专利名称：二层热压膜电极及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池，尤其涉及一种燃料电池的膜电极及其制作方法。
背景技术：
燃料电池采用氢气为燃料，氧气为氧化物，其化学反应的副产品是水，无 其它有害物质，是一种安全、可靠、清洁、环境友好的发电装置。随着燃料电 池技术的完善，已在大到潜艇、汽车，小到手提电脑、手机上得到应用。
随着燃料电池应用面的扩大，人们也越来越关心其的部件的产业化实际应 用和可操作性。质子交换膜和膜电极是燃料电池一个关键的部品，其制造方法 比较复杂，成本较高，也影响燃料电池的产业化。
在燃料电池中，固态质子交换膜常用的是全氟璜酸聚合物膜，膜电极的好 坏直接影响了燃料电池性能的好坏，要保证燃料和氧化剂在燃料电池电极上高 效顺利的进行，燃料电池的电极应具备比较好的电化学活性。
目前，制作膜电极的方法一般有两种 一种是将催化剂和聚四氟乙烯PTFE
分散液的混合物直接涂布到电极的扩散层如碳纸上，再在催化剂层上喷涂
NafK)n溶液，形成三维网络结构的燃料电池的含催化层电极，然后将带扩散层 的不含催化层的两片电极同质子交换膜一起热压成膜电极，这种方法制成的膜 电极其催化剂的利用率较低。另一种是将催化剂和PTFE分散液的混合物直接 涂布到膜上或通过热转印的方法，直接将催化剂涂布到膜上，这种方法电极的 性能较好，由于膜的溶涨等问题，直接将催化剂涂在膜上有点困难。而热转印 法是直接将催化剂直接涂布到无孔介质如PTFE薄片上，然后将带催化剂的薄 片同膜一起热压，将催化剂转移到膜上。这种工艺制得的膜电极性能较好，但 生产过程比较麻烦，不利于大规模的生产。
发明内容
本发明的目的就是为了克服了上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺 简单，催化剂利用率高的二层热压膜电极及其制作方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现二层热压膜电极，其特征在 于，该膜电极包括二层，每层半个膜电极，所述的膜电极包括一层膜和至少--层催化剂，所述的半个膜电极为层状对称膜电极的二分之一。
所述的半个膜电极一层为无增强的质子交换膜。
所述的半个膜电极一层为增强的质子交换膜。
所述的半个膜电极的无增强的质子交换膜采用塑料材料，在不粘接的平板 材料上直接涂刷膜溶液。
所述的不粘接的平板材料优选聚碳酸脂、聚四氟乙烯、平板玻璃。
所述的半个膜电极的无增强的质子交换膜的膜溶液，优选100%的全氟磺酸聚合物膜溶液，膜溶液的用量为0.1毫克 50毫克/平方厘米。
所述的半个膜电极的增强的质子交换膜的基体和膜溶液的材料包括塑料 材料、无机材料、有机材料。
所述的半个膜电极的增强的质子交换膜的基体材料包括多孔的聚四氟乙 烯、聚砜、微玻璃纤维绒。
所述的半个膜电极的增强的质子交换膜的膜溶液，选用全氟磺酸膜溶液，聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、优选100%的全氟磺酸膜聚合物溶液，膜溶液 的用量为0.1毫克 50毫克/平方厘米。
所述的膜电极其膜的微孔孔径为0.05 10微米，膜厚度为1 50微米，孔 隙率为55% 95%。
二层热压膜电极的制作方法，其特征在于，所述的膜电极是在多孔基体材 料上涂刷膜溶液，再喷涂上催化剂后，将没有催化剂的一面对折，再在涂有催 化剂的两面加上至少一层扩散层，然后用热压机热压而成；或者，所述的膜电 极是在扩散层上先喷涂催化剂，再涂刷膜溶液，取二片将未涂催化剂的二面重 合，然后用热压机热压而成。
所述的多孔基体材料包括多孔薄膜或不粘结的平板材料。
所述的热压机热压温度为120。C 180。C，压力为10kg/cm2 60 kg/cm2， 时间1 3分钟。
与现有技术相比，本发明采用二层热压喷涂膜电极的方法直接形成质子交 换膜，并在膜上喷涂催化剂，夹上碳纸，就成膜电极，方法工艺简单，而且提
高了催化剂的利用率，非常适合自动化的设备大规模的进行生产；保持了催化 剂的利用率和好的电化学活性，避开了将催化剂直接涂到膜上的技术难度，同 时也省去了催化剂热转印时可能会产生的无孔介质剥落的可能；本发明制作的 催化剂层对整个CCM起到增强催化剂层结构的作用；采用多孔的PTFE对整 个CCM有一定的增强作用。采用多孔的PTFE对燃料电池催化层起到强的调
节水平衡的作用，对于保持电极运行的稳定性起到一定的作用。
图1为本发明实施例1的膜电极结构示意图； 图2为图1膜电极的成形结构示意图3为本发明实施例2的膜电极成形结构示意图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1、 2所示，在不粘结的平板材料聚碳酸脂上，覆盖多孔的PTFE薄膜 1 (厚度4pm、孔隙率大于85%，孔径为0.5nm)，用乙醇清洗干净，在多孔 的PTFE薄膜上涂刷一层全氟磺酸膜溶液2，用量为O.lmg/cm2;将市售的 Nafion(5。/。wt)溶液和40%Pt/c的颗粒混合成(Nafion)固体40%Pt/c催化剂=1: 3催化剂分散液涂布到膜上。经120°(:烘干后，制成一在膜上附着一层催化剂 3的CCM，其中催化剂和Nafion混合物的担载量为1.4 mg/cm2。然后，将此 CCM对折，可用至少一层扩散层4如碳纸夹在CCM的上下，用热压机热压， 即成一膜电极。热压的温度为150。C，压力为30kg/CM2。
实施例2
参见图1、 2，不粘结的平板材料聚四氟乙烯上，用乙醇清洗干净。在不粘 结的平板材料上涂刷一层全氟磺酸膜溶液2，用量为5 mg/cm2;将市售的
Nafion(5％wt)溶液和40%Pt/c的颗粒混合成(Nafion)固体40%Pt/c催化剂=1: 3催化剂分散液涂布到膜上。经120。C烘干后，制成一在膜上附着一层催化剂 3的CCM，其中催化剂和Nafion混合物的担载量为1.4 mg/cm2。然后，将此 CCM对折，用聚碳酸脂的薄板1、 4附在CCM的上下，用热压机热压。热压 的温度为180°C，压力为60kg/CM2。
实施例3
如图3所示，在不粘结的平板材料平板玻璃上，覆盖多孔的PTFE薄膜1 (厚度4pm、孔隙率大于85%，孔径为0.5nm)或直接将不粘结的平板材料上， 用乙醇清洗干净。用涂刷的方法在多孔的PTFE薄膜或不粘结的平板材料上涂 刷一层全氟磺酸膜溶液2，用量为0.1mg/cm2。将市售的Nafion(5。/。wt)溶液和 40%Pt/c的颗粒混合成(Nafion)固体40%Pt/c催化剂=1: 3催化剂分散液涂 布到膜上。经120°C烘干后制成一在膜上附着一层催化剂3的CCM，其中催 化剂和Nafion混合物的担载量为1.4 mg/cm2。然后，将二片这样的CCM，将 其未喷涂有催化剂的二面复合，再用至少一层扩散层4，如碳纸夹住涂有催化 剂的上下二面，用热压机热压，即成一膜电极。也可用聚碳酸脂的薄板1、 4 附在CCM的上下，用热压机热压。热压的温度为120。C，压力为10kg/cm2。
实施例4
参见图1 图3， 一种燃料电池膜电极的制作方法，包括以下步骤
a. 制作成质子交换膜
在不粘结的平板材料上覆盖以多孔PTFE薄膜为骨架或直接在不粘结的平 板材料上，涂刷上膜溶液后固化，制作成质子交换膜。
b. 喷涂催化剂
在质子交换膜一面喷上催化剂
c. 压制成膜电极
将喷上催化剂的膜对折或二张相叠后，在有催化剂的二面夹上至少一层扩 散层后，使用热压机进行热压，制成膜电极。
步骤a所述的多孔薄膜选自聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、 微玻璃纤维绒制成，其微孔膜厚度为30微米，孔径为5微米，孔隙率为65%。
步骤b所述的将全氟磺酸膜溶液用涂刷、喷涂、丝网印刷、辊印等方法，涂刷到PTFE多孔薄膜或平板玻璃上。膜溶液的用量为0.1毫克 50毫克/平方 厘米。
步骤b所述的催化剂分散液由40%重量的催化剂(Pt/C)分散到5%重量的 (Naflon)溶液中制得，并控制重量比(Nafion)固体催化剂(Pt/C) =1: 3。
步骤a、 b、 c所述的采用涂刷的方法将全氟磺酸膜溶液涂刷到多孔的PTFE 薄膜或不粘结的平板材料上，形成薄膜。再在这种薄膜上喷上催化剂，然后对 折，再将涂有催化剂的二面夹上至少一层扩散层，采用热压的方法，形成一张 膜电极。
步骤a、 b、 c所述的采用涂刷的方法将全氟磺酸膜膜溶液涂刷到多孔的 PTFE薄膜或不粘结的平板材料上，形成一层质子交换膜。再将这种质子交换 膜上喷上催化剂，然后将二张二面没有催化剂的相叠，再将涂有催化剂的二面 夹上夹上至少一层扩散层，采用热压的方法，形成膜电极。
步骤a、 b、 c所述的采用涂刷的方法将膜溶液涂刷到多孔的PTFE薄膜或 不粘结的平板材料上，形成一层质子交换膜。再在这种薄的质子交换膜上喷上 催化剂，然后对折或二张相叠，在涂有催化剂的二面，夹上聚四氟乙烯(PTFE) 或聚碳酸脂薄膜，经热压加工后，剥离PTFE和聚碳酸脂薄膜，只要夹上至少 一层扩散层，即成一张膜电极。根据需要分别放置相同的或不同的一到数层扩 散层，可热压也可不热压，就可成为一张膜电极。
步骤a、 b、 c所述的采用涂刷的方法将全氟磺酸膜溶液涂刷到多孔的PTFE 薄膜或不粘结的平板材料上，形成一层薄层质子交换膜。再在这种薄的质子交 换膜上喷上催化剂，然后对折或二张相叠，在涂有催化剂的二面，可根据需要 分别放置相同的或不同密度和孔隙率的一到数层扩散层，可热压也可不热压， 就可成为一张膜电极。
本发明膜电极的制作方法，由于采用对多孔薄膜或不粘结的平板材料上用 全氟磺酸膜溶液等进行涂刷、喷涂形成质子交换膜，并在平整的质子交换膜上 喷涂催化剂和对二个半膜式的热压的方法，可根据需要能有效的控制膜的厚 度，在膜上采用喷涂的方法喷上催化剂，能更好的建立三维立体结构扩散层。 有效地为质子、气体、电子提供通道，使膜电极具有好地电化学活性。
权利要求
1.二层热压膜电极，其特征在于，该膜电极包括二层，每层半个膜电极，所述的膜电极包括一层膜和至少一层催化剂，所述的半个膜电极为层状对称膜电极的二分之一。
2. 根据权利要求l所述的二层热压膜电极，其特征在于，所述的半个膜电极一层为无增强的质子交换膜。
3. 根据权利要求l所述的二层热压膜电极，其特征在于，所述的半个膜电 极一层为增强的质子交换膜。
4. 根据权利要求l或2所述的二层热压膜电极，其特征在于，所述的半个 膜电极的无增强的质子交换膜釆用塑料材料，在不粘接的平板材料上直接涂刷 膜溶液。
5. 根据权利要求4所述的二层热压膜电极，其特征在于，所述的不粘接的 平板材料优选聚碳酸脂、聚四氟乙烯、平板玻璃。
6. 根据权利要求1或2所述的二层热压膜电极，其特征在于，所述的半个 膜电极的无增强的质子交换膜的膜溶液，优选100%的全氟磺酸聚合物膜溶液， 膜溶液的用量为0.1毫克 50毫克/平方厘米。
7. 根据权利要求1或3所述的二层热压膜电极，其特征在于，所述的半个 膜电极的增强的质子交换膜的基体和膜溶液的材料包括塑料材料、无机材料、 有机材料。
8. 根据权利要求7所述的二层热压膜电极，其特征在于，所述的半个膜电 极的增强的质子交换膜的基体材料包括多孔的聚四氟乙烯、聚砜、微玻璃纤维 绒。
9. 根据权利要求7所述的二层热压膜电极，其特征在于，所述的半个膜电 极的增强的质子交换膜的膜溶液，选用全氟磺酸膜溶液，聚乙烯、聚偏氟乙烯、 聚丙烯、优选100%的全氟磺酸膜聚合物溶液，膜溶液的用量为0.1毫克 50毫 克/平方厘米。
10. 根据权利要求2或3所述的二层热压膜电极，其特征在于，所述的膜 电极其膜的微孔孔径为0.05 10微米，膜厚度为1 50微米，孔隙率为55%~95%。
11. 二层热压膜电极的制作方法，其特征在于，所述的膜电极是在多孔基体材料上涂刷膜溶液，再喷涂上催化剂后，将没有催化剂的一面对折，再在涂有催化剂的两面加上至少一层扩散层，然后用热压机热压而成；或者，所述的膜电极是在扩散层上先喷涂催化剂，再涂刷膜溶液，取二片将未涂催化剂的二面重合，然后用热压机热压而成。
12. 根据权利要求ll所述的二层热压膜电极的制作方法，其特征在于，所述的多孔基体材包括多孔的聚四氟乙烯、聚砜、微玻璃纤维绒。
13. 根据权利要求ll所述的二层热压膜电极的制作方法，其特征在于，所述的热压机热压温度为120℃ 180℃，压力为10kg/cm2 60kg/cm2，时间l 3分钟。
全文摘要
本发明涉及二层热压膜电极及其制作方法，该膜电极包括二层，每层半个膜电极，所述的膜电极包括一层膜和至少一层催化剂，所述的半个膜电极为层状对称膜电极的二分之一。在不粘结的平板材料上覆盖以多孔聚四氟乙烯薄膜为骨架或直接在不粘结的平板材料上，涂刷上膜溶液后固化，制作成质子交换膜；在该质子交换膜一面喷上催化剂；将喷上催化剂的膜对折或二张相叠后，在有催化剂的二面夹上至少一层扩散层后，使用热压机进行热压，制成膜电极。与现有技术相比，本发明方法工艺简单，提高了催化剂的利用率，非常适合自动化的设备大规模的进行生产。
文档编号H01M8/02GK101174700SQ200610117958
公开日2008年5月7日 申请日期2006年11月3日 优先权日2006年11月3日
发明者吴德勇, 琴 张, 苏惠珍, 顾志军 申请人:上海清能燃料电池技术有限公司