专利名称：燃料电池膜电极的制备方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极的制备方法。
背景技术：
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的电池，它具有效率高，污染少和噪声低等优点。燃料电池可以只是一个单体燃料电池，也可以是由多个单体燃料电池构成的燃料电池组。
单体燃料电池包括一个完整的膜电极，膜电极一般包括质子交换膜、分别位于质子交换膜两侧面的两个催化层、以及分别位于两个催化层的另一侧面的两个扩散层。
CN1437280A公开了一种以溶剂处理电解质膜的燃料电池制造方法，该方法包括将燃料电池的电解质膜用高挥发性的单元醇类溶剂(如乙醇)浸泡一段时间，然后再以低挥发性的多元醇溶剂(如乙二醇、丙二醇)浸泡一段时间，使电解质膜充分膨胀，然后将催化剂浆料涂布于其两侧面，再将该涂布有催化剂的电解质膜夹在两扩散层中，并予以热压烘烤。该方法直接将催化剂浆料涂布到电解质膜的表面，难以保证催化剂涂布的均匀程度，因此制得的膜电极的催化层的厚度不均匀、表面不平整。
发明内容
本发明的目的是克服现有方法制得的膜电极的催化层厚度不均匀、表面不平整的缺点，提供一种燃料电池膜电极的制备方法，通过该方法制得的膜电极的催化层厚度均匀、表面平整。
本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法包括制备扩散层，将扩散层与两侧面具有催化层的质子交换膜叠加在一起，其中，两侧面具有催化层的质子交换膜的制备过程包括将含有催化剂和粘结剂的催化剂浆料填充在两片聚合物薄膜之间，然后对填充有催化剂浆料的聚合物薄膜进行压制，得到催化层；将两个催化层分别叠加在质子交换膜的两个侧面上。
本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法可以在制备催化层的过程中通过压制来控制催化层的厚度，因此催化层的厚度均匀、表面平整。
具体实施例方式
根据本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法，所述两侧面具有催化层的质子交换膜的制备过程包括将含有催化剂和粘结剂的催化剂浆料填充在两片聚合物薄膜之间，然后对填充有催化剂浆料的聚合物薄膜进行压制，得到催化层；将两个催化层分别叠加在质子交换膜的两个侧面上。
所述聚合物薄膜选自聚四氟乙烯(PTFE)膜、聚酯膜、聚酰亚胺膜中的一种或几种。聚合物薄膜优选表面平整、干净。
在所述催化剂浆料中，所述催化剂的种类已为本领域技术人员所公知，例如，催化剂可选自Pt/C催化剂、Pt-Ru/C催化剂、Pt-Cr/C催化剂中的一种或几种。所述粘结剂优选为粘结剂乳液，粘结剂乳液的种类已为本领域技术人员所公知，例如，粘结剂乳液是指粘结剂与水或醇类如异丙醇、乙醇、丙三醇形成的乳液，选自聚四氟乙烯乳液、六氟丙烯乳液、聚氟乙烯乳液中的一种或几种。粘结剂乳液中粘结剂的含量为1-42重量％，优选为10-30重量％。
催化剂浆料中还可以含有溶剂、Nafion溶液。溶剂的种类已为本领域技术人员所公知，例如，溶剂选自水、异丙醇、乙醇、丙三醇中的一种或几种。Nafion溶液已为本领域技术人员所公知，Nafion溶液由重量比为1∶15-16∶3-4的Nafion树脂(高氟化树脂)、低级醇(乙醇、丙醇、异丙醇)和水组成。催化剂、溶剂、Nafion溶液、粘结剂乳液的重量比为1∶1.5-5∶0.1-2∶0.1-2。其中，溶剂的量不包括Nafion溶液和粘结剂乳液中所含的溶剂的量。将催化剂、溶剂、Nafion溶液与粘结剂乳液混合均匀得到催化剂浆料。
然后将催化剂浆料填充在两片聚合物薄膜之间，优选情况下，将催化剂浆料涂在一片聚合物薄膜的表面，然后将另一片聚合物薄膜覆盖在催化剂浆料上面。填充之后，对填充有催化剂浆料的聚合物薄膜进行压制。可以采用各种方法进行压制，优选情况下，将填充有催化剂浆料的聚合物薄膜放置在两个滚轴之间进行滚压，得到催化层。可以通过调节滚轴之间的距离来方便地控制催化层的厚度。催化层的厚度为5-300微米，优选为10-200微米。
所述质子交换膜的种类已为本领域技术人员所公知。质子交换膜可以商购得到，例如由杜邦公司出品的Nafion膜，包括Nafion112膜、Nafion115膜、Nafion117膜、Nafion1035膜。
将两个催化层分别叠加在质子交换膜的两个侧面，得到两侧面具有催化层的质子交换膜。其中，在催化层与质子交换膜叠加之前，将催化层裁剪成所需的尺寸，并将催化层侧面表面的聚合物薄膜剥落。
优选情况下，将催化层裁剪成所需的尺寸，将一个催化层一个侧面的聚合物薄膜剥离，将催化层的该侧面与质子交换膜的一个侧面接触；将另一个催化层一个侧面的聚合物薄膜剥离，将催化层的该侧面与质子交换膜的另一个侧面接触，这样就将两个催化层分别叠加在质子交换膜的两个侧面，得到两侧面具有催化层的质子交换膜。在叠加之后，可以进行热压，以增强催化层与质子交换膜之间的接触。其中，热压的条件包括热压的温度为60-200℃，优选为110-160℃；热压的压力为0.1-10兆帕，优选为0.5-4兆帕；热压时间为1-10分钟，优选为1-5分钟。
根据本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法，制备扩散层的过程包括将含有导电剂和粘结剂的导电剂浆料涂覆在导电载体上，得到扩散层。
所述导电载体的种类已为本领域技术人员所公知，例如，导电载体可以为碳纸。优选情况下，在涂覆导电剂浆料之前，将导电载体进行烧结，去除吸附在导电载体中的杂质。烧结的温度为300-500℃，优选为350-450℃；烧结的时间为15-120分钟，优选为30-90分钟。
所述导电剂的种类已为本领域技术人员所公知，例如，导电剂选自活性碳、乙炔黑、石墨碳黑中的一种或几种。所述粘结剂的种类已为本领域技术人员所公知，例如，粘结剂选自聚四氟乙烯、六氟丙烯、聚氟乙烯中的一种或几种。粘结剂优选以其水乳液的形式使用，粘结剂水乳液中粘结剂的含量为5-60重量％，优选为20-60重量％。导电剂浆料中还可以含有溶剂，溶剂的种类已为本领域技术人员所公知，例如，溶剂选自水、异丙醇、乙醇、丙三醇中的一种或几种。导电剂、粘结剂与溶剂的重量比为1∶0.02-5∶0.1-8，优选为1∶0.04-2∶0.2-5。其中当粘结剂为水乳液形式时，溶剂的量不包括水乳液中所含的溶剂的量。将导电剂、粘结剂与溶剂混合均匀形成导电剂浆料。
可以采用已知的各种方法将导电剂浆料涂覆在导电载体上，例如，将导电载体浸泡在导电剂浆料中2-10次，每次浸泡2-15分钟。将导电剂浆料涂覆在导电载体上之后，还可以进行干燥。干燥的方法优选为将涂覆有导电剂浆料的导电载体晾干，然后在300-360℃的温度下维持20-60分钟，冷却后得到扩散层。
制得扩散层之后，将扩散层与两侧面具有催化层的质子交换膜叠加在一起。其中，在叠加之前，将催化层侧面表面的聚合物薄膜剥落。
优选情况下，将扩散层与两侧面具有催化层的质子交换膜接触的过程包括分别剥离两个催化层侧面的两片聚合物薄膜，将两个扩散层分别叠加在两个催化层的另外一个侧面上，形成膜电极。在叠加之后，可以进行热压，以增强扩散层与催化层之间的接触。其中，热压的条件包括热压的温度为60-200℃，优选为110-160℃；热压的压力为0.1-10兆帕，优选为0.5-4兆帕；热压时间为1-10分钟，优选为1-5分钟。
本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法优选包括下列具体步骤(1)将含有导电剂和粘结剂的导电剂浆料涂覆在导电载体上，得到扩散层；(2)将含有催化剂和粘结剂乳液的催化剂浆料填充在两片聚合物薄膜之间，然后对填充有催化剂浆料的聚合物薄膜进行压制，得到催化层；(3)将两个催化层的一个侧面分别叠加在质子交换膜的两个侧面，将两个扩散层分别叠加在两个催化层的另外一个侧面上，形成膜电极。
但是，本领域技术人员可以理解的是，在制得扩散层、催化层之后，可以先将扩散层与催化层叠加在一起，然后再与质子交换膜叠加在一起。这种情况也包括在本发明所要保护的范围之内。
下面通过实施例来更详细地描述本发明。
实施例1该实施例用于说明本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法。
(1)制备扩散层将燃料电池用碳纸(日本东丽TGP-H-060)在350℃下烧结30分钟；将碳黑、聚四氟乙烯水乳液(聚四氟乙烯的含量为30重量％)、乙醇以1∶0.05∶4的重量比混合均匀，得到导电剂浆料；然后将烧结后的碳纸浸泡在浆料中3次，每次5分钟，取出晾干后在300℃下维持25分钟，冷却后得到扩散层。
(2)制备催化层将Pt/C催化剂、溶剂(异丙醇与乙醇以1∶1的重量比混合得到的混合溶剂)、Nafion溶液(Nafion树脂∶乙醇∶水＝1∶15∶3)、聚四氟乙烯水乳液(聚四氟乙烯的含量为20重量％)以1∶5∶1.5∶1.5的重量比混合并搅拌均匀得到催化剂浆料。将催化剂浆料涂在一片PTFE膜的表面，然后将另一片PTFE膜覆盖在催化剂浆料上面。将填充有催化剂浆料的PTFE膜放置在两圆柱形滚轴之间进行滚压，得到催化层，催化层的厚度为10微米。
(3)将催化层裁剪为所需大小，将一个催化层一个侧面的PTFE膜剥离，将催化层的该侧面与Nafion1035膜的一个侧面接触，将该催化层与Nafion1035膜叠加在一起；将另一个催化层一个侧面的PTFE膜剥离，将催化层的该侧面与Nafion1035膜的另一个侧面接触，将该催化层与Nafion1035膜叠加在一起；然后在110℃、0.5兆帕的压力下，热压1分钟并分别剥离两个催化层另外一个侧面的两片PTFE膜；将扩散层分别叠加在两个催化层的另外一个侧面上，组装成膜电极。
实施例2该实施例用于说明本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法。
(1)制备扩散层将的燃料电池用碳纸(日本东丽TGP-H-060)在400℃下烧结90分钟；将乙炔黑、聚六氟丙烯水乳液(聚六氟丙烯的含量为50重量％)、异丙醇以1∶1.8∶0.5的重量比混合均匀，得到导电剂浆料；然后将烧结后的碳纸浸泡在浆料中8次，每次10分钟，取出晾干后在360℃下维持60分钟，冷却后得到扩散层。
(2)制备催化层将Pt/C催化剂、乙醇、Nafion溶液(Nafion树脂∶乙醇∶水＝1∶15∶3)、聚六氟丙烯水乳液(聚六氟丙烯的含量为30重量％)以1∶2∶0.2∶0.2的重量比混合并搅拌均匀得到催化剂浆料。将催化剂浆料涂在一片PTFE膜的表面，然后将另一片PTFE膜覆盖在催化剂浆料上面。将填充有催化剂浆料的PTFE膜放置在两圆柱形滚轴之间进行滚压，得到催化层，催化层的厚度为180微米。
(3)将催化层裁剪为所需大小，将一个催化层一个侧面的PTFE膜剥离，将催化层的该侧面与Nafion115膜的一个侧面接触，将该催化层与Nafion115膜叠加在一起；将另一个催化层一个侧面的PTFE膜剥离，将催化层的该侧面与Nafion115膜的另一个侧面接触，将该催化层与Nafion115膜叠加在一起；然后在150℃、3.5兆帕的压力下，热压2分钟并分别剥离两个催化层另外一个侧面的两片PTFE膜；将扩散层分别叠加在两个催化层的另外一个侧面上，组装成膜电极。
实施例3(1)制备扩散层将燃料电池用碳纸(日本东丽TGP-H-060)在430℃下烧结60分钟；将乙炔黑、聚六氟丙烯水乳液(聚六氟丙烯乳液的含量为30重量％)、乙醇以1∶0.8∶2的重量比混合均匀，得到导电剂浆料；然后将烧结后的碳纸浸泡在浆料中4次，每次12分钟，取出晾干后在310℃下维持40分钟，冷却后得到扩散层。
(2)制备催化层将Pt/C催化剂、溶剂(异丙醇与乙醇以1∶1的重量比混合得到的混合溶剂)、Nafion溶液(Nafion树脂∶乙醇∶水＝1∶16∶4)、聚四氟乙烯水乳液(聚四氟乙烯的含量为15重量％)以1∶3∶1∶1的重量比混合并搅拌均匀得到催化剂浆料。将催化剂浆料涂在一片PTFE膜的表面，然后将另一片PTFE膜覆盖在催化剂浆料上面。将填充有催化剂浆料的PTFE膜放置在两圆柱形滚轴之间进行滚压，得到催化层，催化层的厚度为60微米。
(3)将催化层裁剪成所需大小，将一个催化层一个侧面的PTFE膜剥离，将催化层的该侧面与Nafion117的一个侧面接触，从而将该催化层与Nafion117膜叠加在一起；将另一个催化层一个侧面的PTFE膜剥离，将催化层的该侧面与Nafion117的另一个侧面接触，从而将该催化层与Nafion117膜叠加在一起；分别剥离两个催化层另外一个侧面的两片PTFE膜；将扩散层分别叠加在两个催化层的另外一个侧面上，然后在125℃、3兆帕的压力下，热压3分钟，形成膜电极。
权利要求
1.一种燃料电池膜电极的制备方法，该方法包括制备扩散层，将扩散层与两侧面具有催化层的质子交换膜叠加在一起，其特征在于，两侧面具有催化层的质子交换膜的制备过程包括将含有催化剂和粘结剂的催化剂浆料填充在两片聚合物薄膜之间，然后对填充有催化剂浆料的聚合物薄膜进行压制，得到催化层；将两个催化层分别叠加在质子交换膜的两个侧面上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将催化剂浆料涂在一片聚合物薄膜的表面，然后将另一片聚合物薄膜覆盖在催化剂浆料上面而将含有催化剂和粘结剂的催化剂浆料填充在两片聚合物薄膜之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将填充有催化剂浆料的聚合物薄膜放置在两个滚轴之间滚压而进行压制。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述催化层的厚度为10-200微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚合物薄膜选自聚四氟乙烯膜、聚酯膜、聚酰亚胺膜中的一种或几种；所述催化剂选自Pt/C催化剂、Pt-Ru/C催化剂、Pt-Cr/C催化剂中的一种或几种；所述粘结剂为粘结剂乳液，所述粘结剂乳液选自聚四氟乙烯乳液、六氟丙烯乳液、聚氟乙烯乳液中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述催化剂浆料中还含有溶剂和Nafion溶液；所述催化剂、溶剂、Nafion溶液、粘结剂的重量比为1∶1.5-5∶0.1-2∶0.1-2。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述溶剂选自异丙醇、乙醇、丙三醇中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在催化层与质子交换膜叠加之前以及扩散层与两侧面具有催化层的质子交换膜叠加之前，将催化层侧面表面的聚合物薄膜剥离。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法在催化层与质子交换膜叠加之后，还包括热压的步骤。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法在扩散层与两侧面具有催化层的质子交换膜叠加之后，还包括热压的步骤。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述热压的温度为60-200℃，；热压的压力为0.1-10兆帕；热压时间为1-10分钟。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述质子交换膜选自Nafion115、Nafion112、Nafion117、Nafion1035中的一种。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，制备扩散层的过程包括将含有导电剂和粘结剂的导电剂浆料涂覆在导电载体上，得到扩散层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在涂覆导电剂浆料之前，将导电载体进行烧结；烧结的温度为300-500℃，烧结的时间为15-120分钟。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述导电载体为碳纸；导电剂选自活性碳、乙炔黑、石墨碳黑中的一种或几种；所述粘结剂选自聚四氟乙烯、六氟丙烯、聚氟乙烯中的一种或几种。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，通过将导电载体在导电剂浆料中浸泡2-10次、每次浸泡2-15分钟而将含有导电剂和粘结剂的导电剂浆料涂覆在导电载体上。
全文摘要
本发明提供了一种燃料电池膜电极的制备方法，该方法包括制备扩散层，将扩散层与两侧面具有催化层的质子交换膜叠加在一起，其中，两侧面具有催化层的质子交换膜的制备过程包括将含有催化剂和粘结剂乳液的催化剂浆料填充在两片聚合物薄膜之间，然后对填充有催化剂浆料的聚合物薄膜进行压制，得到催化层；将两个催化层的一个侧面分别叠加在质子交换膜的两个侧面上。本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法可以在制备催化层的过程中通过压制来控制催化层的厚度，因此催化层的厚度均匀、表面平整。
文档编号H01M4/88GK1949568SQ20051010935
公开日2007年4月18日 申请日期2005年10月13日 优先权日2005年10月13日
发明者张日清, 董俊卿 申请人:比亚迪股份有限公司