一种一体化燃料电池膜电极的制作方法

摘要

本发明一种一体化燃料电池膜电极的制作方法属于燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池膜电极的制作方法。该制作方法是首先制作具有微孔层的阴极、阳极扩散层，然后制备阴极催化层、阴极催化-质子交换过渡层、质子交换层、阳极催化-质子交换过渡层和阳极催化层的功能层悬浮液或溶液，最后，以阴极或阳极扩散层为基底，利用电流体动力雾化方法将各功能层悬浮液或溶液层层沉积累加，完成一体化膜电极的沉积成型。本发明是利用电流体动力雾化层层沉积累加，并有序改变沉积悬浮液，制作具有整体一体化内部各功能层结构有序变化的膜电极。本发明工艺简单、加工成本低，可实现低成本膜电极的批量制作。

主权项

一种一体化燃料电池膜电极的制作方法，其特征是，首先制作具有微孔层的阴极扩散层（1）及阳极扩散层（2），然后制备阴极催化层（3）、阴极催化‑质子交换过渡层（4）、质子交换层（5）、阳极催化‑质子交换过渡层（6）和阳极催化层（7）的功能层悬浮液或溶液，最后，以阴极扩散层（1）或阳极扩散层（2）为扩散层基底，利用电流体动力雾化方法将各功能层悬浮液或溶液层层沉积累加，完成一体化膜电极（8）的沉积成型；具体工艺步骤如下：第一步具有微孔层的阴极、阳极扩散层（1、2）的制备具有微孔层的阴极扩散层（1）的制备：将一定质量的碳粉与乙醇混合，磁力搅拌5～10分钟，然后加入一定量PTFE溶液和Nafion溶液，再超声分散1～2小时，形成碳悬浮溶液，其中碳粉与乙醇、PTFE溶液、Nafion溶液的质量比例为1：30～50：1～7：4～10；将碳悬浮液均匀的涂在碳纸上，使碳担载量为2～5mg/cm2，然后，分别在250℃加热30分钟和在350℃加热1小时，两次干燥处理，形成具有微孔层的阴极扩散层（1）；具有微孔层的阳极扩散层（2）的制备：将一定质量的碳粉与乙醇混合，磁力搅拌5～10分钟，然后加入一定量Nafion溶液，再超声分散1～2小时，形成碳悬浮溶液，其中碳粉与乙醇、Nafion溶液的质量比例为1：30～50：4～10；将碳悬浮液均匀的涂在碳纸上，使碳担载量为2～5mg/cm2，再经过室温干燥，形成具有微孔层的阳极扩散层（2）；第二步各功能层悬浮液或溶液的制备阴极催化层悬浮液（9）的制备：将一定质量的Pt/C粉末先与去离子水混合，磁力搅拌5～10分钟，再加入一定量的乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液与Pt/C的质量比为2～5：1，超声分散1～2小时后，得到阴极催化层悬浮液（9）；阴极催化‑质子交换过渡层悬浮液（10）的制备：将一定质量的Pt/C粉末先与去离子水混合，磁力搅拌5～10分钟，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion 溶液与Pt/C的质量比为10～20：1，超声分散1～2小时后，得到阴极催化‑质子交换过渡层悬浮液（10）；质子交换层溶液（11）的制备：在Nafion溶液中加入一定量甲醇，Nafion溶液与甲醇按2～10：1的比例混合，磁力搅拌1～2小时，得到质子交换层溶液（11）；阳极催化‑质子交换过渡层悬浮液（12）的制备：将一定质量的Pt‑Ru/C粉末先与去离子水混合，磁力搅拌5～10分钟，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液与Pt‑Ru/C的质量比为10～20：1，超声分散1～2小时，得到阳极催化‑质子交换过渡层悬浮液（12）；阳极催化层悬浮液（13）的制备：将一定质量的Pt‑Ru/C粉末先与去离子水混合，磁力搅拌5～10分钟，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液与Pt‑Ru/C的质量比为2～5：1，超声分散1～2小时，得到阳极催化层悬浮液（13）；第三步一体化膜电极（8）的沉积成型一体化膜电极（8）采用电流体动力雾化技术进行层层沉积累加成型，首先根据阴极扩散层（1）或阳极扩散层（2）的面积设置移动平台（14）的移动距离、速度及格栅间距，然后，通过调节高压电源（15）的电压、注射泵（16）的流量及雾化针头（17）与扩散层基底之间高度，保证各功能层悬浮液在雾化针头（17）的出口处形成稳定的雾化模式，进行各功能层悬浮液的逐层沉积累加成型；其中，在沉积质子交换层（5）过程中，每沉积完一层需要使其在电热板上加热以去除溶剂，减小应力集中。