本发明属于燃料电池
技术领域：
，尤其涉及一种膜电极的制备方法及膜电极。
背景技术：
：燃料电池是能将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能的能量转化装置，具有环境友好、能量密度高、室温下可快速启动和可靠性高等优点。燃料电池包括质子交换膜燃料电池(pemfc)、碱性燃料电池(afc)、熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)、磷酸燃料电池(pafc)和固体氧化物燃料电池(sofc)等。与其他种类的燃料电池相比，质子交换膜燃料电池工作温度相对较低，适合用作电动车载、便携式电源。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，决定着质子交换膜燃料电池的性能、寿命以及成本。膜电极包括催化剂层、扩散层和质子交换膜，为质子交换膜燃料电池的电化学反应提供了质子、电子、反应气体和水连续通道。制备膜电极的方法除了传统的喷涂法、转印法，还包括直接涂布法，直接涂布法制备ccm型膜电极是将催化剂直接涂覆在质子交换膜的两侧，再将阴极气体扩散层和阳极气体扩散层热压在涂覆有催化剂的质子交换膜的两侧，即可制得膜电极。采用直接涂布方法制备的膜电极，自动化程度高，效率高，制造成本低，可满足生产扩大化生产。使用直接涂布法制备膜电极时，一般先将阴极或阳极催化剂层涂覆在质子交换膜的一面，然而，催化剂浆料中的溶剂会导致质子交换膜溶胀起皱，在质子交换膜的另一面涂覆催化剂层时更加困难，导致制备的膜电极表面不平整、均匀度差，还会影响膜电极性能，降低了pt贵金属催化剂的载量，提高了膜电极的成本。技术实现要素：本发明的目的之一在于：提供一种膜电极的制备方法，能够解决催化剂直接涂覆在质子交换膜的第二面困难的问题，并且制备过程简单，可工业化生产。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种膜电极的制备方法，包括以下操作：步骤一，在质子交换膜的一侧涂布第一活性物质催化剂浆料，干燥，得到第一活性物质催化剂层；步骤二，将所述质子交换膜涂覆有第一活性物质催化剂层的一面吸附于真空平台上，所述质子交换膜和所述真空平台之间还设置有多孔膜。步骤三，在所述质子交换膜的相对一侧涂布第二活性物质催化剂浆料，干燥，得到第二活性物质催化剂层。步骤四，在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的表面覆盖碳纸。作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，步骤二的具体操作为，在所述真空平台的表面附着所述多孔膜，所述真空平台连接抽真空装置，所述质子交换膜涂覆有第一活性物质催化剂层的一面面向所述多孔膜，开启抽真空装置，使所述质子交换膜涂覆有第一活性物质催化剂层的一面经所述多孔膜吸附于所述真空平台上。抽真空装置包括真空泵和/或压缩机。作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，步骤三的具体操作为，所述真空平台与步骤一中干燥后的所述质子交换膜同步走带，在所述质子交换膜的相对一侧涂布第二活性物质催化剂浆料，干燥，得到第二活性物质催化剂层。作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述第一活性物质催化剂浆料为阴极催化剂浆料，第二活性物质催化剂浆料为阳极催化剂浆料；或，所述第一活性物质催化剂浆料为阳极催化剂浆料，所述第二活性物质催化剂浆料为阴极催化剂浆料。催化剂浆料的厚度为0.5～15μm，催化剂浆料的粘度为1～500mpa·s，第一活性物质催化剂浆料的固含量为1～50％。第一活性物质催化剂浆料至少包括催化剂和溶剂，催化剂包括铂/碳、铂和过渡金属中的至少一种，溶剂包括水、乙醇、丙二醇、异丙醇中的至少一种。作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述质子交换膜为全氟磺酸膜或聚苯并咪唑膜。作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述碳纸经过疏水处理和多孔处理。作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，在步骤一和步骤三中，所述涂布的方式为挤压式涂布、喷涂涂布、刮刀式涂布或凹版印刷式涂布。作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述多孔膜的材质为聚酯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚丙烯和聚乙烯中的至少一种。本发明的另一目的在于，提供一种膜电极，采用说明书前文任意一项所述的方法制备，所述膜电极包括质子交换膜、分布于所述质子交换膜两侧的第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层、贴合在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层四周的边框，以及覆盖在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的表面的碳纸。本发明的再一目的在于，提供一种质子交换膜燃料电池，包括说明书前文所述的膜电极。本发明的有益效果包括但不限于：本发明在质子交换膜的一侧涂布第一活性物质催化剂浆料后，通过多孔膜将质子交换膜涂覆有第一活性物质催化剂层的一面吸附于真空平台上，利用真空作用在质子交换膜的两侧形成压差，在涂布第二活性物质催化剂浆料时，质子交换膜因溶胀产生的起皱会被大气压紧压在多孔膜上，质子交换膜不会鼓起，从而保证了工艺过程中被涂覆面的平整易涂。本发明能够有效解决质子交换膜在涂布过程中因接触溶剂导致的溶胀问题，得到的膜电极表面平整、均匀度高且电化学性能优异。具体实施方式为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1本实施例提供一种膜电极的制备方法，包括以下操作：步骤一，在质子交换膜的一侧涂布第一活性物质催化剂浆料，干燥，得到第一活性物质催化剂层；步骤二，在所述真空平台的表面附着所述多孔膜，所述真空平台连接抽真空装置，所述质子交换膜涂覆有第一活性物质催化剂层的一面面向所述多孔膜，开启抽真空装置，使所述质子交换膜涂覆有第一活性物质催化剂层的一面经所述多孔膜吸附于所述真空平台上；步骤三，所述真空平台与步骤一中干燥后的所述质子交换膜同步走带，在所述质子交换膜的相对一侧涂布第二活性物质催化剂浆料，干燥，得到第二活性物质催化剂层；步骤四，在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的表面覆盖经过疏水处理和多孔处理的碳纸。其中，第一活性物质催化剂浆料为阴极催化剂浆料，第二活性物质催化剂浆料为阳极催化剂浆料；催化剂浆料的厚度为3μm，催化剂浆料的粘度为250mpa·s，第一活性物质催化剂浆料的固含量为25％；第一活性物质催化剂浆料包括催化剂和溶剂，催化剂包括铂/碳和过渡金属，溶剂包括水和乙醇。质子交换膜为全氟磺酸膜，真空吸附是在真空度为-0.05mpa的条件下进行的，涂布的方式为挤压式涂布，多孔膜的材质为聚四氟乙烯。实施例2本实施例提供一种膜电极的制备方法，包括以下操作：步骤一，在质子交换膜的一侧涂布第一活性物质催化剂浆料，干燥，得到第一活性物质催化剂层；步骤二，在所述真空平台的表面附着所述多孔膜，所述真空平台连接抽真空装置，所述质子交换膜涂覆有第一活性物质催化剂层的一面面向所述多孔膜，开启抽真空装置，使所述质子交换膜涂覆有第一活性物质催化剂层的一面经所述多孔膜吸附于所述真空平台上；步骤三，所述真空平台与步骤一中干燥后的所述质子交换膜同步走带，在所述质子交换膜的相对一侧涂布第二活性物质催化剂浆料，干燥，得到第二活性物质催化剂层；步骤四，在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的表面覆盖经过疏水处理和多孔处理的碳纸。其中，第一活性物质催化剂浆料为阳极催化剂浆料，第二活性物质催化剂浆料为阴极催化剂浆料；催化剂浆料的厚度为0.5μm，催化剂浆料的粘度为500mpa·s，第一活性物质催化剂浆料的固含量为50％；第一活性物质催化剂浆料包括催化剂和溶剂，催化剂包括铂/碳，溶剂包括水和丙二醇。质子交换膜为聚苯并咪唑膜，真空吸附是在真空度为-0.1mpa的条件下进行的，涂布的方式为喷涂涂布，多孔膜的材质为聚丙烯和聚乙烯。实施例3本实施例提供一种膜电极的制备方法，包括以下操作：步骤一，在质子交换膜的一侧涂布第一活性物质催化剂浆料，干燥，得到第一活性物质催化剂层；步骤二，在所述真空平台的表面附着所述多孔膜，所述真空平台连接抽真空装置，所述质子交换膜涂覆有第一活性物质催化剂层的一面面向所述多孔膜，开启抽真空装置，使所述质子交换膜涂覆有第一活性物质催化剂层的一面经所述多孔膜吸附于所述真空平台上；步骤三，所述真空平台与步骤一中干燥后的所述质子交换膜同步走带，在所述质子交换膜的相对一侧涂布第二活性物质催化剂浆料，干燥，得到第二活性物质催化剂层；步骤四，在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的表面覆盖经过疏水处理和多孔处理的碳纸。其中，第一活性物质催化剂浆料为阴极催化剂浆料，第二活性物质催化剂浆料为阳极催化剂浆料；催化剂浆料的厚度为15μm，催化剂浆料的粘度为1mpa·s，第一活性物质催化剂浆料的固含量为1％；第一活性物质催化剂浆料包括催化剂和溶剂，催化剂包括铂和过渡金属，溶剂包括乙醇和丙二醇。质子交换膜为全氟磺酸膜，真空吸附是在真空度为-0.01mpa的条件下进行的，涂布的方式为凹版印刷式涂布，多孔膜的材质为聚酰亚胺。对比例1本对比例提供一种膜电极的制备方法，包括以下操作：步骤一，在质子交换膜的一侧涂布第一活性物质催化剂浆料，干燥，得到第一活性物质催化剂层；步骤二，在质子交换膜的相对一侧涂布第二活性物质催化剂浆料，干燥，得到第二活性物质催化剂层。步骤三，在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的表面覆盖碳纸。将实施例1～3和对比例1制备的燃料电池做以下性能测试：(1)均匀性测试：采用xrf对膜电极中阳极催化剂层中铂载量均匀性测试，长度方向每隔20cm取一个点(共7个点)，宽度方向均匀取12个点，计算平均值、方差和方差与平均值的比值。(2)电化学性能测试：取长宽相等的50cm2实施例1～3制备的膜电极，在75℃，阴极压力70kpa，阳极压力80kpa条件下，分别测试电流密度为1a/cm2和1.5a/cm2条件下的电压v1和v2。测试结果如表1。表1方差平均值方差/平均值v1(v)v2(v)实施例10.3512.30.0280.7180.662实施例20.2413.40.0180.7090.648实施例30.2812.50.0220.7020.632对比例15.613.10.4270.6540.564通过表1可以看出，对比例1相对于实施例1～3得到的膜电极均匀性差，电化学性能也较差，原因是对比例1没有经过多孔膜真空吸附，在涂布第二活性物质催化剂层时，质子交换膜溶胀严重，涂布均匀性较差。综上所述，本发明在质子交换膜的一侧涂布第一活性物质催化剂浆料后，通过多孔膜将质子交换膜涂覆有第一活性物质催化剂层的一面吸附于真空平台上，利用真空作用在质子交换膜的两侧形成压差，在涂布第二活性物质催化剂浆料时，质子交换膜因溶胀产生的起皱会被大气压紧压在多孔膜上，质子交换膜不会鼓起，从而保证了工艺过程中被涂覆面的平整易涂。本发明能够有效解决质子交换膜在涂布过程中因接触溶剂导致的溶胀问题，得到的膜电极表面平整、均匀度高且电化学性能优异。根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。当前第1页1 2 3