一种质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法及其制备装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种微细管状结构的质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法及其制备装置。用质子交换膜树脂溶液制备管状质子交换膜材料；配备阴、阳极催化剂浆料；使用阳极、阴极催化剂浆料，分别在贴有PTFE膜的加热管外表面和平板表面制备阳极和阴极催化层；将管状质子交换膜套在上述加热管外表面；平板折卷在加热管的外表面；整体装配进入管式压力装置；在一定温度和压力下，热压得到微细管状质子交换膜燃料电池膜电极；裁剪后装配入燃料电池夹具中得到管状质子交换膜燃料电池。该具有微细管结构的质子交换膜燃料电池工作时，反应的燃料气(氢气)和氧化剂(空气或氧气)分别进入到管内通道和管外壁，并与催化剂接触，发生电化学反应而产生电能。
【专利说明】
一种质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法及其制备装置
技术领域
[0001]本发明属于燃料电池制备领域，具体涉及一种微小型具有微细管状结构的质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法及其制备装置。【背景技术】
[0002]近二十年来，由于质子交换膜燃料电池具有能量效率高、清洁无污染等特点，而获得了广泛研究关注和迅速发展。质子交换膜燃料电池可应用于电动汽车的动力电池和分布式电站，同时在微小型方面也成为了开发的重点，主要用于如手机、笔记本电脑等便携式电源。然而，小型电池有其自身的特点，如果采用传统的电池材料和结构，使燃料电池小型化有很大的难度，因此需要进行创新。
[0003]质子交换膜燃料电池的核心部件是膜电极，一般是在质子交换膜的两侧涂敷催化层，催化层两侧有气体扩散层和双极板，形成“三明治”结构。在小型燃料电池方面，功率密度远低于大型的双极板结构燃料电池。目前在燃料电池小型方面出现了一些新的技术路线，主要是基于机械微加工和微电子技术。其中比较有代表性的是采用半导体硅片加工技术，该技术使用微电子技术制得的多孔硅片作为电池支持体，在硅片上溅射铜或金等金属薄层来增强导电能力，这样减小了电池的尺寸，提高了电池的功率密度，便于批量生产。但是目前无论从技术角度还是从成本考虑，仍存在许多问题，而且功率密度仍然达不到商业化的要求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了弥补现有技术的不足，提供了一种微小型具有微细管状结构的质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法及其制备装置，提供的微小型燃料电池采用微细管状质子交换膜大大提高了比表面积，增加了催化反应区域、减小了电池体积、缩短了传导路径，有利于传质。水气通道缩短有利于简化燃料电池发电系统的水管理。
[0005]为了达到本发明的目的，技术方案如下:
[0006]—种微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法，其特征在于，包括步骤:
[0007]1)、使用质子交换膜树脂溶液，应用模板法制备管状质子交换膜材料；
[0008]2 )、分别配备阴极催化剂浆料、阳极催化剂浆料；
[0009]3 )、使用阳极催化剂浆料，在贴有PTFE膜的加热管外表面制备阳极催化层，
[0010]使用阴极催化剂浆料，在贴有PTFE膜的平板表面制备阴极催化层；
[0011]4)、将管状质子交换膜套在制备有阳极催化层的加热管外表面；
[0012]5)、将制备有阴极催化层的平板折卷在步骤4)后管状质子交换膜的外表面；
[0013]6)、将步骤5卷有平板的加热管装配进入的管式压力装置；
[0014]7)、将包含有电加热棒和热电偶的温度控制系统装配入加热管中空部分，并通过控制管式压力装置的螺钉扭矩来控制压力，控制温度在1 〇〇 °C?150 °C之间，压力在0 ? 05? 0.1MPa之间，热压得到微细管状质子交换膜燃料电池膜电极；
[0015]8)、将管状膜电极裁剪成所需尺寸，装配入燃料电池夹具中得到管状质子交换膜燃料电池或电池堆。
[0016]优选地，质子交换膜树脂溶液是浓度在lwt %?10wt %的Naf 1n溶液。[〇〇17]优选地，制备管状质子交换膜的模板是柱状玻璃模板，柱状玻璃模板外径在0.5mm ?2mm之间，长度在lcm?10cm之间，采用流延法制备所述步骤4)中的管状质子交换膜，所制备的管状质子交换膜内径在〇 ? 5mm?2mm之间，长度在1 cm?10cm之间。
[0018]优选地，所配备的催化剂浆料是催化剂、质子交换膜树脂溶液和分散剂的混合物， 使用超声分散和搅拌法进行均匀分散；
[0019]配备催化剂浆料中，所用的催化剂是商业Pt/C催化剂，Pt含量在20wt %?60wt % 之间，所用树脂溶液是相应质子交换膜的树脂溶液；
[0020]所用分散剂是去离子水、乙醇、异丙醇中的一种或几种的混合，分散剂添加体积与添加质子交换膜树脂溶液的体积比在10:1?20:1之间；
[0021]催化剂浆料配备中:催化剂与质子交换膜树脂溶液中干树脂的质量比在3:1?4:1 之间。[〇〇22]优选地，使用刷涂法或喷涂法在贴有PTFE膜的加热管外表面和平板表面分别制备阳极和阴极催化层，催化剂担载量在0.1?〇.5mg/cm2之间，加热管外径在0.5mm?2mm之间， 长度在lcm?10cm之间，平板宽度在0? 5mm?2mm之间，长度在lcm?10cm之间。
[0023]优选地，在所述步骤5)中，具体步骤为:制备有阴极催化层的平板沿宽度方向、催化剂向内折卷成管状，并套在管状质子交换膜的外表面。
[0024]优选地，步骤8)中管状膜电极裁剪成长度为1_?10_之间的尺寸。
[0025]最后将管状膜电极裁剪成所需尺寸，装配入燃料电池夹具中得到管状质子交换膜燃料电池。该具有微细管结构的质子交换膜燃料电池工作时，反应的燃料气(氢气)和氧化剂(空气或氧气)分别进入到管内通道和管外壁，并与催化剂接触，发生电化学反应而产生电能。
[0026]—种微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备装置，其特征在于，包括管式应力装置、加热管和平板，
[0027]加热管用于制作阳极催化层，加热管为圆柱形结构，并且加热管的中心具有中空部分，
[0028]平板为平面形状并且可折卷，平板用于制作阴极催化层，
[0029]管式应力装置的侧壁上具有两片向外延伸的压紧片，压紧片上安装有螺栓，螺栓可将两片压紧片紧压在一起，管式应力装置的中心具有空腔。[0〇3〇] 优选地，其特征在于，管式压力装置内径为0 ? 5mm?2mm，长度为1 cm?10cm。[〇〇31]本发明具有的有益效果:
[0032]采用本发明的微细管状燃料电池和膜电极的制备方法及其制备装置，实现微管结构质子交换膜燃料电池的制备。通过采用微细管状质子交换膜大大提高了比表面积，增加了催化反应区域、减小了电池体积、缩短了传导路径，有利于传质。水气通道缩短有利于简化燃料电池发电系统的水管理。从而实现大幅提高微小型质子交换膜燃料电池发电性能、 提高体积和质量比功率以及简化电池系统管理的目的。这些性能的提高，将使得燃料电池在便携式电源领域更加具有竞争力。目前对于便携式电源，不论是手机还是笔记本电脑，电池的使用寿命是制约其进一步发展和影响其竞争力的关键问题。配以合适的氢源，高能量密度的燃料电池将比锂离子电池具有更长的使用时间，而且不需要充电，只需要更换氢源 (储氢罐或其它)即可，使用起来更加方便。
[0033]本发明专利所述的方法不仅限于举例中的Naf1n膜及膜电极的制备，依据本专利所提供的方法可以拓展至基于其它商业质子交换膜的燃料电池膜电极制备。【附图说明】
[0034]图1是本发明制备装置中加热管的结构示意图。
[0035]图2是本发明制备装置中平板的结构示意图。
[0036]图3为加热管卷绕平板后的结构示意图；[〇〇37]图4为管式应力装置的结构示意图。【具体实施方式】
[0038]下面结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围不仅仅局限于实施例。[〇〇39]结合图1-图4所示，
[0040] —种微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备装置，包括管式应力装置3、加热管1和平板2。[〇〇411加热管1用于制作阳极催化层，加热管1为圆柱形结构，并且加热管的中心具有中空部分1-1，中空部分1-1用于放置电加热棒和热电偶等温度控制系统。
[0042]平板2为平面形状并且可折卷，平板2用于制作阴极催化层，[〇〇43]管式应力装置3的侧壁上具有两片向外延伸的压紧片3-3,压紧片上安装有螺栓3-2，螺栓可将两片压紧片紧压在一起，管式应力装置3的中心具有空腔3-1，通过控制螺栓扭矩来控制压力。装配时，将图3中卷绕有平板的加热管置于空腔3-1内，旋紧螺栓，管式应力装置的侧壁对加热管和平板施加压力。
[0044] 实施例1:[〇〇45]1.管状质子交换膜制备:称取浓度为5wt%的Naf1n溶液2ml，以外径为2mm、长度为2cm的柱状玻璃为模板，采用流延法制备内径为2mm、长度为2cm的管状质子交换膜；[〇〇46]2.阳极催化层浆料制备:称取0.4mg 60%Pt/C催化剂放入小烧杯内，加入2ml去离子水并搅拌，在搅拌过程中加入2mg 5 % Naf1n溶液，经搅拌、超声振荡混合后得到混合均匀的阳极催化层浆料；[〇〇47]3.阴极催化层浆料制备:与步骤2类似称取0.4mg 60%Pt/C催化剂放入小烧杯内，加入2ml去离子水并搅拌，在搅拌过程中加入2.6mg 5%Naf1n溶液，经搅拌、超声振荡混合后得到混合均匀的阴极催化层浆料；[〇〇48]4.阳极侧催化层制备:采用外表面贴有PTFE膜的外径为2mm、长度为2cm的配图1中所示的加热管，将步骤2中所配置的阳极催化层浆料利用喷涂的方法在100°C条件下将其喷涂于加热管的外表面，Pt/C催化剂的担载量为0.5mg/cm2,从而制备完成阳极侧催化层；
[0049]5.阴极侧催化层制备:采用贴有PTFE膜的宽度为2mm、长度为2cm的配图2中的平板，与步骤4类似，将步骤3中所配置的阴极催化层浆料利用喷涂的方法在100°C条件下将其喷涂于有PTFE贴膜的平板表面，Pt/C催化剂的担载量为0.5mg/cm2,从而制备完成阴极侧催化层；
[0050]6.将步骤1中得到的管状质子交换膜套在步骤4中制备有阳极催化层的加热管外表面；
[0051]7.将步骤5中得到的制备有阴极催化层的平板延宽度方向、催化剂向内折卷成管状，并套在步骤6的外表面；[〇〇52]8.将温度控制系统(包括电加热棒和热电偶)装配进入步骤6中加热管的中空部分；[〇〇53]9.将步骤8装配进入配图4所示的管式压力装置，管式压力装置内径为2mm，长度为2cm；[〇〇54]10.在140°C、0.05MPa条件下，热压得到微细管状质子交换膜燃料电池膜电极；
[0055]11.将步骤10所得长度为2cm的管状膜电极裁剪成长度为5mm的管状膜电极4根，完成微小型质子交换膜燃料电池膜电极的制备。[〇〇56] 实施例2:[〇〇57]1.管状质子交换膜制备:称取浓度为5.5wt %的Naf 1n溶液3ml，以外径为1mm、长度为lcm的柱状玻璃为模板，采用流延法制备内径为1mm、长度为lcm的管状质子交换膜； [〇〇58] 2.阳极催化层浆料制备:称取0.08mg 40 % Pt/C催化剂放入小烧杯内，加入lml乙醇并搅拌，在搅拌过程中加入〇.5mg 5 %Naf 1n溶液，经搅拌、超声振荡混合后得到混合均匀的阳极催化层浆料；[〇〇59]3.阴极催化层浆料制备:与步骤2类似称取0.08mg 40 % Pt/C催化剂放入小烧杯内，加入lml乙醇并搅拌，在搅拌过程中加入0.56mg 5%Naf 1n溶液，经搅拌、超声振荡混合后得到混合均匀的阴极催化层浆料；
[0060]4.阳极侧催化层制备:采用外表面贴有PTFE膜的外径为1mm、长度为lcm的配图1中所示的加热管，将步骤2中所配置的阳极催化层浆料利用喷涂的方法在90°C条件下将其喷涂于加热管的外表面，Pt/C催化剂的担载量为0.4mg/cm2，从而制备完成阳极侧催化层；
[0061]5.阴极侧催化层制备:采用贴有PTFE膜的宽度为1mm、长度为lcm的配图2中的平板，与步骤4类似，将步骤3中所配置的阴极催化层浆料利用喷涂的方法在90°C条件下将其喷涂于有PTFE贴膜的平板表面，Pt/C催化剂的担载量为0.4mg/cm2,从而制备完成阴极侧催化层；
[0062]6.将步骤1中得到的管状质子交换膜套在步骤4中制备有阳极催化层的加热管外表面；
[0063]7.将步骤5中得到的制备有阴极催化层的平板延宽度方向、催化剂向内折卷成管状，并套在步骤6的外表面；
[0064]8.将温度控制系统(包括电加热棒和热电偶)装配进入步骤6中加热管的中空部分；[〇〇65]9.将步骤8装配进入配图4所示的管式压力装置，管式压力装置内径为1mm，长度为lcm；
[0066]10.在140°C、0.06MPa条件下，热压得到微细管状质子交换膜燃料电池膜电极；
[0067]11.将步骤10所得长度为lcm的管状膜电极裁剪成长度为2mm的管状膜电极5根，完成微小型质子交换膜燃料电池膜电极的制备。
[0068]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
【主权项】
1.一种微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法，其特征在于，包括步骤:1)、使用质子交换膜树脂溶液，应用模板法制备管状质子交换膜材料；2 )、分别配备阴极催化剂浆料、阳极催化剂浆料；3)、使用阳极催化剂浆料，在贴有PTFE膜的加热管外表面制备阳极催化层，使用阴极催 化剂浆料，在贴有PTFE膜的平板表面制备阴极催化层；4)、将管状质子交换膜套在制备有阳极催化层的加热管外表面；5)、将制备有阴极催化层的平板折卷在步骤4)后管状质子交换膜的外表面；6)、将步骤5卷有平板的加热管装配进入的管式压力装置；7)、将包含有电加热棒和热电偶的温度控制系统装配入加热管中空部分，并通过控制 管式压力装置的螺钉扭矩来控制压力，控制温度在l〇〇°C?150°C之间，压力在0.05? 0.1MPa之间，热压得到微细管状质子交换膜燃料电池膜电极；8)、将管状膜电极裁剪成所需尺寸，装配入燃料电池夹具中得到管状质子交换膜燃料 电池或电池堆。2.根据权利要求1所述的微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法，其特征 在于，质子交换膜树脂溶液是浓度在lwt%?10wt%的Naf1n溶液。3.根据权利要求1所述的微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法，其特征 在于，制备管状质子交换膜的模板是柱状玻璃模板，柱状玻璃模板外径在〇.5mm?2mm之间， 长度在lcm?10cm之间，采用流延法制备所述步骤4)中的管状质子交换膜，所制备的管状质 子交换膜内径在〇? 5mm?2mm之间，长度在lcm?10cm之间。4.根据权利要求1所述的微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法，其特征 在于，所配备的催化剂浆料是催化剂、质子交换膜树脂溶液和分散剂的混合物，使用超声分 散和搅拌法进行均匀分散；配备催化剂浆料中，所用的催化剂是商业Pt/C催化剂，Pt含量在20wt %?60wt %之间， 所用树脂溶液是相应质子交换膜的树脂溶液；所用分散剂是去离子水、乙醇、异丙醇中的一种或几种的混合，分散剂添加体积与添加 质子交换膜树脂溶液的体积比在10:1?20:1之间；催化剂浆料配备中:催化剂与质子交换膜树脂溶液中干树脂的质量比在3:1?4:1之 间。5.根据权利要求1所述的微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法，其特征 在于，使用刷涂法或喷涂法在贴有PTFE膜的加热管外表面和平板表面分别制备阳极和阴极 催化层，催化剂担载量在0 ? 1?0 ? 5mg/cm2之间，加热管外径在0 ? 5mm?2mm之间，长度在lcm ?10cm之间，平板宽度在0.5mm?2mm之间，长度在lcm?10cm之间。6.根据权利要求1所述的微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法，其特征 在于，在所述步骤5)中，具体步骤为:制备有阴极催化层的平板沿宽度方向、催化剂向内折 卷成管状，并套在管状质子交换膜的外表面。7.根据权利要求1所述的微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备方法，其特征 在于，步骤8)中管状膜电极裁剪成长度为1mm?10mm之间的尺寸。8.—种微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备装置，其特征在于，包括管式应 力装置(3)、加热管(1)和平板(2)，加热管用于制作阳极催化层，加热管为圆柱形结构，并且加热管的中心具有中空部分 (1_1)，平板为平面形状并且可折卷，平板用于制作阴极催化层，管式应力装置(3)的侧壁上具有两片向外延伸的压紧片(3-3)，压紧片上安装有螺栓 (3-2)，螺栓可将两片压紧片紧压在一起，管式应力装置(3)的中心具有空腔(3-1)。9.根据权利要求8所述微细管状质子交换膜燃料电池和膜电极的制备装置，其特征在 于，管式压力装置内径为〇? 5mm?2mm，长度为lcm?10cm。
【文档编号】H01M8/1004GK106099145SQ201610727327
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月25日
【发明人】梁峰, 雷杰, 雷一杰, 郭晓鸣
【申请人】武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司