一种燃料电池膜电极的制备方法及其专用装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 燃料电池（FuelCell)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。
[0003] MEA(MembraneElectrodeAssembly)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。
[0004]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W00243171A2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（LosAlamosNationalLaboratory)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，之后的绝大多数研宄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：物料添加一分散一浓缩一增活处理；翟玉清，董俊卿等人 在公开的专利CNlO1350409A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。
【发明内容】
[0005] 发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种燃料电池膜电 极的制备方法，降低成本，简化制备工艺。本发明的另一目的是提供一种上述燃料电池膜电 极的制备方法的专用装置。
[0006] 技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为： 一种燃料电池膜电极的制备方法，包括以下步骤： 1) 对Nafion-115膜进行前处理，备用； 2) 阳极扩散层的制备：将要丝印整平层的疏水处理的碳纸放置于多孔碳纸上，打开真 空泵，调整网版上的有效网眼对准疏水碳纸；用滴管将浆液滴于网眼一端刮刀前端，手动用 刮刀将浆液在网眼表面刮涂多次，获得预设计的乙炔黑载量的扩散层；其中，浆液的组成为 乙炔黑，60%PTFE乳液，乙醇和水，PTFE占浆液干重的10%-30% ;将刷好整平层的碳纸置于 干燥箱中40-60°C干燥1天，除去整平层中的溶剂，然后将其放于马弗炉中340±5°C焙烧 30-60分钟；将制备好的阳极扩散层，置于真空干燥箱内备用； 3) 阴极扩散层的制备：将要丝印整平层的疏水处理的碳纸放置于多孔碳纸上，打开真 空泵，调整网版上的有效网眼对准疏水碳纸；用滴管将浆液滴于网眼一端刮刀前端，手动用 刮刀将浆液在网眼表面刮涂多次，直至获得预设计的乙炔黑载量的扩散层；其中，浆液的组 成为乙炔黑，60%PTFE乳液，乙醇和水，PTFE占浆液干重的40%-60% ;将刷好整平层的碳纸置 于干燥箱中40-60°C干燥1天，除去整平层中的溶剂，然后将其放于马弗炉中340±5°C焙烧 30-60分钟；将制备好的阴极扩散层，置于真空干燥箱内备用； 4) 膜电极的制备：包括催化剂涂层膜的制备以及后处理工艺。
[0007] 步骤1)中，前处理操作为：先对Nafion膜裁剪，然后用去离子水冲洗，再用去离 子水在80°C搅拌处理1小时，冷却到室温后用H2O2溶液，80°C处理搅拌1小时，冷却到室温 用去离子水冲洗，再用去离子水在80°C搅拌处理1小时，冷却到室温用去离子水冲洗，再用 H2SO4 80°C搅拌处理1小时，冷却到室温用去离子水冲洗，再用去离子水在80°C搅拌处理I小时，再用去尚子水冲洗两遍，冷却，储存在去尚子水中备用。
[0008] 步骤2)中，阳极整平层采用的碳纸为浸泡PTFE做疏水处理的TGP-H-060碳纸；疏 水处理过程为：将固含量为60% PTFE原液稀释到2%-10%的PTFE溶液，用超声波充分震荡 均匀，将碳纸放入上述PTFE溶液中，浸渍，用吹风机吹干，多次浸渍达到10%-30%的PTFE含 量，将浸好的碳纸在马福炉中进行处理；处理条件为340±5°C处理30-60分钟。
[0009] 步骤2)中，浆液的具体制备步骤为：先称取碳粉，然后加入水、乙醇，超声波振荡， 并用玻璃棒搅拌，加入PTFE原液，再继续边搅拌边超声波震荡，乳化机8000r/min-15000r/ min下乳化10-30分钟，直至获得具有粘度为20mPa*s-35mPa*s的浆液。
[0010] 步骤3)中，阴极整平层采用的碳纸为单侧喷涂PTFE做疏水处理的TGP-H-060碳 纸，其中整平层担载在喷有PTFE的一侧；疏水处理过程为：将60%PTFE稀释到2%-10%的PTFE溶液，用超声波充分震荡均匀，将上述稀释的PTFE溶液用喷枪均匀的喷涂于碳纸表 面，然后用电吹风吹干，单面喷涂，多次操作达到10%_30%的PTFE含量，将喷涂好的碳纸置 于马福炉中焙烧；温度为340±5°C，时间30-60分钟 步骤3)中，浆液的具体制备步骤为：先称取碳粉，然后加入水、乙醇，超声波振荡，并用 玻