[发明专利]质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池的制造技术，具体是一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。 

背景技术

质子交换膜燃料电池，膜电极由阳极多孔气体扩散电极、电解质膜和阴极多孔气体扩散电极，通过热压等技术将两电极复合在膜的两面构成三合一组件。多孔气体扩散电极通常由扩散层和催化层构成，扩散层是憎水化处理的碳纸，催化层是由电催化剂(例如碳载铂)和固体聚合物电解质(例如Nafion )构成。 

现有技术制备CCM膜电极（catalyst coated membrane），采用多种方法将催化层涂敷到电解质膜上，如喷涂、刮涂和丝网印刷等，其中丝网印刷具有操作和工艺简单优点，涂载催化层被较多采用。目前丝网印刷制备CCM主要有两种方法，一种为直接法，如中国专利CN 1 477 724所述，丝网印刷载膜基板为带大孔金属板，而极薄的涂载基如Nafion212、Nafion211厚度仅为50和25微米，真空吸附很难平铺，易造成膜的皱褶;其次，电解质膜遇到水、乙醇等溶剂会发生溶涨，很难固定在丝网印刷机基板上，印刷过程会发生基膜移动，不仅导致基膜上涂抹的催化剂不均匀，而且给重复地制备CCM带来困难，难以得到的理想的CCM。另一种为间接步骤转印法，如中国专利CN 1 5 60949， CN1862855所述，必须先将催化剂浆料涂敷到转移介质上，加热去掉溶剂，在介质上形成催化剂层，然后通过热压将催化剂层转移到质子交换膜上。该方法虽然可以获得良好催化层的CCM，但工艺比较复杂，需采用多步操作才能完成，增加了制备成本;其次，此法在转印时催化层与膜的接触不是很理想。总结传统的膜电极制备方法，其共同点是将催化剂浆料通过喷涂/印刷制备到已经商品化的质子交换膜上，制备过程复杂，产品质量不易保证。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种制备工艺简单、催化层与膜接触良好、产品质量好的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。 

本发明的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法是：将喷涂基板放置于加热台上加热至催化剂浆料和质子交换树脂能够凝固的温度(通常为130℃-160℃)，在石英板上喷涂催化剂浆料形成第一层催化层，在第一层催化层上喷涂质子交换树脂形成质子交换膜，在质子交换膜上喷涂催化剂浆料形成第二层催化层；整个喷涂过程采用超声波喷头喷涂，喷涂浆料形成喷雾；各个喷涂层材料凝固后将其从喷涂基板上剥离，形成质子交换膜燃料电池膜电极。 

所述用于喷涂的催化剂浆料是由5wt.%-20 wt.% 的质子交换树脂溶液与铂含量为2wt.%-80 wt.%的铂炭催化剂按质量之比为1:10-10:1混合后，再添加溶剂制成。所述溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、乙二醇乙醚中的一种，溶剂体积为质子交换树脂溶液的1-20倍。 

所述用于喷涂的质子交换树脂是由全氟磺酸溶液加入溶剂制成。所述溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、乙二醇乙醚中的一种，溶剂与全氟磺酸溶液按照1:10-1:100 的体积比例混合。 

本发明改变了传统的膜电极制备中在质子交换膜上负载催化剂的方法，采用先喷涂催化剂层，然后在催化剂层上喷涂制备质子交换膜，然后继续喷涂催化层，解决了质子交换膜皱褶、收缩等问题；并且，由于本发明制备膜电极过程仅仅通过转换喷涂浆料形成各功能层，喷涂制备过程中不需要将膜电极重新固定或者转印，工艺简单、产品质量稳定。 

具体实施方式

本发明实施例如下： 

实施例一：

1）             催化剂浆料的制备:取全氟磺酸溶液(Nafion 520， 5wt%、DuPont公司，美国)倒入小烧杯中；按催化剂与全氟磺酸干重之比1 : 5 称量Pt/C 催化剂( E-Tek公司)，按氟磺酸溶液体积的17倍加入溶剂异丙醇。进行超声l h，使催化剂充分分散并与全氟磺酸溶液充分混合。

2）             质子交换树脂溶液制备：取全氟磺酸溶液( Nafion520  5wt%、DuPont公司，美国)倒入小烧杯中，加入3倍体积的乙醇。 

3) 膜电极的制备和检测: 

1)将充分干净的聚四氟乙烯膜置于石英板上，将石英板放置在加热台上150 ^oC 加热。

2)使用超声波喷枪均匀将催化剂以3ml/min的喷涂速度，喷涂在膜的聚四氟乙烯膜表面，按照催化剂用量为0.2mgcm^-2喷涂催化剂层。 

3）开启质子交换树脂进样阀，关闭催化剂浆料进样阀，喷涂Nafion溶液，喷涂质子交换膜厚度为20微米。