[发明专利]一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的制备方法，具体的讲是涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。

背景技术

燃料电池是能够直接将燃料的化学能高效清洁地转化为电能的装置，燃料电池技术是当今备受关注的高新技术之一。质子交换膜燃料电池以其启动快、可室温运行、无电解质流失、比功率高等优点成为适应性最广的燃料电池，也是当前最受关注的燃料电池，有着广泛的应用前景。

膜电极(简称MEA)是燃料电池的核心组件，由质子交换膜，催化层、气体扩散层组成，对燃料电池的性能起着决定性的作用。MEA的性能除了与原材料有关外，还与结构密切相关，因此对MEA的制备方法进行研究非常必要。燃料电池的所有反应都在催化层的三相界面进行，催化层的结构直接决定膜电极的性能。因此改进催化层的制备方法是提高MEA性能的重要途径之一。

催化层制备方式有多种，包括喷涂法、刮刀涂布，丝网印刷等。

中国专利CN1838456A公开了一种直接喷涂制备燃料电池膜电极的方法，他是将质子交换膜做预处理后，固定在膜固定装置中，然后在光照下将阴、阳极催化剂料浆分别喷涂在膜的两侧，通过低温干燥制得。通过这种方法制备的膜电极具有催化剂与质子交换膜结合紧密、无需对膜进行预溶胀处理，无需热压的优点。但是使用喷枪喷涂很难做到涂布均匀，也难解决料浆飞溅的问题，造成催化剂损失。另外，质子交换膜的溶胀是必然发生的，强行用膜固定框固定，这种强制性应力拉伸作用会使膜结构造成一定程度的破坏。

日本专利JP5538934提到将Pt通过化学还原反应直接沉积在膜表面，这种方法的优点是工艺简单，但是膜溶胀较严重。

一种常用的方法是丝网印刷，它具有工艺简单，设备成熟，对料浆要求低，上载量大等优点。但是丝网印刷有其不可避免的问题，涂完的催化层表面总是存在条纹，这是丝网丝径的印记，在网印处催化层受到的压力相对较大，催化剂被压的特别结实，造成整体分布不均匀，烘干时这些网印周围容易产生裂纹。

中国专利CN1560950A公开了一种直接法合成质子交换膜燃料电池超薄核心组件的方法，它是将含催化剂、质子交换膜树脂、疏水剂、溶剂及表面活性剂的料浆制备成粉料，通过激光打印技术或静电复印技术将粉料转移到质子交换膜上。这种方法的优点是质子交换膜没有溶胀和变形，均匀性较好。但是将料浆制备成粉料会造成各成分分布不均匀，由于是粉料打印，催化剂与膜的结合牢度不会很高，催化剂的上载量很难保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种催化剂分布均匀，上载量可控，催化层不会出现裂纹的膜电极制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种质子交换膜燃料电池的膜电极制备方法，包括如下步骤：

(1)将催化剂、质子交换膜树脂溶液、溶剂、pH值调节剂以及分散剂混合制成喷墨墨水；

(2)用喷墨打印机将步骤(1)中的喷墨墨水，在30℃～45℃下，打印到承印物上。

所述的催化剂、质子交换膜树脂溶液、溶剂、pH值调节剂以及分散剂的质量比为1～5:10～30:80～1000:0.1～1.0:0.05～0.1。

所述的步骤(1)中还可以包括表面活性剂，所述的表面活性剂可以是水溶性表面活性剂，如十二烷基磺酸钠、壬烷基酚类化合物、多元醇类化合物。

所述的催化剂是指任何适合的催化剂，可以是担载或非担载型铂金属或铂基多元金属催化剂，如PtM或PtM/C，其中M是选自过渡金属的一种或几种单质或其氧化物。

所述质子交换膜树脂是指具有磺酸基团的全氟磺酸树脂，如杜邦公司的nafion树脂，Dias公司的Kraton G1650树脂，或者是其他具有质子交换功能的聚合物。

所述的溶剂是指去离子水、醇、醚、酯、酮中的一种或几种的混合物。

所述pH值调节剂为Na0H、Na₂CO₃、NaHCO₃、NH₃、有机铵中的一种或几种。

所述的分散剂为水性颜料分散剂。

本发明所述的打印机可以采用压电式打印机，外部连接有加热元件，通过边打印边加热的方式将喷墨墨水打印到质子交换膜上，即打即干避免了质子交换膜溶胀变形，有效地保护催化剂不受破坏。

所述的承印物可以是质子交换膜或者气体扩散亚层。