專利名稱：絲網(wǎng)印刷制備質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極(ccm)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極(CCM)的制備方法，尤其 是對(duì)絲網(wǎng)印刷制備質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極(CCM)的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池，膜電極由陽(yáng)極多孔氣體擴(kuò)散電極、電解質(zhì)膜和 陰極多孔氣體擴(kuò)散電極，通過(guò)熱壓等技術(shù)將兩電極復(fù)合在膜的兩面構(gòu)成三 合一組件。多孔氣體擴(kuò)散電極通常由擴(kuò)散層和催化層構(gòu)成，擴(kuò)散層是憎水 化處理的碳紙，催化層是由電催化劑(例如碳載鉑)和固體聚合物電解質(zhì) (例如Nafion)構(gòu)成。陽(yáng)極催化層和陰極催化層涂敷到電解質(zhì)膜上形成的 三合一結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為CCM( catalyst coating membrane) 。 CCM在燃料電池 中應(yīng)用具有許多優(yōu)點(diǎn)，如擴(kuò)散可以不通過(guò)熱壓與CCM復(fù)合在一起，有效地 保護(hù)了膜不受熱壓損傷；催化劑與電解質(zhì)膜接觸密切，有利于促進(jìn)電化學(xué) 反應(yīng)生成水潤(rùn)是膜等。
現(xiàn)有技術(shù)制備CCM，采用多種方法將催化層涂敷到電解質(zhì)膜上，如噴涂、 刮涂和絲網(wǎng)印刷等，其中絲網(wǎng)印刷具有操作和工藝簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)，涂載催化層 被較多采用。目前絲網(wǎng)印刷制備CCM主要有兩種方法， 一種為直接法，如 中國(guó)專利CN1477724所述，絲網(wǎng)印刷載膜基板為帶大孔金屬板，而極薄的 涂載基如Nafion212、 Naf ion211厚度僅為50和25微米，真空吸附很難平 鋪，易造成膜的縐折；其次，電解質(zhì)膜遇到水、乙醇等溶劑會(huì)發(fā)生溶漲， 很難固定在絲網(wǎng)印刷機(jī)基板上，印刷過(guò)程會(huì)發(fā)生基膜移動(dòng)，不僅導(dǎo)致基膜 上涂抹的催化劑不均勻，而且給重復(fù)地制備CCM帶來(lái)困難，難以得到的理 想的CCM。另一種為間接步驟轉(zhuǎn)印法，如中國(guó)專利CN1560949, CN1862855 所述，必須先將催化劑漿料涂敷到轉(zhuǎn)移介質(zhì)上，加熱去掉溶劑，在介質(zhì)上 形成催化劑層，然后通過(guò)熱壓將催化劑層轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換膜上。該方法雖 然可以獲得良好催化層的CCM，但工藝比較復(fù)雜，需采用多步操作才能完 成，增加了制備成本；其次，此法在轉(zhuǎn)印時(shí)催化層與膜的接觸不是很理想， 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種基膜能夠平直 不縐折平鋪，基膜固定穩(wěn)固，印刷時(shí)不會(huì)收縮、移動(dòng)，方法簡(jiǎn)單，催化層
與膜接觸良好的絲網(wǎng)印刷制備質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極(CCM)的方法。 本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)，其特征是采用微孔板作為印刷承載基板，既能達(dá)到 薄膜平直不縐折平鋪，又在印刷時(shí)膜不會(huì)發(fā)生收縮、移動(dòng)，從而可以在基 膜表面均勻涂載催化層。具體說(shuō)，本發(fā)明絲網(wǎng)印刷制備質(zhì)子交換膜燃料電 池膜電極(CCM)的方法，包括制備鈉型膜，平鋪放于平板載體上絲網(wǎng)印刷 催化劑與固體聚合物電解質(zhì)混合溶液，烘干脫除溶劑，其特征在于所述平 板載體為微孔板，并由負(fù)壓使基膜吸附于該微孔板載體表面。 本發(fā)明中
制備鈉型電解質(zhì)膜，其作用是使鈉離子置換膜磺酸基團(tuán)上的氫離子， 以降低膜在水等溶劑中的溶漲率，可以采用通常方法如0. 1 5mol/L氯化 鈉、氫氧化鈉溶液浸泡，例如2 4小時(shí)。
微孔承載基板主要作用， 一是作為印刷基膜的支承載體，二是其多微 孔性可以使薄膜在負(fù)壓吸附下使膜緊密貼合，不會(huì)產(chǎn)生縐折，以及在印刷 過(guò)程中穩(wěn)固不移動(dòng)，因此可以采用任意具有微孔的平板，例如但不限于微 孔塑料板、燒結(jié)多孔玻璃板，本發(fā)明優(yōu)選采用燒結(jié)多孔玻璃板，其孔徑細(xì) 小且直通，更有利于膜的負(fù)壓吸附。試驗(yàn)比較孔徑，較好采用0.01-5微米， 最好為0.5-2微米，細(xì)的孔徑更有利于薄膜的不縐折平鋪和穩(wěn)固；板厚較 好為5-10毫米，過(guò)薄則強(qiáng)度較低，不利于印刷和真空吸附，過(guò)厚會(huì)使真空 吸附力增大，浪費(fèi)能源。
電解質(zhì)膜另一面催化層印刷涂載，可以把膜反過(guò)來(lái)印刷，如果陰極和 陽(yáng)極的催化劑種類及負(fù)載量不同，也可以采取分步印刷，或采用兩臺(tái)印刷 機(jī)分別印刷。
本發(fā)明方法，由于采用微孔板作載膜基板真空吸附固定，有效克服了 絲網(wǎng)印刷膜易縐折及印刷時(shí)膜會(huì)移動(dòng)的兩大技術(shù)缺陷，帶來(lái)的涂載催化層 不均勻，影響CCM膜性能的缺陷，可以直接絲網(wǎng)印刷，不必采用多步驟轉(zhuǎn) 移方法，具有工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，可以確保薄膜不縐折平鋪，及印刷 過(guò)程膜不移位、不變形、使印刷催化層均勻。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:將長(zhǎng)和寬均為10.5厘米的Nafion212電解質(zhì)膜，在40 60 'C下，放入lmol/L的氯化鈉溶液中浸泡2小時(shí)轉(zhuǎn)化為鈉型膜，涼干，80°C 烘干1小時(shí)。放在平均孔徑為0. 6微米、厚10毫米多孔燒結(jié)玻璃板上，啟 動(dòng)真空固定膜，調(diào)節(jié)好水平，使絲網(wǎng)印刷機(jī)的絲網(wǎng)在適度壓力下可以與多 孔板密切均勻接觸；再把含鉑為40%的碳載鉑催化劑與美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的 含Nafion5y。的電解質(zhì)溶液，按質(zhì)量比3: 1的比例均勻混合，加入異丙醇溶 液配制成20%溶液，在超聲波內(nèi)震蕩制成墨汁狀液體，倒在絲網(wǎng)上，印刷一 個(gè)往復(fù)，膜的四周有0.5厘米采用膠帶紙等物品遮蓋不被印上催化劑。停 機(jī)、釋放真空取下膜，80'C烘干1小時(shí)，稱重，視印刷量決定是否補(bǔ)充印 刷(兩次稱重的重量差即為涂敷催化劑與Nafion的重量)；重復(fù)上述印刷 步驟，印刷另一面催化層。把得到CCM在80-10(TC下烘烤30分鐘，脫除溶 劑；再分別用0. 1 5mol/L硫酸溶液煮沸0. 5 3小時(shí)，將膜轉(zhuǎn)化為氫離子 型，再用3%雙氧水煮沸1小時(shí)除去有機(jī)雜質(zhì)，清洗干凈就得到可以使用的 CCM。 '
實(shí)施例2:將長(zhǎng)和寬均為10.5厘米的Nafion212電解質(zhì)膜，放入 0. 5mol/t的氫氧化鈉溶液中浸泡1小時(shí)轉(zhuǎn)化為鈉型膜，微孔板采用塑料板，' 其余同上。
權(quán)利要求
1、絲網(wǎng)印刷制備質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極(CCM)的方法，包括制備鈉型膜，平鋪放于平板載體上絲網(wǎng)印刷催化劑與固體聚合物電解質(zhì)混合溶液，烘干脫除溶劑，其特征在于所述平板載體為微孔板，并由負(fù)壓使基膜吸附于該微孔板載體表面。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述絲網(wǎng)印刷制備質(zhì)子交換膜燃料電,池膜電極(CCM) 的方法，其特征在于微孔板孔徑為0.01-5微米。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述絲網(wǎng)印刷制備質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極(CCM) 的方法，其特征在于微孔板孔徑為0. 5-2微米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述絲網(wǎng)印刷制備質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極(CCM) 的方法，其特征在于微孔板厚度為5-10毫米。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3或4所述絲網(wǎng)印刷制備質(zhì)子交換膜燃料電池膜 電極(CCM)的方法，其特征在于微孔板為燒結(jié)玻璃板。
全文摘要
本發(fā)明是對(duì)絲網(wǎng)印刷制備質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極(CCM)方法的改進(jìn)，其特征是承載印刷基膜的平板載體為微孔板，并由負(fù)壓使基膜吸附于該微孔板載體表面。本發(fā)明方法有效克服了絲網(wǎng)印刷膜易縐折及印刷時(shí)膜會(huì)移動(dòng)的兩大技術(shù)缺陷，帶來(lái)的涂載催化層不均勻，影響CCM膜性能的缺陷，可以直接絲網(wǎng)印刷，不必采用多步驟轉(zhuǎn)移方法，具有工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，可以確保薄膜不縐折平鋪，及印刷過(guò)程膜不移位、不變形、使印刷催化層均勻。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101359741SQ20071002555
公開(kāi)日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2007年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月2日
發(fā)明者劉常福, 張茂鋒, 徐洪峰, 紀(jì)志勇 申請(qǐng)人:江蘇新源動(dòng)力有限公司