CN106898781B - 一种超声喷涂制备燃料电池膜电极的模块化喷涂方法 - Google Patents

一种超声喷涂制备燃料电池膜电极的模块化喷涂方法 Download PDF

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Abstract

一种超声喷涂制备燃料电池膜电极的模块化喷涂方法，包括以下步骤：a.模块化喷涂模具的制备：按照燃料电池电堆组装对于膜电极尺寸的需求，设计制备长方形平板状模具，并在平板状模具上下表面间制备通孔；于基台上、按N*M阵列排列的模具四周外侧设置有与模具同样高度的长方形环状边框；b.CCM结构膜电极制备：将经过前处理的干燥聚合物电解质膜按照需求裁剪，模具下方贴接于超声喷涂的基台，对基台进行抽真空和加热；将含有催化剂的浆液喷涂至聚合物电解质膜表面；待涂布至所需催化剂载量后，将制备好的CCM从模具上取下，进行后续的膜电极组装步骤。与现有技术相比，本发明具有涂布均匀性好、涂布速率快、物料利用率高等优点。

Description

一种超声喷涂制备燃料电池膜电极的模块化喷涂方法
技术领域
本发明涉及一种用于超声喷涂制备燃料电池膜电极的模块化喷涂装置，具体的说涉及一种采用超声波分散涂布的新型工艺，实现质子交换膜表面涂覆催化层的方法。该方法简单、高效、催化剂利用率高，适合于多种包含聚合物电解质膜的燃料电池体系。
背景技术
聚合物电解质膜燃料电池作为未来洁净替代电能源技术，在交通运输、电子产品、固定电站等诸多领域具有极为广阔的应用前景。特别是近年来丰田汽车等产业巨头相继发布燃料电池相关产品，势必在未来掀起燃料电池的批量化生产浪潮。与此同时，包括全氟磺酸膜燃料电池、高温膜燃料电池以及碱性膜燃料电池在内的多种燃料电池技术，其膜电极结构均包含以碳载金属催化剂涂覆于聚合物电解质膜表面的电极结构。这种特殊的电极结构在制备工艺上需要着重考察其催化剂的结构一致性、担载均匀性、生产效率、生产成本等因素。因此，先进的电极生产制备技术是燃料电池产业发展的坚实基础。
根据目前的研究进展，在聚合物电解质膜表面涂覆催化剂的CCM(catalystcoated membrane)结构膜电极，由于其具有较低的电极内阻、较高的催化剂利用率与优异的界面兼容性，是目前各类燃料电池广泛采用的电极结构。尽管如此，由于催化层结构与组分与聚合物电解质膜存在较大的差异，其兼容性与制备适应性往往难以满足批量化生产的需求，膜的溶胀与皱缩使得膜电极的生产效率与产品一致性难以保障。另外，燃料电池膜电极在电堆组装过程中存在密封的需求，在CCM结构电极的制备过程中需要进行边缘的留白制备，也使得传统涂布方式对昂贵的催化剂材料的浪费较大，难以实现规模化的批量生产。鉴于此，开发新型的高效率、高一致性、低成本的生产工艺，对于燃料电池批量化生产至关重要。
发明内容
本发明针对现有喷涂、刮涂、丝网印刷等涂布技术中难以实现高效、低成本的CCM膜电极批量生产的不足，设计开发了一种基于自动化超声喷涂的模块化喷涂模具装置，有效地实现了CCM结构膜电极的高效快速喷涂生产，并极大地降低了喷涂过程中催化剂物料的损失量，降低了生产成本。适用于包括直接甲醇燃料电池、质子交换膜燃料电池以及高温膜燃料电池等多种膜电极体系。
一种超声喷涂制备燃料电池膜电极的模块化喷涂方法，包括以下步骤：
a.模块化喷涂模具的制备：
按照燃料电池电堆组装对于膜电极尺寸的需求，设计制备长、宽、高分别为a、b、h的长方形平板状模具，其中高度h应大于膜电极边缘密封尺寸；并在平板状模具上下表面间制备直径为1-5mm的2个以上的通孔，2个以上的通孔于平板状模具表面均匀分布形成用于真空吸附的孔阵列；按照超声喷涂基台尺寸，将上述模具于基台上排列为横*纵＝N*M的长方形阵列，N、M均为大于等于2的正整数，于基台上、按N*M阵列排列的模具四周外侧设置有与模具同样高度的长方形环状边框，长方形环状边框用于固定按N*M阵列排列的模具，即按N*M阵列排列的模具布满长方形环状边框内部区域；相邻模具及模具与边框内侧边缘之间缝隙距离为0.5-2mm；
b.CCM结构膜电极制备：
将经过前处理的干燥聚合物电解质膜按照需求裁剪，将N*M个聚合物电解质膜分别固定于N*M个模具上；模具下方贴接于超声喷涂的基台，对基台进行抽真空和加热，温度根据不同膜电极组分需求保持为40-80摄氏度，并通过真空泵将聚合物电解质膜吸附于模具表面；将含有催化剂的浆液喷涂至聚合物电解质膜表面；待涂布至所需催化剂载量后，将制备好的CCM从模具上取下，进行后续的膜电极组装步骤。
所述模具材料可为不锈钢、铝合金、聚四氟乙烯、钢化玻璃中的一种或二种以上。
所述聚合物电解质膜可为全氟磺酸膜、PBI膜、碱性固体电解质膜中的一种。
所述催化剂种类可为无载体铂基催化剂、碳载催化剂、非贵金属催化剂中的一种或二种以上。
所述浆液溶剂成分可为水、乙醇、乙二醇、异丙醇、二甲基乙酰胺中的一种或二种以上混合溶剂。
所述超声喷涂喷头种类为扇形喷头、锥形喷头中的一种。
所述超声喷涂模具的喷涂(涂布)速率范围为0.1至5mL/min，其中喷涂均一性最佳的范围为0.5至2mL/min。
超声喷涂采用商业化超声喷涂装置。
基于自动超声喷涂的设备特点，本方法可实现的CCM结构膜电极涂布效率范围为0.1mg/min至50mg/min,催化剂利用率为80-95％。
与现有技术相比，本发明具有涂布均匀性好、涂布速率快、物料利用率高等优点。
附图说明
图1模块化喷涂装置示意图；
图2超声喷涂示意图；
图3实施例1与对比例1涂布载量一致性对比；
图4实施例1、对比例1、商品膜电极DMFC电极性能对比。
具体实施方式
实施例1
a.喷涂模具的制备：
按照DMFC25W电堆组装对于膜电极尺寸的需求，设计制备不锈钢模具尺寸为8.1*6.2*3cm，并在模具上制备直径为2mm的孔阵列，用于真空吸附。按照超声喷涂基台尺寸，将上述模具排列为3*3的阵列，外侧制备同样厚度的边框用于固定。每块模具之间缝隙距离约为1mm。
b.CCM结构膜电极制备：
将经过前处理的干燥Nafion115膜按照需求裁剪，固定于模具上。模具下方联接真空热台，温度为40摄氏度，并采用真空泵将聚合物电解质膜吸附于模具表面。超声喷涂采用商业化超声喷涂装置。催化剂浆液组分为Pt/C(60wt.％),全氟磺酸树脂占20％，溶剂为10倍去离子水与10倍乙醇，超声分散均匀后使用。涂布速率为2mL/min。待涂布至催化剂贵金属载量为5mg/cm2后，将制备好的CCM从模具上取下，进行后续的膜电极组装与测试步骤。
对比例1
将干燥的Nafion115膜直接置于超声喷涂基台上，温度设置为40摄氏度，采用不锈钢边框将其固定。超声喷涂采用商业化超声喷涂装置。催化剂浆液组分为Pt/C(60wt.％),全氟磺酸树脂占20％，溶剂为10倍去离子水与10倍乙醇，超声分散均匀后使用。涂布速率为2mL/min。待涂布至催化剂贵金属载量为5mg/cm2后，将制备好的CCM从模具上取下，进行后续的膜电极组装与测试步骤。
实施例1与对比例1涂布载量一致性对比如图3所示。由图可知，采用本专利所述的喷涂装置所制备的膜电极(实施例1)较传统喷涂制备的膜电极(对比例1)催化剂载量一致性大幅提高。
实施例1、对比例1、商品膜电极DMFC电极性能对比如图4所示。由图可知，采用本专利所述的喷涂装置所制备的膜电极(实施例1)较传统喷涂制备的膜电极(对比例1)直接甲醇燃料电池电极性能明显提升，并达到商品膜电极性能水平。
实施例2
a.喷涂模具的制备：
按照DMFC25W电堆组装对于膜电极尺寸的需求，设计制备不锈钢模具尺寸为8.1*6.2*3cm，并在模具上制备直径为2mm的孔阵列，用于真空吸附。按照超声喷涂基台尺寸，将上述模具排列为3*3的阵列，外侧制备同样厚度的边框用于固定。每块模具之间缝隙距离约为1mm。
b.CCM结构膜电极制备：
将经过前处理的干燥Nafion115膜按照需求裁剪，固定于模具上。模具下方联接真空热台，温度为40摄氏度，并采用真空泵将聚合物电解质膜吸附于模具表面。超声喷涂采用商业化超声喷涂装置。催化剂浆液组分为PtRu/C(75wt.％),全氟磺酸树脂占15％，溶剂为10倍去离子水与10倍乙醇，超声分散均匀后使用。涂布速率为2mL/min。待涂布至催化剂贵金属载量为3mg/cm2后，将制备好的CCM从模具上取下，进行后续的膜电极组装与测试步骤。
实施例3
a.喷涂模具的制备：
按照RHFC 3kW电堆组装对于膜电极尺寸的需求，设计制备不锈钢模具尺寸为10*10*3cm，并在模具上制备直径为2mm的孔阵列，用于真空吸附。按照超声喷涂基台尺寸，将上述模具排列为3*3的阵列，外侧制备同样厚度的边框用于固定。每块模具之间缝隙距离约为1mm。
b.CCM结构膜电极制备：
将经过前处理的干燥PBI膜按照需求裁剪，固定于模具上。模具下方联接真空热台，温度为60摄氏度，并采用真空泵将聚合物电解质膜吸附于模具表面。超声喷涂采用商业化超声喷涂装置。催化剂浆液组分为PtCo/C(60wt.％，Pt与Co的原子比为1:3),PBI占15％，溶剂为20倍DMAc，超声分散均匀后使用。涂布速率为2mL/min。待涂布至催化剂贵金属载量为1mg/cm2后，将制备好的CCM从模具上取下，进行后续的膜电极组装与测试步骤。

Claims (11)

1.一种超声喷涂制备燃料电池膜电极的模块化喷涂方法， 其特征在于：
包括以下步骤：
a．模块化喷涂模具的制备：
按照燃料电池电堆组装对于膜电极尺寸的需求，设计制备长、宽、高分别为a、b、h的长方形平板状模具，其中高度h应大于膜电极边缘密封尺寸；并在平板状模具上下表面间制备直径为1-5mm 的2个以上的通孔，2个以上的通孔于平板状模具表面均匀分布形成用于真空吸附的孔阵列；按照超声喷涂基台尺寸，将上述模具于基台上排列为横*纵=N*M的长方形阵列，N、M均为大于等于２的正整数，于基台上、按N*M阵列排列的模具四周外侧设置有与模具同样高度的长方形环状边框，长方形环状边框用于固定按N*M阵列排列的模具，即按N*M阵列排列的模具布满长方形环状边框内部区域；相邻模具及模具与边框内侧边缘之间缝隙距离为0.5-2mm ；
b．CCM结构膜电极制备：
将经过前处理的干燥聚合物电解质膜按照需求裁剪，将N*M个聚合物电解质膜分别固定于N*M个模具上；模具下方贴接于超声喷涂的基台，对基台进行抽真空和加热，温度根据不同膜电极组分需求保持为40-80摄氏度，并通过真空泵将聚合物电解质膜吸附于模具表面；将含有催化剂的浆液喷涂至聚合物电解质膜表面；待涂布至所需催化剂载量后，将制备好的CCM从模具上取下，进行后续的膜电极组装步骤。
2.按照权利要求1所述的模块化喷涂方法， 其特征在于：所述模具材料为不锈钢、铝合金、聚四氟乙烯、钢化玻璃中的一种或二种以上。
3.按照权利要求1所述的模块化喷涂方法， 其特征在于：
所述聚合物电解质膜为全氟磺酸膜、PBI膜、碱性固体电解质膜中的一种。
4.按照权利要求1所述的模块化喷涂方法， 其特征在于：
所述催化剂种类为无载体铂基催化剂或碳载催化剂中的一种或二种。
5.按照权利要求1所述的模块化喷涂方法， 其特征在于：所述催化剂种类为非贵金属催化剂。
6.按照权利要求1所述的模块化喷涂方法， 其特征在于：
所述浆液溶剂成分可为水、乙醇、乙二醇、异丙醇、二甲基乙酰胺中的一种或二种以上混合溶剂。
7.按照权利要求1所述的模块化喷涂方法， 其特征在于：
所述超声喷涂喷头种类为扇形喷头、锥形喷头中的一种。
8.按照权利要求1所述的模块化喷涂方法， 其特征在于：
所述超声喷涂模具的喷涂或涂布的速率范围为0.1至5mL/min。
9.按照权利要求8所述的模块化喷涂方法， 其特征在于：
所述超声喷涂模具的喷涂或涂布的最佳速率范围为0.5至2mL/min。
10.按照权利要求1所述的模块化喷涂方法， 其特征在于：
超声喷涂采用商业化超声喷涂装置。
11.按照权利要求1所述的模块化喷涂方法， 其特征在于：
基于自动超声喷涂的设备特点，本方法实现的CCM结构膜电极涂布效率范围为0.1 mg/min至50 mg/min,催化剂利用率为80-95%。
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