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。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種電化學(xué)電池，氫氣由陽極進(jìn)入并被氧化，氧氣再陰極消耗。氫氣氧化過程中釋放質(zhì)子，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)至陰極。質(zhì)子交換膜不傳導(dǎo)電子，故氫氣氧化產(chǎn)生的電子通過外電路傳遞至陰極，產(chǎn)生電流。

質(zhì)子交換膜燃料電池除具有燃料電池的一般特點(diǎn)如能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等之外，還具有可在室溫快速啟動(dòng)、體積小、無電解液流失、水易排出、壽命長、比功率與比能量高等突出特點(diǎn)。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池具有極其廣闊的應(yīng)用前景，它不僅可用于建設(shè)分散電站，也適宜于用作可移動(dòng)動(dòng)力電源，是軍民通用的一種新型可移動(dòng)動(dòng)力電源。在未來的以氫作為主要能量載體的氫能時(shí)代，它是最佳的家庭動(dòng)力電源。

超聲霧化噴涂是一種較新的制備燃料電池膜電極的方法，超聲噴涂利用超聲波振動(dòng)產(chǎn)生的毛細(xì)波霧化功能，對流經(jīng)超聲波換能器工作端的液體進(jìn)行霧化，產(chǎn)生微米級(jí)細(xì)小液滴；加入適當(dāng)壓力的壓縮氣體，使霧粒在氣流作用下，更加碎小、勻化，同時(shí)引導(dǎo)霧粒的運(yùn)行分向，增加霧化顆粒運(yùn)行動(dòng)力，從而達(dá)到對待涂物體表面的精密噴涂目的。英國伯明翰大學(xué)研究小組認(rèn)為，相比于其他涂覆方式，超聲霧化噴涂技術(shù)能通過超聲波創(chuàng)造特殊噴涂條件，使鉑碳催化劑納米顆粒高度分散，減少團(tuán)聚，為氧還原提供更高催化性能。該小組2011年發(fā)表論文，對比了超聲噴涂涂敷方式及手工涂敷方式對膜電極性能的影響，結(jié)果令人鼓舞。在實(shí)驗(yàn)中分別選取Pt載量0.4mg/cm²、0.15mg/cm²、0.05mg/cm²，得到最高功率分別為1.7w/cm²、4.5w/cm²、10.9w/cm²，并并與手工涂覆法進(jìn)行了比較，超聲噴霧法優(yōu)于手工涂覆。當(dāng)采用氫氣和氧氣作為燃料和氧化劑，陰極鉑載量為0.4mg/cm²，陽極怕載量為10.9w/cm²情況下，膜電極性能仍能達(dá)到0.5w/cm²，與采用手工涂敷的膜電極相比，性能提高約12％，與鉑載量為0.4mg/cm²膜電極性能(0.7w/cm²)相比也下降不多，說明超聲噴涂是一種有效的制備薄層涂層的方法。該研究小組認(rèn)為，超聲涂覆法能提供非常均勾的催化劑分布，因此能提供更好的電池性能。

因此，需要一種新的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極CCM的制備方法以解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極CCM的制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極CCM的制備方法采用如下技術(shù)方案：

一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極CCM的制備方法，包括以下步驟：

1)、制備催化劑漿料待用；

2)、將步驟1)得到的催化劑漿料放在超聲波設(shè)備中超聲處理；

3)、利用超聲霧化噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂，其中，超聲霧化設(shè)備包括吸盤、噴頭，設(shè)定吸盤的加熱溫度為70-120℃，噴頭距離吸盤的高度為15-30cm；

3)、利用吸盤將碳紙吸附在噴涂夾具的一側(cè)；

4)、當(dāng)吸盤溫度達(dá)到加熱溫度時(shí)，將質(zhì)子膜固定在噴涂夾具的另一側(cè)；

5)、啟進(jìn)料系統(tǒng)，將催化劑漿料送到噴頭的噴口；

6)、開始噴涂，先沿第一方向噴涂直至全面覆蓋噴涂夾具，然后沿第二方向噴涂直至全面覆蓋噴涂夾具，此為完成一遍噴涂，其中，第一方向和第二方向垂直；

7)、根據(jù)步驟6)的一遍噴涂完成噴涂夾具一側(cè)的噴涂，然后將噴涂夾具翻轉(zhuǎn)，按照步驟6)的一遍噴涂完成噴涂夾具另一側(cè)的噴涂，得到質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極CCM。

更進(jìn)一步的，步驟1)中制備催化劑漿料包括以下步驟：

一、稱取催化劑，將其置于去離子水中，超聲分散50-80min，得到催化劑溶液，催化劑溶液的質(zhì)量體積比為0.05-1g/mL；稱取5％的nafion溶液,將其置于分散劑中，配置得到分散溶液，分散溶液的質(zhì)量體積比為0.25-1g/mL的；

二、將分散溶液滴加催化劑溶液中，直至滴加完畢，得到漿液；

三、稱量步驟二得到的漿液的質(zhì)量和體積，當(dāng)漿液的密度為0.8-1.5g/mL時(shí)，利用高速剪切機(jī)對漿料進(jìn)行剪切20-40min；

四、剪切結(jié)束后，利用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)將漿液超聲波細(xì)胞粉碎20-40min，得到催化劑漿料。

更進(jìn)一步的，步驟一中催化劑為Pt/C催化劑。

更進(jìn)一步的，當(dāng)步驟三中漿液的密度低于0.8g/mL時(shí)，則繼續(xù)添加分散劑，直至漿液的密度為0.8-1.5g/ml，然后超聲分散并均勻攪拌漿液。

更進(jìn)一步的，步驟6)中開始噴涂包括以下步驟：先先復(fù)位噴頭，再啟動(dòng)噴涂按鈕。

更進(jìn)一步的，步驟2)中將步驟1)得到的催化劑漿料放在超聲波設(shè)備中超聲處理為在-15～0℃的冰水浴中進(jìn)行超聲處理。

更進(jìn)一步的，步驟三中利用高速剪切機(jī)對漿料進(jìn)行剪切。

更進(jìn)一步的，步驟一種所述分散劑為乙醇、乙二醇和丙酮。

更進(jìn)一步的，步驟2)中超聲處理的時(shí)間為50min以上。

有益效果：本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極CCM的制備方法，超聲噴涂工藝簡單，易于形成批量生產(chǎn)，這種方式可以制備薄層涂層，涂層均勻性好，同時(shí)漿料的利用率高，能達(dá)到85％以上。

附圖說明

圖1是質(zhì)子交換膜燃料電池的原理圖；

圖2是噴涂軌跡的示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的測試效果圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的測試效果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種不脫離本發(fā)明原理的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

實(shí)施例1:

一、催化劑漿料制備

1、將100mL、50mL的燒杯和玻璃棒洗凈，置于烘箱中干燥。

2、用電子天平稱取100mL空燒杯的質(zhì)量為m1。

3、用電子天平稱取2g催化劑，置于100mL燒杯中，再用量筒量取10mL去離子水加入燒杯中，將100mL燒杯放入超聲波分散機(jī)中，超聲分散50min。

4、以滴管、藥匙為工具，用電子天平準(zhǔn)確稱取10g 5％的nafion溶液置于潔凈的50mL燒杯中，再用50mL量筒量取20mL乙醇，配制成濃度為1％的分散溶液，待用；

5、用滴管往上述100mL燒杯中逐漸滴加步驟4的分散溶液，直至滴加完畢；

6、用乙醇將上述溶液定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，步驟5裝有漿液的100mL燒杯質(zhì)量應(yīng)該為m2，保證m2-m1＝90g，密度為0.8g/mL。用高速剪切機(jī)剪切，剪切時(shí)間為20min。

7、剪切結(jié)束后，將漿液轉(zhuǎn)移至超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，超聲頭伸入漿液中，超聲波細(xì)胞粉碎時(shí)間為20min。

二、噴涂工藝

1.將準(zhǔn)備好的Pt/C催化劑漿料(100ml燒杯裝)，放在超聲波設(shè)備中冰水浴(0℃)超聲處理50min以上，并用保鮮膜蓋住燒杯。

2.噴涂參數(shù)設(shè)置和夾具的準(zhǔn)備：

(1)程序設(shè)定吸盤的加熱溫度70℃，噴頭高度距離吸盤的高度調(diào)到15cm；

(2)用酒精棉將噴涂夾具(多孔鋁板)擦洗干凈，將噴涂夾具的中心多孔鋁板放在真空吸盤上的開孔處，將與鋁板大小一樣的碳紙放在鋁板上，啟動(dòng)抽真空按鈕，讓碳紙吸附在鋁板上；

(3)待設(shè)定加熱溫度到需要的溫度后，戴上干凈的手套，先用鑷子將質(zhì)子膜從護(hù)層上取下，固定在吸盤上的中心多孔鋁板上；

(4)啟動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)，先將催化劑漿料送到噴頭的噴口，關(guān)閉進(jìn)料系統(tǒng)；

(5)開始噴涂：先復(fù)位噴頭，再啟動(dòng)噴涂按鈕，噴涂軌跡如下：

其中，橫向沿著X軸方向噴涂，縱向?yàn)閅軸方向噴涂，先橫向噴涂后縱向噴涂為第一遍噴涂，噴涂5遍后將噴涂夾具翻轉(zhuǎn)，按上述工藝噴涂噴涂夾具的另一面，最終得到雙

其中，請參閱圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例1的測試效果圖。測試條件：電池溫度50℃化學(xué)計(jì)量比H2/Air＝1.2/2.5濕度：20％-50％。

常溫常濕膜電極測試結(jié)果0.6V@0.52W/cm²。

實(shí)施例2:

一、催化劑漿料制備

1、將100mL、50mL的燒杯和玻璃棒洗凈，置于烘箱中干燥。

2、用電子天平稱取100mL空燒杯的質(zhì)量為m1。

3、用電子天平稱取5g催化劑，置于100mL燒杯中，再用量筒量取10mL去離子水加入燒杯中，將100mL燒杯放入超聲波分散機(jī)中，超聲分散80min。

4、以滴管、藥匙為工具，用電子天平準(zhǔn)確稱取20g 5％的nafion溶液置于潔凈的50mL燒杯中，再用50mL量筒量取40mL丙酮，配制成濃度為4％的分散溶液，待用；

5、用滴管往上述100mL燒杯中逐漸滴加步驟4的分散溶液，直至滴加完畢；

6、用丙酮將上述溶液定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，步驟5裝有漿液的100mL燒杯質(zhì)量應(yīng)該為m2，保證m2-m1＝120g，密度為1.5g/mL。用高速剪切機(jī)剪切，剪切時(shí)間為40min。

7、剪切結(jié)束后，將漿液轉(zhuǎn)移至超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，超聲頭伸入漿液中，超聲波細(xì)胞粉碎時(shí)間為40min。

二、噴涂工藝

1.將準(zhǔn)備好的Pt/C催化劑漿料(100ml燒杯裝)，放在超聲波設(shè)備中冰水浴(-15℃)超聲處理50min以上，并用保鮮膜蓋住燒杯。

2.噴涂參數(shù)設(shè)置和夾具的準(zhǔn)備：

(1)程序設(shè)定吸盤的加熱溫度120℃，噴頭高度距離吸盤的高度調(diào)到30cm；

(2)用酒精棉將噴涂夾具(多孔鋁板)擦洗干凈，將噴涂夾具的中心多孔鋁板放在真空吸盤上的開孔處，將與鋁板大小一樣的碳紙放在鋁板上，啟動(dòng)抽真空按鈕，讓碳紙吸附在鋁板上；

(3)待設(shè)定加熱溫度到需要的溫度后，戴上干凈的手套，先用鑷子將質(zhì)子膜從護(hù)層上取下，固定在吸盤上的中心多孔鋁板上；

(4)啟動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)，先將催化劑漿料送到噴頭的噴口，關(guān)閉進(jìn)料系統(tǒng)；

(5)開始噴涂：先復(fù)位噴頭，再啟動(dòng)噴涂按鈕，噴涂軌跡如下：

其中，橫向沿著X軸方向噴涂，縱向?yàn)閅軸方向噴涂，先橫向噴涂后縱向噴涂為第一遍噴涂，噴涂5遍后將噴涂夾具翻轉(zhuǎn)，按上述工藝噴涂噴涂夾具的另一面，最終得到雙面噴涂催化劑的質(zhì)子交換膜燃料電池CCM。

其中，請參閱圖4所示，為本發(fā)明實(shí)施例2的測試效果圖。測試條件：電池溫度50℃化學(xué)計(jì)量比H2/Air＝1.2/2.5濕度：20％-50％。

常溫常濕膜電極測試結(jié)果0.6V@0.52W/cm²。