專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)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(zhì) 子交換膜燃料電池的膜電極的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種能夠?qū)⑻N(yùn)藏在氫燃料及氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電 能及反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)電裝置。而質(zhì)子交換膜燃料電池因其穩(wěn)定性高、無污染、 噪音低、能源轉(zhuǎn)化率高而備受關(guān)注。
對于質(zhì)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(kuò)散層上，形成雙層結(jié)構(gòu)，
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(zhuǎn)移到質(zhì)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(yuǎn)大于催化劑的粒徑，導(dǎo)致催化劑 嵌入基底材料中，造成催化劑的浪費(fèi)。第二種方法是將催化劑直接或間接轉(zhuǎn) 印到質(zhì)子交換膜上，然后配合氣體擴(kuò)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(dān)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(zhì)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(zhì)子交換膜的溶脹性嚴(yán)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(zhì)子交 換樹脂研磨成粉末噴涂于質(zhì)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(qiáng)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(jìn)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(guān)。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(zhì)子交換樹脂的相對體積質(zhì)量不同，工藝對于粉混合 技術(shù)要求較高，同時對質(zhì)子交換樹脂的超細(xì)粉制備技術(shù)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(zhuǎn)印介質(zhì)上，然后熱壓轉(zhuǎn)
印到質(zhì)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(zhuǎn)印過程中涂敷膜已被干 燥，因此質(zhì)子交換膜沒有出現(xiàn)溶脹變形的現(xiàn)象，催化劑與膜的結(jié)合力得到加 強(qiáng)，但均勻度不高，影響膜電極的性能及壽命。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)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(zhì)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(chǎn)操作。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案 是提供一種質(zhì)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(zhì)子交換樹脂按比例均勻混合，再滴加溶劑，在比例范圍 內(nèi)調(diào)節(jié)所需要的漿料濃度，攪拌均勻后進(jìn)行超聲振蕩混合均勻；催化劑、質(zhì)
子交換樹脂、溶劑質(zhì)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(shè)備，編程設(shè)定噴涂圖形，通過調(diào)節(jié)設(shè) 備的超聲噴涂流速及噴涂遍數(shù)控制擔(dān)載量，進(jìn)而將催化劑漿料精細(xì)涂布于轉(zhuǎn) 移介質(zhì)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(zhì)子交換膜置于的由步驟2獲得的兩張涂敷膜之間，兩片轉(zhuǎn)移 介質(zhì)之外側(cè)各加一張鋁箔，在壓機(jī)上配加硬性墊片，墊片的厚度為略小于質(zhì) 子交換膜與兩片帶催化層的轉(zhuǎn)移介質(zhì)厚度的總和，通過高精度壓機(jī)熱壓處理， 壓機(jī)的壓力為2 6MPa，熱壓溫度為130 180。C,在壓機(jī)合壓后持續(xù)60 150s
左右；
4、 剝離轉(zhuǎn)移介質(zhì)，獲得質(zhì)子交換膜燃料電池的膜電極。 本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法與現(xiàn)有技術(shù)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(fèi)，有效降低催化劑擔(dān)載量，并增強(qiáng)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(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)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(nèi)調(diào)節(jié)所需要的漿料濃度， 攪拌均勻后進(jìn)行超聲振蕩混合均勻，催化劑、質(zhì)子交換樹脂、溶劑三種材料 的質(zhì)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(shè)備，通過調(diào)節(jié)設(shè)備的超聲噴涂流速及 噴涂遍數(shù)控制催化劑的擔(dān)載量，進(jìn)而將催化劑漿料精細(xì)涂布于轉(zhuǎn)移介質(zhì)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(zhì)子交換膜置于由步驟2獲得的兩張涂敷膜之間，兩片轉(zhuǎn)移介 質(zhì)之外側(cè)各加一張鋁箔，在壓機(jī)上配加硬性墊片，墊片的厚度為略小于質(zhì)子 交換膜與兩片帶催化層的轉(zhuǎn)移介質(zhì)厚度的總和，通過高精度壓機(jī)熱壓處理， 壓機(jī)的壓力為2 6MPa，熱壓溫度為130 18(TC,在壓機(jī)合壓后持續(xù)60 150s 左右；
4、 剝離轉(zhuǎn)移介質(zhì)，獲得質(zhì)子交換膜燃料電池的膜電極。 實(shí)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(nèi)調(diào)節(jié)所需要的漿料濃度， 攪拌均勻，進(jìn)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(shè)備，編程設(shè)定噴涂圖形，通過調(diào)節(jié)設(shè) 備超聲噴涂流速及噴涂遍數(shù)控制擔(dān)載量，將催化劑漿料精細(xì)涂布于轉(zhuǎn)移介質(zhì) 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(zhì)子交換膜NRE212 (厚度為50um)置于兩張涂敷膜之間，兩
片轉(zhuǎn)移介質(zhì)之外側(cè)各加一張鋁箔，在壓機(jī)上配加硬性墊片，墊片的厚度為略
小于質(zhì)子交換膜與兩片帶催化層的轉(zhuǎn)移介質(zhì)厚度的總和，即200um，通過高 精度壓機(jī)熱壓處理，壓力為5MPa， 14(TC下進(jìn)行熱壓，在壓機(jī)合壓后持續(xù)90s 左右。
4.剝離轉(zhuǎn)移介質(zhì)PTFE膜，即得核心組件膜電極CCM。 本實(shí)施例中
上述轉(zhuǎn)移介質(zhì)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(zhì)量比為
催化劑質(zhì)子交換樹脂溶劑二IO : 2.5 6 : 200 500。
權(quán)利要求
1、一種質(zhì)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(zhì)子交換樹脂按比例均勻混合，再滴加溶劑，調(diào)節(jié)所需要的漿料濃度，攪拌均勻后進(jìn)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(shè)備，編程設(shè)定噴涂圖形，通過調(diào)節(jié)設(shè)備的超聲噴涂流速及噴涂遍數(shù)控制擔(dān)載量，進(jìn)而將催化劑漿料精細(xì)涂布于轉(zhuǎn)移介質(zhì)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(zhì)子交換膜置于由步驟2獲得的兩張涂敷膜之間，兩片轉(zhuǎn)移介質(zhì)的外側(cè)各加一張鋁箔，在壓機(jī)上配加硬性墊片，墊片的厚度為略小于質(zhì)子交換膜與兩片帶催化層的轉(zhuǎn)移介質(zhì)厚度的總和，進(jìn)行熱壓處理；(4)剝離轉(zhuǎn)移介質(zhì)，獲得質(zhì)子交換膜燃料電池的膜電極。
2、 根據(jù)權(quán)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(zhì)量比為，催化劑質(zhì)子交換樹脂 溶劑=10 : 2. 5 6 : 200 500。
3、 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(zhì)子交換樹脂為DuPont(杜邦)10wt.9&Nafion溶液。
6、 根據(jù)權(quán)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(zhuǎn)移介質(zhì)是具有憎水性、雙向拉伸功能的聚四氟乙烯薄膜。
7、 根據(jù)權(quán)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(zhì)子交換膜是NRE212，厚度為50ura。
8、 根據(jù)權(quán)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(jī)的壓力為2 6MPa，熱壓溫度為130 180。C，壓機(jī)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(zhì)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(zhì)子交換樹脂漿料；(2)用超聲噴涂設(shè)備將漿料噴涂于轉(zhuǎn)移介質(zhì)上，烘干形成涂敷膜；(3)將質(zhì)子交換膜置于兩張涂敷膜之間，通過壓機(jī)熱壓處理；(4)剝離轉(zhuǎn)移介質(zhì)，獲得質(zhì)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(dān)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(quán)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?？臻g電源研究所