CN101355166A - 质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，包括步骤：(1)制备催化剂、质子交换树脂浆料；(2)用超声喷涂设备将浆料喷涂于转移介质上，烘干形成涂敷膜；(3)将质子交换膜置于两张涂敷膜之间，通过压机热压处理；(4)剥离转移介质，获得质子交换膜燃料电池的膜电极。该方法提高了涂布的均匀度，有利于电极的性能和寿命，同时大大降低催化剂的担载量，提高催化剂的利用率。

Description

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的制造方法，尤其是一种采用超声喷涂工艺制备质子交换膜燃料电池的膜电极的方法。

背景技术

燃料电池是一种能够将蕴藏在氢燃料及氧化剂中的化学能直接转化为电能及反应产物的发电装置。而质子交换膜燃料电池因其稳定性高、无污染、噪音低、能源转化率高而备受关注。

对于质子交换膜燃料电池膜电极组件的制备，按照催化剂的涂敷方法，主要分为两类，第一种方法是催化剂覆盖于气体扩散层上，形成双层结构，叫做CCS(catalyst coated substrate基底层上涂敷催化剂)，然后在一定条件下，热压转移到质子交换膜上形成膜电极，基底材料主要是多孔碳纸或碳布，这种方法由于表面的不平整及孔径远大于催化剂的粒径，导致催化剂嵌入基底材料中，造成催化剂的浪费。第二种方法是将催化剂直接或间接转印到质子交换膜上，然后配合气体扩散层一起使用，叫做CCM(catalyst coatedmembrane，膜上涂敷催化剂)，此种方法可有效降低催化剂的担载量，同时提高催化剂的利用率。

从已公开的专利来看，CCM的制备方法主要分为直接法和间接法两种。直接法是将催化剂浆料通过印刷、涂布、喷涂的方法直接涂敷于质子交换膜表面，这方面的专利有US5316871、US5234777、JP2002280003等。此类方法工序简单，催化剂利用率高，但质子交换膜的溶胀性严重影响制备过程，操作难度较高。中国专利CN1269428A公开了一种将催化剂、聚四氟乙烯、质子交换树脂研磨成粉末喷涂于质子交换膜表面的方法，采用这种方法虽然能使催化层和Nation膜之间具有很强的附着力，但为了改善催化层的电子和离子通道，喷涂获得的CCM还需要进行热压处理。这种方法合成的催化层厚度与干粉的颗粒度有关。干粉喷雾法虽然具有一定的优势，但是也有其不足。由于催化剂、聚四氟乙烯、质子交换树脂的相对体积质量不同，工艺对于粉混合技术要求较高，同时对质子交换树脂的超细粉制备技术要求也较高。间接法是将配置好的催化剂浆料丝印、刮涂或气体喷涂在转印介质上，然后热压转印到质子交换膜表面。美国专利US5415888、US5211984、US4272353及中国专利CN1269429A、CN1560949B就属于这一类。由于转印过程中涂敷膜已被干燥，因此质子交换膜没有出现溶胀变形的现象，催化剂与膜的结合力得到加强，但均匀度不高，影响膜电极的性能及寿命。

发明内容

为了解决上述现有技术操作难度高、均匀度差影响膜电极的性能及寿命等不足，本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，提出了一种间接制备膜电极CCM，可以解决催化剂涂敷均匀度的问题，适用于小批量化生产操作。

为了达到上述发明目的，本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是提供一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，该方法包括如下步骤：

1、将催化剂、质子交换树脂按比例均匀混合，再滴加溶剂，在比例范围内调节所需要的浆料浓度，搅拌均匀后进行超声振荡混合均匀；催化剂、质子交换树脂、溶剂质量比控制为：10∶2.5～6∶200～500；

2、将配置好的浆料加入超声喷涂设备，编程设定喷涂图形，通过调节设备的超声喷涂流速及喷涂遍数控制担载量，进而将催化剂浆料精细涂布于转移介质上，形成涂敷膜，并放入烘箱中，在50～80℃条件下干燥；

3、将干态质子交换膜置于的由步骤2获得的两张涂敷膜之间，两片转移介质之外侧各加一张铝箔，在压机上配加硬性垫片，垫片的厚度为略小于质子交换膜与两片带催化层的转移介质厚度的总和，通过高精度压机热压处理，压机的压力为2～6MPa，热压温度为130～180℃，在压机合压后持续60～150s左右；

4、剥离转移介质，获得质子交换膜燃料电池的膜电极。

本发明质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法与现有技术相比，这种膜电极CCM采用超声喷涂制备，浆料依靠高频率超声雾化，气体为辅助动力，不会像其它喷枪那样通过气体撕裂雾化液滴而吹散浆料，影响喷涂的均匀度，因此，不会造成催化剂的浪费，有效降低催化剂担载量，并增强了膜电极的性能和寿命。取得了电极性能优良、稳定性高、使用寿命长等有益效果。

附图说明

无附图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的膜电极CCM的制备方法采用以下步骤：

1、将Johnson Matthey 40wt.％Pt/C催化剂与DuPont(杜邦)10wt.％Nafion溶液按比例均匀混合，再滴加溶剂，在比例范围内调节所需要的浆料浓度，搅拌均匀后进行超声振荡混合均匀，催化剂、质子交换树脂、溶剂三种材料的质量比控制为：10∶2.5～6∶200～500；

2、将配置好的浆料加入超声喷涂设备，通过调节设备的超声喷涂流速及喷涂遍数控制催化剂的担载量，进而将催化剂浆料精细涂布于转移介质上，形成涂敷膜，并放入烘箱中，在50～80℃条件下干燥；

3、将干态质子交换膜置于由步骤2获得的两张涂敷膜之间，两片转移介质之外侧各加一张铝箔，在压机上配加硬性垫片，垫片的厚度为略小于质子交换膜与两片带催化层的转移介质厚度的总和，通过高精度压机热压处理，压机的压力为2～6MPa，热压温度为130～180℃，在压机合压后持续60～150s左右；

4、剥离转移介质，获得质子交换膜燃料电池的膜电极。

实施例1：

1.将Johnson Matthey 40wt.％Pt/C催化剂与DuPont(杜邦)10wt.％Nafion溶液按比例均匀混合，再滴加溶剂，在比例范围内调节所需要的浆料浓度，搅拌均匀，进行超声振荡10min混合均匀。

2.将配置好的浆料加入超声喷涂设备，编程设定喷涂图形，通过调节设备超声喷涂流速及喷涂遍数控制担载量，将催化剂浆料精细涂布于转移介质PTFE膜上形成涂敷膜，并放入烘箱中，在50～80℃条件下干燥。

3.将干态质子交换膜NRE212(厚度为50μm)置于两张涂敷膜之间，两片转移介质之外侧各加一张铝箔，在压机上配加硬性垫片，垫片的厚度为略小于质子交换膜与两片带催化层的转移介质厚度的总和，即200μm，通过高精度压机热压处理，压力为5MPa，140℃下进行热压，在压机合压后持续90s左右。

4.剥离转移介质PTFE膜，即得核心组件膜电极CCM。

本实施例中：

上述转移介质为厚度为100μm宽度为20cm，具有憎水性、双向拉伸功能的聚四氟乙烯薄膜PTFE膜，用无水酒精清洗干净。

上述溶剂为乙醇与水的混合剂。

上述的催化剂浆料各成分的质量比为：

催化剂∶质子交换树脂∶溶剂＝10∶2.5～6∶200～500。

Claims (8)

1、一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)将催化剂、质子交换树脂按比例均匀混合，再滴加溶剂，调节所需要的浆料浓度，搅拌均匀后进行超声振荡混合均匀，制备成催化剂浆料；

(2)将配置好的催化剂浆料加入超声喷涂设备，编程设定喷涂图形，通过调节设备的超声喷涂流速及喷涂遍数控制担载量，进而将催化剂浆料精细涂布于转移介质上，形成涂敷膜，并放入烘箱中，在50～80℃条件下干燥；

(3)将干态质子交换膜置于由步骤2获得的两张涂敷膜之间，两片转移介质的外侧各加一张铝箔，在压机上配加硬性垫片，垫片的厚度为略小于质子交换膜与两片带催化层的转移介质厚度的总和，进行热压处理；

(4)剥离转移介质，获得质子交换膜燃料电池的膜电极。

2、根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，所述的催化剂浆料各成分的质量比为，催化剂∶质子交换树脂∶溶剂＝10∶2.5～6∶200～500。

3、根据权利要求1或2所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，所述的溶剂为乙醇与水的混合剂。

4、根据权利要求1或2所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，所述的催化剂为Johnson Matthey 40wt.％Pt/C。

5、根据权利要求1或2所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，所述的质子交换树脂为DuPont(杜邦)10wt.％Nafion溶液。

6、根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，所述的转移介质是具有憎水性、双向拉伸功能的聚四氟乙烯薄膜。

7、根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述的质子交换膜是NRE212，厚度为50μm。

8、根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，压机的压力为2～6MPa，热压温度为130～180℃，压机合压后的持续时间为60～150s。