[发明专利]一种燃料电池膜电极的制备方法及其专用装置

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池膜电极技术领域，具体涉及一种燃料电池膜电极的制备方法及其专用装置。

背景技术

燃料电池（Fuel Cell）是一种能量转化装置，它能够将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，且不受热力学卡诺循环的限制，实际能源转化效率接近60%，是内燃机效率的两倍。同时燃料电池还具有能量密度大、环境友好、低噪音、安全性强、负荷响应快、燃料利用率高、可迅速补充燃料、续航时间长、试用范围广等优点，被广泛用于中小型发电站、便携式通讯电源、家庭式热电联供装置、野外无人区检测电源，同时还可以作为民用轿车、航空航天、潜艇等动力电源，被认为是未来发展的希望之星。

MEA（Membrane Electrode Assembly）又称为膜电极，是燃料电池的心脏，由CCM（催化剂涂层膜）与阴/阳极扩散层三部分组成，扩散层起到水管理、物料的分配、传递电子等作用，CCM是电化学反应的主要场所，涉及反应的发生和生成物的传递及排放等问题。

MEA作为燃料电池电化学反应的基本单元，它的设计和制备首先要遵循燃料电池电化学反应的基本原理和特性，并且与燃料电池最终的使用条件、经济效益及制备工艺等等相结合来综合考虑。不同工艺也将决定了燃料电池的工作性能、使用寿命、配套设施等等一系列至关重要的问题。王新东，刘桂成等人在公开的专利CN103000912A中采用一种温度场来控制超声喷涂过程浆液中溶剂的挥发，制备的MEA用于直接甲醇燃料电池；Jay S. Hulett 等人在US6074692A中也采用喷涂法将所述浆液喷涂到由夹板牵引的膜上；潘国顺，梁晓璐等人在公开的专利CN103515622A中将采用匀质机在3000rpm-25000rpm乳化浆液，采用贴花（Decal）转印法制备MEA，而其制备的贴花是采用刮刀涂布的方式；美国洛斯阿拉莫斯国家重点实验室的wilson等人在专利US5234777A中提出的薄层电极法制备燃料电池膜电极，采用真空溅射法直接或间接的制备膜电极，所谓直接薄层电极法是指将浆液直接溅射到离子交换膜上，而间接薄层电极法就是所谓的贴花法（Decal），将浆液溅射到转印介质上然后将介质上的催化剂转印到离子交换膜上即可；美国杜邦公司的W·G O'Brien在专利WO0243171A2中采用的苯胺浮雕式凸版印刷用于大规模制备燃料电池膜电极，将所述浆液用网纹辊带动到凸版印刷上，然后调整凸版印刷平台到膜的距离，将催化层印刷到膜上，膜则是由牵引机牵引，实现大规模生产；翟玉清，董俊卿等人在公开的专利CN101350409A中采用丝网印刷法常温下制备扩散电极，是将催化层担载在扩散层上，形成气体扩散电极（GDE），之所以没有将浆液直接丝印到膜上是因为浆液中的溶剂会导致膜的溶胀褶皱问题，目前，本专利发明人认为，解决这一难题可以有两种办法，一种是改变膜的强度、溶胀收缩系数、适印性等物理属性，其二是通过工艺控制或降低膜的溶胀收缩系数，前者是一个历史性技术难题，难以在短期内有所突破，而后者则可以通过本发明来降低这一技术难题，此外要想达到预期效果，还需配备与本专利匹配的浆液，以及膜电极的后处理工艺。通过查阅文献专利，得出浆液的基本组成成分为：催化剂或导电介质、稳定剂、稀释剂、增稠剂、粘结剂、造孔剂、消泡剂、助溶剂等中的一种或多种按比例混合。早在1988年，美国洛斯阿拉莫斯国家重点实验室（Los Alamos National Laboratory）E.A.Ticianelli等人将质子交换树脂-Nafion溶液代替原有的PTFE乳液作为构造膜电极催化层三维孔隙的粘结剂，使得膜电极的性能有了革命性提高，之后的绝大多数研究者制备的膜电极都引用Nafion质子交换树脂；张可、宋书范等在专利CN102142563A中阐述了一种质子交换膜燃料电池催化剂涂层膜电极浆液的配制方法，适合丝印、刷涂、刮涂、喷涂等制备膜电极方法，其浆液中含催化剂、离子交换树脂（粘结剂-5%Nafion溶液）、分散剂、助剂（包括稳定剂、增稠剂）以及匹配的物料分散工序：物料添加→分散→浓缩→增活处理；翟玉清，董俊卿等人在公开的专利CN101350409A中阐述了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法中所采用的浆液就是应用于丝网印刷工艺，他们提出了丝网印刷浆液的固含量在5-15%重量百分比，丝印精度为0.5-3微米范围内，但是固含量这一物理系数并不适合所有的丝印浆液中，不同催化剂或者导电介质所需的固含量不同，纯金属或者合金则需要高固含量的浆液在20%-50%（高固含量的浆液多用于目数高的网版中，要求丝印精度在0.1微米以内），而含碳载体的催化剂或者纯碳的固含量则较低，由此可见使用固含量这一物理系数不能完全的说明浆液的配置要求，需要配合粘度值一同规定浆液的配制。