一种燃料电池膜电极的制备方法及装置与流程

本发明涉及一种燃料电池膜电极的制备方法及装置，属于电池膜电极技术领域。

背景技术：

质子交换膜燃料电池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC) 作为一种新型的清洁能源，由于其低污染甚至是无污染性被全球广泛关注。而PEMFC的核心部件膜电极 (Membrane Electrode Assembly, MEA)，是燃料电池发生氧化还原的主要场所，也是研究者们研究的重点，特别是对其制作工艺的研究。转印法是将预先配好的催化剂浆料涂布、印刷或者喷涂到某种转印介质上，经过干燥后将其催化剂层再转印到质子交换膜上，得到催化剂覆盖的质子交换膜 (Catalyst Coated Membrane, CCM)。由于在转印前已经去除了溶剂，质子交换膜不会出现溶胀的现象，而且催化剂层与质子交换膜的结合力增强，因此转印法被认为是适合商业连续化生产膜电极的一种方法。

传统的平板热压转印制备膜电极过程中，由于催化剂层在转印介质上涂覆的不均匀性，以及催化剂层中含有粘结剂，尽管转印介质表面十分光滑，但也使得在热压时质子交换膜与转印介质边上的催化剂由于受力不均匀而不能完全转印到膜上，从而降低了催化剂的转印率，增加了膜电极制作成本。为了提高转印率，研究人员从转印膜、液氮冷却剥离、添加辅助层、热压温度和热压时间等诸多方面进行了大量的研究，但是这些方法有一定的成效，但是工艺复杂不利于工业化生产。

中国专利CN 108075158 A发明了一种用于制备燃料电池膜电极的方法，其特征是首先在转印膜上先涂覆一层过渡层浆料，将其烘干，再在过渡层表面涂布一层催化层浆料，将其烘干，然后将催化层和过渡层一起转印到质子交换膜上。该方法可以提高催化层的转印效率，也可以解决催化层和微孔层界面的水管理，以及由此带来的传质问题等，但是该方法工艺繁琐，不利于工业化生产。

美国专利US 5211984报道了一种将催化剂与钠型化的质子导体聚合物混合涂覆在聚四氟乙烯(PTFE) 膜上，再通过热压使催化层转移到质子交换膜上，钠化后可以提高转印温度，进而提高催化剂的转印率，但是该方法的缺点是转印温度过高会使质子交换膜失水，降低膜电极的活性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种燃料电池膜电极的制备方法及装置，提高平板热压催化剂的转印率，以降低生产成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征是，包括：

将催化剂、Nafion溶液、分散剂和粘结剂混合，得到所需的催化剂浆料；

将转印介质吸附在真空平台上，然后将制备的催化剂浆料均匀地涂覆在转印介质上，并干燥；

将质子交换膜放在两片涂覆有催化剂层的转印介质中间，然后平放在铺有保护膜和硅胶片的钢板上，再在上层的转印介质上铺上保护膜，最后盖上另一片钢板；

将上述样品放入平板热压机中进行热压处理，热压结束待样品冷却后剥离转印介质，即得到CCM，将气体扩散层与CCM进行第二次热压处理，得到膜电极。

优选地，所述催化剂为铂、钌、金、铱、钯、镍、铬、铁、锰、锡中的一种或多种金属形成的合金或金属间化合物；所述催化剂的载体为炭黑、活性炭、石墨烯中的一种或多种，所述催化剂载量为5%、10%、20%、30%、40%、60%中的一种或多种。

优选地，所述分散剂为甲醇、乙醇、异丙醇、甘油、聚乙二醇、丙酮中的一种或多种；所述粘结剂为乙二醇、丙三醇、乙酸丁酯中的一种或多种。

优选地，所述催化剂、分散剂、5％Nafion溶液以及粘结剂之间的质量比为1:1~12:2~15:0.2~5。

优选地，所述催化剂浆料采用刮刀涂布方式涂覆到转印介质上，通过调节刮刀间隙与刮刀涂布速度来控制催化剂载量，其中阴极载量控制在0.20 ~ 0.70 mg/cm²，阳极载量控制在0.05~ 0.30 mg/cm²。

优选地，所述转印介质为聚四氟乙烯膜、离型膜、聚酰亚胺膜、锡箔纸中的一种或多种，转印介质的厚度为50 ~ 200 μm。

优选地，所述干燥方法为真空干燥或鼓风干燥，干燥温度为60~150 ^oC，干燥时间为30~180 min；热压工艺采用的热压温度为80~120 ℃，热压压力为5~10 MPa，时间为1~3 min。

优选地，所述保护膜为聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯中的一种或多种，所述保护膜的厚度为0.05~ 0.2 mm。

优选地，所述硅胶片为硅胶发泡板、橡胶垫中的一种或多种，硅胶片的厚度为1~5mm。

本发明还提供一种燃料电池膜电极平板热压转印装置，其特征是，从下至上依次包括下层钢板、下层保护膜、下层转印介质、质子交换膜、上层转印介质、上层保护膜和上层钢板，所述下层转印介质和上层转印介质涂覆有催化剂层，所述下层钢板上方和/或上层钢板下方设置有硅胶片。

本发明所达到的有益效果：

1.由于硅胶片具有一定的弹性，即使催化剂层在转印介质上涂覆的不是很均匀，也能很好的转印下来，提高转印过程中催化剂的利用率，而且可有效地提高平板热压转印面积；

2.保护膜可防止转印介质吸附到钢板上影响转印效果；

3.转印温度和压力比传统的转印方法低，防止温度过高使质子交换膜失水，防止转印压力过大使催化剂层压得比较密实，不利于反应气体和水蒸气的传输；

4.本发明方便快捷易于操作，可满足科研单位和厂家的需求。

附图说明

图1为一种燃料电池膜电极平板热压转印装置的结构示意图；

图2为实施例1转印后图片；

图3为对比例1转印后图片；

图4为实施例2转印后图片；

图5为对比例2转印后图片；

图6为实施例3转印后图片；

图7为对比例3转印后图片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种燃料电池膜电极平板热压转印装置，从下至上依次包括下层钢板1、下层保护膜2、下层转印介质3、质子交换膜4、上层转印介质5、上层保护膜6和上层钢板7，所述下层转印介质3和上层转印介质4涂覆有催化剂层8，所述下层钢板1上方设置有硅胶片9。

实施例1

称取一定量的催化剂，Pt载量为40wt%，将其置于去离子水中，然后加入5％ Nafion溶液（Du Pont公司生产）和异丙醇溶液，超声搅拌30 mim，然后加入乙二醇，超声10 min，搅拌6 h。其中催化剂、分散剂、5％Nafion溶液以及乙二醇之间质量比为1: 6:10:4。

取50μm厚的PTFE 膜，在涂覆浆料前，用无水乙醇对转印介质进行清洗。清洗完干燥后将转印介质吸附在真空平台上，并采用刮刀涂布设备将浆料涂覆到转印介质上，其中设置涂布机刮刀涂布厚度为150 μm，涂布面积为100 cm²，涂布速率为30.0 mm/s。

涂覆完成后放入鼓风干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为100 ^oC，干燥时间为3 h。

干燥完成后将质子交换膜置于两张涂覆有Pt/C催化剂层的PTFE转印介质中间，然后将三者平放在铺有硅胶片的钢板上，硅胶片的厚度为2.0 mm，再在上层的PTFE转印介质表面上铺上一层保护膜，防止PTFE吸附到钢板上影响转印效果，最后放上另一片钢板盖住。然后一起放入平板热压机中进行热压处理，热压温度为120 ℃，热压压力为10 MPa，时间为3 min。待冷却后去除转印介质，即得到CCM。将气体扩散层与CCM进行第二次热压处理，得到膜电极。

实施例2

与实施例1相同，只是将乙二醇改为丙三醇。

实施例3

与实施例1相同，只是将热压温度改为80℃，热压压力5 MPa，时间为3 min。

对比例1

与实施例1相同，只是去除硅胶片。

对比例2

与实施例2相同，只是去除硅胶片。

对比例3

与实施例3相同，只是去除硅胶片。

从图2，图3和图4可知，本发明提供的方法能显著提高平板热压的转印率。由于硅胶片具有一定的弹性，即使催化剂层在转印介质上涂覆的不是很均匀，也能很好的转印下来，而且由图4可知所需要的转印温度和压力比传统的转印方法低，过高的温度会使质子交换膜失水，而转印压力过大会使催化剂层压得比较密实，不利于反应气体和水蒸气的传输，所以该发明方法不仅能提高平板热压的转印率，对膜电极的性能也有一定的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。