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(fā)明涉及燃料電池的制造方法，尤其是一種采用超聲噴涂工藝制備質 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(fā)電裝置。而質子交換膜燃料電池因其穩(wěn)定性高、無污染、 噪音低、能源轉化率高而備受關注。
對于質子交換膜燃料電池膜電極組件的制備，按照催化劑的涂敷方法， 主要分為兩類，第一種方法是催化劑覆蓋于氣體擴散層上，形成雙層結構，
叫做CCS (catalyst coated substrate基底層上涂敷催化劑)，然后在一定 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，這種方法由于表面的不平整及孔徑遠大于催化劑的粒徑，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，然后配合氣體擴散層一起使用，叫做CCM(catalyst coated membrane,膜上涂敷催化劑)，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的制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、涂布、噴涂的方法直接涂敷于質子交換膜表 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制備過程，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涂于質子交換膜表面的方法，采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，噴涂獲得的CCM還需要進行熱壓處理。這種方法合成的催化層厚度與干 粉的顆粒度有關。干粉噴霧法雖然具有一定的優(yōu)勢，但是也有其不足。由于
催化劑、聚四氟乙烯、質子交換樹脂的相對體積質量不同，工藝對于粉混合 技術要求較高，同時對質子交換樹脂的超細粉制備技術要求也較高。間接、法 是將配置好的催化劑漿料絲印、刮涂或氣體噴涂在轉印介質上，然后熱壓轉
印到質子交換膜表面。美國專利US5415888、 US521麗、US4272353及中國 專利CN1269429A、 CN1560949B就屬于這一類。由于轉印過程中涂敷膜已被干 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(fā)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(fā)明的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法， 提出了一種間接制備膜電極CCM,可以解決催化劑涂敷均勻度的問題，適用于 小批量化生產操作。
為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案 是提供一種質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，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，在比例范圍 內調節(jié)所需要的漿料濃度，攪拌均勻后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涂設備，編程設定噴涂圖形，通過調節(jié)設 備的超聲噴涂流速及噴涂遍數控制擔載量，進而將催化劑漿料精細涂布于轉 移介質上，形成涂敷膜，并放入烘箱中，在50 8(TC條件下干燥；
3、 將干態(tài)質子交換膜置于的由步驟2獲得的兩張涂敷膜之間，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，墊片的厚度為略小于質 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,在壓機合壓后持續(xù)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(fā)明質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法與現有技術相比，這種膜
電極CCM采用超聲噴涂制備，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，影響噴涂的均勻度， 因此，不會造成催化劑的浪費，有效降低催化劑擔載量，并增強了膜電極的 性能和壽命。取得了電極性能優(yōu)良、穩(wěn)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(fā)明作進一步詳細說明。本發(fā)明的膜電極CCM的制
備方法采用以下步驟
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，在比例范圍內調節(jié)所需要的漿料濃度， 攪拌均勻后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涂設備，通過調節(jié)設備的超聲噴涂流速及 噴涂遍數控制催化劑的擔載量，進而將催化劑漿料精細涂布于轉移介質上， 形成涂敷膜，并放入烘箱中，在50 8(TC條件下干燥；
3、 將干態(tài)質子交換膜置于由步驟2獲得的兩張涂敷膜之間，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，墊片的厚度為略小于質子 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,在壓機合壓后持續(xù)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，在比例范圍內調節(jié)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涂設備，編程設定噴涂圖形，通過調節(jié)設 備超聲噴涂流速及噴涂遍數控制擔載量，將催化劑漿料精細涂布于轉移介質 PTFE膜上形成涂敷膜，并放入烘箱中，在50 8(TC條件下干燥。
3. 將干態(tài)質子交換膜NRE212 (厚度為50um)置于兩張涂敷膜之間，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
小于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，在壓機合壓后持續(xù)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，用無水酒精清洗干凈。 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制備方法，其特征在于，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(jié)所需要的漿料濃度，攪拌均勻后進行超聲振蕩混合均勻，制備成催化劑漿料；(2)將配置好的催化劑漿料加入超聲噴涂設備，編程設定噴涂圖形，通過調節(jié)設備的超聲噴涂流速及噴涂遍數控制擔載量，進而將催化劑漿料精細涂布于轉移介質上，形成涂敷膜，并放入烘箱中，在50～80℃條件下干燥；(3)將干態(tài)質子交換膜置于由步驟2獲得的兩張涂敷膜之間，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，墊片的厚度為略小于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所述的膜電極的制備方法，其特征在于，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所述的膜電極的制備方法，其特征在于，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所述的膜電極的制備方法，其特征在于，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所述的膜電極的制備方法，其特征在于，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所述的膜電極的制備方法，其特征在于，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所述的膜電極的制備方法，其特征在于，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所述的膜電極的制備方法，其特征在于，所述的步 驟(3)中，壓機的壓力為2 6MPa，熱壓溫度為130 180。C，壓機合壓后的 持續(xù)時間為60 150s。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，包括步驟(1)制備催化劑、質子交換樹脂漿料；(2)用超聲噴涂設備將漿料噴涂于轉移介質上，烘干形成涂敷膜；(3)將質子交換膜置于兩張涂敷膜之間，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。該方法提高了涂布的均勻度，有利于電極的性能和壽命，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(yōu)先權日2007年7月26日
發(fā)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