[發明專利]一種氫燃料電池膜電極的制備工藝

有效

• 申請號: 201611242065.2
• 申請日: 2016-12-29
• 公開（公告）號: CN106784944B
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 魏伶俐;楊小貞;劉建國;鄒志剛;吳聰萍
• 申請（專利權）人: 南京大學昆山創新研究院
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 薛海霞;董建林

本發明公開了一種氫燃料電池膜電極的制備工藝，屬于電池膜電極領域。將超聲噴涂工藝和熱轉印工藝兩種工藝結合制備了膜電極，首先采用超聲噴涂工藝將碳粉漿液、電催化劑漿液以及粘結劑漿液依次噴涂于一種轉印介質上，然后通過熱轉印工藝將催化層擔載于質子交換膜上，再用超聲噴涂工藝自制擴散層熱壓后得到膜電極。本發明中利用Nafion漿液與質子交換膜以及碳粉漿液與擴散層間的作用使各層之間緊密結合，再結合熱轉印工藝后大大提高了膜電極的電化學性能，延長了膜電極的壽命，并解決了質子交換膜褶皺、溶脹等問題，節省了大量鋪膜，處理膜的時間，有利于膜電極的大規模生產。

技術領域

本發明公開了一種氫燃料電池膜電極的制備工藝，屬于電池膜電極領域。

背景技術

傳統的膜電極制備方法，即GDE法，主要是將催化劑涂到擴散層上形成催化層，然后通過熱壓工藝將擴散層、催化層和質子交換膜經過高溫高壓及一定的時間熱壓在一起，形成膜電極。之后通過科技的發展，膜電極的制備將催化層直接轉移到質子交換膜上，即形成CCM，再與擴散層熱壓形成膜電極。傳統的膜電極制備方法，即GDE法，使催化劑不能與質子交換膜緊密結合充分進行反應，與此同時，由于催化劑顆粒較小，很可能堵塞擴散層中的微孔，影響氣體的運輸，增加傳質阻力，從而降低催化劑的利用率和電池的性能。

中國專利CN101276919A采用極性板作為質子交換膜的擔載板，將放質子交換膜的擔載板放在加熱臺上恒溫加熱到100~150℃，然后將催化劑漿料均勻地噴涂在質子交換膜上。CCM法制備膜電極的工藝仍然不能有效解決質子交換膜的溶脹問題，且質子交換膜容易褶皺，噴涂前的鋪膜花費較長的時間。

美國專利US5211984、US6847518公開了一種用轉印法制備膜電極的方法，先將催化劑漿液涂到轉印介質上，干燥后將兩片分別涂有陽極、陰極催化劑的轉印介質放在一片質子交換膜兩側，進行熱壓，剝離介質后得到了膜電極。但是此方法存在的問題是催化劑受溫度和壓力的影響使其在膜上的附著強度無法控制，且在熱壓時膜與轉印介質邊上的催化劑由于受力不均勻而不能完全轉印到膜上，從而降低了催化劑的利用率；同時，轉印介質經常由于熱壓發生形變而不能重復利用，增加了膜電極制作成本。

由此可見，現有技術中存在不少由轉印法、噴涂法等制備膜電極的工藝，但還是存在較多不足之處，影響了催化劑的利用率，限制了燃料電池的電化學性能。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中的缺陷，提供一種氫燃料電池膜電極的制備工藝，利用Nafion漿液與質子交換膜以及碳粉漿液與擴散層間的作用使各層之間緊密結合，再結合熱轉印工藝后大大提高了膜電極的電化學性能，延長了膜電極的壽命，并解決了質子交換膜褶皺、溶脹等問題，節省了大量鋪膜，處理膜的時間，有利于膜電極的大規模生產。

為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案是：一種氫燃料電池膜電極的制備工藝，其特征在于，將超聲噴涂工藝和熱轉印工藝兩種工藝結合制備膜電極，首先采用超聲噴涂工藝將碳粉漿液、電催化劑漿液以及粘結劑漿液依次噴涂于轉印介質上依次形成碳粉漿液層、電催化劑層和粘結劑層，然后通過熱轉印工藝將催化層擔載于質子交換膜上，再用自動化噴涂設備自制擴散層，經過熱壓后得到膜電極；電催化劑漿料由鉑含量為60%的Pt/C催化劑、異丙醇、Nafion含量為5%的Nafion溶液組成，三者質量比例為1~3:30~60:4~10；碳粉漿液層經過轉印后在電催化劑層的外側，當與擴散層進行熱壓時碳粉漿液層與擴散層緊密結合；粘結劑漿液為5%Nafion溶液，即全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物溶液。

所述碳粉漿液的配制方法是：將碳粉與分散劑加入器皿中并分散均勻，碳粉質量含量為30%~60%，分散劑質量含量為40%~70%，其中，分散劑為低沸點醇類，選自甲醇、乙醇、丙醇及異丙醇中的一種或幾種。

所述碳粉漿液噴涂于轉印介質上的碳載量為0.2~2mg/cm²，催化劑層載量為0.2mg/cm²-0.5mg/cm²。