本發(fā)明專利技術(shù)涉及燃料電池的制造技術(shù)，具體是一種質(zhì)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(tái)上加熱至催化劑漿料和質(zhì)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(zhì)子交換樹脂形成質(zhì)子交換膜，在質(zhì)子交換膜上噴涂催化劑漿料形成第二層催化層；整個(gè)噴涂過程采用超聲波噴頭噴涂，噴涂漿料形成噴霧；各個(gè)噴涂層材料凝固后將其從噴涂基板上剝離，形成質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極。本發(fā)明專利技術(shù)解決了傳統(tǒng)方法中質(zhì)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(zhuǎn)印，工藝簡單、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及燃料電池的制造技術(shù)，具體是一種。
技術(shù)介紹
質(zhì)子交換膜燃料電池，膜電極由陽極多孔氣體擴(kuò)散電極、電解質(zhì)膜和陰極多孔氣體擴(kuò)散電極，通過熱壓等技術(shù)將兩電極復(fù)合在膜的兩面構(gòu)成三合一組件。多孔氣體擴(kuò)散電極通常由擴(kuò)散層和催化層構(gòu)成，擴(kuò)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(zhì)(例如Nafion )構(gòu)成。現(xiàn)有技術(shù)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(zhì)膜上，如噴涂、刮涂和絲網(wǎng)印刷等，其中絲網(wǎng)印刷具有操作和工藝簡單優(yōu)點(diǎn)，涂載催化層被較多采用。目前絲網(wǎng)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(wǎng)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(zhì)膜遇到水、乙醇等溶劑會(huì)發(fā)生溶漲，很難固定在絲網(wǎng)印刷機(jī)基板上，印刷過程會(huì)發(fā)生基膜移動(dòng)，不僅導(dǎo)致基膜上涂抹的催化劑不均勻，而且給重復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移介質(zhì)上，加熱去掉溶劑，在介質(zhì)上形成催化劑層，然后通過熱壓將催化劑層轉(zhuǎn)移到質(zhì)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(fù)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(zhuǎn)印時(shí)催化層與膜的接觸不是很理想。總結(jié)傳統(tǒng)的膜電極制備方法，其共同點(diǎn)是將催化劑漿料通過噴涂\印刷制備到已經(jīng)商品化的質(zhì)子交換膜上，制備過程復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量不易保證。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是，提供一種制備工藝簡單、催化層與膜接觸良好、產(chǎn)品質(zhì)量好的。本專利技術(shù)的是將噴涂基板放置于加熱臺(tái)上加熱至催化劑漿料和質(zhì)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(zhì)子交換樹脂形成質(zhì)子交換膜，在質(zhì)子交換膜上噴涂催化劑漿料形成第二層催化層；整個(gè)噴涂過程采用超聲波噴頭噴涂，噴涂漿料形成噴霧；各個(gè)噴涂層材料凝固后將其從噴涂基板上剝離，形成質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極。所述用于噴涂的催化劑衆(zhòng)料是由5wt. %_20 wt. %的質(zhì)子交換樹脂溶液與鉬含量為2wt. %-80 wt. %的鉬炭催化劑按質(zhì)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(zhì)子交換樹脂溶液的1-20倍。所述用于噴涂的質(zhì)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。本專利技術(shù)改變了傳統(tǒng)的膜電極制備中在質(zhì)子交換膜上負(fù)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(zhì)子交換膜，然后繼續(xù)噴涂催化層，解決了質(zhì)子交換膜皺褶、收縮等問題；并且，由于本專利技術(shù)制備膜電極過程僅僅通過轉(zhuǎn)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(zhuǎn)印，工藝簡單、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。具體實(shí)施例方式本專利技術(shù)實(shí)施例如下 實(shí)施例一 I)催化劑衆(zhòng)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(jìn)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(zhì)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(cè) 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(tái)上150 0C加熱。2)使用超聲波噴槍均勻?qū)⒋呋瘎┮?ml/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(zhì)子交換樹脂進(jìn)樣閥，關(guān)閉催化劑漿料進(jìn)樣閥，噴涂Nafion溶液，噴涂質(zhì)子交換膜厚度為20微米。4)開啟催化劑漿料進(jìn)樣閥，關(guān)閉質(zhì)子交換樹脂進(jìn)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(tái)上恒溫130°C，5分鐘。5)取下膜電極，電極有效面積4cm*4cm進(jìn)行活化與測(cè)試。膜電極性能的測(cè)試將處理好的膜電極直接夾在帶擴(kuò)散層的碳紙內(nèi)，用帶有蛇形流場(chǎng)的燃料電池測(cè)試夾具上測(cè)試。電池性能為O. 6V時(shí)為8A。實(shí)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(jìn)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(zhì)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(cè) I)將充分干凈的石英玻璃板膜置于加熱臺(tái)上，將石英板放置在加熱臺(tái)上150 0C加熱。2)使用超聲波噴槍均勻?qū)⒋呋瘎┮?ml/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(zhì)子交換樹脂進(jìn)樣閥，關(guān)閉催化劑漿料進(jìn)樣閥，噴涂Nafion溶液，噴涂質(zhì)子交換膜厚度為30微米。4)開啟催化劑漿料進(jìn)樣閥，關(guān)閉質(zhì)子交換樹脂進(jìn)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(tái)上恒溫150°C 5分鐘。5)取下膜電極，進(jìn)行活化與測(cè)試。膜電極性能的測(cè)試將處理好的膜電極直接夾在帶擴(kuò)散層的碳紙內(nèi)，用帶有蛇形流場(chǎng)的燃料電池測(cè)試夾具上測(cè)試。電極有效面積4cm*4cm，電極功率輸出0. 6 V時(shí)7. 6A。實(shí)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(jìn)行超聲lOmin，使催化劑充分分散并與GEFC-1ES充分混合。2)質(zhì)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(cè) 制備過程同實(shí)施例2。電極有效面積4cm*4cm，電極功率輸出0. 6V時(shí)8. 3A。權(quán)利要求1.一種，其特征是將噴涂基板放置于加熱臺(tái)上加熱至催化劑漿料和質(zhì)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(zhì)子交換樹脂形成質(zhì)子交換膜，在質(zhì)子交換膜上噴涂催化劑漿料形成第二層催化層；整個(gè)噴涂過程采用超聲波噴頭噴涂，噴涂漿料形成噴霧； 各個(gè)噴涂層材料凝固后將其從噴涂基板上剝離，形成質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，其特征是所述用于噴涂的催化劑漿料是由5wt. %-20 wt. %的質(zhì)子交換樹脂溶液與鉬含量為2wt. %-80 wt. % 的鉬炭催化劑按質(zhì)量之比為1:10-10:1混合后，再添加溶劑制本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種質(zhì)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(tái)上加熱至催化劑漿料和質(zhì)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(zhì)子交換樹脂形成質(zhì)子交換膜，在質(zhì)子交換膜上噴涂催化劑漿料形成第二層催化層；整個(gè)噴涂過程采用超聲波噴頭噴涂，噴涂漿料形成噴霧；各個(gè)噴涂層材料凝固后將其從噴涂基板上剝離，形成質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫良良，鄭濤，戴洪飛，劉麗麗，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：江蘇恒創(chuàng)科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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