[發(fā)明專利]一種質(zhì)子交換膜燃料電池的催化劑涂層膜電極的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910013254.6
• 申請日: 2009-08-18
• 公開（公告）號: CN101667643A
• 公開（公告）日: 2010-03-10
• 發(fā)明（設計）人: 邢丹敏;張可;侯中軍;宋書范;張玉海
• 申請（專利權(quán)）人: 新源動力股份有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司
• 代理人: 高永德

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池領域，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑涂層膜電極組件的制備方法，特別涉及直接法制備催化劑涂層膜電極組件的方法。

背景技術(shù)

由于催化劑涂層膜電極(CCM)是將催化層與擴散層分離，因而可以在較低鉑載量的條件下具有較高的放電性能。并具有：催化劑層可以向超薄化(厚度＜5μm)發(fā)展，提高了催化劑的利用率，改善催化劑層與質(zhì)子膜的界面的傳質(zhì)阻力，有利于提高電池效率，有利于燃料電池組件的功能化區(qū)分的優(yōu)點。

催化劑涂層膜電極(CCM)的制備方法有兩種：一種是直接法，將催化劑物料直接涂在質(zhì)子交換膜上制備電極活性層；另一種是間接法，先將催化劑物料涂敷在轉(zhuǎn)移介質(zhì)上，然后通過熱壓將催化劑層固定在質(zhì)子交換膜上形成催化劑涂層膜電極(CCM)。

現(xiàn)有技術(shù)中，直接法制備催化劑涂層膜電極(CCM)的方法大都是將電極漿料涂敷到質(zhì)子交換膜上。其不足是制備電極漿料常用的溶劑是乙醇和異丙醇等低級醇類，質(zhì)子交換膜遇到這些醇類溶劑會迅速溶脹變形。為了克服這個問題，現(xiàn)有技術(shù)中有采用激光打印或靜電復印的方法以及將質(zhì)子交換膜先在溶劑中預溶脹的方法，這些方法見于中國專利CN200,410,012,745.6和美國專利US6,074,692。

中國專利CN200,410,012,745.6提出了采用激光打印或靜電復印技術(shù)直接制備催化劑涂層膜電極(CCM)的工藝。首先將催化劑、質(zhì)子交換樹脂、疏水劑、分散劑及表面活性劑混合制備成電極粉料，然后通過激光打印技術(shù)和靜電復印技術(shù)將電極粉料固定到質(zhì)子交換膜上形成催化劑涂層膜電極(CCM)。該方法是將粉料制備到質(zhì)子交換膜上，技術(shù)較復雜。

美國專利US6,074,692采用直接法制備催化劑涂層膜電極(CCM)。該專利將質(zhì)子交換膜先在溶劑中預溶脹，并通過特定裝置固定經(jīng)過預溶脹的膜，限制其收縮，再將電極漿料噴涂在質(zhì)子膜上。這種做法容易使膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，增加膜的內(nèi)部缺陷。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種直接法制備催化劑涂層膜電極(CCM)的方法，采用在真空熱臺上制備催化劑涂層膜電極(CCM)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種質(zhì)子交換膜燃料電池的催化劑涂層膜電極的制備方法，包括質(zhì)子交換膜的Na⁺型化處理、電極漿料的配制、電極漿料的涂敷和對涂敷有電極漿料的質(zhì)子交換膜的后處理，制得催化劑涂層膜電極(CCM)；質(zhì)子交換膜的Na⁺型化處理包括；將質(zhì)子交換膜在80℃的1％NaOH溶液中浸泡1小時，取出，用去離子水沖洗干凈，再在80℃的去離子水中浸1小時，將膜取出，室溫干燥；所述涂敷有電極漿料的質(zhì)子交換膜的后處理包括：將涂敷有電極漿料的質(zhì)子交換膜放在氮氣保護爐中進行熱處理，處理溫度在100～250℃之間，時間為0.5～4小時，然后將經(jīng)過熱處理的涂有電極漿料的質(zhì)子交換膜在80℃的0.5M的H₂SO₄溶液中浸泡1小時，用去離子水沖洗3遍，然后在80℃的去離子水中浸泡1小時，取出，室溫干燥；其特征在于所述電極漿料的配制包括：稱取一定量的催化劑、質(zhì)子交換樹脂、造孔劑、疏水劑和分散劑置于稱量瓶中，其中所述催化劑是10～80％wt的Pt/C、PtRu/C、Pt黑或PtRu黑催化劑中的一種；所述質(zhì)子交換樹脂是全氟或部分氟化磺酸樹脂或非氟的磺酸樹脂中的一種；所述造孔劑是草酸銨、尿素、碳酸銨和碳酸鋰中的一種；所述疏水劑為聚四氟乙烯、偏四氟乙烯或聚乙烯，所述分散劑為無水乙醇或異丙醇；催化劑與質(zhì)子交換樹脂的質(zhì)量比為2∶1～5∶1，催化劑與造孔劑的質(zhì)量比為1∶1～5∶1，疏水劑的添加量為催化劑質(zhì)量的2～20％，催化劑與分散劑的質(zhì)量比為1∶100～1∶500，將上述物料放在超聲波發(fā)生器中超聲攪拌10～60min，形成電極漿料；所述電極漿料的涂敷包括：將Na⁺型化后的質(zhì)子交換膜平放在真空熱臺上，真空熱臺的溫度為50～120℃，真空熱臺的真空度控制在0～-0.1MPa之間，將配制好的電極漿料在真空熱臺的溫度和真空度的環(huán)境下均勻地噴涂在質(zhì)子交換膜上，質(zhì)子交換膜的一側(cè)面噴涂完成后，翻轉(zhuǎn)質(zhì)子交換膜，對另一側(cè)面噴涂。

本發(fā)明方法的優(yōu)點是：采用噴涂技術(shù)直接制備催化劑涂層膜電極(CCM)，加工工藝簡單，易于批量生產(chǎn)；采用在真空熱臺的環(huán)境下涂敷電極漿料，電極漿料中的醇類溶劑被迅速揮發(fā)，克服了質(zhì)子交換膜遇溶劑溶脹變形的問題。

附圖說明

本發(fā)明共有附圖2幅，其中

圖1為實施例1的I-V曲線圖，

圖2為實施例2的I-V曲線圖。