一种质子交换膜燃料电池膜电极CCM的制备方法与流程

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极CCM的制备方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池是一种电化学电池，氢气由阳极进入并被氧化，氧气再阴极消耗。氢气氧化过程中释放质子，质子通过质子交换膜传导至阴极。质子交换膜不传导电子，故氢气氧化产生的电子通过外电路传递至阴极，产生电流。

质子交换膜燃料电池除具有燃料电池的一般特点如能量转化效率高、环境友好等之外，还具有可在室温快速启动、体积小、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点。因此，质子交换膜燃料电池具有极其广阔的应用前景，它不仅可用于建设分散电站，也适宜于用作可移动动力电源，是军民通用的一种新型可移动动力电源。在未来的以氢作为主要能量载体的氢能时代，它是最佳的家庭动力电源。

超声雾化喷涂是一种较新的制备燃料电池膜电极的方法，超声喷涂利用超声波振动产生的毛细波雾化功能，对流经超声波换能器工作端的液体进行雾化，产生微米级细小液滴；加入适当压力的压缩气体，使雾粒在气流作用下，更加碎小、匀化，同时引导雾粒的运行分向，增加雾化颗粒运行动力，从而达到对待涂物体表面的精密喷涂目的。英国伯明翰大学研究小组认为，相比于其他涂覆方式，超声雾化喷涂技术能通过超声波创造特殊喷涂条件，使铂碳催化剂纳米颗粒高度分散，减少团聚，为氧还原提供更高催化性能。该小组2011年发表论文，对比了超声喷涂涂敷方式及手工涂敷方式对膜电极性能的影响，结果令人鼓舞。在实验中分别选取Pt载量0.4mg/cm²、0.15mg/cm²、0.05mg/cm²，得到最高功率分别为1.7w/cm²、4.5w/cm²、10.9w/cm²，并并与手工涂覆法进行了比较，超声喷雾法优于手工涂覆。当采用氢气和氧气作为燃料和氧化剂，阴极铂载量为0.4mg/cm²，阳极怕载量为10.9w/cm²情况下，膜电极性能仍能达到0.5w/cm²，与采用手工涂敷的膜电极相比，性能提高约12％，与铂载量为0.4mg/cm²膜电极性能(0.7w/cm²)相比也下降不多，说明超声喷涂是一种有效的制备薄层涂层的方法。该研究小组认为，超声涂覆法能提供非常均勾的催化剂分布，因此能提供更好的电池性能。

因此，需要一种新的质子交换膜燃料电池膜电极CCM的制备方法以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种质子交换膜燃料电池膜电极CCM的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明的质子交换膜燃料电池膜电极CCM的制备方法采用如下技术方案：

一种质子交换膜燃料电池膜电极CCM的制备方法，包括以下步骤：

1)、制备催化剂浆料待用；

2)、将步骤1)得到的催化剂浆料放在超声波设备中超声处理；

3)、利用超声雾化喷涂设备进行喷涂，其中，超声雾化设备包括吸盘、喷头，设定吸盘的加热温度为70-120℃，喷头距离吸盘的高度为15-30cm；

3)、利用吸盘将碳纸吸附在喷涂夹具的一侧；

4)、当吸盘温度达到加热温度时，将质子膜固定在喷涂夹具的另一侧；

5)、启进料系统，将催化剂浆料送到喷头的喷口；

6)、开始喷涂，先沿第一方向喷涂直至全面覆盖喷涂夹具，然后沿第二方向喷涂直至全面覆盖喷涂夹具，此为完成一遍喷涂，其中，第一方向和第二方向垂直；

7)、根据步骤6)的一遍喷涂完成喷涂夹具一侧的喷涂，然后将喷涂夹具翻转，按照步骤6)的一遍喷涂完成喷涂夹具另一侧的喷涂，得到质子交换膜燃料电池膜电极CCM。

更进一步的，步骤1)中制备催化剂浆料包括以下步骤：

一、称取催化剂，将其置于去离子水中，超声分散50-80min，得到催化剂溶液，催化剂溶液的质量体积比为0.05-1g/mL；称取5％的nafion溶液,将其置于分散剂中，配置得到分散溶液，分散溶液的质量体积比为0.25-1g/mL的；

二、将分散溶液滴加催化剂溶液中，直至滴加完毕，得到浆液；

三、称量步骤二得到的浆液的质量和体积，当浆液的密度为0.8-1.5g/mL时，利用高速剪切机对浆料进行剪切20-40min；

四、剪切结束后，利用超声波细胞粉碎机将浆液超声波细胞粉碎20-40min，得到催化剂浆料。

更进一步的，步骤一中催化剂为Pt/C催化剂。

更进一步的，当步骤三中浆液的密度低于0.8g/mL时，则继续添加分散剂，直至浆液的密度为0.8-1.5g/ml，然后超声分散并均匀搅拌浆液。

更进一步的，步骤6)中开始喷涂包括以下步骤：先先复位喷头，再启动喷涂按钮。

更进一步的，步骤2)中将步骤1)得到的催化剂浆料放在超声波设备中超声处理为在-15～0℃的冰水浴中进行超声处理。

更进一步的，步骤三中利用高速剪切机对浆料进行剪切。

更进一步的，步骤一种所述分散剂为乙醇、乙二醇和丙酮。

更进一步的，步骤2)中超声处理的时间为50min以上。

有益效果：本发明的质子交换膜燃料电池膜电极CCM的制备方法，超声喷涂工艺简单，易于形成批量生产，这种方式可以制备薄层涂层，涂层均匀性好，同时浆料的利用率高，能达到85％以上。

附图说明

图1是质子交换膜燃料电池的原理图；

图2是喷涂轨迹的示意图；

图3为本发明实施例1的测试效果图；

图4为本发明实施例1的测试效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅是本发明的优选实施方式，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种不脱离本发明原理的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1:

一、催化剂浆料制备

1、将100mL、50mL的烧杯和玻璃棒洗净，置于烘箱中干燥。

2、用电子天平称取100mL空烧杯的质量为m1。

3、用电子天平称取2g催化剂，置于100mL烧杯中，再用量筒量取10mL去离子水加入烧杯中，将100mL烧杯放入超声波分散机中，超声分散50min。

4、以滴管、药匙为工具，用电子天平准确称取10g 5％的nafion溶液置于洁净的50mL烧杯中，再用50mL量筒量取20mL乙醇，配制成浓度为1％的分散溶液，待用；

5、用滴管往上述100mL烧杯中逐渐滴加步骤4的分散溶液，直至滴加完毕；

6、用乙醇将上述溶液定质量标准，步骤5装有浆液的100mL烧杯质量应该为m2，保证m2-m1＝90g，密度为0.8g/mL。用高速剪切机剪切，剪切时间为20min。

7、剪切结束后，将浆液转移至超声波细胞粉碎机，超声头伸入浆液中，超声波细胞粉碎时间为20min。

二、喷涂工艺

1.将准备好的Pt/C催化剂浆料(100ml烧杯装)，放在超声波设备中冰水浴(0℃)超声处理50min以上，并用保鲜膜盖住烧杯。

2.喷涂参数设置和夹具的准备：

(1)程序设定吸盘的加热温度70℃，喷头高度距离吸盘的高度调到15cm；

(2)用酒精棉将喷涂夹具(多孔铝板)擦洗干净，将喷涂夹具的中心多孔铝板放在真空吸盘上的开孔处，将与铝板大小一样的碳纸放在铝板上，启动抽真空按钮，让碳纸吸附在铝板上；

(3)待设定加热温度到需要的温度后，戴上干净的手套，先用镊子将质子膜从护层上取下，固定在吸盘上的中心多孔铝板上；

(4)启动进料系统，先将催化剂浆料送到喷头的喷口，关闭进料系统；

(5)开始喷涂：先复位喷头，再启动喷涂按钮，喷涂轨迹如下：

其中，横向沿着X轴方向喷涂，纵向为Y轴方向喷涂，先横向喷涂后纵向喷涂为第一遍喷涂，喷涂5遍后将喷涂夹具翻转，按上述工艺喷涂喷涂夹具的另一面，最终得到双

其中，请参阅图3所示，为本发明实施例1的测试效果图。测试条件：电池温度50℃化学计量比H2/Air＝1.2/2.5湿度：20％-50％。

常温常湿膜电极测试结果0.6V@0.52W/cm²。

实施例2:

一、催化剂浆料制备

1、将100mL、50mL的烧杯和玻璃棒洗净，置于烘箱中干燥。

2、用电子天平称取100mL空烧杯的质量为m1。

3、用电子天平称取5g催化剂，置于100mL烧杯中，再用量筒量取10mL去离子水加入烧杯中，将100mL烧杯放入超声波分散机中，超声分散80min。

4、以滴管、药匙为工具，用电子天平准确称取20g 5％的nafion溶液置于洁净的50mL烧杯中，再用50mL量筒量取40mL丙酮，配制成浓度为4％的分散溶液，待用；

5、用滴管往上述100mL烧杯中逐渐滴加步骤4的分散溶液，直至滴加完毕；

6、用丙酮将上述溶液定质量标准，步骤5装有浆液的100mL烧杯质量应该为m2，保证m2-m1＝120g，密度为1.5g/mL。用高速剪切机剪切，剪切时间为40min。

7、剪切结束后，将浆液转移至超声波细胞粉碎机，超声头伸入浆液中，超声波细胞粉碎时间为40min。

二、喷涂工艺

1.将准备好的Pt/C催化剂浆料(100ml烧杯装)，放在超声波设备中冰水浴(-15℃)超声处理50min以上，并用保鲜膜盖住烧杯。

2.喷涂参数设置和夹具的准备：

(1)程序设定吸盘的加热温度120℃，喷头高度距离吸盘的高度调到30cm；

(2)用酒精棉将喷涂夹具(多孔铝板)擦洗干净，将喷涂夹具的中心多孔铝板放在真空吸盘上的开孔处，将与铝板大小一样的碳纸放在铝板上，启动抽真空按钮，让碳纸吸附在铝板上；

(3)待设定加热温度到需要的温度后，戴上干净的手套，先用镊子将质子膜从护层上取下，固定在吸盘上的中心多孔铝板上；

(4)启动进料系统，先将催化剂浆料送到喷头的喷口，关闭进料系统；

(5)开始喷涂：先复位喷头，再启动喷涂按钮，喷涂轨迹如下：

其中，横向沿着X轴方向喷涂，纵向为Y轴方向喷涂，先横向喷涂后纵向喷涂为第一遍喷涂，喷涂5遍后将喷涂夹具翻转，按上述工艺喷涂喷涂夹具的另一面，最终得到双面喷涂催化剂的质子交换膜燃料电池CCM。

其中，请参阅图4所示，为本发明实施例2的测试效果图。测试条件：电池温度50℃化学计量比H2/Air＝1.2/2.5湿度：20％-50％。

常温常湿膜电极测试结果0.6V@0.52W/cm²。