一种燃料电池膜电极的制备方法及其专用装置

摘要

本发明公开了一种燃料电池膜电极的制备方法及其专用装置，该方法包括：对Nafion‑115膜进行前处理；阳极扩散层的制备；阴极扩散层的制备；催化剂涂层膜的制备以及后处理工艺。所述专用装置是指兼具加热、真空吸附、丝网印刷于一体的可加热真空吸附丝印台。该制备方法简单，容易操作，成本低，制备的燃料电池膜电极具有优越的性能，不加膜电极的后续处理其性能在100mA/cm²下的电压也有0.488V，且功率密度峰值突破80mW/cm²。同时，此种生产燃料电池膜电极的工艺简单，浆液利用率高，低污染，低粉尘，低能耗，单位时间生产量大，性能优越等等特点，决定了它很适合燃料电池用膜电极的大规模生产。

主权项

一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对Nafion‑115膜进行前处理，备用；2)阳极扩散层的制备：将要丝印整平层的疏水处理的碳纸放置于多孔碳纸上，打开真空泵，调整网版上的有效网眼对准疏水碳纸；用滴管将浆液滴于网眼一端刮刀前端，手动用刮刀将浆液在网眼表面刮涂多次，获得预设计的乙炔黑载量的扩散层；其中，浆液的组成为乙炔黑，60％PTFE乳液，乙醇和水，PTFE占浆液干重的10％‑30％；将刷好整平层的碳纸置于干燥箱中40‑60℃干燥1天，除去整平层中的溶剂，然后将其放于马弗炉中340±5℃焙烧30‑60分钟；将制备好的阳极扩散层，置于真空干燥箱内备用；3)阴极扩散层的制备：将要丝印整平层的疏水处理的碳纸放置于多孔碳纸上，打开真空泵，调整网版上的有效网眼对准疏水碳纸；用滴管将浆液滴于网眼一端刮刀前端，手动用刮刀将浆液在网眼表面刮涂多次，直至获得预设计的乙炔黑载量的扩散层；其中，浆液的组成为乙炔黑，60％PTFE乳液，乙醇和水，PTFE占浆液干重的40％‑60％；将刷好整平层的碳纸置于干燥箱中40‑60℃干燥1天，除去整平层中的溶剂，然后将其放于马弗炉中340±5℃焙烧30‑60分钟；将制备好的阴极扩散层，置于真空干燥箱内备用；4)膜电极的制备：包括催化剂涂层膜的制备以及后处理工艺；步骤4)中，催化剂涂层膜的制备，具体操作如下：1)铺膜：先将加热器的加热开关打开，温度调节至40‑95℃加热，预热2小时候待温度稳定后打开真空泵将吸附平台抽取真空，待一切就绪将处理过的Nafion‑115膜用镊子夹出，置于吸附平台的多孔碳纸上，进行吸附干燥，吸附干燥10‑20分钟；2)丝网印刷制备膜电极①将网版下放置至真空吸附平台上，将网眼对准Nafion‑115膜的中心位置，用塑料吸管将配置好的阳极催化剂浆液滴加到网眼的一端，用刮板将浆液丝网印刷到膜上；其中，阳极催化剂浆液具体的配置步骤：称取JM公司的Pt/Ru黑催化剂，依次加入催化剂稳定剂‑去离子水、浆液稀释剂乙醇与异丙醇的混合溶剂、增稠剂乙二醇或者甘油、粘结剂5％Nafion溶液；Pt/Ru黑催化剂、催化剂稳定剂、浆液稀释剂、增稠剂、粘结剂的质量比为1：0.5～1：0.3～1：0.1～0.3：2.2～6.6，再滴加助溶剂3‑10滴的二甲基亚砜，固含量保持在18％以上，混合后超声搅拌30‑60分钟，然后乳化机8000r/min‑15000r/min下乳化20‑60分钟，粘度值保持在30‑55mPa·s，密封，10℃下保存；②将上述丝网印刷好的单侧膜电极继续吸真空干燥30min；然后翻面用称量纸盖住催化层，放置在真空吸附平台的多孔碳纸上，打开真空泵，续阴极侧担载催化层的制备；③采用预先制备的阴极浆液，重复步骤①的操作，制备完成后吸真空干燥30min；其中，阴极浆液的具体配置步骤：称取昆山桑莱特公司的hyCa60催化剂，依次加入催化剂稳定剂水、浆液稀释剂乙醇与异丙醇的混合溶剂、增稠剂乙二醇或者甘油、粘结剂5％Nafion溶液，五种成分的质量比固定在1：2～5：10～15：0.5～2：2.2～6.6，再滴加助溶剂3‑10滴的二甲基亚砜，固含量保持在6％～7.5％之间，混合后超声搅拌30‑60分钟，然后乳化机8000r/min‑15000r/min下乳化20‑60分钟，粘度值保持在30‑55mPa·s，密封，10℃下保存；将制备好的CCM放于去离子水中密封，备用；步骤4)中，后处理工艺如下：1)将密封保存的膜电极取出，调整辊压机两个滚筒间的距离为0.12‑0.15mm，转速为低速，横竖交替滚压2～4遍；2)将上述滚压过的CCM放入烧杯中，先进行水煮，条件：水浴锅下80～95℃水煮，持续30‑60分钟，冷却至室温；然后在0.5mol/L‑2.0mol/L范围的H₂SO₄条件下80～95℃酸煮30‑60分钟；取出，冷却至室温，再用去离子水80～95℃下水洗1小时，然后取出CCM，放入去离子水中备用；3)将上述制备好的扩散层裁剪，略大于极板的流场尺寸，然后将扩散层与CCM的有效面积对齐，用镜面板夹住，送入热压机进行热压，条件：压力50‑150kg/cm，温度100‑135℃，1‑5min。