一种燃料电池三维结构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三维结构膜电极的制备方法，包括以下步骤：S1、在表面具有三维结构的模板上涂覆成型溶液，通过热压或冷压的方式，得到表面具有反三维结构的质子交换膜；S2、将催化剂均匀分布在质子交换膜具有反三维结构的一面，形成催化剂层；S3、通过干法工艺将电子导体涂布在催化剂层上；S4、在S3的电子导体的表面附上气体扩散层。通过使用三维结构的模具，转印制备具有反三维结构的质子交换膜，相对于现有技术中的膜电极，降低了质子交换膜的电阻，扩大反应电极，增大了膜电极的比表面积，提高催化剂利用率，进而提高燃料电池的反应效率。三维结构结构的膜电极有利于水的排出。排出。排出。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池能够通过电化学反应将化学能直接转化为电能，而被认为是一种重要的绿色能源技术。膜电极是燃料电池中最为核心的部件，作为电化学反应发生的场所，膜电极在燃料电池中起着关键作用，其特性直接决定了燃料电池的整体性能。目前，膜电极由质子交换膜、催化剂、电子导体、气体扩散层等材料组成。
[0003]现有技术中的膜电极存在以下问题：1、膜电极阴极一侧伴随燃料电池的运行会持续产生水，若水不能及时排出，将产生水淹现象，水覆盖在膜表面，阻断反应的发生，从而降低电池反应效率；2、膜电极的催化剂层存在铂载量高，导致成本高的问题；且催化剂被粘结剂包裹，Pt利用率不高。
[0004]因此，有必要对现有技术中的膜电极进行改进，以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服了现有技术的不足，提供一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在表面具有三维结构的模板上涂覆成型溶液，通过热压或冷压的方式，得到表面具有反三维结构的质子交换膜；S2、将催化剂均匀分布在质子交换膜具有反三维结构的一面，形成催化剂层；S3、通过干法工艺将电子导体涂布在催化剂层上；S4、在S3的电子导体的表面附上气体扩散层。
[0007]2. 根据权利要求1所述的一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，其特征在于：所述三维结构包括锯齿形、孔型或柱状矩阵型。
[0008]本专利技术一个较佳实施例中，在所述S2中，通过真空溅射气象沉积、静电喷涂或超声喷涂方式，将铂催化剂和具有反三维结构的质子膜表面结合。
[0009]本专利技术一个较佳实施例中，在所述S2中，将不同浓度的铂碳催化剂溶液A、B、C按照浓度高低顺序依次涂覆在具有反三维结构的质子交换膜表面，且在每次涂覆后进行固化处理，催化剂层沿厚度方向铂含量依次降低。
[0010]本专利技术一个较佳实施例中，在所述S2中，将质子交换膜将具有反三维结构的一面进行射频等离子体处理，使得催化剂层表面在经过纳米刻蚀后形成微纳米结构。
[0011]本专利技术一个较佳实施例中，在10～20kHz的射频电源下，并在氩气或氨气氛围下，在催化剂层表面形成不规则排布的微纳米级凹坑和/或凸起的双重结构。
[0012]本专利技术一个较佳实施例中，在所述S1中，对具有反三维结构的质子交换膜的表面
采用激光冲击处理，通过控制光斑间距或激光脉冲能量大小，使得反三维结构表面形成十字交叉的阵列凹坑表面微织构。
[0013]本专利技术一个较佳实施例中，所述气体扩散层为碳纸、碳毡、多孔钛中的一种。
[0014]本专利技术一个较佳实施例中，所述成型溶液为全氟磺酸溶液、磺化聚醚醚酮溶液、磺化三氟苯乙烯溶液中的一种或多种的组合。
[0015]本专利技术一个较佳实施例中，所述电子导体为碳材料或金属材料，所述碳材料为纳米碳、多孔碳、碳纤维、碳纳米管或石墨烯中的一种或多种，所述金属材料为钛及金属合金、金、银、铂或钯材料中的一种或多种。
[0016]本专利技术解决了
技术介绍
中存在的缺陷，本专利技术具备以下有益效果：（1）本专利技术提供了一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，通过使用三维结构的模具，转印制备具有反三维结构的质子交换膜，相对于现有技术中的膜电极，降低了质子交换膜的电阻，扩大反应电极，增大了膜电极的比表面积，提高催化剂利用率，进而提高燃料电池的反应效率。此外，锯齿形、孔型、柱状矩阵型结构的质子交换膜有利于水的排出。
[0017]（2）本专利技术直接在反三维结构的质子交换膜表面成型催化剂膜，使得催化剂直接接触质子交换膜，可以充分利用铂催化剂，缩短质子传输路径，降低内阻，降低铂载量。
[0018]（3）本专利技术通过利用不同浓度梯度的催化剂浓度对质子交换膜进行涂覆，使得催化剂层的厚度方向上催化剂的含量逐渐减小，一方面满足了不同三相反应位点对于催化剂的需求，另一方面减小了催化剂中铂碳的载量。
[0019]（4）本专利技术对具有反三维结构的质子交换膜的表面采用激光冲击处理，通过控制光斑间距或激光脉冲能量大小，使得反三维结构表面形成十字交叉的阵列凹坑表面微织构；这些凹坑的底部微封闭的曲面结构，一方面提高了质子交换膜表面的比表面积，提高了催化剂的活性面积，极大提高了催化剂层与质子交换膜的结合率，进一步提高催化剂的利用率；另一方面，凹坑提高了界面结合力，使得凹坑能够起到调控催化剂颗粒的作用，使得催化剂颗粒“镶嵌”在凹坑中，减小了在催化层中的运动。
[0020]（5）本专利技术将质子交换膜将具有反三维结构的一面进行射频等离子体处理，使得催化剂层表面形成不规则排布的微米级凹坑（凸起）表面存在纳米级凹坑（凸起）的双重结构，其结构类似于荷叶表面的乳突结构，这些微米级或纳米级的凹坑会布满阴极中的氧气，而在紧贴在催化剂层表面形成一层极薄的纳米级空气层，当阴极反应产生水后，水滴只能与催化剂层表面点接触，并在自身张力的作用下形成球形，进而水滴滑出催化剂层，减少了水淹现象。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；图1是本专利技术的优选实施例的一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法的流程图；图2是本专利技术的优选实施例的一种三维结构膜电极的结构示意图；
图中：1、质子交换膜；2、催化剂层；3、电子导体；4、气体扩散层。
具体实施方式
[0022]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]本专利技术制备的膜电极为用于燃料电池阴极一侧的膜电极，具体包括：反三维结构的质子交换膜1、催化剂层2、电子导体3和气体扩散层4。
[0024]实施例一如图1所示，本实施例提供了一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，包括以下步骤：S1、在表面具有三维结构的模板上涂覆成型溶液，通过热压或冷压的方式，得到表面具有反三维结构的质子交换膜1；S2、将催化剂均匀分布在质子交换膜1具有反三维结构的一面，形成催化剂层2；S3、通过干法工艺将电子导体3涂布在催化剂层2上；S4、在S4的电子导体3的表面附上气体扩散层4。
[0025]本实施例中表面具有三维结构的模板为：模板一侧表面具有锯齿形、孔型、柱状矩阵型或其他异形结构。该模板三维结构的制备方法不限于使用光刻、3D打印、切割等方式。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在表面具有三维结构的模板上涂覆成型溶液，通过热压或冷压的方式，得到表面具有反三维结构的质子交换膜；S2、将催化剂均匀分布在质子交换膜具有反三维结构的一面，形成催化剂层；S3、通过干法工艺将电子导体涂布在催化剂层上；S4、在S3的电子导体的表面附上气体扩散层。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，其特征在于：所述三维结构包括锯齿形、孔型或柱状矩阵型。3.根据权利要求1所述的一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，其特征在于：在所述S2中，通过真空溅射气象沉积、静电喷涂或超声喷涂方式，将铂催化剂和具有反三维结构的质子膜表面结合。4.根据权利要求1所述的一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，其特征在于：在所述S2中，将不同浓度的铂碳催化剂溶液A、B、C按照浓度高低顺序依次涂覆在具有反三维结构的质子交换膜表面，且在每次涂覆后进行固化处理，催化剂层沿厚度方向铂含量依次降低。5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，其特征在于：在所述S2中，将质子交换膜将具有反三维结构的一面进行射频...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙一焱，赵书飞，庞深，张帆，
申请(专利权)人：苏州氢澜科技有限公司，
类型：发明
国别省市：