CN109830696A - 一种燃料电池膜电极制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池膜电极制备工艺，包括碳纸的预处理、质子交换膜的预处理、边框的预处理、热压成型处理和打码检验处理；本发明中先用浓度为3％‑10％的PTFE溶液对裁切后的碳纸原材料进行浸渍，之后依次经第一次烘干及焙烧，再用浓度为3％‑10％的PTFE溶液对其进行丝网印刷，最后依次经第二次烘干及焙烧，以得到处理后的碳纸，且在对碳纸进行浸渍及丝网印刷后，均设置有烘干及焙烧操作，使得处理后的碳纸表面和内部微孔结构上均覆盖有PTFE，并形成PTFE覆盖层，以完全包裹住碳纸，提升其憎水效果，且按照碳纸位于质子交换膜的两侧面，边框位于碳纸的外表面的放置顺序，使得膜电极在整体结构上更为紧密，并结合碳纸的憎水效果，使其具备优良的憎水特性。

Description

一种燃料电池膜电极制备工艺

技术领域

本发明涉及膜电极技术领域，具体为一种燃料电池膜电极制备工艺。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又被称为电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料化学能中的自由能部分转换成电能，因此效率极高；另外，燃料电池是将燃料和氧气作为原料，没有机械传动部件的参与，因而没有噪声污染及有害气体的产生。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是当今最具有发展前途的发电技术。

且在现有的燃料电池膜电极制备工艺中，并未有对膜电极中的重要组成原料均进行改性处理的制备工艺；且难以有效的提升其憎水效果。

针对以上问题，现提供所述解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池膜电极制备工艺，本发明所要解决的技术问题如下：

(1)如何提供一种新式的膜电极制备工艺；

(2)如何通过一种有效的方式，来提高膜电极的憎水效果。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种燃料电池膜电极制备工艺，包括碳纸的预处理、质子交换膜的预处理、边框的预处理、热压成型处理和打码检验处理，具体步骤如下：

步骤一：碳纸的预处理，先将碳纸原材料取出并放置于裁切设备中，经裁切、称量后置于处理液中浸泡20-40秒，以得到初次处理的碳纸，且处理液为3％-10％浓度的PTFE溶液，可使得经处理后的碳纸表面覆盖一层PTFE，并将初次处理的碳纸放入红外烘干机中进行第一次烘干处理，再将其输送至高温烘箱设备中进行第一次焙烧处理，之后取出并用处理液进行丝网印刷操作，以得到二次处理的碳纸，再将二次处理的碳纸放入红外烘干机中进行第二次烘干处理，之后将其输送至高温烘箱设备中进行第二次焙烧处理，并经检测后，放置于操作台上，以得到处理后的碳纸，而第一次烘干处理温度在90-120度、第二次烘干处理温度在80-110度，均为一次成型烘干，且位于此温度范围内，可在保证生产效率的同时，不会因温度过高而对碳纸表面及内部微孔结构造成损伤，同时第一次焙烧处理和第二次焙烧处理的时间和温度均为40-60分钟、300-350度，而两次焙烧处理的温度和时间均划分为两个阶段，第一阶段为180-220度、25-35分钟，第二阶段为220-350度、15-25分钟，且将氢气作为燃料，氮气作为保护气体，在第一阶段时，用于清除碳纸表面残留的杂质及水分，在第二阶段时，PTFE发生化学变化，进而提升碳纸的憎水效果，且氢气在燃烧过程中，不会产生任何有害气体或物质来对碳纸和环境造成污染；

步骤二：质子交换膜的预处理，先将待处理的质子交换膜取出并放置于裁切设备中，经裁切、定位后输送至喷涂设备中进行反复喷涂，直至氢面厚度为0.2微米，氧面厚度为0.4微米，并经检测后，放置于操作台上，以得到处理后的质子交换膜；

步骤三：边框的预处理，先将待处理的边框取出并放置于裁切设备中，再装入粗裁刀模进行粗裁，之后卸下粗裁刀模并装入精裁刀模对其进行精裁，并经检测后，放置于操作台上，以得到处理后的边框；

步骤四：热压成型处理，将上述步骤一至三中经处理后的碳纸、质子交换膜和边框放入膜电极专用热压设备中，并按照碳纸位于质子交换膜的两侧面，边框位于碳纸的外表面的放置顺序，依次经热压和50-70秒的空冷处理后，以得到膜电极，且50-70秒的空冷处理，可有效地避免因过大的温度差而出现热胀冷缩现象，进而对膜电极的整体质量造成影响；

步骤五：打码检验处理，将步骤四中的膜电极经打码、检测后装箱，放置于无尘的常温环境中保存。

本发明的有益效果：

1.先通过对碳纸进行改性处理，以使其表面和内部微孔结构上均覆盖有PTFE，并形成一层PTFE覆盖层，将碳纸完全包裹住，进而使其具有憎水特性，再通过对质子交换膜进行改性处理，且经过反复的喷涂，直至氢面厚度为0.2微米，氧面厚度为0.4微米，有效的避免了因一次喷涂流量过大而影响质子交换膜的表面均匀性和细致性的问题，且由于质子交换膜极薄，反复的喷涂不会对质子交换膜造成损伤或出现溶胀现象，大大提升了其表面质量，最后通过对待处理的边框进行粗裁、精裁操作，而碳纸、质子交换膜和边框的预处理可同步进行，且按照碳纸位于质子交换膜的两侧面，边框位于碳纸的外表面的放置顺序，依次经热压和50-70秒的空冷处理后，以得到膜电极，大大提升了其生产效率；

2.先将碳纸原材料经裁切、称量后置于浓度为3％-10％的PTFE溶液中浸渍，之后依次经第一次烘干及焙烧，再用浓度为3％-10％的PTFE溶液对其进行丝网印刷，最后依次经第二次烘干及焙烧，以得到处理后的碳纸，且在浸渍及丝网印刷后均设置有烘干及焙烧操作，可使处理后的碳纸表面和内部微孔结构上均覆盖有PTFE，并形成一层PTFE覆盖层，以完全包裹住碳纸，提升其憎水效果，而按照碳纸位于质子交换膜的两侧面，边框位于碳纸的外表面的放置顺序，并依次经热压、空冷处理，可使制得的膜电极在整体结构上更为紧密，并结合碳纸的憎水效果，使其具备优良的憎水特性。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的制备工艺流程图；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种燃料电池膜电极制备工艺，包括碳纸的预处理、质子交换膜的预处理、边框的预处理、热压成型处理和打码检验处理，具体步骤如下：

步骤一：碳纸的预处理，先将碳纸原材料取出并放置于裁切设备中，经裁切、称量后置于处理液中浸泡20-40秒，以得到初次处理的碳纸，且处理液为3％-10％浓度的PTFE溶液，可使得经处理后的碳纸表面覆盖一层PTFE，并将初次处理的碳纸放入红外烘干机中进行第一次烘干处理，再将其输送至高温烘箱设备中进行第一次焙烧处理，之后取出并用处理液进行丝网印刷操作，以得到二次处理的碳纸，再将二次处理的碳纸放入红外烘干机中进行第二次烘干处理，之后将其输送至高温烘箱设备中进行第二次焙烧处理，并经检测后，放置于操作台上，以得到处理后的碳纸，而第一次烘干处理温度在90-120度、第二次烘干处理温度在80-110度，均为一次成型烘干，且位于此温度范围内，可在保证生产效率的同时，不会因温度过高而对碳纸表面及内部微孔结构造成损伤，同时第一次焙烧处理和第二次焙烧处理的时间和温度均为40-60分钟、300-350度，而两次焙烧处理的温度和时间均划分为两个阶段，第一阶段为180-220度、25-35分钟，第二阶段为220-350度、15-25分钟，且将氢气作为燃料，氮气作为保护气体，在第一阶段时，用于清除碳纸表面残留的杂质及水分，在第二阶段时，PTFE发生化学变化，进而提升碳纸的憎水效果，且氢气在燃烧过程中，不会产生任何有害气体或物质来对碳纸和环境造成污染；

步骤二：质子交换膜的预处理，先将待处理的质子交换膜取出并放置于裁切设备中，经裁切、定位后输送至喷涂设备中进行反复喷涂，直至氢面厚度为0.2微米，氧面厚度为0.4微米，并经检测后，放置于操作台上，以得到处理后的质子交换膜；

步骤三：边框的预处理，先将待处理的边框取出并放置于裁切设备中，再装入粗裁刀模进行粗裁，之后卸下粗裁刀模并装入精裁刀模对其进行精裁，并经检测后，放置于操作台上，以得到处理后的边框；

步骤四：热压成型处理，将上述步骤一至三中经处理后的碳纸、质子交换膜和边框放入膜电极专用热压设备中，并按照碳纸位于质子交换膜的两侧面，边框位于碳纸的外表面的放置顺序，依次经热压和50-70秒的空冷处理后，以得到膜电极，且50-70秒的空冷处理，可有效地避免因过大的温度差而出现热胀冷缩现象，进而对膜电极的整体质量造成影响；

步骤五：打码检验处理，将步骤四中的膜电极经打码、检测后装箱，放置于无尘的常温环境中保存。

本发明通过合理的设计，其中先通过对碳纸进行改性处理，以使其表面和内部微孔结构上均覆盖有PTFE，并形成一层PTFE覆盖层，将碳纸完全包裹住，进而使其具有憎水特性，再通过对质子交换膜进行改性处理，且经过反复的喷涂，直至氢面厚度为0.2微米，氧面厚度为0.4微米，有效的避免了因一次喷涂流量过大而影响质子交换膜的表面均匀性和细致性的问题，且由于质子交换膜极薄，反复的喷涂不会对质子交换膜造成损伤或出现溶胀现象，大大提升了其表面质量，最后通过对待处理的边框进行粗裁、精裁操作，而碳纸、质子交换膜和边框的预处理可同步进行，且按照碳纸位于质子交换膜的两侧面，边框位于碳纸的外表面的放置顺序，依次经热压和50-70秒的空冷处理后，以得到膜电极，大大提升了其生产效率；

其中先将碳纸原材料经裁切、称量后置于浓度为3％-10％的PTFE溶液中浸渍，之后依次经第一次烘干及焙烧，再用浓度为3％-10％的PTFE溶液对其进行丝网印刷，最后依次经第二次烘干及焙烧，以得到处理后的碳纸，且在浸渍及丝网印刷后均设置有烘干及焙烧操作，可使处理后的碳纸表面和内部微孔结构上均覆盖有PTFE，并形成一层PTFE覆盖层，以完全包裹住碳纸，提升其憎水效果，同时第一次烘干处理温度在90-120度、第二次烘干处理温度在80-110度，均为一次成型烘干，且在此温度范围内，不会因温度过高而对碳纸表面及内部微孔结构造成损伤，同时第一次焙烧处理和第二次焙烧处理的时间和温度均为40-60分钟、300-350度，而两次焙烧处理的温度和时间均划分为两个阶段，第一阶段为180-220度、25-35分钟，第二阶段为220-350度、15-25分钟，且将氢气作为燃料，氮气作为保护气体，在第一阶段时，用于清除碳纸表面残留的杂质及水分，在第二阶段时，PTFE发生化学变化，进而提升碳纸的憎水效果，且氢气在燃烧过程中，不会产生任何有害气体或物质来对碳纸和环境造成污染，而按照碳纸位于质子交换膜的两侧面，边框位于碳纸的外表面的放置顺序，并依次经热压、空冷处理，可使制得的膜电极在整体结构上更为紧密，并结合碳纸的憎水效果，使其具备优良的憎水特性。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种燃料电池膜电极制备工艺，其特征在于，包括碳纸的预处理、质子交换膜的预处理、边框的预处理、热压成型处理和打码检验处理，具体步骤如下：

步骤一：碳纸的预处理，先将碳纸原材料取出并放置于裁切设备中，经裁切、称量后置于处理液中浸泡20-40秒，以得到初次处理的碳纸，并将初次处理的碳纸放入红外烘干机中进行第一次烘干处理，再将其输送至高温烘箱设备中进行第一次焙烧处理，之后取出并用处理液进行丝网印刷操作，以得到二次处理的碳纸，再将二次处理的碳纸放入红外烘干机中进行第二次烘干处理，之后将其输送至高温烘箱设备中进行第二次焙烧处理，并经检测后，放置于操作台上，以得到处理后的碳纸；

步骤二：质子交换膜的预处理，先将待处理的质子交换膜取出并放置于裁切设备中，经裁切、定位后输送至喷涂设备中进行反复喷涂，直至氢面厚度为0.2微米，氧面厚度为0.4微米，并经检测后，放置于操作台上，以得到处理后的质子交换膜；

步骤三：边框的预处理，先将待处理的边框取出并放置于裁切设备中，再装入粗裁刀模进行粗裁，之后卸下粗裁刀模并装入精裁刀模对其进行精裁，并经检测后，放置于操作台上，以得到处理后的边框；

步骤四：热压成型处理，将上述步骤一至三中经处理后的碳纸、质子交换膜和边框放入膜电极专用热压设备中，并按照碳纸位于质子交换膜的两侧面，边框位于碳纸的外表面的放置顺序，依次经热压和50-70秒的空冷处理后，以得到膜电极；

步骤五：打码检验处理，将步骤四中的膜电极经打码、检测后装箱，放置于无尘的常温环境中保存。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极制备工艺，其特征在于，所述步骤一中的处理液为3％-10％浓度的PTFE溶液。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极制备工艺，其特征在于，所述步骤一中的第一次烘干处理温度在90-120度、第二次烘干处理温度在80-110度，且均为一次成型烘干。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极制备工艺，其特征在于，所述步骤一中的第一次焙烧处理和第二次焙烧处理的时间和温度均为40-60分钟、300-350度，而两次焙烧处理的温度和时间均划分为两个阶段，第一阶段为180-220度、25-35分钟，第二阶段为220-350度、15-25分钟，且将氢气作为燃料，氮气作为保护气体。