一種質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法及其制備裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種微細(xì)管狀結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法及其制備裝置。用質(zhì)子交換膜樹脂溶液制備管狀質(zhì)子交換膜材料；配備陰、陽極催化劑漿料；使用陽極、陰極催化劑漿料，分別在貼有PTFE膜的加熱管外表面和平板表面制備陽極和陰極催化層；將管狀質(zhì)子交換膜套在上述加熱管外表面；平板折卷在加熱管的外表面；整體裝配進(jìn)入管式壓力裝置；在一定溫度和壓力下，熱壓得到微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極；裁剪后裝配入燃料電池夾具中得到管狀質(zhì)子交換膜燃料電池。該具有微細(xì)管結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池工作時(shí)，反應(yīng)的燃料氣(氫氣)和氧化劑(空氣或氧氣)分別進(jìn)入到管內(nèi)通道和管外壁，并與催化劑接觸，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能。
【專利說明】
一種質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法及其制備裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池制備領(lǐng)域，具體涉及一種微小型具有微細(xì)管狀結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法及其制備裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]近二十年來，由于質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量效率高、清潔無污染等特點(diǎn)，而獲得了廣泛研究關(guān)注和迅速發(fā)展。質(zhì)子交換膜燃料電池可應(yīng)用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池和分布式電站，同時(shí)在微小型方面也成為了開發(fā)的重點(diǎn)，主要用于如手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電源。然而，小型電池有其自身的特點(diǎn)，如果采用傳統(tǒng)的電池材料和結(jié)構(gòu)，使燃料電池小型化有很大的難度，因此需要進(jìn)行創(chuàng)新。
[0003]質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件是膜電極，一般是在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)涂敷催化層，催化層兩側(cè)有氣體擴(kuò)散層和雙極板，形成“三明治”結(jié)構(gòu)。在小型燃料電池方面，功率密度遠(yuǎn)低于大型的雙極板結(jié)構(gòu)燃料電池。目前在燃料電池小型方面出現(xiàn)了一些新的技術(shù)路線，主要是基于機(jī)械微加工和微電子技術(shù)。其中比較有代表性的是采用半導(dǎo)體硅片加工技術(shù)，該技術(shù)使用微電子技術(shù)制得的多孔硅片作為電池支持體，在硅片上濺射銅或金等金屬薄層來增強(qiáng)導(dǎo)電能力，這樣減小了電池的尺寸，提高了電池的功率密度，便于批量生產(chǎn)。但是目前無論從技術(shù)角度還是從成本考慮，仍存在許多問題，而且功率密度仍然達(dá)不到商業(yè)化的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種微小型具有微細(xì)管狀結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法及其制備裝置，提供的微小型燃料電池采用微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜大大提高了比表面積，增加了催化反應(yīng)區(qū)域、減小了電池體積、縮短了傳導(dǎo)路徑，有利于傳質(zhì)。水氣通道縮短有利于簡(jiǎn)化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的水管理。
[0005]為了達(dá)到本發(fā)明的目的，技術(shù)方案如下:
[0006]—種微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法，其特征在于，包括步驟:
[0007]1)、使用質(zhì)子交換膜樹脂溶液，應(yīng)用模板法制備管狀質(zhì)子交換膜材料；
[0008]2 )、分別配備陰極催化劑漿料、陽極催化劑漿料；
[0009]3 )、使用陽極催化劑漿料，在貼有PTFE膜的加熱管外表面制備陽極催化層，
[0010]使用陰極催化劑漿料，在貼有PTFE膜的平板表面制備陰極催化層；
[0011]4)、將管狀質(zhì)子交換膜套在制備有陽極催化層的加熱管外表面；
[0012]5)、將制備有陰極催化層的平板折卷在步驟4)后管狀質(zhì)子交換膜的外表面；
[0013]6)、將步驟5卷有平板的加熱管裝配進(jìn)入的管式壓力裝置；
[0014]7)、將包含有電加熱棒和熱電偶的溫度控制系統(tǒng)裝配入加熱管中空部分，并通過控制管式壓力裝置的螺釘扭矩來控制壓力，控制溫度在1 〇〇 °C?150 °C之間，壓力在0 ? 05? 0.1MPa之間，熱壓得到微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極；
[0015]8)、將管狀膜電極裁剪成所需尺寸，裝配入燃料電池夾具中得到管狀質(zhì)子交換膜燃料電池或電池堆。
[0016]優(yōu)選地，質(zhì)子交換膜樹脂溶液是濃度在lwt %?10wt %的Naf 1n溶液。[〇〇17]優(yōu)選地，制備管狀質(zhì)子交換膜的模板是柱狀玻璃模板，柱狀玻璃模板外徑在0.5mm ?2mm之間，長(zhǎng)度在lcm?10cm之間，采用流延法制備所述步驟4)中的管狀質(zhì)子交換膜，所制備的管狀質(zhì)子交換膜內(nèi)徑在〇 ? 5mm?2mm之間，長(zhǎng)度在1 cm?10cm之間。
[0018]優(yōu)選地，所配備的催化劑漿料是催化劑、質(zhì)子交換膜樹脂溶液和分散劑的混合物， 使用超聲分散和攪拌法進(jìn)行均勻分散；
[0019]配備催化劑漿料中，所用的催化劑是商業(yè)Pt/C催化劑，Pt含量在20wt %?60wt % 之間，所用樹脂溶液是相應(yīng)質(zhì)子交換膜的樹脂溶液；
[0020]所用分散劑是去離子水、乙醇、異丙醇中的一種或幾種的混合，分散劑添加體積與添加質(zhì)子交換膜樹脂溶液的體積比在10:1?20:1之間；
[0021]催化劑漿料配備中:催化劑與質(zhì)子交換膜樹脂溶液中干樹脂的質(zhì)量比在3:1?4:1 之間。[〇〇22]優(yōu)選地，使用刷涂法或噴涂法在貼有PTFE膜的加熱管外表面和平板表面分別制備陽極和陰極催化層，催化劑擔(dān)載量在0.1?〇.5mg/cm2之間，加熱管外徑在0.5mm?2mm之間， 長(zhǎng)度在lcm?10cm之間，平板寬度在0? 5mm?2mm之間，長(zhǎng)度在lcm?10cm之間。
[0023]優(yōu)選地，在所述步驟5)中，具體步驟為:制備有陰極催化層的平板沿寬度方向、催化劑向內(nèi)折卷成管狀，并套在管狀質(zhì)子交換膜的外表面。
[0024]優(yōu)選地，步驟8)中管狀膜電極裁剪成長(zhǎng)度為1_?10_之間的尺寸。
[0025]最后將管狀膜電極裁剪成所需尺寸，裝配入燃料電池夾具中得到管狀質(zhì)子交換膜燃料電池。該具有微細(xì)管結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池工作時(shí)，反應(yīng)的燃料氣(氫氣)和氧化劑(空氣或氧氣)分別進(jìn)入到管內(nèi)通道和管外壁，并與催化劑接觸，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能。
[0026]—種微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備裝置，其特征在于，包括管式應(yīng)力裝置、加熱管和平板，
[0027]加熱管用于制作陽極催化層，加熱管為圓柱形結(jié)構(gòu)，并且加熱管的中心具有中空部分，
[0028]平板為平面形狀并且可折卷，平板用于制作陰極催化層，
[0029]管式應(yīng)力裝置的側(cè)壁上具有兩片向外延伸的壓緊片，壓緊片上安裝有螺栓，螺栓可將兩片壓緊片緊壓在一起，管式應(yīng)力裝置的中心具有空腔。[0〇3〇] 優(yōu)選地，其特征在于，管式壓力裝置內(nèi)徑為0 ? 5mm?2mm，長(zhǎng)度為1 cm?10cm。[〇〇31]本發(fā)明具有的有益效果:
[0032]采用本發(fā)明的微細(xì)管狀燃料電池和膜電極的制備方法及其制備裝置，實(shí)現(xiàn)微管結(jié)構(gòu)質(zhì)子交換膜燃料電池的制備。通過采用微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜大大提高了比表面積，增加了催化反應(yīng)區(qū)域、減小了電池體積、縮短了傳導(dǎo)路徑，有利于傳質(zhì)。水氣通道縮短有利于簡(jiǎn)化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的水管理。從而實(shí)現(xiàn)大幅提高微小型質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電性能、 提高體積和質(zhì)量比功率以及簡(jiǎn)化電池系統(tǒng)管理的目的。這些性能的提高，將使得燃料電池在便攜式電源領(lǐng)域更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。目前對(duì)于便攜式電源，不論是手機(jī)還是筆記本電腦，電池的使用壽命是制約其進(jìn)一步發(fā)展和影響其競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵問題。配以合適的氫源，高能量密度的燃料電池將比鋰離子電池具有更長(zhǎng)的使用時(shí)間，而且不需要充電，只需要更換氫源 (儲(chǔ)氫罐或其它)即可，使用起來更加方便。
[0033]本發(fā)明專利所述的方法不僅限于舉例中的Naf1n膜及膜電極的制備，依據(jù)本專利所提供的方法可以拓展至基于其它商業(yè)質(zhì)子交換膜的燃料電池膜電極制備?！靖綀D說明】
[0034]圖1是本發(fā)明制備裝置中加熱管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖2是本發(fā)明制備裝置中平板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖3為加熱管卷繞平板后的結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇37]圖4為管式應(yīng)力裝置的結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅僅局限于實(shí)施例。[〇〇39]結(jié)合圖1-圖4所示，
[0040] —種微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備裝置，包括管式應(yīng)力裝置3、加熱管1和平板2。[〇〇411加熱管1用于制作陽極催化層，加熱管1為圓柱形結(jié)構(gòu)，并且加熱管的中心具有中空部分1-1，中空部分1-1用于放置電加熱棒和熱電偶等溫度控制系統(tǒng)。
[0042]平板2為平面形狀并且可折卷，平板2用于制作陰極催化層，[〇〇43]管式應(yīng)力裝置3的側(cè)壁上具有兩片向外延伸的壓緊片3-3,壓緊片上安裝有螺栓3-2，螺栓可將兩片壓緊片緊壓在一起，管式應(yīng)力裝置3的中心具有空腔3-1，通過控制螺栓扭矩來控制壓力。裝配時(shí)，將圖3中卷繞有平板的加熱管置于空腔3-1內(nèi)，旋緊螺栓，管式應(yīng)力裝置的側(cè)壁對(duì)加熱管和平板施加壓力。
[0044] 實(shí)施例1:[〇〇45]1.管狀質(zhì)子交換膜制備:稱取濃度為5wt%的Naf1n溶液2ml，以外徑為2mm、長(zhǎng)度為2cm的柱狀玻璃為模板，采用流延法制備內(nèi)徑為2mm、長(zhǎng)度為2cm的管狀質(zhì)子交換膜；[〇〇46]2.陽極催化層漿料制備:稱取0.4mg 60%Pt/C催化劑放入小燒杯內(nèi)，加入2ml去離子水并攪拌，在攪拌過程中加入2mg 5 % Naf1n溶液，經(jīng)攪拌、超聲振蕩混合后得到混合均勻的陽極催化層漿料；[〇〇47]3.陰極催化層漿料制備:與步驟2類似稱取0.4mg 60%Pt/C催化劑放入小燒杯內(nèi)，加入2ml去離子水并攪拌，在攪拌過程中加入2.6mg 5%Naf1n溶液，經(jīng)攪拌、超聲振蕩混合后得到混合均勻的陰極催化層漿料；[〇〇48]4.陽極側(cè)催化層制備:采用外表面貼有PTFE膜的外徑為2mm、長(zhǎng)度為2cm的配圖1中所示的加熱管，將步驟2中所配置的陽極催化層漿料利用噴涂的方法在100°C條件下將其噴涂于加熱管的外表面，Pt/C催化劑的擔(dān)載量為0.5mg/cm2,從而制備完成陽極側(cè)催化層；
[0049]5.陰極側(cè)催化層制備:采用貼有PTFE膜的寬度為2mm、長(zhǎng)度為2cm的配圖2中的平板，與步驟4類似，將步驟3中所配置的陰極催化層漿料利用噴涂的方法在100°C條件下將其噴涂于有PTFE貼膜的平板表面，Pt/C催化劑的擔(dān)載量為0.5mg/cm2,從而制備完成陰極側(cè)催化層；
[0050]6.將步驟1中得到的管狀質(zhì)子交換膜套在步驟4中制備有陽極催化層的加熱管外表面；
[0051]7.將步驟5中得到的制備有陰極催化層的平板延寬度方向、催化劑向內(nèi)折卷成管狀，并套在步驟6的外表面；[〇〇52]8.將溫度控制系統(tǒng)(包括電加熱棒和熱電偶)裝配進(jìn)入步驟6中加熱管的中空部分；[〇〇53]9.將步驟8裝配進(jìn)入配圖4所示的管式壓力裝置，管式壓力裝置內(nèi)徑為2mm，長(zhǎng)度為2cm；[〇〇54]10.在140°C、0.05MPa條件下，熱壓得到微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極；
[0055]11.將步驟10所得長(zhǎng)度為2cm的管狀膜電極裁剪成長(zhǎng)度為5mm的管狀膜電極4根，完成微小型質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備。[〇〇56] 實(shí)施例2:[〇〇57]1.管狀質(zhì)子交換膜制備:稱取濃度為5.5wt %的Naf 1n溶液3ml，以外徑為1mm、長(zhǎng)度為lcm的柱狀玻璃為模板，采用流延法制備內(nèi)徑為1mm、長(zhǎng)度為lcm的管狀質(zhì)子交換膜； [〇〇58] 2.陽極催化層漿料制備:稱取0.08mg 40 % Pt/C催化劑放入小燒杯內(nèi)，加入lml乙醇并攪拌，在攪拌過程中加入〇.5mg 5 %Naf 1n溶液，經(jīng)攪拌、超聲振蕩混合后得到混合均勻的陽極催化層漿料；[〇〇59]3.陰極催化層漿料制備:與步驟2類似稱取0.08mg 40 % Pt/C催化劑放入小燒杯內(nèi)，加入lml乙醇并攪拌，在攪拌過程中加入0.56mg 5%Naf 1n溶液，經(jīng)攪拌、超聲振蕩混合后得到混合均勻的陰極催化層漿料；
[0060]4.陽極側(cè)催化層制備:采用外表面貼有PTFE膜的外徑為1mm、長(zhǎng)度為lcm的配圖1中所示的加熱管，將步驟2中所配置的陽極催化層漿料利用噴涂的方法在90°C條件下將其噴涂于加熱管的外表面，Pt/C催化劑的擔(dān)載量為0.4mg/cm2，從而制備完成陽極側(cè)催化層；
[0061]5.陰極側(cè)催化層制備:采用貼有PTFE膜的寬度為1mm、長(zhǎng)度為lcm的配圖2中的平板，與步驟4類似，將步驟3中所配置的陰極催化層漿料利用噴涂的方法在90°C條件下將其噴涂于有PTFE貼膜的平板表面，Pt/C催化劑的擔(dān)載量為0.4mg/cm2,從而制備完成陰極側(cè)催化層；
[0062]6.將步驟1中得到的管狀質(zhì)子交換膜套在步驟4中制備有陽極催化層的加熱管外表面；
[0063]7.將步驟5中得到的制備有陰極催化層的平板延寬度方向、催化劑向內(nèi)折卷成管狀，并套在步驟6的外表面；
[0064]8.將溫度控制系統(tǒng)(包括電加熱棒和熱電偶)裝配進(jìn)入步驟6中加熱管的中空部分；[〇〇65]9.將步驟8裝配進(jìn)入配圖4所示的管式壓力裝置，管式壓力裝置內(nèi)徑為1mm，長(zhǎng)度為lcm；
[0066]10.在140°C、0.06MPa條件下，熱壓得到微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極；
[0067]11.將步驟10所得長(zhǎng)度為lcm的管狀膜電極裁剪成長(zhǎng)度為2mm的管狀膜電極5根，完成微小型質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備。
[0068]最后應(yīng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案，因此，盡管本說明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換，而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法，其特征在于，包括步驟:1)、使用質(zhì)子交換膜樹脂溶液，應(yīng)用模板法制備管狀質(zhì)子交換膜材料；2 )、分別配備陰極催化劑漿料、陽極催化劑漿料；3)、使用陽極催化劑漿料，在貼有PTFE膜的加熱管外表面制備陽極催化層，使用陰極催 化劑漿料，在貼有PTFE膜的平板表面制備陰極催化層；4)、將管狀質(zhì)子交換膜套在制備有陽極催化層的加熱管外表面；5)、將制備有陰極催化層的平板折卷在步驟4)后管狀質(zhì)子交換膜的外表面；6)、將步驟5卷有平板的加熱管裝配進(jìn)入的管式壓力裝置；7)、將包含有電加熱棒和熱電偶的溫度控制系統(tǒng)裝配入加熱管中空部分，并通過控制 管式壓力裝置的螺釘扭矩來控制壓力，控制溫度在l〇〇°C?150°C之間，壓力在0.05? 0.1MPa之間，熱壓得到微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極；8)、將管狀膜電極裁剪成所需尺寸，裝配入燃料電池夾具中得到管狀質(zhì)子交換膜燃料 電池或電池堆。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法，其特征 在于，質(zhì)子交換膜樹脂溶液是濃度在lwt%?10wt%的Naf1n溶液。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法，其特征 在于，制備管狀質(zhì)子交換膜的模板是柱狀玻璃模板，柱狀玻璃模板外徑在〇.5mm?2mm之間， 長(zhǎng)度在lcm?10cm之間，采用流延法制備所述步驟4)中的管狀質(zhì)子交換膜，所制備的管狀質(zhì) 子交換膜內(nèi)徑在〇? 5mm?2mm之間，長(zhǎng)度在lcm?10cm之間。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法，其特征 在于，所配備的催化劑漿料是催化劑、質(zhì)子交換膜樹脂溶液和分散劑的混合物，使用超聲分 散和攪拌法進(jìn)行均勻分散；配備催化劑漿料中，所用的催化劑是商業(yè)Pt/C催化劑，Pt含量在20wt %?60wt %之間， 所用樹脂溶液是相應(yīng)質(zhì)子交換膜的樹脂溶液；所用分散劑是去離子水、乙醇、異丙醇中的一種或幾種的混合，分散劑添加體積與添加 質(zhì)子交換膜樹脂溶液的體積比在10:1?20:1之間；催化劑漿料配備中:催化劑與質(zhì)子交換膜樹脂溶液中干樹脂的質(zhì)量比在3:1?4:1之 間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法，其特征 在于，使用刷涂法或噴涂法在貼有PTFE膜的加熱管外表面和平板表面分別制備陽極和陰極 催化層，催化劑擔(dān)載量在0 ? 1?0 ? 5mg/cm2之間，加熱管外徑在0 ? 5mm?2mm之間，長(zhǎng)度在lcm ?10cm之間，平板寬度在0.5mm?2mm之間，長(zhǎng)度在lcm?10cm之間。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法，其特征 在于，在所述步驟5)中，具體步驟為:制備有陰極催化層的平板沿寬度方向、催化劑向內(nèi)折 卷成管狀，并套在管狀質(zhì)子交換膜的外表面。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備方法，其特征 在于，步驟8)中管狀膜電極裁剪成長(zhǎng)度為1mm?10mm之間的尺寸。8.—種微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備裝置，其特征在于，包括管式應(yīng) 力裝置(3)、加熱管(1)和平板(2)，加熱管用于制作陽極催化層，加熱管為圓柱形結(jié)構(gòu)，并且加熱管的中心具有中空部分 (1_1)，平板為平面形狀并且可折卷，平板用于制作陰極催化層，管式應(yīng)力裝置(3)的側(cè)壁上具有兩片向外延伸的壓緊片(3-3)，壓緊片上安裝有螺栓 (3-2)，螺栓可將兩片壓緊片緊壓在一起，管式應(yīng)力裝置(3)的中心具有空腔(3-1)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述微細(xì)管狀質(zhì)子交換膜燃料電池和膜電極的制備裝置，其特征在 于，管式壓力裝置內(nèi)徑為〇? 5mm?2mm，長(zhǎng)度為lcm?10cm。
【文檔編號(hào)】H01M8/1004GK106099145SQ201610727327
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月25日
【發(fā)明人】梁峰, 雷杰, 雷一杰, 郭曉鳴
【申請(qǐng)人】武漢喜瑪拉雅光電科技股份有限公司