用于质子交换膜燃料电池膜电极成型的夹具及质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种用于质子交换膜燃料电池膜电极成型的夹具及质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。 

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的发电装置。相对于传统的能量转化系统，燃料电池具有诸多优点：如不受卡诺循环的限制，能量转化效率高；产物通常为水，对环境污染小。因此，燃料电池近年来受到越来越多的关注。 

在燃料电池中，质子交换膜燃料电池是采用甲醇、氢气和甲酸等燃料，通过一种由离子交换膜和催化剂电极组成的膜电极进行发电的装置。其中，氢氧质子交换膜燃料电池工作时，其发生的反应如下所示： 

阳极反应：H₂→2H⁺+2e； 

阴极反应：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O； 

总反应：H₂+1/2O₂→H₂O。 

在质子交换膜燃料电池中，膜电极是其核心组件之一。膜电极一般包括依次设置的阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层。目前，膜电极通常按照如下方法制备：首先分别在阳极扩散层、阴极扩散层表面制备阳极催化层、阴极催化层，分别得到催化剂阳极层、催化剂阴极层，然后将离子交换膜置于催化剂阳极层和催化剂阴极层之间，利用热压方法将其压为一体，从而得到膜电极。在此基础之上，现有技术从膜电极的结构、催化剂和离子交换膜等方面入手，提供了多种改进燃料电池电化学性能的方法，如申请号为200710144386.3的中国专利文献和申请号为200810046956.X的中国专利文献等。 

但是，现有技术均是直接采用传统的热压方法制备膜电极，如果 不引入高精度模压机，就会导致所得膜电极在粘结强度方面较差，影响其放电性能，不利于进一步提升质子交换膜燃料电池的电化学性能。 

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种用于质子交换膜燃料电池膜电极成型的夹具及质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。本发明制备得到的膜电极的放电性能优异，制备方法简便易行，无需引入昂贵的模压设备。 

本发明提供一种用于质子交换膜燃料电池膜电极成型的夹具，包括： 

平行放置的第一平板和第二平板，所述第一平板与第二平板之间的空间为置物区； 

所述第一平板和第二平板均设有通孔，螺丝杆通过所述通孔连接所述第一平板和第二平板； 

所述第一平板设有螺丝孔，紧定螺丝杆通过所述螺丝孔顶紧所述第二平板。 

优选的，所述螺丝杆的扭矩为0.5N·m～5N·m。 

优选的，所述第一平板的通孔至少为四个，对称分布于所述第一平板的四个边角处。 

优选的，所述第一平板的螺丝孔至少为四个，对称分布于所述第一平板的边缘区。 

优选的，所述第一平板为钢板或合金铝板，所述第二平板为钢板或合金铝板。 

本发明还提供一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，包括： 

将阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜层、阴极催化层、阴极扩散层依次放置于平行放置的第一平板和第二平板之间，所述第一平板和第二平板均设有通孔，螺丝杆通过所述通孔连接所述第一平板和第二平板； 

将所述螺丝杆的扭矩设置为0.5N·m～5N·m，所述第一平板设有 螺丝孔，紧定螺丝杆通过所述螺丝孔顶紧所述第二平板，完成固定； 

将所述固定后的第一平板、第二平板，以及第一平板与第二平板之间依次放置的阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜层、阴极催化层、阴极扩散层于140℃～250℃进行加热，2min～30min后，得到质子交换膜燃料电池膜电极。 

优选的，所述加热的温度为180℃～210℃。 

优选的，所述加热的时间为10min～20min。 

优选的，所述第一平板为钢板或合金铝板，所述第二平板为钢板或合金铝板。 

优选的，所述阳极扩散层为碳纸或碳布，所述阴极扩散层为碳纸或碳布，所述阳极催化层的阳极催化剂为PtRu黑催化剂或PtRu/C催化剂，所述阴极催化层的阴极催化剂为Pt黑催化剂或Pt/C催化剂。 

与现有技术相比，本发明首先将组成膜电极的各层依次放置于第一平板和第二平板之间，所述第一平板和第二平板平行放置，并通过螺丝杆连接；然后将所述螺丝杆的扭矩设置为0.5N·m～5N·m，将紧定螺丝杆通过所述第一平板的螺丝孔顶紧第二平板，使所述第一平板和第二平板连接、固定；再将所述固定后的第一平板、第二平板，以及第一平板和第二平板之间的各层进行加热，所述加热的温度为140℃～250℃、时间为2min～30min，从而得到质子交换膜燃料电池膜电极。 

本发明采用第一平板和第二平板等组成的夹具，对制备膜电极的模压方式进行了调整。本发明将扭矩控制为0.5N·m～5N·m，在平板的压力作用下，保证在加热过程中平板对组成膜电极的各层施加适宜的压紧力，使各层充分、平整地接触；本发明在第一平板的螺丝孔拧入紧定螺丝杆，顶紧第二平板，使得在加热过程中各层不易发生变形，由此保证制得的膜电极的阳极扩散层和阴极扩散层等具有较高的孔隙率，保证质子、电子、气体和液体输送的通畅性；同时，本发明将加热的温度和时间进行配合控制，保证各层之间具有较高的粘结强度，使放电性能优异，并能延长燃料电池的循环使用寿命，从而进一步提高燃料电池的电化学性能。实验证明，采用本发明方法制备的膜电极 具有较为优异的放电性能，其制备工艺操作简便，无需引入价格较为昂贵的模压设备如高精度模压机，成本较低，利于推广。 

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于质子交换膜燃料电池膜电极成型的夹具的结构示意图； 

图2为本发明实施例提供的夹具及膜电极各层原料的放置情况示意图； 

图3为本发明实施例1制备的膜电极在25℃下用3M甲醇溶液进行放电而测得的电压和功率曲线； 

图4为本发明实施例2制备的膜电极在25℃下用3M甲醇溶液进行放电而测得的电压和功率曲线； 

图5为比较例1制备的膜电极在25℃下用3M甲醇溶液进行放电而测得的电压和功率曲线。 

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。 

本发明提供了一种用于质子交换膜燃料电池膜电极成型的夹具，包括： 

平行放置的第一平板和第二平板，所述第一平板与第二平板之间的空间为置物区； 

所述第一平板和第二平板均设有通孔，螺丝杆通过所述通孔连接所述第一平板和第二平板； 

所述第一平板设有螺丝孔，紧定螺丝杆通过所述螺丝孔顶紧所述第二平板。 

本发明提供的夹具可用于质子交换膜燃料电池膜电极成型，能改善膜电极的放电性能等性能。 

本发明实施例提供的用于质子交换膜燃料电池膜电极成型的夹具的结构如图1所示，图1为本发明实施例提供的用于质子交换膜燃 料电池膜电极成型的夹具的结构示意图。在图1中，11为第一平板，12为第二平板，41为螺丝杆，42为紧定螺丝杆。 

在本发明中，第一平板11和第二平板12平行放置，两者之间的空间为置物区，可用于放置阳极催化层、质子交换膜层和阴极扩散层等制备膜电极的各层原料。 

所述第一平板优选为钢板或合金铝板，这样的板材导热性能良好、耐热性能高且膨胀系数较小，对应用该夹具制备膜电极更为有利；所述第二平板优选为钢板或合金铝板，两个平板的板材可以相同，也可以不同，优选采用相同的板材。本发明对所述第一平板、第二平板的面积没有特殊限制，可根据所要制备的膜电极的面积而定。 

第一平板11和第二平板12均设有通孔，两者的通孔是相对应的，螺丝杆41通过所述通孔连接两者。螺丝杆41不仅能对第一平板11和第二平板12起到连接、固定的作用，还能调整两个平板之间的压紧力。 

本发明对所述通孔和螺丝杆没有特殊限制，能起到上述作用即可，如可以采用内六角螺丝杆；为了保证第一平板11和第二平板12对夹在其间的膜电极具有均匀的压力，所述第一平板的通孔优选至少为四个，对称分布于所述第一平板的四个边角处，相应的，螺丝杆41的个数也优选为四个。 

操作时，螺丝杆41的扭矩优选为0.5N·m～5N·m。上述扭矩提供的压紧力足以保证膜电极各层充分、平整地接触。若扭矩过大，则会导致在后续的加热工序中，平板对膜电极各层的压力过大，造成阳极扩散层、阴极扩散层和质子交换膜层发生变形甚至破裂，从而影响孔隙率和支撑强度，导致催化剂难以正常发挥作用。对于面积小于20cm²的膜电极，螺丝杆41的扭矩更优选为0.8N·m～3N·m；对于面积小于10cm²、优选为4cm²～10cm²的膜电极，螺丝杆41的扭矩更优选为0.8N·m～1.3N·m。 

为了避免在制备膜电极的加热过程中由于加热平板的重量对膜电极施加额外的压力，第一平板11还设有螺丝孔，紧定螺丝杆42通 过所述螺丝孔顶紧第二平板12。所述紧定螺丝杆通过设置在第一平板的螺丝孔，下端抵住第二平板，这样就保证了两个平板之间的间距在加热过程中基本保持恒定，从而保护膜电极在制备过程中不会受到不期望的压力而导致变形。 

本发明对所述螺丝孔和紧定螺丝杆没有特殊限制，能起到上述作用即可，如可以采用内六角紧定螺丝杆；为了进一步保证第一平板11和第二平板12对夹在其间的膜电极施加的压力均匀，所述第一平板的螺丝孔优选至少为四个，对称分布于所述第一平板的边缘区，相应的，紧定螺丝杆42的个数也优选为四个。 

图2为本发明实施例提供的夹具及膜电极各层原料的放置情况示意图，其中，11为第一平板，12为第二平板，41为螺丝杆，42为紧定螺丝杆； 

31～35分别为制备膜电极的各层原料：31为与第一平板11相接触的阳极扩散层，35为与第二平板12相接触的阴极扩散层，32为覆于阳极扩散层31的表面的阳极催化层，34为覆于阴极扩散层35的表面的阴极催化层，33为分别与阳极催化层32、阴极催化层34相接触的质子交换膜层。 

本发明对上述各层原料没有特殊限制，采用本领域常用的即可。具体说来，所述阳极扩散层可以为碳纸或碳布；所述阴极扩散层可以为碳纸或碳布，优选采用两个一致的扩散层； 

所述阳极扩散层和覆于其表面的阳极催化层形成催化剂阳极层，其可按照本领域技术人员熟知的方法制备，具体可以为：在阳极扩散层31的表面喷涂阳极催化剂。其中，所述阳极催化层的阳极催化剂优选为PtRu黑催化剂或PtRu/C催化剂，喷涂量优选为2mg/cm²～5mg/cm²。 

相应的，所述阴极扩散层和覆于其表面的阴极催化层形成催化剂阴极层，其可按照本领域技术人员熟知的方法制备，具体可以为：在阴极扩散层35的表面喷涂阴极催化剂。其中，所述阴极催化层的阴极催化剂为Pt黑催化剂或Pt/C催化剂，喷涂量优选为2mg/cm²～5mg/cm²。 

在本发明中，使用上述夹具制备质子交换膜燃料电池膜电极的工序具体为： 

将阳极扩散层31、阳极催化层32、质子交换膜层33、阴极催化层34、阴极扩散层35依次叠放于第一平板11和第二平板12之间； 

然后拧紧螺丝杆41和紧定螺丝杆42； 

再将上述夹有膜电极各层原料的夹具置于模压机上在无外压下条件下加热，加热结束后取出，冷却后移除第一平板和第二平板，得到质子交换膜燃料电池膜电极。 

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，包括： 

将阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜层、阴极催化层、阴极扩散层依次放置于平行放置的第一平板和第二平板之间，所述第一平板和第二平板均设有通孔，螺丝杆通过所述通孔连接所述第一平板和第二平板； 

将所述螺丝杆的扭矩设置为0.5N·m～5N·m，所述第一平板设有螺丝孔，紧定螺丝杆通过所述螺丝孔顶紧所述第二平板，完成固定； 

将所述固定后的第一平板、第二平板，以及第一平板与第二平板之间依次放置的阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜层、阴极催化层、阴极扩散层于140℃～250℃进行加热，2min～30min后，得到质子交换膜燃料电池膜电极。 

申请人研究发现，膜电极的模压方式对电极性能有重要影响：模压方式决定了膜电极各组件之间的结合力大小、气体和液体传输通道是否通畅以及质子和电子通道是否受阻等，因此，本发明通过调整模压方式，提高了膜电极的电化学性能。 

本发明首先将阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜层、阴极催化层、阴极扩散层依次放置于平行放置的第一平板和第二平板之间，所述第一平板和第二平板均设有通孔，螺丝杆通过所述通孔连接所述第一平板和第二平板，该放置情况可如图2所示。 

第一平板11和第二平板12平行放置，两者之间的空间为置物区， 可用于放置阳极催化层、质子交换膜层和阴极扩散层等制备膜电极的各层原料。 

所述第一平板优选为钢板或合金铝板，这样的板材导热性能良好、耐热性能高且膨胀系数较小，对应用该夹具制备膜电极更为有利；所述第二平板优选为钢板或合金铝板，两个平板的板材可以相同，也可以不同，优选采用相同的板材。本发明对所述第一平板、第二平板的面积没有特殊限制，可根据所要制备的膜电极的面积而定。 

本发明对上述各层原料没有特殊限制，采用本领域常用的即可。具体说来，阳极扩散层31可以为碳纸或碳布；阴极扩散层35可以为碳纸或碳布，优选采用两个一致的扩散层。 

阳极扩散层31和覆于其表面的阳极催化层32形成催化剂阳极层，其可按照本领域技术人员熟知的方法制备，具体可以为：在阳极扩散层31表面喷涂阳极催化剂。其中，所述阳极催化层的阳极催化剂优选为PtRu黑催化剂（铂钌黑催化剂）或PtRu/C催化剂，喷涂量优选为2mg/cm²～5mg/cm²。 

相应的，阴极扩散层35和覆于其表面的阴极催化层34形成催化剂阴极层，其可按照本领域技术人员熟知的方法制备，具体可以为：在阴极扩散层35表面喷涂阴极催化剂。其中，所述阴极催化层的阴极催化剂为Pt黑催化剂（铂黑催化剂）或Pt/C催化剂，喷涂量优选为2mg/cm²～5mg/cm²。 

质子交换膜层33为本领域常用的质子交换膜，如Nafion115膜或Nafion117膜等，本发明对此并无特殊限制。 

第一平板11和第二平板12均设有通孔，两者的通孔是相对应的，螺丝杆41通过所述通孔连接两者。螺丝杆41不仅能对第一平板11和第二平板12起到连接、固定的作用，还能调整两个平板之间的压紧力。 

本发明对所述通孔和螺丝杆没有特殊限制，能起到上述作用即可，如可以采用内六角螺丝杆；为了保证第一平板11和第二平板12对夹在其间的膜电极的压力均匀，所述第一平板的通孔优选至少为四 个，对称分布于所述第一平板的四个边角处，相应的，螺丝杆41的个数也优选为四个。 

在两个平板之间放置好各层原料后，本发明将所述螺丝杆的扭矩设置为0.5N·m～5N·m，所述第一平板设有螺丝孔，紧定螺丝杆通过所述螺丝孔顶紧所述第二平板，完成固定。 

在本发明中，上述两个平板平行放置，螺丝杆的扭矩为0.5N·m～5N·m，并配合设置紧定螺丝杆顶紧，实现对两个平板位置的固定。具体说来，上述两个平板、螺丝杆和紧定螺丝杆的作用在于： 

第一，对制备膜电极的各层组件施压，两个平板平行放置保证膜电极各层充分、平整地接触。 

第二，通过对扭矩的调整，使两个平板之间具有适宜的压紧力，保证催化剂阳极层、质子交换膜层和催化剂阴极层充分接触的同时，又使阳极扩散层和阴极扩散层等不致变形。 

对于面积小于20cm²的膜电极，所述螺丝杆的扭矩优选为0.8N·m～3N·m；对于面积小于10cm²、优选为4cm²～10cm²的膜电极，所述螺丝杆的扭矩优选为0.8N·m～1.3N·m。 

第三，在后续的加热工序中，催化剂阳极层、质子交换膜层和催化剂阴极层受热发生膨胀，此时两个平板的相对位置固定，对上述各层起到定位作用。同时，由于上述各层的膨胀使得平板对上述各层产生反作用力，对上述各层进一步加压，促进各层的粘合。 

本发明对所述螺丝孔和紧定螺丝杆没有特殊限制，能起到上述作用即可，如可以采用内六角紧定螺丝杆；为了进一步保证第一平板11和第二平板12对夹在其间的膜电极具有均匀的压力，所述第一平板的螺丝孔优选至少为四个，对称分布于所述第一平板的边缘区，相应的，紧定螺丝杆42的个数也优选为四个。 

完成固定后，本发明将所述固定后的第一平板、第二平板，以及第一平板与第二平板之间依次放置的阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜层、阴极催化层、阴极扩散层于140℃～250℃进行加热，2min～30min后，得到质子交换膜燃料电池膜电极。 

本发明采用模压机对夹有各层原料、固定后的平板进行加热，并配合对加热温度和加热时间进行控制，以保证膜电极各层之间具有较高的粘结强度。 

本发明对所述模压机没有特殊限制，采用本领域常用的即可，如平板模压机。本发明控制加热的温度为140℃～250℃，时间为2min～30min。其中，所述加热的温度优选为180℃～210℃；所述加热的时间优选为10min～20min。如设置加热的温度为180℃～210℃，时间为10min～20min；或者设置加热的温度为220℃～250℃，时间为3min～8min。 

按照上述方法加热后，本发明将所述平板等取出，冷却至室温，移除平板后得到质子交换膜燃料电池膜电极。 

得到质子交换膜燃料电池膜电极后，将其安装在自呼吸甲醇燃料电池中在室温下运行，测试所述膜电极的性能。测试方法为本领域技术人员熟知的方法，测试结果表明，本发明所制得的膜电极具有优异的放电性能。 

综上所述，本发明采用夹具对膜电极的模压方式进行了调整，能改善膜电极的放电性能，进而提高燃料电池的性能。具体说来，本发明将膜电极各层组件置于平行的两个平板之间，并且这两个平板通过螺丝杆和紧定螺丝杆连接、固定。在本发明中，在平板的压力作用下，膜电极各层充分、平整地接触；同时，本发明对扭矩进行控制、设置紧定螺丝杆顶紧，保证加热工序中平板对膜电极各层施加适宜的压紧力，使模压过程中膜电极各层不易发生变形，由此保证制得的膜电极中的阳极扩散层和阴极扩散层等具有较高的孔隙率，质子、电子、气体和液体输送的通畅性，以及各层之间具有较高的粘结强度，从而延长燃料电池的循环使用寿命，提高燃料电池的电化学性能。另外，本发明还对加热的温度和时间进行控制，配合上述夹具发挥作用。因此，本发明能够制得放电性能优异的膜电极，且制备方法简便易行，无需引入昂贵的模压设备，成本较低，利于推广。 

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的用于质 子交换膜燃料电池膜电极成型的夹具及质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法进行具体描述。 

实施例1 

在一片2cm×7cm的阳极炭纸上喷涂5mg/cm²的铂钌黑催化剂，得到催化剂阳极层；在另一片2cm×7cm的的阴极炭纸上喷涂5mg/cm²的铂黑催化剂，得到催化剂阴极层；将这两张炭纸置于一张3cm×10cm的Nafion115膜（购自杜邦公司）的两侧，催化剂分别与Nafion115膜接触，然后将这些膜电极组件置于图1所示夹具的第一平板和第二平板之间，两个平板均由钢板制成； 

将连接且固定两个平板的螺丝杆的扭矩设置为1N·m～1.3N·m，所述第一平板设有螺丝孔，紧定螺丝杆通过所述螺丝孔顶紧所述第二平板，完成固定； 

将夹有膜电极各组件、固定后的夹具置于平板模压机上，在温度为200℃的条件下加热10分钟，然后取出所述夹具，冷却至25℃，移除平板，得到质子交换膜燃料电池膜电极。 

将此膜电极安装在自呼吸甲醇燃料电池中，在25℃下运行，甲醇溶液浓度为3M，测试放电性能。测试结果如图3所示，图3为本发明实施例1制备的膜电极在25℃下用3M甲醇溶液进行放电而测得的电压和功率曲线，在图3中，横坐标为放电电流，主纵坐标为放电电压，副纵坐标为放电功率密度。由图3可知，该膜电极的最大功率密度在16mW/cm²～18mW/cm²之间，具有很好的放电性能。 

实施例2 

在一片2cm×2cm的阳极炭纸上喷涂2mg/cm²的铂钌黑催化剂，得到催化剂阳极层；在另一片2cm×2cm的的阴极炭纸上喷涂2mg/cm²的铂黑催化剂，得到催化剂阴极层；将这两张炭纸置于一张3cm×3cm的Nafion117膜（购自杜邦公司）的两侧，催化剂分别与Nafion117膜接触，然后将这些膜电极组件置于图1所示夹具的第一平板和第二平板之间，两个平板均由合金铝板制成； 

将连接且固定两个平板的螺丝杆的扭矩设置为0.8N·m～1N·m，所 述第一平板设有螺丝孔，紧定螺丝杆通过所述螺丝孔顶紧所述第二平板，完成固定； 

将夹有膜电极各组件、固定后的夹具置于平板模压机上，在温度为240℃的条件下加热5分钟，然后取出所述夹具，冷却至25℃，移除平板，得到质子交换膜燃料电池膜电极。 

将此膜电极安装在自呼吸甲醇燃料电池中，在25℃下运行，甲醇溶液浓度为3M，测试放电性能。测试结果如图4所示，图4为本发明实施例2制备的膜电极在25℃下用3M甲醇溶液进行放电而测得的电压和功率曲线，在图4中，横坐标为放电电流，主纵坐标为放电电压，副纵坐标为放电功率密度。由图4可知，该膜电极的最大功率密度在16mW/cm²～18mW/cm²之间，具有很好的放电性能。 

比较例1 

在一片2cm×2cm的阳极炭纸上喷涂3mg/cm²的铂钌黑催化剂，得到催化剂阳极层；在另一片2cm×2cm的的阴极炭纸上喷涂3mg/cm²的铂黑催化剂，得到催化剂阴极层；将这两张炭纸置于一张3cm×3cm的Nafion117膜（购自杜邦公司）的两侧，催化剂分别与Nafion115膜接触，然后将这些膜电极组件置于平板模压机上进行热压成型，温度为130℃，压力为0.5MPa，时间为10分钟，热压后取出，得到质子交换膜燃料电池膜电极。 

将此膜电极安装在自呼吸甲醇燃料电池中，在25℃下运行，甲醇溶液浓度为3M，测试放电性能。测试结果如图5所示，图5为比较例1制备的膜电极在25℃下用3M甲醇溶液进行放电而测得的电压和功率曲线，在图5中，横坐标为放电电流，主纵坐标为放电电压，副纵坐标为放电功率密度。由图5可知，使用相同的膜电极组件，传统热压法制得的膜电极的最大功率密度约为11mW/cm²。 

由以上实施例和比较例可知，比较例1制备的膜电极的放电性能不及实施例1和2制备的膜电极的放电性能。实验结果表明，本发明采用夹具对膜电极的模压方式进行了调整，能改善膜电极的放电性能，进而提高燃料电池的性能。 

另外，本发明的制备方法简便易行，无需引入昂贵的模压设备，成本较低，利于推广。 

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。