專利名稱：質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池的制造技術，具體是一種質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法。
背景技術：
質子交換膜燃料電池，膜電極由陽極多孔氣體擴散電極、電解質膜和陰極多孔氣體擴散電極，通過熱壓等技術將兩電極復合在膜的兩面構成三合一組件。多孔氣體擴散電極通常由擴散層和催化層構成，擴散層是憎水化處理的碳紙，催化層是由電催化劑(例如碳載鉬)和固體聚合物電解質(例如Nafion )構成。現有技術制備CCM膜電極(catalyst coated membrane),采用多種方法將催化層 涂敷到電解質膜上，如噴涂、刮涂和絲網印刷等，其中絲網印刷具有操作和工藝簡單優點，涂載催化層被較多采用。目前絲網印刷制備CCM主要有兩種方法，一種為直接法，如中國專利CN I 477 724所述，絲網印刷載膜基板為帶大孔金屬板，而極薄的涂載基如Naf ion212、Naf ion211厚度僅為50和25微米，真空吸附很難平鋪，易造成膜的皺褶；其次，電解質膜遇到水、乙醇等溶劑會發生溶漲，很難固定在絲網印刷機基板上，印刷過程會發生基膜移動，不僅導致基膜上涂抹的催化劑不均勻，而且給重復地制備CCM帶來困難，難以得到的理想的CCM。另一種為間接步驟轉印法，如中國專利CN I 5 60949，CN1862855所述，必須先將催化劑漿料涂敷到轉移介質上，加熱去掉溶劑，在介質上形成催化劑層，然后通過熱壓將催化劑層轉移到質子交換膜上。該方法雖然可以獲得良好催化層的CCM，但工藝比較復雜，需采用多步操作才能完成，增加了制備成本；其次，此法在轉印時催化層與膜的接觸不是很理想。總結傳統的膜電極制備方法，其共同點是將催化劑漿料通過噴涂\印刷制備到已經商品化的質子交換膜上，制備過程復雜，產品質量不易保證。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種制備工藝簡單、催化層與膜接觸良好、產品質量好的質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法。本發明的質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法是將噴涂基板放置于加熱臺上加熱至催化劑漿料和質子交換樹脂能夠凝固的溫度(通常為130°C -160°C )，在石英板上噴涂催化劑漿料形成第一層催化層，在第一層催化層上噴涂質子交換樹脂形成質子交換膜，在質子交換膜上噴涂催化劑漿料形成第二層催化層；整個噴涂過程采用超聲波噴頭噴涂，噴涂漿料形成噴霧；各個噴涂層材料凝固后將其從噴涂基板上剝離，形成質子交換膜燃料電池膜電極。所述用于噴涂的催化劑衆料是由5wt. %_20 wt. %的質子交換樹脂溶液與鉬含量為2wt. %-80 wt. %的鉬炭催化劑按質量之比為1:10-10:1混合后，再添加溶劑制成。所述溶劑為乙醇、乙二醇、異丙醇、乙二醇乙醚中的一種，溶劑體積為質子交換樹脂溶液的1-20倍。
所述用于噴涂的質子交換樹脂是由全氟磺酸溶液加入溶劑制成。所述溶劑為乙醇、乙二醇、異丙醇、乙二醇乙醚中的一種，溶劑與全氟磺酸溶液按照1:10-1:100的體積比例混合。本發明改變了傳統的膜電極制備中在質子交換膜上負載催化劑的方法，采用先噴涂催化劑層，然后在催化劑層上噴涂制備質子交換膜，然后繼續噴涂催化層，解決了質子交換膜皺褶、收縮等問題；并且，由于本發明制備膜電極過程僅僅通過轉換噴涂漿料形成各功能層，噴涂制備過程中不需要將膜電極重新固定或者轉印，工藝簡單、產品質量穩定。
具體實施例方式本發明實施例如下
實施例一
I)催化劑衆料的制備取全氟磺酸溶液(Nafion 520, 5wt%、DuPont公司，美國)倒入小燒杯中；按催化劑與全氟磺酸干重之比1: 5稱量Pt/C催化劑(E-Tek公司)，按氟磺酸溶液體積的17倍加入溶劑異丙醇。進行超聲I h，使催化劑充分分散并與全氟磺酸溶液充分混合。2)質子交換樹脂溶液制備取全氟磺酸溶液(Nafion520 5wt%、DuPont公司，美國)倒入小燒杯中，加入3倍體積的乙醇。3)膜電極的制備和檢測
I)將充分干凈的聚四氟乙烯膜置于石英板上，將石英板放置在加熱臺上150 0C加熱。2)使用超聲波噴槍均勻將催化劑以3ml/min的噴涂速度，噴涂在膜的聚四氟乙烯膜表面，按照催化劑用量為O. 2mgcm-2噴涂催化劑層。3)開啟質子交換樹脂進樣閥，關閉催化劑漿料進樣閥，噴涂Nafion溶液，噴涂質子交換膜厚度為20微米。4)開啟催化劑漿料進樣閥，關閉質子交換樹脂進樣閥，噴涂催化劑漿料，噴涂催化劑的量為O. 2mg cm_2，噴涂后在加熱臺上恒溫130°C，5分鐘。5)取下膜電極，電極有效面積4cm*4cm進行活化與測試。膜電極性能的測試將處理好的膜電極直接夾在帶擴散層的碳紙內，用帶有蛇形流場的燃料電池測試夾具上測試。電池性能為O. 6V時為8A。實施例21、催化劑漿料的制備
1)取的全氟磺酸溶液(Nafion520, 5wt%、DuPont公司，美國)倒入小燒杯中
2)按催化劑與全氟磺酸干重之比2:1稱量Pt/C催化劑(40% Pt含量，上海河森電器)，加入全氟磺酸溶液體積18倍的乙醇。進行超聲lOmin，使催化劑充分分散并與全氟磺酸溶液充分混合。2、質子交換樹脂溶液制備取全氟磺酸溶液(Nafion520 5wt%、DuPont公司，美國)倒入小燒杯中，加入3倍體積的乙醇。3、膜電極的制備和檢測
I)將充分干凈的石英玻璃板膜置于加熱臺上，將石英板放置在加熱臺上150 0C加熱。2)使用超聲波噴槍均勻將催化劑以3ml/min的噴涂速度，噴涂在石英板表面，按照催化劑用量為O. 3mgcm_2噴涂催化劑層。3)開啟質子交換樹脂進樣閥，關閉催化劑漿料進樣閥，噴涂Nafion溶液，噴涂質子交換膜厚度為30微米。4)開啟催化劑漿料進樣閥，關閉質子交換樹脂進樣閥，噴涂催化劑漿料，噴涂催化劑的量為O. 2mg cm_2。將CCM膜電極置放在加熱臺上恒溫150°C 5分鐘。5)取下膜電極，進行活化與測試。膜電極性能的測試將處理好的膜電極直接夾在帶擴散層的碳紙內，用帶有蛇形流場的燃料電池測試夾具上測試。電極有效面積4cm*4cm，電極功率輸出0. 6 V時7. 6A。實施例31、催化劑漿料的制備、
I)取全氟磺酸溶液(GEFC-1ES，5wt%、北京金能公司)倒入小燒杯中2)按催化劑與全·氟磺酸干重之比2 :1稱量Pt/C催化劑(40% Pt含量，自制)，加入全氟磺酸溶液17倍體積的異丙醇。進行超聲lOmin，使催化劑充分分散并與GEFC-1ES充分混合。2)質子交換樹脂溶液制備取全氟磺酸溶液(GEFC-1ES 5wt%、北京金能公司)倒入小燒杯中，加入3倍體積的乙醇。3)膜電極的制備和檢測
制備過程同實施例2。電極有效面積4cm*4cm，電極功率輸出0. 6V時8. 3A。
權利要求
1.一種質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征是將噴涂基板放置于加熱臺上加熱至催化劑漿料和質子交換樹脂能夠凝固的溫度，在噴涂基板上噴涂催化劑漿料形成第一層催化層，在第一層催化層上噴涂質子交換樹脂形成質子交換膜，在質子交換膜上噴涂催化劑漿料形成第二層催化層；整個噴涂過程采用超聲波噴頭噴涂，噴涂漿料形成噴霧； 各個噴涂層材料凝固后將其從噴涂基板上剝離，形成質子交換膜燃料電池膜電極。
2.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征是所述用于噴涂的催化劑漿料是由5wt. %-20 wt. %的質子交換樹脂溶液與鉬含量為2wt. %-80 wt. % 的鉬炭催化劑按質量之比為1:10-10:1混合后，再添加溶劑制成。
3.根據權利要求2所述的質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征是所述溶劑為乙醇、乙二醇、異丙醇、乙二醇乙醚中的一種，溶劑體積為質子交換樹脂溶液的1-20 倍。
4.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征是所述用于噴涂的質子交換樹脂是由全氟磺酸溶液加入溶劑制成。
5.根據權利要求4所述的質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征是所述溶劑為乙醇、乙二醇、異丙醇、乙二醇乙醚中的一種，溶劑與全氟磺酸溶液按照1:10-1:100的體積比混合。
全文摘要
本發明涉及燃料電池的制造技術，具體是一種質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法。該方法是將噴涂基板放置于加熱臺上加熱至催化劑漿料和質子交換樹脂能夠凝固的溫度，在石英板上噴涂催化劑漿料形成第一層催化層，在第一層催化層上噴涂質子交換樹脂形成質子交換膜，在質子交換膜上噴涂催化劑漿料形成第二層催化層；整個噴涂過程采用超聲波噴頭噴涂，噴涂漿料形成噴霧；各個噴涂層材料凝固后將其從噴涂基板上剝離，形成質子交換膜燃料電池膜電極。本發明解決了傳統方法中質子交換膜皺褶、收縮等問題；并且噴涂制備過程中不需要將膜電極重新固定或者轉印，工藝簡單、產品質量穩定。
文檔編號H01M4/88GK103000909SQ201210453329
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者孫良良, 鄭濤, 戴洪飛, 劉麗麗 申請人:江蘇恒創科技有限公司