一种氢燃料电池膜电极的制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种氢燃料电池膜电极的制备工艺，属于电池膜电极领域。将超声喷涂工艺和热转印工艺两种工艺结合制备了膜电极，首先采用超声喷涂工艺将碳粉浆液、电催化剂浆液以及粘结剂浆液依次喷涂于一种转印介质上，然后通过热转印工艺将催化层担载于质子交换膜上，再用超声喷涂工艺自制扩散层热压后得到膜电极。本发明专利技术中利用Nafion浆液与质子交换膜以及碳粉浆液与扩散层间的作用使各层之间紧密结合，再结合热转印工艺后大大提高了膜电极的电化学性能，延长了膜电极的寿命，并解决了质子交换膜褶皱、溶胀等问题，节省了大量铺膜，处理膜的时间，有利于膜电极的大规模生产。

Process for preparing membrane electrode of hydrogen fuel cell

The invention discloses a preparation process of a hydrogen fuel cell membrane electrode, which belongs to the field of a battery membrane electrode. The membrane electrode was prepared with ultrasonic spraying process and heat transfer process of two kinds of process, first by ultrasonic spraying process of carbon slurry, slurry and slurry catalyst binder followed by spraying on a transfer medium, and then the catalytic layer supported on proton exchange membrane by thermal transfer process, using ultrasonic spray technology self diffusion layer after hot pressing membrane electrode. The invention makes use of Nafion slurry and proton exchange membrane and the effect of carbon powder slurry and diffusion layer between the layers between closely, combined with the heat transfer process greatly improves the electrochemical performance of the membrane electrode, prolong the life of membrane electrode, and solves the proton exchange membrane folds, swelling and other issues, save a lot of shop film, film processing time, which is good for the mass production of membrane electrode.

【技术实现步骤摘要】
一种氢燃料电池膜电极的制备工艺
本专利技术公开了一种氢燃料电池膜电极的制备工艺，属于电池膜电极领域。
技术介绍
传统的膜电极制备方法，即GDE法，主要是将催化剂涂到扩散层上形成催化层，然后通过热压工艺将扩散层、催化层和质子交换膜经过高温高压及一定的时间热压在一起，形成膜电极。之后通过科技的发展，膜电极的制备将催化层直接转移到质子交换膜上，即形成CCM，再与扩散层热压形成膜电极。传统的膜电极制备方法，即GDE法，使催化剂不能与质子交换膜紧密结合充分进行反应，与此同时，由于催化剂颗粒较小，很可能堵塞扩散层中的微孔，影响气体的运输，增加传质阻力，从而降低催化剂的利用率和电池的性能。中国专利CN101276919A采用极性板作为质子交换膜的担载板，将放质子交换膜的担载板放在加热台上恒温加热到100~150℃，然后将催化剂浆料均匀地喷涂在质子交换膜上。CCM法制备膜电极的工艺仍然不能有效解决质子交换膜的溶胀问题，且质子交换膜容易褶皱，喷涂前的铺膜花费较长的时间。美国专利US5211984、US6847518公开了一种用转印法制备膜电极的方法，先将催化剂浆液涂到转印介质上，干燥后将两片分别涂有阳极、阴极催化剂的转印介质放在一片质子交换膜两侧，进行热压，剥离介质后得到了膜电极。但是此方法存在的问题是催化剂受温度和压力的影响使其在膜上的附着强度无法控制，且在热压时膜与转印介质边上的催化剂由于受力不均匀而不能完全转印到膜上，从而降低了催化剂的利用率；同时，转印介质经常由于热压发生形变而不能重复利用，增加了膜电极制作成本。由此可见，现有技术中存在不少由转印法、喷涂法等制备膜电极的工艺，但还是存在较多不足之处，影响了催化剂的利用率，限制了燃料电池的电化学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种氢燃料电池膜电极的制备工艺，利用Nafion浆液与质子交换膜以及碳粉浆液与扩散层间的作用使各层之间紧密结合，再结合热转印工艺后大大提高了膜电极的电化学性能，延长了膜电极的寿命，并解决了质子交换膜褶皱、溶胀等问题，节省了大量铺膜，处理膜的时间，有利于膜电极的大规模生产。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种氢燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于，将超声喷涂工艺和热转印工艺两种工艺结合制备膜电极，首先采用超声喷涂工艺将碳粉浆液、电催化剂浆液以及粘结剂浆液依次喷涂于转印介质上依次形成碳粉浆液层、电催化剂层和粘结剂层，然后通过热转印工艺将催化层担载于质子交换膜上，再用自动化喷涂设备自制扩散层，经过热压后得到膜电极；电催化剂浆料由铂含量为60%的Pt/C催化剂、异丙醇、Nafion含量为5%的Nafion溶液组成，三者质量比例为1~3:30~60:4~10；碳粉浆液层经过转印后在电催化剂层的外侧，当与扩散层进行热压时碳粉浆液层与扩散层紧密结合；粘结剂浆液为5%Nafion溶液，即全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物溶液。所述碳粉浆液的配制方法是：将碳粉与分散剂加入器皿中并分散均匀，碳粉质量含量为30%~60%，分散剂质量含量为40%~70%，其中，分散剂为低沸点醇类，选自甲醇、乙醇、丙醇及异丙醇中的一种或几种。所述碳粉浆液喷涂于转印介质上的碳载量为0.2~2mg/cm2，催化剂层载量为0.2mg/cm2-0.5mg/cm2。所述粘结剂浆液喷涂于转印介质上的离子交换树脂载量为0.01~1.0mg/cm2。所述转印介质为高温布、聚四氟乙烯、玻纤膜和聚酰亚胺的一种。自制扩散层时所用的自动化喷涂设备为超声喷涂仪器。喷涂扩散层时，加热平台温度保持在60℃~140℃，碳黑及憎水剂浆液的流速在2~30mL/min，微孔层（微孔层即扩散层，由碳黑及憎水剂组成，两者质量比例为3~5:0.5~2）载量为1~5mg/cm2，憎水剂为聚四氟乙烯、正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷中的一种。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、膜电极中催化剂的利用率高：传统的方法中催化层制备在扩散层上，会有部分催化剂颗粒进入扩散层中，不仅堵塞气体通道，还降低了催化剂的利用率；一些转印法制备的膜电极会由于转印介质边缘受力不均匀而破坏催化层无法使其完全转印到膜上；本专利技术利用了Nafion浆液与质子交换膜的相似相容作用使转印时在介质边缘也能够受力均匀从而实现不浪费催化剂完全转印，提高了催化剂利用率。2、转印时的碳粉浆液经过转印后在催化层的最外侧，当与扩散层进行热压时能紧密结合，减小了传质阻力，提高了膜电极的电化学性能。3、膜电极中经过热压后的催化层中贵金属催化剂颗粒不易脱落、溶解、扩散等，推迟了催化剂失活的时间，故延长了膜电极的寿命。4、转印介质为高温布，一方面由于高温布在高温高压下不会发生形变，故能重复利用，降低了成本；另一方面，减少了将催化剂直接喷涂在膜上所遇到的如质子交换膜褶皱、溶胀等问题，还节省了大量的铺膜时间，有利于膜电极的大规模生产。5、通过自动超声喷涂仪制备的扩散层微孔层分布均匀，利于气体的传输，并且操作简单快捷，可以达到量产的要求。综上所述，本专利技术的制备工艺具有提高膜电极的性能，延长膜电极的寿命和利于膜电极的大规模生产等特点，可进行商业化推广。附图说明图1是实施例1、对比例1和对比例2的膜电极组装单电池的性能比较图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明。实施例1将碳粉与异丙醇放入烧杯中超声20min使其混合均匀得到碳粉浆液；再取适量的5%的Nafion溶液用水稀释得到粘结剂浆液；然后用60%Pt/C催化剂、异丙醇、5%Nafion溶液配置电催化剂浆料。取大小合适的高温布先称量，然后置于超声喷涂仪器的加热平台上，打开真空泵将高温布平整吸附。首先喷涂碳粉浆液，经过称量确保碳粉载量为0.6mg/cm2；然后喷涂催化剂浆液，阳极载量为0.24mg/cm2，阴极载量为0.48mg/cm2；最后将Nafion浆液喷涂于催化层上，载量为0.1mg/cm2。将喷涂有阴阳极不同载量的两片高温布分别置于杜邦211膜的两侧，在140℃，30kg/cm2，10min的热压条件下进行热压，然后剥离两侧的高温布，得到完整的催化层薄膜。最后将碳纸经过PTFE疏水处理，配置10%的PTFE碳粉浆液，用超声喷涂仪器进行喷涂，加热平台温度保持在90℃，流速为4mL/min，得到微孔层载量为1mg/cm2，然后与催化层薄膜热压得到膜电极。实施例2与实施例1相同，只是碳粉载量变为1mg/cm2。实施例3与实施例1相同，只是Nafion载量变为0.3mg/cm2。对比例1用60%Pt/C催化剂、异丙醇、5%Nafion溶液配置电催化剂浆料。取大小合适的高温布先称量，然后置于超声喷涂仪器的加热平台上，打开真空泵将高温布平整吸附。然后在高温布上只喷涂催化剂浆液，阳极载量为0.24mg/cm2，阴极载量为0.48mg/cm2；将喷涂有阴阳极不同载量的两片高温布分别置于杜邦211膜的两侧，在140℃，30kg/cm2，10min的热压条件下进行热压，然后剥离两侧的高温布，高温布边缘会不均匀地残留部分的催化层。最后将碳纸经过PTFE疏水处理，配置10%的PTFE碳粉浆液，用超声喷涂仪器进行喷涂，加热平台温度保持在90℃，流速为4mL/min，得到微孔层载量为1mg/cm2，然后与催化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于，将超声喷涂工艺和热转印工艺两种工艺结合制备膜电极，首先采用超声喷涂工艺将碳粉浆液、电催化剂浆液以及粘结剂浆液依次喷涂于转印介质上依次形成碳粉浆液层、电催化剂层和粘结剂层，然后通过热转印工艺将催化层担载于质子交换膜上，再用自动化喷涂设备自制扩散层，经过热压后得到膜电极；电催化剂浆料由铂含量为60%的Pt/C催化剂、异丙醇、Nafion含量为5%的Nafion溶液组成，三者质量比例为1~3:30~60:4~10；碳粉浆液层经过转印后在电催化剂层的外侧，当与扩散层进行热压时碳粉浆液层与扩散层紧密结合；粘结剂浆液为5%Nafion溶液，即全氟磺酸‑聚四氟乙烯共聚物溶液。

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于，将超声喷涂工艺和热转印工艺两种工艺结合制备膜电极，首先采用超声喷涂工艺将碳粉浆液、电催化剂浆液以及粘结剂浆液依次喷涂于转印介质上依次形成碳粉浆液层、电催化剂层和粘结剂层，然后通过热转印工艺将催化层担载于质子交换膜上，再用自动化喷涂设备自制扩散层，经过热压后得到膜电极；电催化剂浆料由铂含量为60%的Pt/C催化剂、异丙醇、Nafion含量为5%的Nafion溶液组成，三者质量比例为1~3:30~60:4~10；碳粉浆液层经过转印后在电催化剂层的外侧，当与扩散层进行热压时碳粉浆液层与扩散层紧密结合；粘结剂浆液为5%Nafion溶液，即全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物溶液。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池膜电极的制备工艺，其特征在于，所述碳粉浆液的配制方法是：将碳粉与分散剂加入器皿中并分散均匀，碳粉质量含量为30%~60%，分散剂质量含量为40%~70%，其中，分散剂为低沸点醇类，选自甲醇、乙醇、丙醇及异丙醇中的一种或几种...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏伶俐，杨小贞，刘建国，邹志刚，吴聪萍，
申请(专利权)人：南京大学昆山创新研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32