一种热压辅助增强燃料电池膜电极及其制备方法与流程

本发明属于质子交换膜燃料电池，具体涉及一种热压辅助增强燃料电池膜电极及其制备方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种先进的能源转换技术，它可以直接将化学能转变为电能，而无需通过传统的燃烧过程。这种电池具有高效能量转换、零排放特性，并且可以在相对较低的温度下迅速启动，因此在多个领域具有广泛的应用前景。在质子交换膜燃料电池中，膜电极组件(mea)扮演着关键的角色，它直接影响着燃料电池的性能表现。mea包括质子交换膜、阳极和阴极催化层，以及分别位于阳极和阴极上的气体扩散层。这些组成部分共同协作，影响着膜电极的整体功能。

2、膜电极中的催化层一般由催化剂和树脂组成，其中催化剂起到了主要的电催化作用，促使氢气(在阳极)和氧气(在阴极)的电化学反应。铂碳催化剂是常见的催化剂类型，其中碳载体在整个反应过程中起到支持和导电的作用。碳载体可以采用导电炭黑、碳纤维、碳纳米管等材料。这些碳载体具有良好的电导性质，有助于将电子传递到催化剂上，从而促使气体分子的电化学反应。

3、碳纳米管相对于导电炭黑，在传导电子方面展现出明显的优势，此外，碳纳米管的化学稳定性也使其能够在长时间内保持卓越的电导性能。上述优势使碳纳米管负载的燃料电池催化剂具有广泛的应用前景。专利文献cn111244480b公开了一种碳载钯基合金燃料电池膜电极及其制备方法，采用负载钯基合金的多壁碳纳米管或单壁碳纳米管载体作为第一催化层，负载铂催化剂的多壁碳纳米管或单壁碳纳米管载体作为第二催化层，分别将其喷涂于质子交换膜的两个表面制备质子交换膜燃料电池膜电极。然而碳纳米管呈现管状结构并具有较大的比表面积，因此，在催化剂负载过程中，通常会形成相对松散的排列，从而导致堆积密度较低，此时层与层之间的碳纳米管无法形成有效的导电通路，从而无法使碳纳米管负载的铂碳催化剂性能无法得到有效的发挥。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种热压辅助增强燃料电池膜电极及其制备方法，以解决碳纳米管排列松散、堆积密度较低，以及层与层之间无法形成有效导电通路，导致膜电极电化学性能较差的问题

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、第一方面，一种热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法，包括如下步骤：

4、s1.制备催化层浆料：碳纳米管负载的铂催化剂(pt/cnts)中加入水和异丙醇，在30w的超声功率中搅拌，再加入全氟磺酸树脂溶液，常温条件下(25-30℃)混合均匀，得到均匀分散的墨水状催化剂浆料；

5、s2.喷涂：质子交换膜置于加热板上，催化层浆料依次喷涂于质子交换膜的两侧，得到同时具有阳极催化层和阴极催化层的催化膜；

6、s3.一次热压：先将ptfe(聚四氟乙烯)薄膜分别贴在催化剂膜两侧得到组装体a，再将多孔peft薄膜分别贴在组装体a两侧得到组装体b，最后将薄铜片分别装配在组装体b两侧，对其进行支撑和保护得到组装体c；对组装体c进行一次热压，热压完成后分别剥离两侧的薄铜片、多孔ptfe薄膜和ptfe薄膜，得到半成品热压辅助增强的催化膜；

7、s4.二次热压：将气体扩散层置于半成品热压辅助增强的催化膜的两侧，进行二次热压，得到燃料电池膜电极。

8、进一步地，所述s1中搅拌速率为500rpm，搅拌时间为30min。

9、进一步地，所述s1中采用搅拌的方式进行混合，所述搅拌的速率为10000rpm,搅拌的时间为30min。

10、进一步地，所述s1中碳纳米管负载的铂催化剂铂的质量百分比为10％。

11、进一步地，所述s1中全氟磺酸树脂溶液的质量百分比为20wt％。

12、进一步地，所述s1中催化剂浆料的溶剂为水和异丙醇，所述水和异丙醇的体积比为0.5-1.5：8.5-9.5。

13、进一步地，所述s1中催化剂浆料的溶质为pt/cnts和全氟磺酸树脂，所述溶质的质量百分比为1-2％。

14、进一步地，所述溶质中全氟磺酸树脂和pt/cnts中碳纳米管的质量比为0.7-0.8:1。

15、进一步地，所述s2中催化膜两侧阳极催化层和阴极催化层的总铂载量为0.5mg/cm2。

16、进一步地，所述阳极催化层和阴极催化层铂载量之比为1:4，也即催化膜两侧阳极催化层和阴极催化层的铂载量分别为0.1mg/cm2,0.4mg/cm2。

17、进一步地，所述s2中质子交换膜的厚度为12μm。

18、进一步地，所述s2中加热板的温度为90℃。

19、进一步地，所述s2中催化层浆料喷涂于质子交换膜的一侧后，置于40℃下放置1h，挥发多余溶剂，得到单侧催化层催化膜后，再将催化层浆料喷涂于质子交换膜的另一侧，同样置于40℃下放置1h，得到同时具有阳极催化层和阴极催化层的催化膜。

20、进一步地，所述s3中ptfe薄膜厚度为0.4-0.8mm,铜片厚度为1mm。

21、进一步地，所述s3中多孔ptfe薄膜的孔隙率为20-40％。

22、进一步地，所述s3中一次热压条件为在100-120℃，0.4-0.6mpa压力下热压80-120s。

23、进一步地，所述s4中气体扩散层的厚度为220μm。

24、进一步地，所述s4中二次热压条件在140℃，3mpa压力下热压120s。

25、第二方面，本发明提供一种热压辅助增强燃料电池膜电极，所述热压辅助增强燃料电池膜电极由第一方面所述的热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法制备而成：

26、所述热压辅助增强燃料电池膜电极包括质子交换膜，质子交换膜的一侧设置有阴极催化层，质子交换膜的另一侧设置有阳极催化层，阴极催化层和阳极催化层的外侧均设置有气体扩散层；所述阴极催化层和阳极催化层中包括碳纳米管负载的铂催化剂和全氟磺酸树脂。

27、本发明的有益效果：

28、本发明提供了一种热压辅助增强燃料电池膜电极及其制备方法，通过喷涂工艺将碳纳米管负载的铂碳催化剂及全氟磺酸树脂负载于质子交换膜上得到疏松的催化层，再通过热压的方法使疏松的碳纳米管的层与层之间形成更加致密的导电通路，有效提高催化层中催化剂的堆积密度，从而提高膜电极的电化学性能。

技术特征：

1.一种热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述s1中溶剂中水和异丙醇的体积比为0.5-1.5：8.5-9.5。

3.根据权利要求1所述的一种热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述s1中溶质中全氟磺酸树脂和pt/cnts中碳纳米管的质量比为0.7-0.8:1。

4.根据权利要求1所述的一种热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述s2中催化膜两侧阳极催化层和阴极催化层的总铂载量为0.5mg/cm2，所述阳极催化层和阴极催化层铂载量之比为1:4。

5.根据权利要求1所述的一种热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述s2中催化层浆料喷涂于质子交换膜的一侧后，置于40℃下放置1h，挥发多余溶剂，得到单侧催化层催化膜后，再将催化层浆料喷涂于质子交换膜的另一侧，同样置于40℃下放置1h，得到同时具有阳极催化层和阴极催化层的催化膜。

6.根据权利要求1所述的一种热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述s2中质子交换膜的厚度为12μm,s3中ptfe薄膜厚度为0.4-0.8mm,s4中气体扩散层的厚度为220μm。

7.根据权利要求1所述的一种热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述s3中多孔ptfe薄膜的孔隙率为20-40％。

8.根据权利要求1所述的一种热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述s3中一次热压条件为在100-120℃，0.4-0.6mpa压力下热压80-120s。

9.根据权利要求1所述的一种热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述s4中二次热压条件为在140℃，3mpa压力下热压120s。

10.一种热压辅助增强燃料电池膜电极，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法制备而成。

技术总结
本发明公开了一种热压辅助增强燃料电池膜电极及其制备方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域。所述膜电极包括质子交换膜，质子交换膜的两侧分别设置有阴极催化层和阳极催化层，阴极催化层和阳极催化层的外侧均设置有气体扩散层，阴极催化层和阳极催化层中包括碳纳米管负载的铂催化剂和全氟磺酸树脂。本发明还提供了一种热压辅助增强燃料电池膜电极的制备方法，通过喷涂工艺将碳纳米管负载的铂碳催化剂及全氟磺酸树脂负载于质子交换膜上得到疏松的催化层，再通过热压的方法使疏松的碳纳米管的层与层之间形成更加致密的导电通路，有效提高催化层中催化剂的堆积密度，从而提高膜电极的电化学性能。

技术研发人员：赵羽,潘永志,张楠,宋浩,王朝云
受保护的技术使用者：安徽明天新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25