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1、(10)申请公布号 CN 103170928 A (43)申请公布日 2013.06.26 CN 103170928 A *CN103170928A* (21)申请号 201310067915.X (22)申请日 2013.03.04 B25B 11/00(2006.01) H01M 4/88(2006.01) (71)申请人 中国科学院长春应用化学研究所 地址 130022 吉林省长春市人民大街 5625 号 (72)发明人 邢巍 廖建辉 张弘 严亮 李晨阳 司凤占 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 代理人 赵青朵 李玉秋 (54) 发明名称 用于质子交换膜燃。
2、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 (57) 摘要 本发明提供了一种用于质子交换膜燃料电池 膜电极成型的夹具及质子交换膜燃料电池膜电极 的制备方法， 该方法将膜电极组件依次放置于夹 具的第一平板和第二平板中间 ； 将夹具的螺丝杆 的扭矩设置为 0.5Nm 5Nm， 将紧定螺丝杆通 过第一平板的螺丝孔顶紧第二平板 ； 在 140 250下加热所述夹具， 2min30min后得到质子 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， 使膜电极的放电性能较为优异， 进 而能提高燃料电池的电化学性能。本发明制备膜 电极的。
3、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 8 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书8页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103170928 A CN 103170928 A *CN103170928A* 1/1 页 2 1. 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。
4、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。 2. 根据权利要求 1 所述的夹具， 其特征在于， 所述螺丝杆的扭矩为 0.5Nm 5Nm。 3. 根据权利要求 1 所述的夹具， 其特征在于， 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。 4. 根据权利要求 1 所述的夹具， 其特征在于， 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。 5. 根据权利要求 1 所述的夹具， 其特征在于， 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。 6. 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。
5、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 0.5Nm 5Nm， 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。 7. 根据权利要求 6 所述的制备方法， 其特征。
6、在于， 所述加热的温度为 180 210。 8. 根据权利要求 6 所述的制备方法， 其特征在于， 所述加热的时间为 10min 20min。 9. 根据权利要求 6 所述的制备方法， 其特征在于， 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。 10. 根据权利要求 6 所述的制备方法， 其特征在于， 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。 权 利 要 求 书 CN 103170928 A 2 1/8 页 3。
7、 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 0001 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 0002 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。 0003 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。
8、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 ： 0004 阳极反应 ： H2 2H+2e ； 0005 阴极反应 ： 1/2O2+2H+2e H2O ； 0006 总反应 ： H2+1/2O2 H2O。 0007 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。
9、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。 0008 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 0009 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。
10、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。 0010 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 ： 0011 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 ； 0012 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 ； 说 明 书 CN 103170928 A 3 2/8 页 4 0013 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。 0014 优选的， 所述螺丝杆的扭矩为 0.5Nm 5Nm。 0015 优。
11、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。 0016 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。 0017 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。 0018 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 ： 0019 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 ； 0020 将所述螺丝杆的扭矩设置为 0.5N m 5N m。
12、， 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 ； 0021 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。 0022 优选的， 所述加热的温度为 180 210。 0023 优选的， 所述加热的时间为 10min 20min。 0024 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。 0025 优选的， 所述阳极扩散层为碳纸或碳布， 所述阴极。
13、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。 0026 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 0.5Nm 5Nm， 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140250、 时间为2min。
14、30min， 从 而得到质子交换膜燃料电池膜电极。 0027 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 m5N 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。
15、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 0028 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 说 明 书 CN 103170928 A 4 3/8 页 5 示意图 ； 0029 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 ； 0030 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。
16、率曲线 ； 0031 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 ； 0032 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 0033 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。 0034 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 ： 0035 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 ； 00。
17、36 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 ； 0037 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。 0038 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。 0039 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。 0040 在本发明中， 第一平板 11 和第二平板 12 。
18、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。 0041 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。 0042 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。
19、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。 0043 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。 0044 操作时， 螺丝杆 41 的扭矩优选为 0.5Nm 5Nm。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 说 明 书 CN 103170928 A 5 4/8 页 。
20、6 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 0.8Nm 3Nm ； 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 0.8Nm 1.3Nm。 0045 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，。
21、 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。 0046 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。 0047 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。
22、定螺丝杆 ； 0048 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。 0049 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 ； 0050 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，。
23、 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。 0051 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。 0052 在本发明中， 使用上述夹具制备质子交换膜燃料电池膜电。
24、极的工序具体为 ： 0053 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 ； 0054 然后拧紧螺丝杆 41 和紧定螺丝杆 42 ； 0055 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。 0056 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 ： 0057 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。
25、第一平板和第二平板均设有通孔， 螺丝杆通过 说 明 书 CN 103170928 A 6 5/8 页 7 所述通孔连接所述第一平板和第二平板 ； 0058 将所述螺丝杆的扭矩设置为 0.5Nm 5Nm， 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 ； 0059 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。 0060 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。
26、 ： 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。 0061 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。 0062 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。 0063 所述。
27、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。 0064 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。 0065 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。
28、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。 0066 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。 0067 质子交换膜层 33 为本。
29、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。 0068 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。 0069 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 4。
30、1 的个数也优选为四个。 0070 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 说 明 书 CN 103170928 A 7 6/8 页 8 0.5Nm 5Nm， 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。 0071 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 ： 0072 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。 0073 第二， 。
31、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。 0074 对于面积小于 20cm2的膜电极， 所述螺丝杆的扭矩优选为 0.8Nm 3Nm ； 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 0.8Nm 1.3Nm。 0075 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。
32、层进一步加压， 促进各层的粘合。 0076 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。 0077 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。
33、膜燃料电池膜电极。 0078 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。 0079 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10min20min ； 或者设置加热的温度为220250， 时间为3min8min。 0080 按照上述方法加热后， 本发明将所述。
34、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。 0081 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。 0082 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。
35、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 说 明 书 CN 103170928 A 8 7/8 页 9 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。 00。
36、83 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。 0084 实施例 1 0085 在一片 2cm7cm 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 2cm7cm 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 3cm10cm 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。
37、成 ； 0086 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 ； 0087 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。 0088 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。
38、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。 0089 实施例 2 0090 在一片 2cm2cm 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 2cm2cm 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 3cm3cm 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。
39、和第二平板之间， 两个平板均由合金铝板制成 ； 0091 将连接且固定两个平板的螺丝杆的扭矩设置为 0.8Nm 1Nm， 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 ； 0092 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。 0093 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。
40、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。 0094 比较例 1 说 明 书 CN 103170928 A 9 8/8 页 10 0095 在一片 2cm2cm 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 2cm2cm 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 3cm3cm 的 Nafion117 膜 （购自杜邦公司） 的两侧， 。
41、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。 0096 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。
42、度约为 11mW/cm2。 0097 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。 0098 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。 0099 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。 说 明 书 CN 103170928 A 10 1/3 页 11 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103170928 A 11 2/3 页 12 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103170928 A 12 3/3 页 13 图 5 说 明 书 附 图 CN 103170928 A 13 。