质子交换膜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质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。该方法包括以下步骤：S1步骤，将质子交换树脂制备成温度为40℃～140℃的质子交换膜；以及S2步骤，在质子交换膜的温度下降到40℃之前，在质子交换膜的上表面和下表面上均设置催化剂层、气体扩散层和密封垫片，得到膜电极。由于质子交换膜具有一定的温度，喷涂后的催化剂层与质子交换膜之间具有较好的界面结合，这样催化剂层中化学反应产生的质子能顺利传导至质子交换膜，降低了两者之间的电阻，提高了燃料电池能量转化效率。将质子交换膜的制备工艺和膜电极的制备工艺结合起来，实现了质子交换膜与膜电极的连续化制备，简化了工艺流程，提高了生产效率，降低了制造成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池
，具体而言，涉及一种。
技术介绍
质子交换膜燃料电池作为固体电解质燃料电池的一种，具有能量转化效率高，安全可靠、对环境友好等优点，已经成为便携式电源、家庭电热联供系统、交通运输用电源等领域的主要选择。质子交换膜燃料电池的工作原理为以氢气为燃料，以氧气或空气为氧化剂，在催化剂作用下，发生氧化还原反应生成清洁的水，并对外供电和热，从而实现整个能量的转化过程。质子交换膜燃料电池的功率由电池堆的大小决定，而电池堆则是由若干单节电池依 次叠加组合串联而成。其中，单节电池的构成通常如附图I所示。I’为质子交换膜，2’为催化剂层，3’为气体扩散层，4’为密封垫片，5’为双极板，各组件构成单节电池11’。其中通常将密封垫片4’、气体扩散层3’、催化剂层2’和质子交换膜I’采用一定的方法组合在一起，构成膜电极10’。膜电极是氢、氧发生氧化还原反应生成水、产生电和热的场所，是质子交换膜燃料电池的核心部件，决定着整个质子交换膜燃料电池系统的性能和寿命。在目前实际采用的膜电极制备方法中，由于质子交换膜的挤出成型工艺和膜电极的制备工艺不能很好地结合起来，使得挤出成型和压延后得到的质子交换膜在进行催化剂层的喷涂之前就已经冷却了，在后续的膜电极制备时，首先还需要先将质子交换膜加热至一定温度，然后再将催化剂喷涂在质子交换膜的上、下表面或将两张已喷涂有催化剂的气体扩散层与质子交换膜热压在一起，得到膜电极。在该制备技术中，为了有效改善催化剂与质子交换膜间的界面结合，使催化剂层中化学反应产生的质子能够顺利传导至质子交换膜，降低两者之间的接触电阻，提高燃料电池能量转化效率，通常需要在喷涂催化剂层之前对质子交换膜进行加热，使催化剂溶液中的离子聚合物与质子交换膜较好地相互渗透，紧密结合，在催化剂层与质子交换膜的界面处形成能够传导质子的离子聚合物连续体。因此，在制备膜电极时，需要购置能够精确控温的加热板或热压机以对质子交换膜再次加热至一定温度，这不仅增加了制作成本，同时增加了工艺的复杂性，降低了生产效率，更重要的是如果二次加热工艺不当可能会破坏质子交换膜的聚集态结构，如结晶区与非晶区的比例，从而影响质子交换膜的质子传导性、机械强度等，增加了影响膜电极性能优劣及稳定性的风险。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种，以解决现有技术中存在的由于质子交换膜的挤出成型工艺和膜电极的制备工艺不能在线结合所带来的工艺复杂、成本较高的技术问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种，包括以下步骤si步骤，将质子交换树脂制备成温度为40°C 140°C的质子交换膜；以及S2步骤，在质子交换膜的温度下降到40°C之前，在质子交换膜的上表面和下表面上均设置催化剂层、气体扩散层和密封垫片，得到膜电极。进一步地，S2步骤包括在质子交换膜的上表面和下表面上设置催化剂层，得到三层结构的膜电极；以及在三层结构的膜电极的上表面和下表面上均设置气体扩散层和密封垫片，得到膜电极。进一步地，S2步骤包括将气体扩散层与催化剂层制备为一体结构；以及将一体结构、密封垫片依序设置在质子交换膜的上表面和下表面，得到膜电极。进一步地，质子交换树脂为全氟磺酸树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化聚芳醚砜树月旨、磺化聚酰亚胺树脂和磺化聚苯并咪唑树脂中的一种或几种组合。进一步地，催化剂层的厚度为5 20 μ m。·进一步地，气体扩散层为经过疏水化处理的碳纤维纸和/或碳纤维织布。进一步地，在SI步骤中，采用熔融挤出设备将质子交换树脂熔融并成型，用压延设备进行压延冷却工艺，得到质子交换膜；用喷涂设备以及压延设备将催化剂层、气体扩散层及密封垫片设置在质子交换膜上。进一步地,熔融挤出设备为螺杆挤出机,螺杆挤出机包括单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机或双阶挤出机；喷涂设备为喷涂机；压延设备为压辊机。本专利技术通过将制备得到的质子交换膜保持一定的温度，然后在质子交换膜的上表面和下表面上设置催化剂层、气体扩散层和密封垫片。由于质子交换膜具有一定的温度，使得喷涂后的催化剂层与质子交换膜之间具有较好的界面结合，这样催化剂层中化学反应产生的质子能够顺利传导至质子交换膜，降低了两者之间的电阻，提高了燃料电池能量转化效率。本专利技术通过将质子交换膜的制备工艺和膜电极的制备工艺结合起来，在保证质子交换膜与催化剂层具有良好结合性的前提下，实现了质子交换膜与膜电极的连续化制备，简化了工艺流程，提高生产效率，降低制造成本，并且提高了膜电极性能的稳定性和成品率，有利于整个燃料电池系统的性能稳定性。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中图I示出了现有技术中质子交换膜燃料电池的单节电池的结构示意图；图2示出了根据本专利技术一种典型实施例的膜电极的制备工艺流程图；图3示出了根据本专利技术另一种典型实施例的膜电极的制备工艺流程图；图4示出了根据本专利技术典型实施例的具有三层结构的膜电极的断面结构示意图；图5示出了根据本专利技术典型实施例的具有五层结构的膜电极的断面结构示意图；图6示出了根据本专利技术典型实施例的具有七层结构的膜电极的断面结构示意图；图7示出了根据本专利技术一种典型实施例中采用经化学处理的质子交换膜制备膜电极的流程示意图；以及图8示出了根据本专利技术另一种典型实施例中采用经化学处理的质子交换膜制备膜电极的流程示意图。具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。根据本专利技术的一种典型实施方式，如图2所示，包括SI步骤以及S2步骤，其中SI步骤中将质子交换树脂制备成温度为40°C 140°C的质子交换膜I ;S2步骤为在质子交换膜I的温度下降到40°C之前，在质子交换膜I的上表面和下表面上均设置催化剂层2、气体扩散层3和密封垫片4，得到膜电极10。将制备得到的质子交换膜I保持在一定的温度，然后在质子交换膜I的上表面和下表面上均设置催化剂层2、气体扩散层3和密封垫片4。由于质子交换膜I具有一定的温度，使得喷涂后的催化剂层2与质子交换膜I之间具有较好的界面结合，这样催化剂层2中化学反应产生的质子能够顺利传导至质子交换膜1，降低了两者之间的电阻，提高了燃料电池的能量转化效率。本专利技术通过将质子交换膜I的制备工艺和膜电极10的制备工艺结合·起来，在保证质子交换膜I与催化剂层2具有良好结合性的前提下，实现了质子交换膜I与膜电极10的连续化制备，简化了工艺流程，提高了生产效率，降低了成本，同时提高了膜电极的成品率和整个燃料电池系统的性能稳定性。将在线制备得到的质子交换膜I的温度控制在40°C 140°C，是因为在该温度范围内的质子交换膜I与喷涂在其上的催化剂层2的界面结合性较好，保证了催化剂层2中化学反应产生的质子能够顺利传导至质子交换膜I。根据本专利技术的一种典型实施方式，S2步骤包括在质子交换膜I的上表面和下表面上设置催化剂层2，得到三层结构的膜电极；以及在三层结构的膜电极的上表面和下表面上均设置气体扩散层3和密封垫片4，得到膜电极10。该制备方式选择首先在质子交换膜I的上表面和下表面上设置催化剂层2，可以更好地改善催化剂层2与质子交换膜I的界面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1步骤，将质子交换树脂制备成温度为40℃～140℃的质子交换膜（1）；以及S2步骤，在所述质子交换膜（1）的温度下降到40℃之前，在所述质子交换膜（1）的上表面和下表面上均设置催化剂层（2）、气体扩散层（3）和密封垫片（4），得到膜电极（10）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汤浩，李婷，高艳，谢光有，房红琳，刘红丽，
申请(专利权)人：中国东方电气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：