朝向质子交换膜未被喷涂的B面，在质子交换膜被喷涂第一催化剂浆料的A面覆上保护膜，采用热转印工艺，热压后剥离转印介质即得到燃料电池膜电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征是，包括：
采用喷涂法将第一催化剂浆料喷涂于质子交换膜的A面；
将第二催化剂浆料涂布于转印介质上，并进行干燥处理；
将干燥后的转印介质与喷涂第一催化剂浆料的质子交换膜贴合，其中转印介质喷涂有第二催化剂的一面朝向质子交换膜未被喷涂的B面，在质子交换膜被喷涂第一催化剂浆料的A面覆上保护膜，采用热转印工艺，热压后剥离转印介质即得到燃料电池膜电极。


2.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征是，所述第一催化剂浆料的配制方法是：将催化剂、去离子水、5％Nafion溶液和溶剂混合，其中催化剂、去离子水、5％Nafion溶液以及溶剂之间质量比为1:1~20:2~15:20~50；经过超声剪切处理0.5~1h得到所需的第一催化剂浆料。


3.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征是，所述第二催化剂浆料的配制方法是：将催化剂、分散剂、5％Nafion溶液和粘结剂混合，其中催化剂、分散剂、5％Nafion溶液和粘结剂之间质量比为1:1~12:2~15:0.2~5；经过超声搅拌处理1~16h得到所需的第二催化剂浆料。


4.根据权利要求2或3所述的一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征是，所述第一催化剂浆料和第二催化剂浆料中的催化剂为Pt、Ru、Ir、Pd、Co、Ni、Fe、Mn中的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丹，刘建国，黄林，吴聪萍，邹志刚，麦立强，田娟，贾爽，周亮，
申请(专利权)人：南京大学昆山创新研究院，昆山桑莱特新能源科技有限公司，南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32