專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池電極的制備方法，特別是一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件的制備方法。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池是一種產(chǎn)生氫離子的燃料與氧氣或空氣等含氧化性氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。其具有噪音低、能量轉(zhuǎn)換效率高、無環(huán)境污染等優(yōu)點，是未來的理想電源之一，可用于小型便攜式電源、家庭小型電站，電動汽車的動力電源等。
質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件是膜電極組件，它是燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)場所，需要同時具有質(zhì)子、電子的傳導(dǎo)功能，它的結(jié)構(gòu)性能對質(zhì)子交換膜燃料電池的整體性能有著十分重要的影響。
對于膜電極組件的制備，如今存在著很多種不同的方法，并且催化劑的用量也逐漸減少。膜電極組件常規(guī)的制備方法是將催化劑與一定量的溶劑、粘結(jié)劑和質(zhì)子交換樹脂一起混合，然后經(jīng)過超聲波分散均勻，將催化劑漿料均勻涂覆在導(dǎo)電的碳紙或碳布上，再進行干燥，然后在催化劑層表面噴涂一層質(zhì)子交換樹脂溶液，以便使電極與質(zhì)子交換膜之間形成良好的界面。最后，將陰、陽電極與質(zhì)子交換膜在一定的溫度和壓力下三合一熱壓而成。這種膜電極制備方法比較容易操作，但是由于涂在碳紙上的擴散層表面、催化層表面不能保證平整，從而導(dǎo)致在烘干后存在凹凸不平，使得催化層中的催化劑的利用率下降，同時也使得催化層和質(zhì)子交換膜界面之間接觸不良，容易產(chǎn)生缺陷，影響膜電極性能。
另外，據(jù)中國專利公開號CN1471186A，發(fā)明名稱燃料電池用電解質(zhì)膜電極接合體、使用它的燃料電池及其制造方法，膜電極也可以采用轉(zhuǎn)印的電極制備方法。其首先將催化劑與高分子電解質(zhì)混合，然后涂覆在轉(zhuǎn)印的薄片上，待催化劑漿料干燥后，在高溫高壓條件下將附有催化層的薄片與質(zhì)子交換膜壓合，再把薄片剝離，然后將氣體擴散層與其熱壓三合一，形成完整的MEA。這種制備方法有利于催化層與膜的界面連續(xù)，可以制備成較薄的催化層電極。但是，在這種制備方法中，步驟比較多，操作起來比較復(fù)雜，且在剝離轉(zhuǎn)印薄片時，薄片上容易粘住部分的催化層，從而不能保證催化層的完全轉(zhuǎn)移和催化層的平整，從而影響電極性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，要解決的技術(shù)問題是制作膜電極方便、快捷和容易操作，并使制備的膜電極具有優(yōu)良的整體電性能。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，包括以下步驟(1)將碳紙或碳布浸漬PTFE乳液中，取出干燥后，先在240至290℃溫度中保溫15至30分鐘，再在300至360℃溫度中保溫15至30分鐘制得導(dǎo)電基底；(2)將VXC-72碳黑或乙炔黑與PTFE乳液混合均勻成漿料，涂于導(dǎo)電基底上，干燥后，先在240至290℃溫度中保溫15至30分鐘，再在300至360℃溫度中保溫15至30分鐘，待冷卻到室溫后，再將附著有碳黑的導(dǎo)電基底在20至120℃的溫度下，于0.05至5MPa的壓力下熱壓30至300秒，在保持壓力的狀態(tài)下冷卻，形成氣體擴散層；(3)將Pt/C催化劑、溶劑、造孔劑，Nafion溶液超聲混合均勻配制成催化劑漿料；(4)催化劑漿料涂于擴散層上，在溫度為20至120℃、壓力為0.05至5Mpa的條件下，熱壓10至300秒，在保持壓力的狀態(tài)下冷卻，形成氣體擴散電極；(5)將Nafion膜置于兩個帶催化層的氣體擴散電極之間，在溫度為100至140℃、壓力為3至10Mpa的條件下，熱壓30至300秒，在保持壓力的狀態(tài)下冷卻。
本發(fā)明在保持壓力的狀態(tài)下冷卻采用自然冷卻或水冷卻。
本發(fā)明的PTFE乳液中PTFE濃度為2至35％，碳紙或碳布浸漬PTFE后取出在20至80℃溫度下干燥，放置于馬福爐中保溫；將VXC-72碳黑或乙炔黑與PTFE乳液混合漿料涂于導(dǎo)電基底上，在20至80℃溫度下干燥。
本發(fā)明的VXC-72碳黑或乙炔黑與PTFE漿料中PTFE的百分含量為5至40％；熱壓后的氣體擴散層厚度為100至600微米，熱壓后的氣體擴散層比熱壓前的厚度減少1至20％。
本發(fā)明的催化劑漿料中Pt/C催化劑∶溶劑∶造孔劑∶Nafion溶液的份數(shù)配比為1-30∶10-100∶3-30∶1-10；Pt/C催化劑中Pt的含量為20至40％。
本發(fā)明的溶劑是異丙醇和水混合溶劑，造孔劑采用碳酸氫銨、甲酸銨、乙酸銨或草酸銨。
本發(fā)明的催化劑漿料涂于擴散層上采用噴涂或刷涂的方法涂于擴散層上；熱壓后的氣體擴散電極厚度為150至800微米，熱壓后的氣體擴散電極比熱壓前的厚度減少1至20％。
本發(fā)明的Nafion膜采用Nafion112或Nafion115膜，熱壓后的膜電極厚度為350至1700微米。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，對氣體擴散層、氣體擴散電極和膜電極采用分三步壓的步驟，使各層之間結(jié)合緊密，不容易分層，熱壓之后在有壓力狀態(tài)下冷卻電極，制備的電極不變形，不易產(chǎn)生缺陷，同時也使得催化層和質(zhì)子交換膜界面之間接觸良好，提高膜電極性能，制備過程簡單，容易操作，重現(xiàn)性好。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法采用以下步驟1、氣體擴散層的壓制將碳紙或碳布浸漬于2至35％濃度的PTFE乳液中，然后在20至80℃溫度下干燥，再放置于馬福爐中，先升溫到240至290℃，保溫15至30分鐘，然后再繼續(xù)升溫到300至360℃，保溫15至30分鐘制得導(dǎo)電基底。將VXC-72碳黑或乙炔黑與PTFE乳液混合均勻成漿料，其中PTFE的百分比含量為5至40％，然后采用噴涂或刷涂等方法將上述漿料涂于導(dǎo)電基底上，然后在20至80℃溫度下干燥，再放置于馬福爐中，先升溫到240至290℃，保溫15至30分鐘，然后再繼續(xù)升溫到300至360℃，保溫15至30分鐘，待冷卻到室溫后，再將附著有碳黑的導(dǎo)電基底在20至120℃的溫度下，于0.05至5MPa的壓力下熱壓30至300秒，形成氣體擴散層。熱壓完畢后，為防止氣體擴散層變形，在保持0.05至5MPa壓力的狀態(tài)下，使氣體擴散層自然冷卻或采用水冷卻。熱壓后的氣體擴散層厚度為100至600微米，熱壓后的氣體擴散層比熱壓前的厚度減少1至20％。
2、催化層的壓制首先配好催化劑的漿料，20至40％的Pt/C催化劑∶異丙醇和水的混合溶劑∶造孔劑∶Nafion溶液份數(shù)配比為1-30∶10-100∶3-30∶1-10，然后混合攪拌均勻。造孔劑可以采用碳酸氫銨、甲酸銨、乙酸銨或草酸銨揮發(fā)性物質(zhì)。催化劑漿料可采用噴涂或刷涂等方法涂于擴散層上，于20至120℃的溫度下，于0.05至5MPa的壓力下熱壓10至300秒，形成氣體擴散電極。熱壓完畢后，為防止氣體擴散電極變形，在保持0.05至5MPa壓力的狀態(tài)下，使氣體擴散電極自然冷卻或采用水冷卻。熱壓后的氣體擴散電極厚度為150至800微米，熱壓后的氣體擴散電極比熱壓前的厚度減少1至20％。
3、三合一膜電極的壓制將Nafion膜置于兩個帶催化層的氣體擴散電極之間，即將壓制好的氣體擴散電極放置于已經(jīng)經(jīng)過處理好的Nafion膜兩側(cè)對齊，Nafion膜可以采用Nafion112、Nafion115膜或其系列膜。然后在溫度100至140℃、壓力3至10MPa下熱壓30至300秒，為防止膜電極裂開，在保持3至10MPa壓力的狀態(tài)下，使三合一膜電極自然冷卻或采用水冷卻到室溫。熱壓后的三合一膜電極厚度為350至1700微米。
實施例1
將碳紙浸漬于10％濃度的PTFE乳液中，然后在50℃溫度下干燥，再放置于馬福爐中，先升溫到240℃，保溫30分鐘，然后再繼續(xù)升溫到360℃，保溫30分鐘制得導(dǎo)電基底。將VXC-72碳黑與PTFE乳液混合均勻成漿料，其中PTFE的百分比含量為10％，然后采用噴涂方法將上述漿料涂于導(dǎo)電基底上，40℃干燥后，然后放在爐中先升溫到240℃，保溫30分鐘，然后再繼續(xù)升溫到360℃，保溫30分鐘，待冷卻到室溫后，再將附著有碳黑的導(dǎo)電基底在120℃的溫度下，于1MPa的壓力下熱壓100秒，形成氣體擴散層。熱壓完畢后，為防止氣體擴散層變形，在保持1MPa壓力的狀態(tài)下，使氣體擴散層自然冷卻。熱壓后的氣體擴散層厚度為200微米。
然后配好催化劑的漿料，20％的Pt/C催化劑∶異丙醇和水的混合溶劑∶造孔劑∶Nafion溶液份數(shù)配比為5∶100∶3∶3，超聲混合均勻。造孔劑采用碳酸氫銨。催化劑漿料可采用噴涂方法涂于擴散層上，于80℃的溫度下，于0.5MPa的壓力下熱壓60秒，形成氣體擴散電極。熱壓完畢后，為防止氣體擴散電極變形，在保持0.5MPa壓力的狀態(tài)下，使氣體擴散電極自然冷卻。熱壓后的氣體擴散電極厚度為220微米。
將壓制好的氣體擴散電極放置于已經(jīng)經(jīng)過處理好的Nafion膜兩側(cè)對齊，采用Nafion115膜。然后于120℃、5MPa壓力下熱壓100秒，立即取出，為防止膜電極裂開，在保持5MPa壓力的狀態(tài)下，使三合一膜電極自然冷卻到室溫即可。熱壓后的三合一膜電極厚度為470微米。
實施例2將碳紙浸漬于5％濃度的PTFE乳液中，然后在60℃溫度下干燥，再放置于馬福爐中，先升溫到250℃，保溫20分鐘，然后再繼續(xù)升溫到350℃，保溫15分鐘制得導(dǎo)電基底。然后將乙炔黑與PTFE乳液混合均勻成漿料，其中PTFE的百分比含量為20％，然后采用噴涂方法將上述漿料涂于導(dǎo)電基底上，80℃干燥后，然后放在爐中先升溫到250℃，保溫20分鐘，然后再繼續(xù)升溫到350℃，保溫15分鐘，待冷卻到室溫后，再將附著有碳黑的導(dǎo)電基底在100℃的溫度下，于0.5MPa的壓力下熱壓30秒，形成氣體擴散層。熱壓完畢后，為防止氣體擴散層變形，在保持0.5MPa壓力的狀態(tài)下，使氣體擴散層水冷卻。熱壓后的氣體擴散層比熱壓前厚度減少10％。
然后配好催化劑的漿料，40％的Pt/C催化劑∶異丙醇和水的混合溶劑∶造孔劑∶Nafion溶液＝6∶80∶10∶10，超聲混合均勻。造孔劑采用草酸銨。催化劑漿料可采用印刷方法涂于擴散層上，于100℃的溫度下，于1MPa的壓力下熱壓30秒，形成氣體擴散電極。熱壓完畢后，為防止氣體擴散電極變形，在保持1MPa壓力的狀態(tài)下，使氣體擴散電極水冷卻。熱壓后的氣體擴散電極比熱壓前厚度減少12％。
將壓制好的氣體擴散電極放置于已經(jīng)經(jīng)過處理好的Nafion膜兩側(cè)對齊，采用Nafion112膜。然后于130℃、8MPa壓力下熱壓200秒，立即取出，為防止膜電極裂開，在保持8MPa壓力的狀態(tài)下，使三合一膜電極水冷卻到室溫即可。熱壓后的三合一膜電極厚度為520微米。
實施例3將碳布浸漬于35％濃度的PTFE乳液中，然后在80℃溫度下干燥，再放置于馬福爐中，先升溫到290℃，保溫15分鐘，然后再繼續(xù)升溫到340℃，保溫20分鐘制得導(dǎo)電基底。然后將乙炔黑與PTFE乳液混合均勻成漿料，其中PTFE的百分比含量為40％，然后采用噴涂方法將上述漿料涂于導(dǎo)電基底上，20℃干燥后，然后放在爐中先升溫到290℃，保溫15分鐘，然后再繼續(xù)升溫到340℃，保溫25分鐘，待冷卻到室溫后，再將附著有碳黑的導(dǎo)電基底在20℃的溫度下，于5MPa的壓力下熱壓300秒，形成氣體擴散層。熱壓完畢后，為防止氣體擴散層變形，在保持5MPa壓力的狀態(tài)下，使氣體擴散層水冷卻。熱壓后的氣體擴散層厚度為600微米，比熱壓前厚度減少20％。
然后配好催化劑的漿料，30％的Pt/C催化劑∶異丙醇和水的混合溶劑∶造孔劑∶Nafion溶液＝30∶10∶30∶9，超聲混合均勻。造孔劑采用甲酸銨。催化劑漿料可采用刷涂方法涂于擴散層上，于120℃的溫度下，于5MPa的壓力下熱壓300秒，形成氣體擴散電極。熱壓完畢后，為防止氣體擴散電極變形，在保持5MPa壓力的狀態(tài)下，使氣體擴散電極水冷卻。熱壓后的氣體擴散電極為800微米，比熱壓前厚度減少20％。
將壓制好的氣體擴散電極放置于已經(jīng)經(jīng)過處理好的Nafion膜兩側(cè)對齊，采用Nafion115膜。然后于140℃、10MPa壓力下熱壓300秒，立即取出，為防止膜電極裂開，在保持10MPa壓力的狀態(tài)下，使三合一膜電極水冷卻到室溫即可。熱壓后的三合一膜電極厚度為1700微米。
實施例4將碳紙浸漬于2％濃度的PTFE乳液中，然后在20℃溫度下干燥，再放置于馬福爐中，先升溫到260℃，保溫25分鐘，然后再繼續(xù)升溫到300℃，保溫23分鐘制得導(dǎo)電基底。然后將乙炔黑與PTFE乳液混合均勻成漿料，其中PTFE的百分比含量為5％，然后采用噴涂方法將上述漿料涂于導(dǎo)電基底上，50℃干燥后，然后放在爐中先升溫到250℃，保溫26分鐘，然后再繼續(xù)升溫到300℃，保溫23分鐘，待冷卻到室溫后，再將附著有碳黑的導(dǎo)電基底在60℃的溫度下，于0.05MPa的壓力下熱壓100秒，形成氣體擴散層。熱壓完畢后，為防止氣體擴散層變形，在保持0.05MPa壓力的狀態(tài)下，使氣體擴散層水冷卻。熱壓后的氣體擴散層厚度為100微米，比熱壓前厚度減少1％。
然后配好催化劑的漿料，20％的Pt/C催化劑∶異丙醇和水的混合溶劑∶造孔劑∶Nafion溶液＝1∶15∶5∶1，超聲混合均勻。造孔劑采用乙酸銨。催化劑漿料可采用噴涂方法涂于擴散層上，于20℃的溫度下，于0.05MPa的壓力下熱壓10秒，形成氣體擴散電極。熱壓完畢后，為防止氣體擴散電極變形，在保持0.05MPa壓力的狀態(tài)下，使氣體擴散電極水冷卻。熱壓后的氣體擴散電極為150微米，比熱壓前厚度減少1％。
將壓制好的氣體擴散電極放置于已經(jīng)經(jīng)過處理好的Nafion膜兩側(cè)對齊，采用Nafion112膜。然后于100℃、3MPa壓力下熱壓30秒，立即取出，為防止膜電極裂開，在保持3MPa壓力的狀態(tài)下，使三合一膜電極水冷卻到室溫即可。熱壓后的三合一膜電極厚度為350微米。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，包括以下步驟(1)將碳紙或碳布浸漬PTFE乳液中，取出干燥后，先在240至290℃溫度中保溫15至30分鐘，再在300至360℃溫度中保溫15至30分鐘制得導(dǎo)電基底；(2)將VXC-72碳黑或乙炔黑與PTFE乳液混合均勻成漿料，涂于導(dǎo)電基底上，干燥后，先在240至290℃溫度中保溫15至30分鐘，再在300至360℃溫度中保溫15至30分鐘，待冷卻到室溫后，再將附著有碳黑的導(dǎo)電基底在20至120℃的溫度下，于0.05至5MPa的壓力下熱壓30至300秒，在保持壓力的狀態(tài)下冷卻，形成氣體擴散層；(3)將Pt/C催化劑、溶劑、造孔劑，Nafion溶液超聲混合均勻配制成催化劑漿料；(4)催化劑漿料涂于擴散層上，在溫度為20至120℃、壓力為0.05至5Mpa的條件下，熱壓10至300秒，在保持壓力的狀態(tài)下冷卻，形成氣體擴散電極；(5)將Nafion膜置于兩個帶催化層的氣體擴散電極之間，在溫度為100至140℃、壓力為3至10Mpa的條件下，熱壓30至300秒，在保持壓力的狀態(tài)下冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述在保持壓力的狀態(tài)下冷卻采用自然冷卻或水冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述PTFE乳液中PTFE濃度為2至35％，碳紙或碳布浸漬PTFE后取出在20至80℃溫度下干燥，放置于馬福爐中保溫；將VXC-72碳黑或乙炔黑與PTFE乳液混合漿料涂于導(dǎo)電基底上，在20至80℃溫度下干燥。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述VXC-72碳黑或乙炔黑與PTFE漿料中PTFE的百分含量為5至40％；熱壓后的氣體擴散層厚度為100至600微米，熱壓后的氣體擴散層比熱壓前的厚度減少1至20％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述催化劑漿料中Pt/C催化劑溶劑∶造孔劑∶Nafion溶液的份數(shù)配比為1-30∶10-100∶3-30∶1-10；Pt/C催化劑中Pt的含量為20至40％。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述溶劑是異丙醇和水混合溶劑，造孔劑采用碳酸氫銨、甲酸銨、乙酸銨或草酸銨。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述催化劑漿料涂于擴散層上采用噴涂或刷涂的方法涂于擴散層上；熱壓后的氣體擴散電極厚度為150至800微米，熱壓后的氣體擴散電極比熱壓前的厚度減少1至20％。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述Nafion膜采用Nafion112或Nafion115膜，熱壓后的膜電極厚度為350至1700微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，要解決的技術(shù)問題是使制備的膜電極具有優(yōu)良的整體電性能，包括以下步驟(1)將碳紙或碳布浸漬PTFE乳液中，干燥后制得導(dǎo)電基底；(2)將VXC－72碳黑或乙炔黑與PTFE乳液混合成漿料涂于導(dǎo)電基底上，干燥后形成氣體擴散層；(3)配制催化劑漿料；(4)催化劑漿料涂于擴散層上，熱壓后在保持壓力的狀態(tài)下冷卻，形成氣體擴散電極；(5)將Nafion膜置于兩個帶催化層的氣體擴散電極之間，熱壓后在保持壓力的狀態(tài)下冷卻；與現(xiàn)有技術(shù)相比，各層之間結(jié)合緊密，不容易分層，熱壓之后在有壓力狀態(tài)下冷卻電極，制備的電極不變形，不易產(chǎn)生缺陷，制備過程簡單，容易操作，重現(xiàn)性好。
文檔編號B05D5/12GK1713424SQ20041002786
公開日2005年12月28日 申請日期2004年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月23日
發(fā)明者張日清, 董俊卿 申請人:比亞迪股份有限公司