[發(fā)明專利]一種制備燃料電池膜電極的靜電狹縫涂布法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011452264.2
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN114602764B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發(fā)明（設計）人: 宋微;衣寶廉;俞紅梅;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B05D1/26
• 分類號: B05D1/26;B05C5/02;B05C13/02;B05C11/00;H01M4/88
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 張玉瑩;李馨

本發(fā)明提供了一種制備燃料電池膜電極的靜電狹縫涂布方法，采用涂布法制備燃料電池膜電極時，通過對涂布設備的狹縫施加靜電，并控制固定膜材料的平臺電勢為零，以使催化劑漿料處于高壓靜電場中，燃料電池催化劑漿料中的離子交換樹脂是由負電的碳氟骨架和正電的磺酸根組成，在電場作用下，離子交換膜樹脂的分子結構會發(fā)生一定程度上的定向排列，本發(fā)明通過施加高壓靜電場，以達到控制漿料中離子交換膜樹脂定向排列的目的，可以使涂布法制備的催化層微觀結構上產生部分有序的結構，進而有利于提高膜電極性能。

技術領域

本發(fā)明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種制備燃料電池膜電極的靜電狹縫涂布法，在常規(guī)的狹縫涂布法基礎上，本發(fā)明引入了高壓靜電場，使涂布的漿料處于高壓電場中，以達到控制漿料中離子交換膜樹脂定向排列的目的，進而調控催化層的微觀結構。

背景技術

膜電極是燃料電池的核心部件，由質子交換膜、催化層和擴散層組成，其中催化層是電化學反應發(fā)生的場所，其由催化劑、離子交換樹脂、微孔等組成，其中能夠有效發(fā)生電化學反應的位點成為三相界面，研究表明，催化層微觀結構的有序化可以顯著改善氣體傳輸，改善三相界面，提高催化劑利用率。

目前實現催化層有序化的方法包括載體有序化、催化劑有序化、離子交換樹脂有序化三種途徑，3M公司率先提出的納米晶須結構的NSFT薄層有序化電極是采用的催化劑有序化的技術路線，這種新一代的有序化結構催化層可以實現貴金屬催化劑擔量的大幅下降，但制備工藝較為復雜，且離子傳導和水管理的問題是其大規(guī)模應用的瓶頸問題，因此需要開發(fā)適合有序化催化層大規(guī)模量產制備方法。

相關專利

相關專利1(CN106861958A)“一種制備燃料電池膜電極的靜電噴涂裝置”，其是關于一種用于燃料電池膜電極制備的新型噴涂裝置，其由外殼、抽真空加熱臺、xy軸機械裝置、帶有攪拌功能的漿料供應系統、靜電噴頭、靜電發(fā)生器等幾大部分組成。該噴涂裝置工作時，通過靜電發(fā)生器產生電荷，輸送到經過噴頭的漿料，使?jié){料帶有靜電荷，并霧化，然后趁機在質子交換膜表面，通過靜電的作用，提高催化劑漿料的利用率，提高催化層的均一性等。

相關專利2(CN104056741A)“一種燃料電池膜電極的制備方法”，提出了一種燃料電池膜電極的制備方法，在噴涂漿料的過程中，通過靜電發(fā)生器使?jié){料帶上靜電荷，進而提高漿料與膜之間的吸附力，改善催化層的Pt利用率，實現電極性能提高和Pt擔量的降低。

上述兩個專利主要是在噴涂法制備膜電極催化層的基礎上，對催化劑漿料施加靜電，實現對膜電極催化層改進優(yōu)化的目的。噴涂法噴涂時電場距離5-20cm且漿料在壓縮氣體的帶動下高速噴射到膜表面，需要反復多層噴涂才能形成完整的催化層，電場對催化層結構的改進作用有限僅用于提高催化層的利用率或均一性，并不能實現催化層分子結構的準有序性。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠實現燃料電池膜電極中催化層結構準有序化的靜電狹縫涂布法。

催化層中的離子交換膜樹脂是由帶負電的碳氟骨架和帶正點的磺酸根組成，在電場作用下，樹脂材料的高分子結構會發(fā)生定向排列，因此在催化層涂布制備過程中，對漿料施加電場，可以控制漿料中樹脂分子結構的有序化排列，實現催化層的準有序化。

本發(fā)明現有的狹縫涂布法基礎上引入了高壓靜電場，通過使涂布過程中漿料處于高壓電場的作用下，進而達到控制漿料中離子交換樹脂定向排列的目的，實現催化層的準有序結構。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種制備燃料電池膜電極催化層的涂布方法，采用涂布法制備所述催化層時，將用于涂布的催化劑漿料處于高壓靜電場中，并使靜電荷傳遞至所述催化劑漿料中，待涂布的膜材料固定在與地線連接的導電平臺上，并且，待涂布膜材料上下表面的邊緣處通過導線或導電邊框形成電連接，并與地線或導電平臺連接，然后進行涂布，涂布完成后，得到所述催化層。