一种燃料电池用全喷涂膜电极组件及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种燃料电池用全喷涂膜电极组件的制备方法。与现有技术相比，本发明专利技术提供的膜电极组件中离子交换膜层与催化剂层均通过喷涂法制备，可以避免传统CCS法制备膜电极组件所面临的界面问题以及传统的CCM法制备膜电极组件遇到的膜溶胀/收缩以及催化层损坏等问题，可形成良好的催化层

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用全喷涂膜电极组件及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，尤其涉及一种燃料电池用全喷涂膜电极组件及其制备方法。

技术介绍

[0002]膜电极组件是燃料电池的核心部件，占燃料电池膜堆的总造价的35％～45％。膜电极组件由催化剂层和离子交换膜组成，其中离子交换膜位于阴阳两极催化剂层中间，形成三层结构。离子交换膜根据其传导离子荷电种类可分为阳离子交换膜和阴离子交换膜，相应地膜电极组件分别应用于质子交换膜燃料电池和阴离子交换膜燃料电池。
[0003]膜电极组件的制备根据催化剂的负载方式可以分为两类。一种是将催化剂负载到气体扩散层上形成气体扩散电极，然后将离子交换膜夹到两个气体扩散电极之间形成催化剂涂层基材型(CCS)的膜电极组件。另外一种是将催化剂直接负载到离子交换膜上形成催化剂涂层膜(CCM)型的膜电极组件。这种膜电极组件的催化层和膜的接触更加紧密，因此其界面处的传质更加高效。因此，CCM型的膜电极组件往往表现出比CCS型的膜电极组件更加优越的燃料电池性能。
[0004]对于CCM型的膜电极组件，其最常见的两种制备方法是直接将催化剂喷涂到离子交换膜两面和通过转印贴花法先将催化剂层负载到基底上，再通过热压的方式将催化剂层从基底上转印到膜两侧。其中，第一种在将催化剂油墨喷涂到成型的离子交换膜表面时，由于膜在接触到溶剂以及烘干过程中会不断的发生溶胀/收缩，因此导致制备困难，且容易破坏催化剂和膜的界面。第二种转印贴花法制备流程复杂，且在催化剂层转印过程中往往会出现不完全转印导致催化层损坏。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提一种燃料电池用全喷涂膜电极组件及其制备方法，该全喷涂膜电极组件具有良好的催化层
‑
离子交换膜界面，从而提高催化剂的利用效率和界面处的传质行为。
[0006]本专利技术提供了一种燃料电池用全喷涂膜电极组件的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1)将第一催化剂油墨喷涂在加热的基板上形成第一催化剂层；
[0008]S2)将离聚物溶液喷涂在催化剂层表面形成离子交换膜层；
[0009]S3)将第二催化剂油墨喷涂在离子交换膜层的表面形成第二催化剂层，得到复合膜电极组件的基板；
[0010]S4)将复合膜电极组件的基板浸泡在水中，得到燃料电池用全喷涂膜电极组件。
[0011]优选的，所述第一催化剂油墨包括第一催化剂、第一离聚物、水与异丙醇；所述第一催化剂与第一离聚物的质量比为6：4～9：1；所述第一催化剂油墨中水与异丙醇的质量比为1：9～9：1；所述第一催化剂的质量为第一催化剂油墨质量的1％～10％。
[0012]优选的，所述离聚物溶液包括第二离聚物、二甲亚砜与醇溶剂；所述二甲亚砜与醇
溶剂的质量比为1：9～1：1；所述第二离聚物的质量为离聚物溶液质量的1％～20％。
[0013]优选的，所述第二催化剂油墨包括第二催化剂、第三离聚物、水与异丙醇；所述第二催化剂与第三离聚物的质量比为6：4～9：1；所述第二催化剂油墨中水与异丙醇的质量比为1：9～9：1；所述第二催化剂的质量为第二催化剂油墨质量的1％～10％。
[0014]优选的，所述步骤S1)中加热的基板的温度为40℃～90℃。
[0015]优选的，所述步骤S1)中第一催化剂油墨喷涂的流量为0.05～2.0mL/min；
[0016]所述步骤S2)中离聚物溶液喷涂的流量为0.1～3.0mL/min；
[0017]所述步骤S3)中第二催化剂油墨喷涂的流量为0.05～2.0mL/min。
[0018]优选的，所述第一催化剂层中第一催化剂的载量为0.05～2.0mg/cm2；第二催化剂层中第二催化剂的载量为0.05～2.0mg/cm2。
[0019]优选的，所述离子交换膜层的厚度为10～100μm。
[0020]本专利技术还提供了上述方法制备的燃料电池用全喷涂膜电极组件，包括依次设置的第一催化剂层、离子交换膜层与第二催化剂层；
[0021]所述第一催化剂层包括第一催化剂与第一离聚物；
[0022]所述离子交换膜层包括第二离聚物；
[0023]所述第二催化剂层包括第二催化剂与第三离聚物。
[0024]优选的，所述第一催化剂与第二催化剂各自独立地选自Pt基催化剂、Co基催化剂、Fe基催化剂、Ru催化剂、Pa催化剂以及它们的合金催化剂和配位化合物催化剂中的一种或多种；
[0025]所述第一离聚物、第二离聚物与第三离聚物各自独立地为SBPI离聚物。
[0026]本专利技术提供了一种燃料电池用全喷涂膜电极组件的制备方法，包括以下步骤：S1)将第一催化剂油墨喷涂在加热的基板上形成第一催化剂层；S2)将离聚物溶液喷涂在催化剂层表面形成离子交换膜层；S3)将第二催化剂油墨喷涂在离子交换膜层的表面形成第二催化剂层，得到复合膜电极组件的基板；S4)将复合膜电极组件的基板浸泡在水中，得到燃料电池用全喷涂膜电极组件。与现有技术相比，本专利技术提供的膜电极组件中离子交换膜层与催化剂层均通过喷涂法制备，可以避免传统CCS法制备膜电极组件所面临的界面问题以及传统的CCM法制备膜电极组件遇到的膜溶胀/收缩以及催化层损坏等问题，可形成良好的催化层
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离子交换膜界面，从而提高催化剂的利用效率和界面处的传质行为；并且催化剂效率的提高可以帮助实现降低膜电极组件中的催化剂用量；而界面处的传质速率的提升可以帮助膜电极组件在用于与燃料电池时表现出更好的低湿度性能，从而降低其湿度依赖性。
[0027]实验结果表明，通过全喷涂制备的膜电极组件在应用于氢氧燃料电池时在0.5mg/cm2的Pt载量及100％的相对湿度下可以实现1.6W/cm2的功率密度峰值，超过传统CCS法制备的膜电极组件的30％。而在低催化剂载量和低湿度下，其性能优势更加明显。如在0.1mg/cm2的Pt载量及40％的相对湿度下，其功率密度峰值为0.6W/cm2，是传统CCS制备的膜电极组件的3倍。
附图说明
[0028]图1为本专利技术提供的燃料电池用全喷涂膜电极组件的制备流程示意图；
[0029]图2为本专利技术实施例1中全喷涂膜电极组件的制备流程的照片；
[0030]图3为本专利技术实施例1～3中全喷涂制备不同催化剂载量膜电极组件的截面的扫描电子显微镜图像；
[0031]图4为本专利技术实施例1中全喷涂制备和对比例1中传统方法制备的Pt载量为0.5mg/cm2的膜电极组件在不同相对湿度下的氢氧燃料电池性能结果图；
[0032]图5为本专利技术实施例2中全喷涂制备和对比例2中传统方法制备的Pt载量为0.3mg/cm2的膜电极组件在不同相对湿度下的氢氧燃料电池性能结果图；
[0033]图6为本专利技术实施例3中全喷涂制备和对比例3中传统方法制备的Pt载量为0.1mg/cm2的膜电极组件在不同相对湿度下的氢氧燃料电池性能结果图。
具体实施方式
[0034]下面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用全喷涂膜电极组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)将第一催化剂油墨喷涂在加热的基板上形成第一催化剂层；S2)将离聚物溶液喷涂在催化剂层表面形成离子交换膜层；S3)将第二催化剂油墨喷涂在离子交换膜层的表面形成第二催化剂层，得到复合膜电极组件的基板；S4)将复合膜电极组件的基板浸泡在水中，得到燃料电池用全喷涂膜电极组件。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一催化剂油墨包括第一催化剂、第一离聚物、水与异丙醇；所述第一催化剂与第一离聚物的质量比为6：4～9：1；所述第一催化剂油墨中水与异丙醇的质量比为1：9～9：1；所述第一催化剂的质量为第一催化剂油墨质量的1％～10％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述离聚物溶液包括第二离聚物、二甲亚砜与醇溶剂；所述二甲亚砜与醇溶剂的质量比为1：9～1：1；所述第二离聚物的质量为离聚物溶液质量的1％～20％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二催化剂油墨包括第二催化剂、第三离聚物、水与异丙醇；所述第二催化剂与第三离聚物的质量比为6：4～9：1；所述第二催化剂油墨中水与异丙醇的质量比为1：9～9：1；所述第二催化剂的质量为第二催化剂油墨质量的1％～10％。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐铜文，吴亮，余维胜，刘小菏，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：