质子交换膜燃料电池用高效长寿命膜电极制造工艺的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体为质子交换膜燃料电池用高效长寿命膜电极制造工艺。


背景技术：

2.膜电极组件又称膜电极，是燃料电池发电的关键核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元，对于膜电极来说，降低催化层与质子交换膜之间的界面接触电阻，可以提升质子传导效率。
3.公开号为cn104979567a的中国发明专利公开了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，采用丝网印刷工艺和超声喷涂工艺两种膜电极的制备工艺，将电催化剂浆液ⅰ采用丝网印刷工艺，电催化剂浆液ⅱ采用超声喷涂工艺先后直接或间接的担载在质子交换膜上，由此所制备的膜电极具有梯度式网络结构的催化剂层；本发明利用不同电催化剂浆液中粘结剂含量的不同制备出高性能、长寿命、多层次、梯度式网络结构的膜电极；由于薄层电极中催化层致密的结构和超声喷涂疏松的三维网络结构，导致前者界面电阻率低于后者，而在确保催化层有效面积时引用薄层电极面积大于喷涂面积，由此组装电池时双极板与薄层电极接触的部分可以更好的帮助电子传导。
4.其通过丝网印刷工艺和超声喷涂工艺先后在膜电极上涂装出梯度式网络结构的膜电极，更好的帮助电子传导。
5.然而这种催化剂涂装工艺存在一些问题，其一，由于电催化剂浆液中的主要活性成分是铂黑，直接通过丝网印刷在膜电极上，保证了催化活性，但是在长期工作中，铂黑长期工作受到电化学反应影响溶解，会沉降迁移到质子交换膜中，降低膜电极的应用寿命。
6.其二，梯度式网络结构的膜电极保证了催化效果，但是多层催化剂的涂装也增加了质子交换膜与催化层间的电阻，影响了质子传导效率。
7.因此亟需设计质子交换膜燃料电池用高效长寿命膜电极制造工艺来解决上述问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供质子交换膜燃料电池用高效长寿命膜电极制造工艺，以解决上述背景技术中提出的催化层中铂黑长期工作会发生沉降，降低膜电极的应用寿命，增加了质子交换膜与催化层间的电阻，影响了质子传导效率的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：质子交换膜燃料电池用高效长寿命膜电极制造工艺，包括下述工艺步骤：s1、配制碳粉浆料：按3：1：2份量配制，取三份碳粉、一份导电云母粉和一份全氟磺酸树脂充分混合备用；s2、配制催化剂浆料：按3：1：1份量配制，取三份碳粉、一份铂黑和一份全氟磺酸树脂充分混合备用；
s3、溶胀处理：采用纳米级喷涂机一在质子交换膜上涂覆醇液，使得质子交换膜表面溶胀，形成粗糙化表面和介孔；s4、催化层预处理：通过机械手将溶胀后的质子交换膜转移至多向平台上，通过纳米级喷涂机二向质子交换膜表面涂覆碳粉浆料，喷涂机二在喷涂过程中，多向平台配合调整方向，喷涂方式采用十字喷涂，y轴路径喷涂时，多向平台沿y轴方向翻转30
‑
40度，使质子交换膜与喷涂机二之间形成30
‑
40度的夹角，接着喷涂机二再进行喷涂，y轴喷涂一遍后进行x轴喷涂，此时，多向平台转为水平，接着再沿x轴方向翻转30
‑
40度，使质子交换膜与喷涂机二之间形成30
‑
40度的夹角，接着喷涂机二再进行二次喷涂，喷涂完成多向平台转为水平，形成碳粉层，碳粉层厚度控制在0.1
‑
1微米之间；s5、构成催化层：待碳粉层干燥后，喷涂机三工作，向碳粉层表面喷涂催化剂浆料，喷涂完成后，多向平台沿x轴及y轴方向反复运动，运动范围控制在0.8
‑
1厘米之间，使得催化剂与碳粉耦合，形成新型催化层结构。
10.优选的，碳粉层中全氟磺酸树脂质量含量控制在50
‑
70%。
11.优选的，醇液由乙醇和水混合制成，乙醇和水比例为6：1。
12.优选的，y轴及x轴喷涂时，喷涂机沿y轴方向水平匀速移动，喷涂机喷嘴与质子交换膜之间初始间距控制在8
‑
12厘米，喷涂压力随着喷涂机前移渐增，x轴同理。
13.优选的，y轴及x轴喷涂时，喷涂机沿y轴方向水平匀速移动，喷涂机喷嘴与质子交换膜之间初始间距控制在8
‑
12厘米，喷涂压力不变，多向平台随着喷涂机移动匀速上升，控制喷涂机喷嘴与质子交换膜之间间距始终处于8
‑
12厘米。
14.优选的，y轴及x轴喷涂时，多向平台沿着x方向翻转30
‑
40度，接着再沿着y轴方向翻转30
‑
40度，喷涂机沿y轴方向水平匀速移动，喷涂机喷嘴与质子交换膜之间初始间距控制在8
‑
12厘米，喷涂压力不变，多向平台随着喷涂机移动匀速上升，控制喷涂机喷嘴与质子交换膜之间间距始终处于8
‑
12厘米。
15.优选的，喷涂方式采用十字双层喷涂，y轴路径喷涂时，多向平台沿y轴方向顺时针翻转30
‑
40度，使质子交换膜与喷涂机二之间形成30
‑
40度的夹角，接着喷涂机二再进行喷涂，y轴喷涂一层后，多向平台转为水平，再沿y轴方向逆时针翻转30
‑
40度，接着喷涂机二进行第二层喷涂，喷涂完成后多向平台转为水平，进行x轴喷涂，多向平台沿x轴方向顺时针翻转30
‑
40度，使质子交换膜与喷涂机二之间形成30
‑
40度的夹角，接着喷涂机二匀速喷涂一次，喷涂完成多向平台转为水平，再沿x轴方向逆时针翻转30
‑
40度，接着喷涂机二匀速喷涂第二次，最终形成碳粉层，碳粉层厚度控制在0.1
‑
1微米之间。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该质子交换膜燃料电池用高效长寿命膜电极制造工艺解决铂黑沉降的问题，提升膜电极的应用寿命，同时降低催化层与质子交换膜之间的界面接触电阻，提升质子传导效率，提升燃料电池膜电极的发电效率。
17.（1）利用质子交换膜的溶胀特性，在质子交换膜表面溶胀，形成粗糙化表面和介孔，在溶胀后的质子交换膜表面涂覆碳粉浆料，碳粉浆料由全氟磺酸树脂和纳米碳粉颗粒组成，解决了催化层中的铂颗粒在电化学反应中溶解、沉降迁移到质子交换膜中，降低膜电极的应用寿命的问题。
18.（2）通过在碳粉层表面涂覆催化剂浆料，使得催化剂与碳粉耦合，降低了催化层与质子交换膜之间的界面接触电阻，从而提升质子传导效率，碳粉层中全氟磺酸树脂保证了
催化层与质子交换膜间的锁水能力，使质子交换膜高效润湿，从而提升燃料电池膜电极的发电效率。
附图说明
19.图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.请参阅图1，本发明提供的一种实施例一：质子交换膜燃料电池用高效长寿命膜电极制造工艺，包括下述工艺步骤：s1、配制碳粉浆料：按3：1：2份量配制，取三份碳粉、一份导电云母粉和一份全氟磺酸树脂充分混合备用，碳粉具有良好的导电性，传导效果，导电云母粉耐高温，强度高，混合在碳粉浆料中，可以提升膜电极强度；s2、配制催化剂浆料：按3：1：1份量配制，取三份碳粉、一份铂黑和一份全氟磺酸树脂充分混合备用，铂黑活性高，催化效果好；s3、溶胀处理：采用纳米级喷涂机一在质子交换膜上涂覆醇液，使得质子交换膜表面溶胀，形成粗糙化表面和介孔；s4、催化层预处理：通过机械手将溶胀后的质子交换膜转移至多向平台上，通过纳米级喷涂机二向质子交换膜表面涂覆碳粉浆料，喷涂机二在喷涂过程中，多向平台配合调整方向，喷涂方式采用十字喷涂，y轴路径喷涂时，多向平台沿y轴方向顺时针翻转30
‑
40度，使质子交换膜与喷涂机二之间形成30
‑
40度的夹角，接着喷涂机二再进行喷涂，y轴喷涂一遍后进行x轴喷涂，此时，多向平台转为水平，接着再沿x轴方向顺时针翻转30
‑
40度，使质子交换膜与喷涂机二之间形成30
‑
40度的夹角，接着喷涂机二再进行二次喷涂，喷涂完成多向平台转为水平，由于介孔是不规则产生的，孔眼呈多方位朝向，将质子交换膜倾斜后进行喷涂，更利于碳粉浆料进入介孔中，形成碳粉层，防止催化层中的铂黑颗粒在电化学反应中溶解、沉降迁移到质子交换膜中，碳粉层厚度控制在0.1
‑
1微米之间，过厚的碳粉层反而增加了电阻，并影响催化剂的涂覆，因此控制厚度能达到最好的质子传导效果；s5、构成催化层：待碳粉层干燥后，喷涂机三工作，向碳粉层表面喷涂催化剂浆料，喷涂完成后，多向平台沿x轴及y轴方向反复运动，运动范围控制在0.8
‑
1厘米之间，使得催化剂与碳粉耦合，形成新型催化层结构，碳粉层形成了支撑面，再涂覆催化剂浆料，形成的催化层既保证了整体催化层的强度和质子传导效率还能保湿锁水，防止铂黑沉降。
22.进一步，碳粉层中全氟磺酸树脂质量含量控制在50
‑
70%，保证催化层质子传导效率不降低。
23.进一步，醇液由乙醇和水混合制成，乙醇和水比例为6：1，醇液涂覆在质子交换膜上，会使质子交换膜发生体积溶胀现象。
24.进一步，y轴及x轴喷涂时，喷涂机沿y轴方向水平匀速移动，喷涂机喷嘴与质子交
换膜之间初始间距控制在8
‑
12厘米，由于质子交换膜在多向平台上是倾斜30
‑
40度的，随着喷涂机向前移动，喷涂机喷嘴和质子交换膜间距离会渐增，喷涂压力随着喷涂机前移渐增，就弥补了距离的改变，使喷涂到质子交换膜上的压力能保持均匀，x轴同理。
25.实施例二：在实施例一的基础上，区别在于：y轴及x轴喷涂时，喷涂机沿y轴方向水平匀速移动，喷涂机喷嘴与质子交换膜之间初始间距控制在8
‑
12厘米，喷涂压力不变，多向平台随着喷涂机移动匀速上升，控制喷涂机喷嘴与质子交换膜之间间距始终处于8
‑
12厘米，喷涂机压力改变来弥补距离的变化，需要压力调整精度极高，改变多向平台的高度来弥补喷涂机喷嘴与质子交换膜之间的间距更加简单，精度更易于控制。
26.实施例三：在实施例一的基础上，区别在于：y轴及x轴喷涂时，多向平台沿着x方向翻转30
‑
40度，接着再沿着y轴方向翻转30
‑
40度，由于质子交换膜表面溶胀后的介孔多样性，通过x轴和y轴两级方向调整，可以密封介孔的多样性，喷涂机沿y轴方向水平匀速移动，喷涂机喷嘴与质子交换膜之间初始间距控制在8
‑
12厘米，喷涂压力不变，多向平台随着喷涂机移动匀速上升，控制喷涂机喷嘴与质子交换膜之间间距始终处于8
‑
12厘米。
27.实施例四：在实施例一的基础上，区别在于：喷涂方式采用十字双层喷涂，y轴路径喷涂时，多向平台沿y轴方向顺时针翻转30
‑
40度，使质子交换膜与喷涂机二之间形成30
‑
40度的夹角，接着喷涂机二再进行喷涂，y轴喷涂一层后，多向平台转为水平，再沿y轴方向逆时针翻转30
‑
40度，接着喷涂机二进行第二层喷涂，喷涂完成后多向平台转为水平，通过质子交换膜顺时针和逆时针两次翻转，介孔的孔眼朝左或朝右，经过两层喷涂，使催化剂浆料在y轴向上充分融入介孔内；进行x轴喷涂，多向平台沿x轴方向顺时针翻转30
‑
40度，使质子交换膜与喷涂机二之间形成30
‑
40度的夹角，接着喷涂机二匀速喷涂一次，喷涂完成多向平台转为水平，再沿x轴方向逆时针翻转30
‑
40度，接着喷涂机二匀速喷涂第二次，配合y轴向的两侧喷射，使催化剂浆料充分融入介孔内，最终形成碳粉层，碳粉层厚度控制在0.1
‑
1微米之间。
28.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨再将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。