[发明专利]CCM制备膜电极的方法

说明书

技术领域

本发明是对丝网印刷制备质子交换膜燃料电池膜电极CCM制备方法的改进，特别是对申请人在先申请专利200710025554.7的进一步改进。

背景技术

膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心组件之一，是发生电化学反应区域。目前膜电极制备主要有两种方法：一种为将催化剂通过喷涂、网印、刮涂等方式，施于憎水化处理的碳纸上，制备气体扩散电极(GDE)，然后与质子交换膜(例如Nafion膜)热压组合；另一种为将催化剂通过喷涂、网印、刮涂涂等方式，施于质子交换膜上得到CCM，然后覆上气体扩散层，与扩散层组合。与GDE制备膜电极相比，CCM制备膜电极方法可以不进行热压，从而避免膜因热压而导致的损伤，且催化剂与质子交换膜接触密切，有利于电化学反应生成水对膜的润湿。

CCM方法制备膜电极，目前主要有直接法和转印法两种。转印法如中国专利CN1560949，CN1862855所述，先将催化剂浆料涂敷到转移介质表面，加热去掉溶剂后形成催化层，然后通过热压将催化层转移到质子交换膜上。该方法工艺比较复杂，制备成本较高，热压转印时催化层与膜的接触难以控制，膜和转移介质接触边缘受力不匀，容易导致膜的损伤；另外在转移过程中，由于转印不完全，使得部分催化剂粘在转移介质上，导致催化剂利用率下降。此外转移介质反复热压，易被破坏而不能重复使用，增加了制造成本。直接法如中国专利CN1477724所述，以低沸点、低粘度醇为分散剂，高沸点、高粘度醇为稳定剂制备催化剂浆料，然后直接涂覆在经过处理的质子交换膜上。直接法具有工艺简单，但催化剂浆料涂覆的质子交换膜，为十分薄的柔性膜，厚度极薄例如Nafion212、Nafion211厚度仅为50和25微米，很难平整固定，造成涂覆时膜的固定十分困难。现有技术通常采用将膜平铺在平面基板上，然后采用人工刷涂方法，手工刷涂催化剂，效率十分低下。丝网印刷可以实现对浆料的涂敷，较人工涂载催化剂有较高的生产效率，但丝网印刷过程中由于印刷辊需来回滚动，因此要求被涂膜必须牢靠固定。现有丝网印刷机，通常采用吸风固定被印物体，通过基板上众多吸风孔在吸风负压下使被印物体被吸牢在基台表面，为防止膜在印刷中受力移动，必须要有足够负压吸风。然而大的吸风易导致极薄的膜产生绉折出现不平整；此外，膜遇到水、乙醇等溶剂会发生溶涨，而配置催化剂浆料中通常含有醇类溶剂，在网印时会导致膜的溶胀变形。膜不平整，不仅导致在膜上涂载催化剂层的不均匀，一次合格率最高在80％左右，影响组装电堆性能，而且制备的膜电极重复性差，难以得到均匀一致的膜电极，导致组装电堆性能不均一。上述原因客观上难以采用丝网印涂敷催化剂。上述膜的平整固定，已经成为限制CCM方法高效制备膜电极的一大障碍，也是造成膜电极难以商业化应用的一个重要原因。

申请人在先申请专利200710025554.7丝网印刷CCM制备质子交换膜燃料电池膜电极方法，提出采用微孔平板载体负压吸风固定。较直接采用丝网印刷机基台，虽然解决了大孔吸风膜绉折难以铺平的不足，但催化剂浆料中溶剂导致膜溶胀缺陷依然存在，未能得到克服，且微孔基板使得吸风所需风机功率较高，增加了涂载催化剂能耗。上述不足仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种不仅可以高效率涂载催化剂，而且能确保膜平整稳固摊铺固定，心及避免在网印或喷涂催化剂时膜溶胀的CCM制备膜电极的方法。

本发明目的实现，主要改进是在网印或喷涂催化层时，在制备膜的溶剂没有完全挥发，将其摊铺于恒温基板，并立即进行丝网印刷或喷涂，从而既能使膜能平整固定，又消除了膜的溶胀，使得在喷涂或网印催化剂时膜不会发生移动、收缩，保证了膜在涂载催化剂时的平整。具体说，本发明CCM制备膜电极的方法，包括在膜上涂载催化剂层，烘干脱除溶剂，其特征在于制膜时溶剂没有完全挥发就平铺于无变形平板热载体，喷涂或丝网印刷催化剂层。