[發明專利]一種燃料電池膜電極CCM連續化涂布工藝

有效

• 申請號: 202111545827.7
• 申請日: 2021-12-15
• 公開（公告）號: CN114210532B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 張洪杰;郝金凱;邵志剛;林永俐
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B05D7/24
• 分類號: B05D7/24;B05D7/04;B05D7/00;B05D1/38;B05D1/18;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

本發明公開一種燃料電池膜電極CCM連續化涂布工藝，將高分子聚合物、醇類有機溶劑、致孔劑以及固體催化劑顆粒混合后使用超聲波輔助高速攪拌分散均勻；之后用卷對卷連續涂布設備將催化劑漿料涂在質子交換膜上，形成催化層一；形成的催化劑層一傳送至浸漬池一內，除去致孔劑后，再進行二次連續化涂布，得到催化層二；形成的催化層二傳送至浸漬池二內，再次除去致孔劑，并烘干處理后，形成多孔催化層；本發明選擇加入致孔劑并進行多次涂布和浸漬去除，大幅度增加了催化層的孔隙率，降低了氣體在催化層中的傳輸阻力，構建出高傳質能力的膜電極，提高了電池性能和使用壽命。

技術領域

本發明涉及一種燃料電池膜電極催化層連續化涂布工藝，屬于燃料電池膜 電極領域。

背景技術

對于以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池，其電化學催化活性主要受電極 制約，因為Pt催化劑特別是對陰極氧氣的還原反應催化活性較低。陰陽極催化 層一般都采用碳載納米Pt、Pd貴金屬或其合金作為催化劑。在燃料電池陰極發 生電化學的過程中，空氣中的氧氣經氣體擴散層(GDL)向質子交換膜擴散，而 陽極電化學反應產生的氫質子則透過質子交換膜往陰極傳遞。質子和氧氣在貴 金屬催化劑表面活性位相遇后，發生氧氣的還原反應(ORR)生成水，兩種反應 物質均消亡。

因此，如何高效地制備出性能優異的燃料電池的核心部件膜電極就顯得尤 為重要。膜電極(MEA)是由氣體擴散層(GDL)、催化層(CL)和質子交換膜(PEM) 組成。催化層主要有碳載鉑催化劑、高分子聚合物質子導體以及孔隙結構，其 厚度再10-20μm。催化層內的碳載體提供電子的傳導路徑，可將電子傳至電化 學活性位點。催化層內的質子導體與催化層內的催化劑顆粒、反應氣體、催化 劑載體和水接觸，并且與質子交換膜相連，一方面起到粘結催化劑顆粒的作用， 另一方面起到傳導質子的作用，并且再催化劑漿料形成催化層的過程中促進催 化層內孔的形成，催化層內的孔隙是氣體傳輸的路徑，并且有助于排出反應過程中生成的水。

催化層制備過程中，為了催化劑的漿料的均勻性，普遍采用的方法是配制 固含量(≤1％)極低的催化劑漿料，且配制體積較小(≤50mL)。這種方法的缺點就 是漿料分散效果差、制備的催化劑漿料混合分散不均勻、易分層和沉降。同時， 現有方法制備的催化層內聚合物質子導體分布不均勻，不利于反應氣體的傳輸， 導致催化劑的利用率損失和電池壽命的降低。

發明內容

本發明的目的是提供一種燃料電池多孔催化層的制備工藝，在催化劑漿料 的制備過程中，先進行膠體溶液的配制，再與催化劑顆粒混合，有效提高了催 化劑漿料的分散效率和分散效果；同時加入致孔劑，并且在連續化生產過程中 采用特定的洗滌方式去除致孔劑，在不影響催化劑催化性能的基礎上，進一步 增加了催化層的孔隙率，并且降低催化層的對氣體的傳質阻力，有效提升了電 池性能。

本發明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現的：

一種燃料電池膜電極CCM連續化涂布工藝，包括以下步驟：

(1)配置膠體形態分散液，所述分散液包括高分子聚合物、溶劑和致孔劑；

(2)催化劑漿料配制：將固體催化劑顆粒與步驟(1)得到的膠體形態分 散液混合一起，進行分散，得到催化劑漿料；

(3)使用卷對卷連續化涂布設備將步驟(2)所制備的催化劑漿料均勻涂 在質子交換膜的一側，烘干后形成擔載于質子交換膜上的催化層一；

(4)將步驟(3)形成的擔載有催化層一的質子交換膜傳送至浸漬池一的 鹽酸溶液內，浸泡1-10min后除去催化層一內的致孔劑，再浸泡于浸漬池二的 去離子水內進行清洗1-10min后，取出干燥；

(5)完成步驟(4)后的質子交換膜再次傳送至卷對卷連續化涂布設備的 涂布區在干燥后的催化層一上使用所述催化劑漿料進行二次連續化涂布，得到 擔載于質子交換膜上的催化層二，重復步驟(4)，干燥后得到單側CCM；