質子交換膜燃料電池膜電極的製備方法

2023-09-18 06:55:50 2

專利名稱：質子交換膜燃料電池膜電極的製備方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池的製造方法，尤其是一種採用超聲噴塗工藝製備質 子交換膜燃料電池的膜電極的方法。
背景技術：
燃料電池是一種能夠將蘊藏在氫燃料及氧化劑中的化學能直接轉化為電 能及反應產物的發電裝置。而質子交換膜燃料電池因其穩定性高、無汙染、 噪音低、能源轉化率高而備受關注。
對於質子交換膜燃料電池膜電極組件的製備，按照催化劑的塗敷方法， 主要分為兩類，第一種方法是催化劑覆蓋於氣體擴散層上，形成雙層結構，
叫做CCS (catalyst coated substrate基底層上塗敷催化劑)，然後在一定 條件下，熱壓轉移到質子交換膜上形成膜電極，基底材料主要是多孔碳紙或 碳布，這種方法由於表面的不平整及孔徑遠大於催化劑的粒徑，導致催化劑 嵌入基底材料中，造成催化劑的浪費。第二種方法是將催化劑直接或間接轉 印到質子交換膜上，然後配合氣體擴散層一起使用，叫做CCM(catalyst coated membrane,膜上塗敷催化劑)，此種方法可有效降低催化劑的擔載量，同時提 高催化劑的利用率。
從已公開的專利來看，CCM的製備方法主要分為直接法和間接法兩種。直 接法是將催化劑漿料通過印刷、塗布、噴塗的方法直接塗敷於質子交換膜表 面，這方面的專利有US5316871、 US5234777、 JP2002280003等。此類方法工
序簡單，催化劑利用率高，但質子交換膜的溶脹性嚴重影響製備過程，操作 難度較高。中國專利CN1269428A公開了一種將催化劑、聚四氟乙烯、質子交 換樹脂研磨成粉末噴塗於質子交換膜表面的方法，採用這種方法雖然能使催 化層和Nation膜之間具有很強的附著力，但為了改善催化層的電子和離子通 道，噴塗獲得的CCM還需要進行熱壓處理。這種方法合成的催化層厚度與幹 粉的顆粒度有關。乾粉噴霧法雖然具有一定的優勢，但是也有其不足。由於
催化劑、聚四氟乙烯、質子交換樹脂的相對體積質量不同，工藝對於粉混合 技術要求較高，同時對質子交換樹脂的超細粉製備技術要求也較高。間接、法 是將配置好的催化劑漿料絲印、刮塗或氣體噴塗在轉印介質上，然後熱壓轉
印到質子交換膜表面。美國專利US5415888、 US521麗、US4272353及中國 專利CN1269429A、 CN1560949B就屬於這一類。由於轉印過程中塗敷膜已被幹 燥，因此質子交換膜沒有出現溶脹變形的現象，催化劑與膜的結合力得到加 強，但均勻度不高，影響膜電極的性能及壽命。

發明內容
為了解決上述現有技術操作難度高、均勻度差影響膜電極的性能及壽命 等不足，本發明的目的在於提供一種質子交換膜燃料電池膜電極的製備方法， 提出了一種間接製備膜電極CCM,可以解決催化劑塗敷均勻度的問題，適用於 小批量化生產操作。
為了達到上述發明目的，本發明為解決上述技術問題所採用的技術方案 是提供一種質子交換膜燃料電池膜電極的製備方法，該方法包括如下步驟
1、 將催化劑、質子交換樹脂按比例均勻混合，再滴加溶劑，在比例範圍 內調節所需要的漿料濃度，攪拌均勻後進行超聲振蕩混合均勻；催化劑、質
子交換樹脂、溶劑質量比控制為10 : 2.5 6 : 200 500;
2、 將配置好的漿料加入超聲噴塗設備，編程設定噴塗圖形，通過調節設 備的超聲噴塗流速及噴塗遍數控制擔載量，進而將催化劑漿料精細塗布於轉 移介質上，形成塗敷膜，並放入烘箱中，在50 8(TC條件下乾燥；
3、 將幹態質子交換膜置於的由步驟2獲得的兩張塗敷膜之間，兩片轉移 介質之外側各加一張鋁箔，在壓機上配加硬性墊片，墊片的厚度為略小於質 子交換膜與兩片帶催化層的轉移介質厚度的總和，通過高精度壓機熱壓處理， 壓機的壓力為2 6MPa，熱壓溫度為130 180。C,在壓機合壓後持續60 150s
左右；
4、 剝離轉移介質，獲得質子交換膜燃料電池的膜電極。 本發明質子交換膜燃料電池膜電極的製備方法與現有技術相比，這種膜
電極CCM採用超聲噴塗製備，漿料依靠高頻率超聲霧化，氣體為輔助動力，
不會像其它噴槍那樣通過氣體撕裂霧化液滴而吹散漿料，影響噴塗的均勻度， 因此，不會造成催化劑的浪費，有效降低催化劑擔載量，並增強了膜電極的 性能和壽命。取得了電極性能優良、穩定性高、使用壽命長等有益效果。


無附圖
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步詳細說明。本發明的膜電極CCM的制
備方法採用以下步驟
1、 將Johnson Matthey 40wt. %Pt/C催化劑與DuPont (杜邦)10wt. %Naf ion 溶液按比例均勻混合，再滴加溶劑，在比例範圍內調節所需要的漿料濃度， 攪拌均勻後進行超聲振蕩混合均勻，催化劑、質子交換樹脂、溶劑三種材料 的質量比控制為10 : 2.5 6 : 200 500;
2、 將配置好的漿料加入超聲噴塗設備，通過調節設備的超聲噴塗流速及 噴塗遍數控制催化劑的擔載量，進而將催化劑漿料精細塗布於轉移介質上， 形成塗敷膜，並放入烘箱中，在50 8(TC條件下乾燥；
3、 將幹態質子交換膜置於由步驟2獲得的兩張塗敷膜之間，兩片轉移介 質之外側各加一張鋁箔，在壓機上配加硬性墊片，墊片的厚度為略小於質子 交換膜與兩片帶催化層的轉移介質厚度的總和，通過高精度壓機熱壓處理， 壓機的壓力為2 6MPa，熱壓溫度為130 18(TC,在壓機合壓後持續60 150s 左右；
4、 剝離轉移介質，獲得質子交換膜燃料電池的膜電極。 實施例l :
1. 將Johnson MaUhey40wt.。/。Pt/C催化劑與DuPont (杜邦)10wt.%Nafion 溶液按比例均勻混合，再滴加溶劑，在比例範圍內調節所需要的漿料濃度， 攪拌均勻，進行超聲振蕩10min混合均勻。
2. 將配置好的漿料加入超聲噴塗設備，編程設定噴塗圖形，通過調節設 備超聲噴塗流速及噴塗遍數控制擔載量，將催化劑漿料精細塗布於轉移介質 PTFE膜上形成塗敷膜，並放入烘箱中，在50 8(TC條件下乾燥。
3. 將幹態質子交換膜NRE212 (厚度為50um)置於兩張塗敷膜之間，兩
片轉移介質之外側各加一張鋁箔，在壓機上配加硬性墊片，墊片的厚度為略
小於質子交換膜與兩片帶催化層的轉移介質厚度的總和，即200um，通過高 精度壓機熱壓處理，壓力為5MPa， 14(TC下進行熱壓，在壓機合壓後持續90s 左右。
4.剝離轉移介質PTFE膜，即得核心組件膜電極CCM。 本實施例中
上述轉移介質為厚度為100um寬度為20cm，具有憎水性、雙向拉伸功能 的聚四氟乙烯薄膜PTFE膜，用無水酒精清洗乾淨。 上述溶劑為乙醇與水的混合劑。 上述的催化劑漿料各成分的質量比為
催化劑質子交換樹脂溶劑二IO : 2.5 6 : 200 500。
權利要求
1、一種質子交換膜燃料電池膜電極的製備方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟(1)將催化劑、質子交換樹脂按比例均勻混合，再滴加溶劑，調節所需要的漿料濃度，攪拌均勻後進行超聲振蕩混合均勻，製備成催化劑漿料；(2)將配置好的催化劑漿料加入超聲噴塗設備，編程設定噴塗圖形，通過調節設備的超聲噴塗流速及噴塗遍數控制擔載量，進而將催化劑漿料精細塗布於轉移介質上，形成塗敷膜，並放入烘箱中，在50～80℃條件下乾燥；(3)將幹態質子交換膜置於由步驟2獲得的兩張塗敷膜之間，兩片轉移介質的外側各加一張鋁箔，在壓機上配加硬性墊片，墊片的厚度為略小於質子交換膜與兩片帶催化層的轉移介質厚度的總和，進行熱壓處理；(4)剝離轉移介質，獲得質子交換膜燃料電池的膜電極。
2、 根據權利要求1所述的膜電極的製備方法，其特徵在於，所述的步 驟(1)中，所述的催化劑漿料各成分的質量比為，催化劑質子交換樹脂 溶劑=10 : 2. 5 6 : 200 500。
3、 根據權利要求1或2所述的膜電極的製備方法，其特徵在於，所述 的步驟(1)中，所述的溶劑為乙醇與水的混合劑。
4、 根據權利要求1或2所述的膜電極的製備方法，其特徵在於，所述 的步驟(1)中，所述的催化劑為Johnson Matthey 40wt.%Pt/C 。
5、 根據權利要求1或2所述的膜電極的製備方法，其特徵在於，所述 的步驟(1)中，所述的質子交換樹脂為DuPont(杜邦)10wt.9&Nafion溶液。
6、 根據權利要求1所述的膜電極的製備方法，其特徵在於，所述的步 驟(2)中，所述的轉移介質是具有憎水性、雙向拉伸功能的聚四氟乙烯薄膜。
7、 根據權利要求1所述的膜電極的製備方法，其特徵在於，所述的步 驟(3)中，所述的質子交換膜是NRE212，厚度為50ura。
8、 根據權利要求1所述的膜電極的製備方法，其特徵在於，所述的步 驟(3)中，壓機的壓力為2 6MPa，熱壓溫度為130 180。C，壓機合壓後的 持續時間為60 150s。
全文摘要
本發明公開了一種質子交換膜燃料電池膜電極的製備方法，包括步驟(1)製備催化劑、質子交換樹脂漿料；(2)用超聲噴塗設備將漿料噴塗於轉移介質上，烘乾形成塗敷膜；(3)將質子交換膜置於兩張塗敷膜之間，通過壓機熱壓處理；(4)剝離轉移介質，獲得質子交換膜燃料電池的膜電極。該方法提高了塗布的均勻度，有利於電極的性能和壽命，同時大大降低催化劑的擔載量，提高催化劑的利用率。
文檔編號H01M4/88GK101355166SQ200710044270
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月26日 優先權日2007年7月26日
發明者向 劉, 偉 張, 張新榮, 東 王, 濤 王, 郭振波 申請人:上海空間電源研究所