CN103178272B - 微观三维燃料电池膜电极制作方法及其专用模具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微观三维燃料电池膜电极制作方法，还提供一种实现微观三维燃料电池膜电极制作方法的电极专用模具，其创新点在于所述步骤为：首先选用电极专用模具，利用下模制作电极层；去除下模中电极层内的水分；利用上、下模制作覆盖在电极层上的质子交换膜；重新取得另一副电极专用模具再重复一次上述步骤制得阴极和阳极；把两下模对合，使得阴极和阳极的质子交换膜相互紧贴，并通过热压将阴、阳极的质子交换膜制成一个整体质子交换膜。制得的质子交换膜以毛细方式锚固在阴阳极内的微观三维膜电极，质子交换膜与阴阳极接触面积增加，在有限的空间内增加电流的流通面积，大大降低燃料电池的体积和对稀有金属的需求量。

Description

微观三维燃料电池膜电极制作方法及其专用模具
技术领域
本发明涉及一种膜电极制作方法，还涉及一种实现该膜电极制作方法的专用模具。
背景技术
  随着世界上的各种技术进步、经济发展，大规模生产、更高的生活品质的要求等，都在大规模的快速消耗地球上的有限化石能源，且伴随着产生越来越严重的环境污染。随着节能减排、对碳排放量的控制等要求，可再生能源等新能源的开发和利用正在被人们重视起来。而氢燃料电池恰恰满足了这一要求。氢燃料电池具有以下特点： 能量转化效率高；直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。且还具有洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。目前国内外都非常重视对燃料电池的研发，且已经在很多领域获得了应用。国外已经有了实际应用的调峰电站，世界上各大汽车厂商都准备在2015~2016年推出各自的批量生产的燃料电池汽车；如BMW、Nissan、GM、丰田、大众以及上汽等汽车公司都准备在2015年左右推出1000辆以上的燃料电池车。以燃料电池取代铅酸电池的备用电源也在陆续上市；各大家用商用电器厂商也纷纷准备使用便携式燃料电池等等，这将是一个非常巨大的市场。作为燃料电池核心部件的膜电极一直是燃料电池研发的主要方向，其性能、寿命、成本也是限制燃料电池使用及商品化的主要因素。其功率密度、寿命、等在近年来不断提高，Pt载量不断下降，但国内与国外相比较，还有相当的差距。因此研发结构更加紧凑、性能指标更加高的燃料电池膜电极势在必行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微观三维燃料电池膜电极制作方法，还提供一种实现该微观三维燃料电池膜电极制作方法的专用模具。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种微观三维燃料电池膜电极制作方法，其创新点在于所述步骤为：
a)       首先选用一副不锈钢或陶瓷材料的电极专用模具，该电极专用模具包括上模和下模；
b)      在下模的电极区域以喷涂、丝网印刷方法或其他方法制作含有催化剂及载体的电极层；
c)       将上模与下模合模，对下模加热，同时对上、下模合模后形成的型腔抽真空去除下模中电极层内的水分；
d)      将适量含有全氟磺酸树脂的醇溶液或加入其他增强剂的铸膜液注入上、下模形成的腔体；对封闭的上、下模施以超声振动，加温至80摄氏度，继续抽真空；使得含有全氟磺酸树脂的醇溶液或加入其他增强剂的铸膜液渗入电极层的空隙内；再对电极专用模具加温至130摄氏度，固化2~4小时，将含有全氟磺酸树脂的醇溶液或加入其他增强剂的铸膜液制成覆盖在电极层上的质子交换膜；
e)       重新取得另一副电极专用模具，再重复一次上述步骤b~d），从而制得阴极和阳极；
f)        将两副电极专用模具的上模移去，把两下模对合，使得阴极和阳极的质子交换膜相互紧贴，并通过热压将阴、阳极的质子交换膜制成一个整体质子交换膜；
g)       除去下模，即制得质子交换膜以毛细方式锚固在阴、阳极内的微观三维膜电极。
进一步的，所述步骤d)中超声振动的频率为20~40kHZ，抽真空的真空度为-0.09MPa。
还提供一种实现微观三维燃料电池膜电极制作方法的电极专用模具，其创新点在于：所述电极专用模具包括上模和下模，下模上表面设置有作为电极区域的电极型腔，上模下表面设置有能够覆盖且超过电极区域的铸膜型腔；上模具有一个抽真空通道，下模内置加热装置。
本发明的优点在于：利用电极专用模具制作电极层，通过加热、抽真空并行的方式去除电极层表层的水分，在注入适量的铸膜液后；通过超声振动、加热、抽真空，使得铸膜液渗入电极层的空隙内；再加热固化，将含有全氟磺酸树脂的醇溶液或加入其他增强剂的铸膜液制成覆盖在电极层上的质子交换膜；最后通过合模热压的方式将连接阴阳极的两片质子交换膜压合成一个整体，采用该种方法制得的质子交换膜以毛细方式锚固在阴阳极内的微观三维膜电极，质子交换膜与阴阳极接触面积增加，在有限的空间内增加电流的流通面积。
附图说明
图1为本发明中电极专用模具俯视图。
图2为图1中沿A-A线剖视图。
图3~7为本发明中微观三维燃料电池膜电极制作方法的流程示意图。
图8为图7中局部放大图E。
具体实施方式
本发明中微观三维燃料电池膜电极制作方法的具体步骤为：
a)       首先选用一副不锈钢或陶瓷材料的电极专用模具，该电极专用模具如图1、2所示，包括上模1和下模2，下模2上表面设置有作为电极区域的电极型腔21，上模1下表面设置有能够覆盖且超过电极区域的铸膜型腔11；上模1具有一个抽真空通道12，下模2内置加热装置。
b)      如图3所示，在下模2的电极区域以喷涂、丝网印刷方法或其他方法制作含有催化剂及载体的电极层3；
c)       如图4所示，将上模1与下模2合模，对下模2加热，同时对上、下模合模后形成的型腔抽真空去除下模中电极层3内的水分；
d)      如图5所示，将适量含有全氟磺酸树脂的醇溶液或加入其他增强剂的铸膜液注入上、下模形成的腔体；对封闭的上、下模施以超声振动，加温至80摄氏度，继续抽真空；使得含有全氟磺酸树脂的醇溶液或加入其他增强剂的铸膜液渗入电极层3的空隙内；再对电极专用模具加温至130摄氏度，固化2~4小时，将含有全氟磺酸树脂的醇溶液或加入其他增强剂的铸膜液制成覆盖在电极层上的质子交换膜4；本步骤中超声振动的频率为20~40kHZ，抽真空的真空度为-0.09MPa。
e)       重新取得另一副电极专用模具，再重复一次上述步骤b~d），从而制得阴极和阳极；
f)        如图6所示，将两副电极专用模具的上模1移去，把两下模2对合，使得阴极和阳极的质子交换膜4相互紧贴，并通过热压将阴、阳极的质子交换膜4制成一个整体质子交换膜；
除去下模，如图7、8所示，即制得质子交换膜以毛细方式锚固在阴、阳极内的微观三维膜电极。

Claims (2)

1.一种微观三维燃料电池膜电极制作方法，其特征在于，步骤为：
a)首先选用一副不锈钢或陶瓷材料的电极专用模具，该电极专用模具包括上模和下模；
b)在下模的电极区域以喷涂、丝网印刷方法制作含有催化剂及载体的电极层；
c)将上模与下模合模，对下模加热，同时对上、下模合模后形成的型腔抽真空去除下模中电极层内的水分；
d)将适量含有全氟磺酸树脂的醇溶液注入上、下模形成的腔体；对封闭的上、下模施以超声振动，加温至80摄氏度，继续抽真空；使得含有全氟磺酸树脂的醇溶液渗入电极层的空隙内；再对电极专用模具加温至130摄氏度，固化2~4小时，将含有全氟磺酸树脂的醇溶液制成覆盖在电极层上的质子交换膜；
e)重新取得另一副电极专用模具，再重复一次上述步骤b~d），从而制得阴极和阳极；
f)将两副电极专用模具的上模移去，把两下模对合，使得阴极和阳极的质子交换膜相互紧贴，并通过热压将阴、阳极的质子交换膜制成一个整体质子交换膜；
g)除去下模，即制得质子交换膜以毛细方式锚固在阴、阳极内的微观三维膜电极。
2.根据权利要求1所述的微观三维燃料电池膜电极制作方法，其特征在于：所述步骤d)中超声振动的频率为20~40kHZ，抽真空的真空度为-0.09MPa。
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