一种使用冰模板法制备多孔膜电极的方法技术

本发明专利技术公开了一种使用冰模板法制备多孔膜电极的方法，所述方法包括：S1将催化剂、粘结剂和分散溶剂混合，得到阴极和阳极催化剂浆料；S2将所述阴极催化剂浆料涂布于离型膜上，得到未干燥的阴极电极层；S3将所述电极层冷冻成型后进行真空冷冻干燥，得到干燥的阴极电极层；S4将所述阳极催化剂浆料涂布于离型膜上并烘干，得到干燥的阳极电极层；S5将所述阴极和阳极电极层转印至质子交换膜两侧形成膜电极。在S3中，使用冰颗粒作为模板，冰颗粒模板的去除通过所述真空冷冻干燥实现。所述溶剂包括去离子水和醇类溶剂。本发明专利技术采用冰颗粒作为模板，在质子交换膜燃料电池阴极电极层内造孔，构筑有序电极结构，降低传质阻力，提高电池性能。

A method for fabricating porous membrane electrodes using ice template

【技术实现步骤摘要】
一种使用冰模板法制备多孔膜电极的方法
本专利技术涉及燃料电池
，涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，尤其涉及一种使用冰模板法制备多孔膜电极的方法。
技术介绍
经济高速发展的今天，能源环境问题已经成为与人类生活息息相关的重要问题。质子交换膜燃料电池作为一种能量转换装置，通过氧化还原反应，在等温条件下直接将贮存在各种燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，具有能量转化效率高、环境友好、无噪音和可靠性高等特点，被视为未来汽车动力来源的终极解决方案。高昂的价格一直是阻碍燃料电池汽车大规模商业化的主要原因，究其根本，燃料电池汽车电堆成本主要来源于膜电极中普遍采用的铂基催化剂。然而，降低膜电极中铂基催化剂的使用量，不仅会增大电池的电化学极化，更会增大电池的浓差极化，在低铂或超低铂膜电极中，电极内部氧气扩散缓慢，传质问题突出，成为限制电池功率密度的注意因素。常见的改善传质问题的方法有调整浆料中的成分配比、改进膜电极成型工艺和添加造孔剂等，但前二者效果并不明显，而造孔剂常常难以去除并毒化催化剂颗粒，反而造成燃料电池性能下降。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种使用冰模板法制备多孔膜电极的方法，通过构筑有序电极结构，降低传质阻力，提高电池性能。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种使用冰模板法制备多孔膜电极的方法，所述方法包括：S1将催化剂、粘结剂和分散溶剂混合，搅拌后球磨分散；分别制得阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料；S2将所述阴极催化剂浆料涂布于离型膜上，得到未干燥的阴极电极层；S3将所述未干燥的阴极电极层冷冻成型后进行真空冷冻干燥，得到干燥的阴极电极层；S4将所述阳极催化剂浆料涂布于离型膜上并烘干，得到干燥的阳极电极层；S5将所述干燥的阴极电极层和干燥的阳极电极层热压转印至质子交换膜两侧形成膜电极。优选地，S1中所述分散溶剂为质量比为1:1～100的去离子水和醇类的混合溶剂。优选地，所述醇类选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇和叔丁醇中的至少一种。优选地，在S3中，所述冷冻成型时浆料中的水结冰形成冰颗粒模板；冰颗粒模板的去除通过所述真空冷冻干燥实现。优选地，在S1中，所述催化剂、粘结剂和分散溶剂的质量比为1:1～10:10～1000。优选地，S1中，所述催化剂选自碳担载的Pt催化剂、碳担载的Pt合金催化剂或碳担载的Pt单层催化剂。其中，Pt催化剂指的是纯Pt颗粒的催化剂；Pt单层催化剂指在一个非Pt的核外部沉积有一层单分子层Pt的催化剂。优选地，S1中所述粘结剂选自全氟磺酸离子树脂溶液和聚四氟乙烯溶液中的至少一种。优选地，S1中，所述催化剂浆料采用超声搅拌10-60分钟，然后使用球磨机进行分散1-24小时。优选地，S2和S4中所述涂布的方法分别选自喷涂法、丝网印刷法、流延成型法、刷涂法或狭缝压铸法。优选地，S3中所述冷冻成型的温度为-200℃～0℃，所述真空冷冻干燥的温度为-60℃～-40℃。优选地，S5中所述热压转印的温度为80℃～150℃，压力为1MPa～15MPa，时间为60s～600s。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术采用冰颗粒作为模板，在质子交换膜燃料电池阴极电极层内造孔，构筑有序电极结构，大幅降低传质阻力，提高电池性能；同时洁净的冰颗粒不会污染毒化催化剂，并能在真空冷冻干燥的条件下完全去除，保证了催化剂活性不受损害。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为实施例1制备的多孔膜电极的测试性能图；图2为对比例1制备的传统膜电极的测试性能图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。以下实施例提供了一种使用冰模板法制备多孔膜电极的方法，所述制备方法包括：S1将催化剂、粘结剂和分散溶剂混合，搅拌后球磨分散；分别制得阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料；S2将所述阴极催化剂浆料涂布于离型膜上，得到未干燥的阴极电极层；S3将所述未干燥的阴极电极层冷冻成型后进行真空冷冻干燥，得到干燥的阴极电极层；S4将所述阳极催化剂浆料涂布于离型膜上并烘干，得到干燥的阳极电极层；S5将所述干燥的阴极电极层和干燥的阳极电极层热压转印至质子交换膜两侧形成膜电极。优选地，S1中所述分散溶剂为质量比为1:1～100的去离子水和醇类的混合溶剂。优选地，所述醇类选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇和叔丁醇中的至少一种。优选地，在S3中，所述冷冻成型时浆料中的水结冰形成冰颗粒模板；冰颗粒模板的去除通过所述真空冷冻干燥实现。优选地，在S1中，所述催化剂、粘结剂和分散溶剂的质量比为1:1～10:10～1000。优选地，在S1中，所述催化剂选自碳担载的Pt催化剂、碳担载的Pt合金催化剂或碳担载的Pt单层催化剂。其中，Pt催化剂指的是纯Pt颗粒的催化剂；Pt单层催化剂指在一个非Pt的核外部沉积有一层单分子层Pt的催化剂。优选地，S1中所述粘结剂选自全氟磺酸离子树脂溶液和聚四氟乙烯溶液中的至少一种。优选地，S1中，所述催化剂浆料采用超声搅拌10-60分钟，然后使用球磨机进行分散1-24小时。优选地，S2和S4中所述涂布的方法分别选自喷涂法、丝网印刷法、流延成型法、刷涂法或狭缝压铸法。优选地，S3中所述冷冻成型的温度为-200℃～0℃，所述真空冷冻干燥的温度为-60℃～-40℃。优选地，S5中所述热压转印的温度为80℃～150℃，压力为1MPa～15MPa，时间为60s～600s。实施例1本实施例的使用冰模板法制备多孔膜电极的制备步骤如下：1、催化剂浆料的配制依次加入商业Pt/C催化剂、去离子水、Nafion溶液和异丙醇，以上4种成分的质量比为1：40：2：240，制备阴极和阳极催化剂浆料；其中，Nafion与碳的质量比均为0.8：1(该质量比也会较大程度上影响孔隙结构，该值不变才能保证冰模板法造孔工艺是改变传质的单一变量),混合后均超声搅拌20分钟，然后使用球磨机分散5小时；Nafion与碳的质量比，根据实验可知，其选择范围为0.1～5:1，优选为0.5～1.5:1；2、阴极电极层涂布在洁净的工作台上，在涂布机的水平板上使用刮刀将催化剂浆料浇筑在离型膜上，得到未干燥的阴极电极层。控制阴极催化层的铂载量在0.1mgPt/cm2左右；3、阴极电极层冷冻干燥将未干燥的阴极电极层在-196℃下冷冻成型后，在-50℃下进行真空冷冻干燥，得到干燥的阴极电极层；4、阳极电极层涂布在洁净的工作台上，在涂布机的水平板上使用刮刀将催化剂浆料浇筑在离型膜上并烘干，得到干燥的阳极电极层。控制阳极催化层的铂载量在0.1mgPt/cm2左右；5、膜电极热压成型将干燥的阴极和阳极电极层置于质子交换膜两侧，在100℃，5MPa条件下，热压500s，转印至质子交换膜表面。催化层本身为纳米尺度的多孔结构，本专利技术使用冰模板法实现造孔，构筑高效传质的孔道结构，。由于大电流下的电池性能主要由氧气传质控制，即主要受电极微观结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用冰模板法制备多孔膜电极的方法，所述方法包括：S1将催化剂、粘结剂和分散溶剂混合，搅拌后球磨分散；分别制得阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料；S2将所述阴极催化剂浆料涂布于离型膜上，得到未干燥的阴极电极层；S3将所述未干燥的阴极电极层冷冻成型后进行真空冷冻干燥，得到干燥的阴极电极层；S4将所述阳极催化剂浆料涂布于离型膜上并烘干，得到干燥的阳极电极层；S5将所述干燥的阴极电极层和干燥的阳极电极层热压转印至质子交换膜两侧形成膜电极。

【技术特征摘要】
1.一种使用冰模板法制备多孔膜电极的方法，所述方法包括：S1将催化剂、粘结剂和分散溶剂混合，搅拌后球磨分散；分别制得阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料；S2将所述阴极催化剂浆料涂布于离型膜上，得到未干燥的阴极电极层；S3将所述未干燥的阴极电极层冷冻成型后进行真空冷冻干燥，得到干燥的阴极电极层；S4将所述阳极催化剂浆料涂布于离型膜上并烘干，得到干燥的阳极电极层；S5将所述干燥的阴极电极层和干燥的阳极电极层热压转印至质子交换膜两侧形成膜电极。2.根据权利要求1所述的使用冰模板法制备多孔膜电极的方法，其特征在于，S1中所述分散溶剂为质量比为1:1～100的去离子水和醇类的混合溶剂。3.根据权利要求2所述的使用冰模板法制备多孔膜电极的方法，其特征在于，所述醇类选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇和叔丁醇中的至少一种。4.根据权利要求1或2所述的使用冰模板法制备多孔膜电极的方法，其特征在于，在S3中，所述冷冻成型时浆料中的水结冰形成冰颗粒模板；冰颗粒模板的去除通过所述真空冷冻干燥实现。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：章俊良，程晓静，闫晓晖，沈水云，夏国锋，殷洁炜，王超，朱凤鹃，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31