專利名稱：一種一體化燃料電池膜電極的制作方法
一種一體化燃料電池膜電極的制作方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種一體化燃料電池膜電極的制作方法。
技術(shù)背景
燃料電池是一種新型的清潔能源，能夠直接將燃料的化學(xué)能高效和清潔地轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在交通、電子、航空、國防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。燃料電池具有能量密度高、環(huán)境友好、操作簡便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。
膜電極是燃料電池的核心部件，是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，也是決定燃料電池性能的關(guān)鍵因素。常用的膜電極由3部分組成，居中的質(zhì)子交換膜及分別對(duì)稱于質(zhì)子交換膜的陰、陽極催化層。膜電極的性能與其結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，利用先進(jìn)制作方法及工藝改善膜電極結(jié)構(gòu)對(duì)提高燃料電池性能具有重要的意義。目前膜電極的結(jié)構(gòu)是由相對(duì)獨(dú)立的質(zhì)子交換膜及陰、陽極催化層組成。其制作過程通常是先利用商業(yè)化生產(chǎn)的Nafion質(zhì)子交換膜，然后把陰、陽極催化劑通過直接刮涂、噴涂、轉(zhuǎn)壓或?yàn)R射的方法成型到質(zhì)子交換膜兩側(cè)形成催化層，并經(jīng)過后續(xù)離子交換等工藝制作成含有兩側(cè)催化層的膜電極?，F(xiàn)有膜電極制作過程是把質(zhì)子交換膜及陰陽極催化層各功能層看作成了獨(dú)立單元，各功能層之間具有明顯界面。膜電極在工作的過程中除了電化學(xué)反應(yīng)外，內(nèi)部還在進(jìn)行著一定的流體和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，主要包括CO2和H2O排出流動(dòng)，以及Nafion膜在吸水和失水時(shí)的膨脹和收縮。所以這種由獨(dú)立單元組合加工制作的膜電極經(jīng)過長時(shí)間工作及受力，容易導(dǎo)致各功能層界面分層錯(cuò)位，阻礙膜電極內(nèi)部反應(yīng)物及生成物的傳輸，增大燃料電池的歐姆阻抗及傳質(zhì)阻抗，影響燃料電池的輸出性能。而且，目前大部分利用噴涂、轉(zhuǎn)壓或?yàn)R射方法制作成的膜電極各功能層內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)單一，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控性差，也不能滿足高性能膜電極對(duì)其內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)有序變化并構(gòu)成立體空間網(wǎng)絡(luò)傳輸體系的要求。再而，現(xiàn)有制作膜電極方法需要多種工藝結(jié)合，例如在轉(zhuǎn)壓之前需要涂敷工藝，其操作步驟繁多，需要多種設(shè)備結(jié)合，增加了制作過程中的不穩(wěn)定性，也增加了制作膜電極的時(shí)間和成本。
申請(qǐng)人為比亞迪股份有限公司的專利，專利號(hào)ZL 200410052120. 2中公開了一種具有一體化結(jié)構(gòu)的燃料電池膜電極的制備方法，該方法是以高分子樹脂作為密封材料，將其溶解后，澆鑄在碳紙周邊預(yù)留的待處理密封區(qū)域，在碳紙中間部位涂覆擴(kuò)散層，然后在質(zhì)子交換膜的對(duì)應(yīng)位置兩面分別涂覆上陰極、陽極催化層，最后，通過熱壓制成一體化結(jié)構(gòu)的多層膜結(jié)構(gòu)。所述專利公開的制作一體化膜電極的方法，只是在外部結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，利用密封框以保證電池的絕緣性和氣體阻隔性，其缺點(diǎn)是內(nèi)部膜電極依然利用傳統(tǒng)的涂覆、熱壓的方法制得，還是把各功能層作為獨(dú)立單元進(jìn)行整合制作，并沒有改變膜電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)，依然存在傳統(tǒng)膜電極內(nèi)部容易分層及結(jié)構(gòu)單一的缺陷。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服上述技術(shù)的不足之處，提供一種一體化燃料電池膜電極成型方法，利用電流體動(dòng)力霧化技術(shù)，沉積精度高(納米級(jí))、可控性好、材料適應(yīng)性廣的優(yōu)勢(shì)，通過在納米尺度層層累加沉積膜電極各功能層，并在沉積過程中改變結(jié)構(gòu)和材料成分，可使膜電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料有序變化。所述方法實(shí)現(xiàn)了具有整體一體化、內(nèi)部各功能層結(jié)構(gòu)有序變化的膜電極的加工成型。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種一體化燃料電池膜電極的制作方法，其特征是，首先制作具有微孔層的陰極擴(kuò)散層ι及陽極擴(kuò)散層2，然后制備陰極催化層3、陰極催化-質(zhì)子交換過渡層4、質(zhì)子交換層5、陽極催化-質(zhì)子交換過渡層6和陽極催化層7的功能層懸浮液或溶液，最后，以陰極擴(kuò)散層1或陽極擴(kuò)散層2為基底，利用電流體動(dòng)力霧化方法將各功能層懸浮液或溶液層層沉積累加，完成一體化膜電極8的沉積成型；具體工藝步驟如下
第一步具有微孔層的陰極、陽極擴(kuò)散層1、2的制備
具有微孔層的陰極擴(kuò)散層1的制備將一定質(zhì)量的碳粉與乙醇混合，磁力攪拌5 10分鐘，然后加入一定量PTFE溶液和Nafion溶液，再超聲分散1 2小時(shí)，形成碳懸浮溶液，其中碳粉與乙醇、PTFE溶液、Nafion溶液的質(zhì)量比例為1 30 50 1 7 4 10 ；將碳懸浮液均勻的涂在碳紙上，使碳擔(dān)載量為2 5mg/cm2，然后，分別在250°C加熱30 分鐘和在350°C加熱1小時(shí)，兩次干燥處理，形成具有微孔層的陰極擴(kuò)散層1 ；
具有微孔層的陽極擴(kuò)散層2的制備將一定質(zhì)量的碳粉與乙醇混合，磁力攪拌5 10分鐘，然后加入一定量Nafion溶液，再超聲分散1 2小時(shí)，形成碳懸浮溶液，其中碳粉與乙醇、Nafion溶液的質(zhì)量比例為1 30 50 4 10 ；將碳懸浮液均勻的涂在碳紙上， 使碳擔(dān)載量為2 5mg/cm2，再經(jīng)過室溫干燥，形成具有微孔層的陽極擴(kuò)散層2 ；
第二步各功能層懸浮液或溶液的制備
陰極催化層懸浮液9的制備將一定質(zhì)量的Pt/C粉末先與去離子水混合，磁力攪拌5 10分鐘，再加入一定量的乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液與Pt/C的質(zhì)量比為 2 5 1，超聲分散1 2小時(shí)后，得到陰極催化層懸浮液9;
陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液10的制備將一定質(zhì)量的Pt/C粉末先與去離子水混合，磁力攪拌5 10分鐘，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液與Pt/ C的質(zhì)量比為10 20 1，超聲分散1 2小時(shí)后，得到陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液10 ；
質(zhì)子交換層溶液11的制備在Nafion溶液中加入一定量甲醇，Nafion溶液與甲醇按2 10 1的比例混合，磁力攪拌1 2小時(shí)，得到質(zhì)子交換層溶液11;
陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液12的制備將一定質(zhì)量的Pt-Ru/C粉末先與去離子水混合，磁力攪拌5 10分鐘，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液與 Pt-Ru/C的質(zhì)量比為10 20 1，超聲分散1 2小時(shí)，得到陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液12 ；
陽極催化層懸浮液13的制備將一定質(zhì)量的Pt-Ru/C粉末先與去離子水混合，磁力攪拌5 10分鐘，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液與Pt-Ru/C的質(zhì)量比為2 5 1，超聲分散1 2小時(shí)，得到陽極催化層懸浮液13;
第三步一體化膜電極8的沉積成型
一體化膜電極8采用電流體動(dòng)力霧化技術(shù)進(jìn)行層層沉積累加成型，首先根據(jù)陰極擴(kuò)散層1或陽極擴(kuò)散層2的面積設(shè)置移動(dòng)平臺(tái)14的移動(dòng)距離、速度及格柵間距，然后，通過調(diào)節(jié)高壓電源15的電壓、注射泵16的流量及霧化針頭17與擴(kuò)散層基底之間高度，保證各功能層懸浮液在針頭17的出口處形成穩(wěn)定的霧化模式，進(jìn)行各功能層懸浮液的逐層沉積累加成型；其中，在沉積質(zhì)子交換層5過程中，每沉積完一層需要使其在電熱板上加熱以去除溶劑，減小應(yīng)力集中。
一種一體化燃料電池膜電極的制作方法，其特征是，一體化膜電極8各功能層懸浮液或溶液沉積順序?yàn)橄纫躁帢O擴(kuò)散層1為基底，依次沉積陰極催化層懸浮液9、陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液10、質(zhì)子交換層溶液11、陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液12 及陽極催化層懸浮液13 ；或者先以陽極擴(kuò)散層2為基底，依次沉積陽極催化層懸浮液13、陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液12、質(zhì)子交換層溶液11、陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液10及陰極催化層懸浮液9。
本發(fā)明的顯著效果是采用此工藝制作的燃料電池膜電極具有整體一體化內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料有序變化、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。利用電流體動(dòng)力霧化層層沉積累加的方法，并有序改變沉積懸浮液和溶液，使催化層與質(zhì)子交換膜之間具有過渡層結(jié)構(gòu)，可以改善傳統(tǒng)工藝制備膜電極界面分層明顯的缺點(diǎn)，增加催化層與質(zhì)子交換膜之間的結(jié)合性能。在沉積過程中通過調(diào)整霧化參數(shù)及材料，可以沉積具有不同結(jié)構(gòu)的催化層，以適應(yīng)高性能的膜電極對(duì)內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)的變化及構(gòu)成立體空間網(wǎng)絡(luò)傳輸體系的需要。電流體動(dòng)力霧化沉積成型一體化膜電極的方法工藝簡單，加工成本低，可實(shí)現(xiàn)低成本膜電極的批量制作。


圖1為一體化膜電極制作工藝流程圖，圖2為電流體動(dòng)力霧化裝置示意圖，其中 1-陰極擴(kuò)散層，2-陽極擴(kuò)散層，3-陰極催化層，4-陰極催化-質(zhì)子交換過渡層，5-質(zhì)子交換層、6-陽極催化-質(zhì)子交換過渡層，7-陽極催化層，8-—體化膜電極，9-陰極催化層懸浮液，10-陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液，11-質(zhì)子交換層溶液，12-陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液，13-陽極催化層懸浮液，14-移動(dòng)平臺(tái)，15-高壓電源，16-注射泵，17-針頭， 18-硅橡膠管，19-不銹鋼接地基板，20-計(jì)算機(jī)，21-顯微鏡，22-液體霧化錐柱，a-沉積成型陰極催化層，b-沉積成型陰極催化-質(zhì)子交換過渡層，C-沉積成型質(zhì)子交換層，d-沉積成型陽極催化-質(zhì)子交換過渡層，e-沉積成型陽極催化層，f- 一體化膜電極。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。首先制備各功能層包括陰陽極催化層和質(zhì)子交換層的懸浮液和溶液，然后利用電流體動(dòng)力霧化沉積各功能層懸浮液和溶液，實(shí)現(xiàn)一體化膜電極的成型。電流體動(dòng)力霧化是流體在電場(chǎng)力和機(jī)械力的作用下會(huì)發(fā)生霧化并分裂成細(xì)小的沉積滴。當(dāng)足夠的電場(chǎng)力加在帶電流體表面時(shí)，電場(chǎng)剪切力會(huì)把液滴延長，形成錐柱和射流，由于流體表面電荷的加速，射流會(huì)進(jìn)一步分裂成納米級(jí)尺寸的沉積滴。在電流體動(dòng)力霧化過程中，會(huì)形成具有不同流體霧化特征的霧化模式，其中， 錐柱模式具有沉積滴尺寸小、分散均勻、穩(wěn)定易控的優(yōu)勢(shì)。本方法利用電流體動(dòng)力霧化的錐柱霧化模式，利用制備的各功能層懸浮液和溶液，通過對(duì)電流體動(dòng)力霧化參數(shù)的調(diào)控，層層沉積累加成型膜電極內(nèi)部陰、陽極催化層和質(zhì)子交換層。所述方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)膜電極的各功能層納米級(jí)層層累加沉積，通過對(duì)層層結(jié)構(gòu)及材料的調(diào)控，可成型具有整體一體化、內(nèi)部各功能層結(jié)構(gòu)有序變化的膜電極。
實(shí)施案例1 一種一體化膜電極各功能層懸浮液或溶液沉積順序?yàn)橐躁帢O擴(kuò)散層1為基底，依次沉積陰極催化層懸浮液9、陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液10、質(zhì)子交換層溶液11、陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液12及陽極催化層懸浮液13。具體工藝步驟如下
第一步具有微孔層的陰極擴(kuò)散層1的制備
先將0. 05g碳粉與2. 5g乙醇磁力攪拌混合5分鐘，再加入0. 35gPTFE溶液及0. 2g 的5wt% Nafion溶液，超聲混合分散2小時(shí)，形成碳懸浮溶液，其中碳粉與乙醇、Nafion 溶液、PTFE溶液的質(zhì)量比例為1 50 7 4;將制備的碳懸浮液均勻的涂敷在面積為 15mmX 15mm碳紙上，使碳擔(dān)載量為2mg/cm2，然后分別在250°C加熱30分鐘及在350°C加熱 1小時(shí)，兩次干燥處理，形成具有微孔層結(jié)構(gòu)的陰極擴(kuò)散層1 ；
第二步各功能層懸浮液或溶液的制備
陰極催化層懸浮液9的制備先將0. 05g的Pt/C粉末與1. 5g去離子水磁力攪拌混合5分鐘，然后加入1. 5g乙醇和0. Ig的5wt% Nafion溶液，Nafion溶液與Pt/C的質(zhì)量比為2 1，超聲混合分散2小時(shí)，形成陰極催化層懸浮液9 ；
陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液10的制備先將0. 05g的Pt/C粉末與1. 5g去離子水磁力攪拌混合5分鐘，然后加入1. 5g乙醇和Ig的5wt% Nafion溶液，Nafion溶液與Pt/C的質(zhì)量比為20 1，超聲混合分散2小時(shí)，形成陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液 10 ；
質(zhì)子交換層溶液11的制備在4g的5襯％的Nafion溶液中加入2g甲醇，Nafion 溶液與甲醇質(zhì)量比為2 1，磁力攪拌混合1小時(shí)，得到質(zhì)子交換層溶液11 ；
陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液12的制備將0. 05g的Pt-Ru/C粉末與0. 5g 去離子水磁力攪拌混合5分鐘，然后加入Ig乙醇和Ig的5wt% Nafion溶液，Nafion溶液與Pt-Ru/C的質(zhì)量比為20 1，超聲分散混合2小時(shí)，形成陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液12 ；
陽極催化層懸浮液13的制備先將0. 05g的Pt-Ru/C粉末與0. 5g去離子水磁力攪拌混合5分鐘，然后加入Ig乙醇和0. 2g的5wt% Nafion溶液，Nafion溶液與Pt-Ru/C 的質(zhì)量比為2 1，超聲分散混合2小時(shí)，形成陽極催化層懸浮液13 ；第三步一體化膜電極 8的制作
一體化膜電極8由陰極擴(kuò)散層1、陰極催化層3、陰極催化-質(zhì)子交換過渡層4、質(zhì)子交換層5、陽極催化-質(zhì)子交換過渡層6和陽極催化層7組成，如圖1(f)所示。一體化膜電極8采用電流體動(dòng)力霧化技術(shù)進(jìn)行層層沉積累加成型，其裝置示意圖如圖2所示。陰極擴(kuò)散層1或陽極擴(kuò)散層2基底借助移動(dòng)平臺(tái)14以一定的速度及格柵間隔一層橫向及一層縱向格柵式累加移動(dòng)，中空的針頭17與O 15kV的高壓電源15相接，針頭17下端的不銹鋼接地基板19與地線相連，各功能層懸浮液或溶液由注射泵16經(jīng)硅橡膠管18推入針頭 17 ；高壓電源15的作用為在針頭17與不銹鋼接地基板19之間提供靜電場(chǎng)。
具有一體化結(jié)構(gòu)的燃料電池膜電極采用電流體動(dòng)力霧化層層沉積累加成型的制作方法。其具體工藝步驟如圖1所示首先利用第二步制備的陰極催化層懸浮液9，通過電流體動(dòng)力霧化技術(shù)層層累加沉積到在第一步所得到的陰極擴(kuò)散層1上；在霧化沉積陰極催化層3過程中，見圖1 (a)，陰極擴(kuò)散層1借助移動(dòng)平臺(tái)14以一層橫向及一層縱向格柵式累加移動(dòng)，在每一層橫向及縱向移動(dòng)過程中，根據(jù)陰極擴(kuò)散層1面積設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)14橫向、縱向移動(dòng)距離均為16mm，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)14軸向速度和平行格柵間間距分別為3. 2mm/s和0. 4mm,高壓電源15電壓為3kV，注射泵16流量為0. 33 X l(Tlclm7s，針頭17與陰極擴(kuò)散層1高度為5mm ；陰極催化層3沉積層數(shù)為80層，Pt/C的擔(dān)載量為ang/cm2 ；
利用第二步制備的陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液10進(jìn)行陰極催化-質(zhì)子交換過渡層4的電流體動(dòng)力霧化沉積成型，見圖1(b)，根據(jù)基底面積設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)14橫向、 縱向移動(dòng)距離均為16mm，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)14軸向速度和平行格柵間間距分別為3. 2mm/s和0. 4mm,高壓電源15電壓為3kV，注射泵16流量為0. 33 X KTV/s，針頭17 與基底高度為5mm，沉積層數(shù)為20層；然后，利用第二步制備的質(zhì)子交換層溶液11進(jìn)行質(zhì)子交換層5的電流體動(dòng)力霧化沉積成型，見圖1 (c)，根據(jù)基底面積設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)14橫向、縱向移動(dòng)距離均為20mm，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)14軸向速度和平行格柵間間距分別為5. 6mm/s和0. 3mm，高壓電源15電壓為3. 3kV，注射泵16流量為2. 5 X l(rlclm7s，針頭17 與基底高度為15mm ；沉積的質(zhì)子交換膜5的厚度約為90 μ m ；每霧化沉積一層后，利用電熱板在50°C下加熱3min，以蒸發(fā)有機(jī)溶劑，減少應(yīng)力集中；
接著，利用第二步制備的陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液12進(jìn)行陽極催化-質(zhì)子交換過渡層6的電流體動(dòng)力霧化沉積成型，見圖1(d)，根據(jù)基底面積設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)14橫向、縱向移動(dòng)距離均為15mm，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)14軸向速度和平行格柵間間距分別為3. 2mm/s和0. 4mm,高壓電源15電壓為3kV，注射泵16流量為0. 33 X KTV/s，針頭17與基底高度為5mm，沉積層數(shù)為20層；
最后，利用第二步制備的陽極催化層懸浮液13進(jìn)行陽極催化層7的電流體動(dòng)力霧化沉積成型，見圖1(e)，根據(jù)基底面積設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)14橫向、縱向移動(dòng)距離均為15mm，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)14軸向速度和平行格柵間間距分別為3. 2mm/s和0. 4mm，高壓電源15電壓為3kV，注射泵16流量為0. 33X10_1(lm7S，針頭17與基底間距為5mm，沉積層數(shù)為130層，Pt-Ru/C的擔(dān)載量為5mg/cm2。
實(shí)施案例2 —種一體化膜電極各功能層懸浮液或溶液沉積順序?yàn)橐躁枠O擴(kuò)散層2為基底，依次沉積陽極催化層懸浮液13、陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液12、質(zhì)子交換層溶液11、陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液10及陰極催化層懸浮液9。具體工藝步驟如下
第一步具有微孔層的陽極擴(kuò)散層2的制備
先將0. 05g碳粉與2. 5g乙醇磁力攪拌混合5分鐘，然后加入0. 2g的5wt % Nafion溶液超聲混合分散2小時(shí)，形成碳懸浮溶液，碳粉與乙醇、Nafion溶液的質(zhì)量比例為1 50 4;將制備的碳懸浮液均勻的涂敷在面積為15mmX15mm碳紙上，其碳擔(dān)載量為 ang/cm2，再經(jīng)過室溫干燥，形成具有微孔層結(jié)構(gòu)的陽極擴(kuò)散層2 ；
第二步各功能層懸浮液或溶液的制備同實(shí)施案例1 ；
第三步一體化膜電極8的制作
以陽極擴(kuò)散層2為基底，依次霧化沉積陽極催化層7、陽極催化-質(zhì)子交換過渡層 6、質(zhì)子交換層5、陰極催化-質(zhì)子交換過渡層4及陰極催化層3，沉積各功能層工藝參數(shù)同實(shí)施案例1。
本發(fā)明提出的一種一體化燃料電池膜電極的制作方法，利用電流體動(dòng)力霧化層層沉積累加成型，并有序改變沉積懸浮液，可實(shí)現(xiàn)整體一體化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序變化的膜電極， 可以增加膜電極內(nèi)部催化層與質(zhì)子交換膜之間的結(jié)合性能。電流體動(dòng)力霧化沉積成型一體化膜電極的方法工藝簡單，加工成本低，可實(shí)現(xiàn)低成本膜電極的批量制作。
權(quán)利要求
1. 一種一體化燃料電池膜電極的制作方法，其特征是，首先制作具有微孔層的陰極擴(kuò)散層(1)及陽極擴(kuò)散層O)，然后制備陰極催化層(3)、陰極催化-質(zhì)子交換過渡層、質(zhì)子交換層(5)、陽極催化-質(zhì)子交換過渡層(6)和陽極催化層(7)的功能層懸浮液或溶液， 最后，以陰極擴(kuò)散層(1)或陽極擴(kuò)散層(2)為基底，利用電流體動(dòng)力霧化方法將各功能層懸浮液或溶液層層沉積累加，完成一體化膜電極(8)的沉積成型；具體工藝步驟如下 第一步具有微孔層的陰極、陽極擴(kuò)散層(1、幻的制備具有微孔層的陰極擴(kuò)散層(1)的制備將一定質(zhì)量的碳粉與乙醇混合，磁力攪拌5 10分鐘，然后加入一定量PTFE溶液和Nafion溶液，再超聲分散1 2小時(shí)，形成碳懸浮溶液，其中碳粉與乙醇、PTFE溶液、Nafion溶液的質(zhì)量比例為1 30 50 1 7 4 10 ；將碳懸浮液均勻的涂在碳紙上，使碳擔(dān)載量為2 5mg/cm2，然后，分別在250°C加熱30 分鐘和在350°C加熱1小時(shí)，兩次干燥處理，形成具有微孔層的陰極擴(kuò)散層(1)；具有微孔層的陽極擴(kuò)散層O)的制備將一定質(zhì)量的碳粉與乙醇混合，磁力攪拌5 10分鐘，然后加入一定量Nafion溶液，再超聲分散1 2小時(shí)，形成碳懸浮溶液，其中碳粉與乙醇、Nafion溶液的質(zhì)量比例為1 30 50 4 10 ；將碳懸浮液均勻的涂在碳紙上， 使碳擔(dān)載量為2 5mg/cm2，再經(jīng)過室溫干燥，形成具有微孔層的陽極擴(kuò)散層O)； 第二步各功能層懸浮液或溶液的制備陰極催化層懸浮液(9)的制備將一定質(zhì)量的Pt/C粉末先與去離子水混合，磁力攪拌 5 10分鐘，再加入一定量的乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液與Pt/C的質(zhì)量比為2 ·5 1，超聲分散1 2小時(shí)后，得到陰極催化層懸浮液(9)；陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液(10)的制備將一定質(zhì)量的Pt/C粉末先與去離子水混合，磁力攪拌5 10分鐘，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液與Pt/C 的質(zhì)量比為10 20 1，超聲分散1 2小時(shí)后，得到陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液 (10)；質(zhì)子交換層溶液(11)的制備在Nafion溶液中加入一定量甲醇，Nafion溶液與甲醇按2 10 1的比例混合，磁力攪拌1 2小時(shí)，得到質(zhì)子交換層溶液(11)；陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液(1 的制備將一定質(zhì)量的Pt-Ru/C粉末先與去離子水混合，磁力攪拌5 10分鐘，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液與 Pt-Ru/C的質(zhì)量比為10 20 1，超聲分散1 2小時(shí)，得到陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液(12)；陽極催化層懸浮液(1 的制備將一定質(zhì)量的Pt-Ru/C粉末先與去離子水混合，磁力攪拌5 10分鐘，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液與Pt-Ru/C的質(zhì)量比為2 5 1，超聲分散1 2小時(shí)，得到陽極催化層懸浮液(13)； 第三步一體化膜電極(8)的沉積成型一體化膜電極(8)采用電流體動(dòng)力霧化技術(shù)進(jìn)行層層沉積累加成型，首先根據(jù)陰極擴(kuò)散層(1)或陽極擴(kuò)散層( 的面積設(shè)置移動(dòng)平臺(tái)(14)的移動(dòng)距離、速度及格柵間距，然后， 通過調(diào)節(jié)高壓電源(1 的電壓、注射泵(16)的流量及霧化針頭(17)與擴(kuò)散層基底之間高度，保證各功能層懸浮液在針頭(17)的出口處形成穩(wěn)定的霧化模式，進(jìn)行各功能層懸浮液的逐層沉積累加成型；其中，在沉積質(zhì)子交換層( 過程中，每沉積完一層需要使其在電熱板上加熱以去除溶劑，減小應(yīng)力集中。
2.如權(quán)利要求1所述一種一體化燃料電池膜電極的制作方法，其特征是，一體化膜電極(8)各功能層懸浮液或溶液沉積順序?yàn)橄纫躁帢O擴(kuò)散層(1)為基底，依次沉積陰極催化層懸浮液(9)、陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液(10)、質(zhì)子交換層溶液(11)、陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液(1 及陽極催化層懸浮液(1 ；或者先以陽極擴(kuò)散層(2)為基底，依次沉積陽極催化層懸浮液(13)、陽極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液(12)、質(zhì)子交換層溶液(11)、陰極催化-質(zhì)子交換過渡層懸浮液(10)及陰極催化層懸浮液(9)。
全文摘要
本發(fā)明一種一體化燃料電池膜電極的制作方法屬于燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種燃料電池膜電極的制作方法。該制作方法是首先制作具有微孔層的陰極、陽極擴(kuò)散層，然后制備陰極催化層、陰極催化-質(zhì)子交換過渡層、質(zhì)子交換層、陽極催化-質(zhì)子交換過渡層和陽極催化層的功能層懸浮液或溶液，最后，以陰極或陽極擴(kuò)散層為基底，利用電流體動(dòng)力霧化方法將各功能層懸浮液或溶液層層沉積累加，完成一體化膜電極的沉積成型。本發(fā)明是利用電流體動(dòng)力霧化層層沉積累加，并有序改變沉積懸浮液，制作具有整體一體化內(nèi)部各功能層結(jié)構(gòu)有序變化的膜電極。本發(fā)明工藝簡單、加工成本低，可實(shí)現(xiàn)低成本膜電極的批量制作。
文檔編號(hào)H01M4/88GK102522572SQ20121000382
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2012年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月7日
發(fā)明者任同群, 劉沖, 李苗苗, 梁軍生, 段洪斌, 王亮, 王大志 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)