[發明專利]一種質子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法

在審

• 申請號: 202210534425.5
• 申請日: 2022-05-17
• 公開（公告）號: CN114865029A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 徐洪峰;唐嘉敏;李玉平;張萍俊
• 申請（專利權）人: 上海安池科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M4/88
• 代理公司: 大連優路智權專利代理事務所(普通合伙) 21249
• 代理人: 尤理

本發明涉及質子交換膜燃料電池技術領域，具體公開了一種質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，所述方法包括將碳載鉑催化劑與全氟磺酸樹脂溶液混合，利用異丙醇為溶劑，配制成混合乳液，在絲網印刷機上將所述混合乳液印刷到陽極擴散層的多孔層表面，烘干，在絲網印刷機上將所述混合乳液印刷到電解質膜的陰極面表面，烘干，將電解質膜的陽極面與陽極擴散層的陽極催化層表面相接觸，將電解質膜的陰極催化層表面與陰極擴散層的多孔層表面相接觸，在熱壓機上將三者熱壓在一起，形成一張膜電極。本發明通過絲網印刷技術實現陽極催化層和陰極催化層分別附著在陽極擴散層上和電解質膜上，簡化了操作難度，設備成本低，催化劑損失小，操作靈活。

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池技術領域，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，空氣為氧化劑，通過電化學反應直接把燃料和氧化劑內的化學能轉化為電能，不受卡諾循環限制，能量轉換效率高。同時，反應的產物為水，可以直接排放，環境友好。質子交換膜燃料電池發電系統由多個子系統和零部件組成。其中膜電極是其核心部件，是電化學反應的場所。

膜電極通常由陽極、電解質膜和陰極組成，其中電解質膜至于陽極和陰極中間，三者密切接觸。陽極由陽極擴散層和陽極催化層構成，陰極由陰極擴散層和陰極催化層構成，其中催化層在靠近電解質膜一側，陽極擴散層和陰極擴散層均由含憎水聚四氟乙烯的碳紙層和多孔層構成，陰、陽極的碳紙層厚度和結構相同，多孔層厚度和結構可以相同，也可以不相同。

目前，擴散層已經形成商業化產品。電解質膜也是固定化商品，是由全氟磺酸樹脂與多孔聚四氟乙烯薄膜復合在一起的復合膜，中間是多孔的聚四氟乙烯薄膜，陰極和陽極面為一定厚度的全氟磺酸樹脂，樹脂貫穿多孔膜，陰極樹脂膜比陽極樹脂膜厚一些，分不同規格，厚度在8微米作左右和12微米左右。催化層由催化劑和全氟磺酸樹脂構成，通常是把催化劑與全氟磺酸樹脂溶液配成墨汁狀均勻混合物，涂敷在擴散層(GDE)或電解質膜上(CCM)。

目前，為了降低傳質阻力，減薄催化層厚度，催化層的制備方法主要是CCM法，CCM的制備方法主要是噴涂法和狹縫涂布法。噴涂法設備簡單，間歇操作，適合小批量生產，存在的問題是噴涂帶來大量的催化劑浪費，增大成本。狹縫涂布技術適合大規模操作，自動化操作，質量可控。存在的問題是需要連續化生產，停機和開機均有大量材料浪費。

發明內容

本發明的目的是提供一種質子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法，以克服現有技術中膜電極催化層的制備過程中存在的問題。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，包括以下步驟：

S1.將碳載鉑催化劑與全氟磺酸樹脂溶液混合，利用異丙醇為溶劑，配制成混合乳液；

S2.將陽極擴散層裁剪到指定大小，在絲網印刷機上將所述混合乳液印刷到陽極擴散層的多孔層表面，烘干，完成陽極催化層的制備；

S3.將電解質膜裁剪成指定大小，在絲網印刷機上將所述混合乳液印刷到電解質膜的陰極面表面，烘干，完成陰極催化層的制備；

S4.將電解質膜的陽極面與陽極擴散層的陽極催化層表面相接觸，將電解質膜的陰極催化層表面與陰極擴散層的多孔層表面相接觸，在熱壓機上將三者熱壓在一起，形成一張膜電極。

優選的，所述步驟S1中，碳載鉑催化劑與全氟磺酸樹脂溶液的重量比例為3：1。

優選的，所述步驟S1中，所述混合乳液的粘度范圍為30-80cP。

優選的，所述步驟S2和S3中，絲網印刷機的網格為80-100目。

優選的，所述步驟S2中，所述陽極催化層的厚度為5-10微米。

優選的，所述步驟S2和S3中，烘干溫度為50-60℃，烘干時間為3-5分鐘。