[发明专利]质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为固体电解质燃料电池的一种，具有能量转化效率高，安全可靠、对环境友好等优点，已经成为便携式电源、家庭电热联供系统、交通运输用电源等领域的主要选择。

质子交换膜燃料电池的工作原理为：以氢气为燃料，以氧气或空气为氧化剂，在催化剂作用下，发生氧化还原反应生成清洁的水，并对外供电和热，从而实现整个能量的转化过程。质子交换膜燃料电池的功率由电池堆的大小决定，而电池堆则是由若干单节电池依次叠加组合串联而成。其中，单节电池的构成通常如附图1所示。1’为质子交换膜，2’为催化剂层，3’为气体扩散层，4’为密封垫片，5’为双极板，各组件构成单节电池11’。其中通常将密封垫片4’、气体扩散层3’、催化剂层2’和质子交换膜1’采用一定的方法组合在一起，构成膜电极10’。膜电极是氢、氧发生氧化还原反应生成水、产生电和热的场所，是质子交换膜燃料电池的核心部件，决定着整个质子交换膜燃料电池系统的性能和寿命。

在目前实际采用的膜电极制备方法中，由于质子交换膜的挤出成型工艺和膜电极的制备工艺不能很好地结合起来，使得挤出成型和压延后得到的质子交换膜在进行催化剂层的喷涂之前就已经冷却了，在后续的膜电极制备时，首先还需要先将质子交换膜加热至一定温度，然后再将催化剂喷涂在质子交换膜的上、下表面或将两张已喷涂有催化剂的气体扩散层与质子交换膜热压在一起，得到膜电极。在该制备技术中，为了有效改善催化剂与质子交换膜间的界面结合，使催化剂层中化学反应产生的质子能够顺利传导至质子交换膜，降低两者之间的接触电阻，提高燃料电池能量转化效率，通常需要在喷涂催化剂层之前对质子交换膜进行加热，使催化剂溶液中的离子聚合物与质子交换膜较好地相互渗透，紧密结合，在催化剂层与质子交换膜的界面处形成能够传导质子的离子聚合物连续体。因此，在制备膜电极时，需要购置能够精确控温的加热板或热压机以对质子交换膜再次加热至一定温度，这不仅增加了制作成本，同时增加了工艺的复杂性，降低了生产效率，更重要的是如果二次加热工艺不当可能会破坏质子交换膜的聚集态结构，如结晶区与非晶区的比例，从而影响质子交换膜的质子传导性、机械强度等，增加了影响膜电极性能优劣及稳定性的风险。

发明内容

本发明旨在提供一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，以解决现有技术中存在的由于质子交换膜的挤出成型工艺和膜电极的制备工艺不能在线结合所带来的工艺复杂、成本较高的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，包括以下步骤：S1步骤，将质子交换树脂制备成温度为40℃～140℃的质子交换膜；以及S2步骤，在质子交换膜的温度下降到40℃之前，在质子交换膜的上表面和下表面上均设置催化剂层、气体扩散层和密封垫片，得到膜电极。

进一步地，S2步骤包括：在质子交换膜的上表面和下表面上设置催化剂层，得到三层结构的膜电极；以及在三层结构的膜电极的上表面和下表面上均设置气体扩散层和密封垫片，得到膜电极。

进一步地，S2步骤包括：将气体扩散层与催化剂层制备为一体结构；以及将一体结构、密封垫片依序设置在质子交换膜的上表面和下表面，得到膜电极。

进一步地，质子交换树脂为全氟磺酸树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化聚芳醚砜树脂、磺化聚酰亚胺树脂和磺化聚苯并咪唑树脂中的一种或几种组合。

进一步地，催化剂层的厚度为5～20μm。

进一步地，气体扩散层为经过疏水化处理的碳纤维纸和/或碳纤维织布。

进一步地，在S1步骤中，采用熔融挤出设备将质子交换树脂熔融并成型，用压延设备进行压延冷却工艺，得到质子交换膜；用喷涂设备以及压延设备将催化剂层、气体扩散层及密封垫片设置在质子交换膜上。

进一步地，熔融挤出设备为螺杆挤出机，螺杆挤出机包括单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机或双阶挤出机；喷涂设备为喷涂机；压延设备为压辊机。