本发明专利技术公开一种燃料电池膜电极CCM连续化涂布工艺，将高分子聚合物、醇类有机溶剂、致孔剂以及固体催化剂颗粒混合后使用超声波辅助高速搅拌分散均匀；之后用卷对卷连续涂布设备将催化剂浆料涂在质子交换膜上，形成催化层一；形成的催化剂层一传送至浸渍池一内，除去致孔剂后，再进行二次连续化涂布，得到催化层二；形成的催化层二传送至浸渍池二内，再次除去致孔剂，并烘干处理后，形成多孔催化层；本发明专利技术选择加入致孔剂并进行多次涂布和浸渍去除，大幅度增加了催化层的孔隙率，降低了气体在催化层中的传输阻力，构建出高传质能力的膜电极，提高了电池性能和使用寿命。提高了电池性能和使用寿命。
【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池膜电极CCM连续化涂布工艺
[0001]本专利技术涉及一种燃料电池膜电极催化层连续化涂布工艺，属于燃料电池膜 电极领域。
技术介绍
[0002]对于以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池，其电化学催化活性主要受电极 制约，因为Pt催化剂特别是对阴极氧气的还原反应催化活性较低。阴阳极催化 层一般都采用碳载纳米Pt、Pd贵金属或其合金作为催化剂。在燃料电池阴极发 生电化学的过程中，空气中的氧气经气体扩散层(GDL)向质子交换膜扩散，而 阳极电化学反应产生的氢质子则透过质子交换膜往阴极传递。质子和氧气在贵 金属催化剂表面活性位相遇后，发生氧气的还原反应(ORR)生成水，两种反应 物质均消亡。
[0003]因此，如何高效地制备出性能优异的燃料电池的核心部件膜电极就显得尤 为重要。膜电极(MEA)是由气体扩散层(GDL)、催化层(CL)和质子交换膜(PEM) 组成。催化层主要有碳载铂催化剂、高分子聚合物质子导体以及孔隙结构，其 厚度再10
‑
20μm。催化层内的碳载体提供电子的传导路径，可将电子传至电化 学活性位点。催化层内的质子导体与催化层内的催化剂颗粒、反应气体、催化 剂载体和水接触，并且与质子交换膜相连，一方面起到粘结催化剂颗粒的作用， 另一方面起到传导质子的作用，并且再催化剂浆料形成催化层的过程中促进催 化层内孔的形成，催化层内的孔隙是气体传输的路径，并且有助于排出反应过 程中生成的水。
[0004]催化层制备过程中，为了催化剂的浆料的均匀性，普遍采用的方法是配制 固含量(≤1％)极低的催化剂浆料，且配制体积较小(≤50mL)。这种方法的缺点就 是浆料分散效果差、制备的催化剂浆料混合分散不均匀、易分层和沉降。同时， 现有方法制备的催化层内聚合物质子导体分布不均匀，不利于反应气体的传输， 导致催化剂的利用率损失和电池寿命的降低。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是提供一种燃料电池多孔催化层的制备工艺，在催化剂浆料 的制备过程中，先进行胶体溶液的配制，再与催化剂颗粒混合，有效提高了催 化剂浆料的分散效率和分散效果；同时加入致孔剂，并且在连续化生产过程中 采用特定的洗涤方式去除致孔剂，在不影响催化剂催化性能的基础上，进一步 增加了催化层的孔隙率，并且降低催化层的对气体的传质阻力，有效提升了电 池性能。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007]一种燃料电池膜电极CCM连续化涂布工艺，包括以下步骤：
[0008](1)配置胶体形态分散液，所述分散液包括高分子聚合物、溶剂和致孔剂；
[0009](2)催化剂浆料配制：将固体催化剂颗粒与步骤(1)得到的胶体形态分 散液混合一起，进行分散，得到催化剂浆料；
[0010](3)使用卷对卷连续化涂布设备将步骤(2)所制备的催化剂浆料均匀涂 在质子交换膜的一侧，烘干后形成担载于质子交换膜上的催化层一；
[0011](4)将步骤(3)形成的担载有催化层一的质子交换膜传送至浸渍池一的 盐酸溶液内，浸泡1
‑
10min后除去催化层一内的致孔剂，再浸泡于浸渍池二的 去离子水内进行清洗1
‑
10min后，取出干燥；
[0012](5)完成步骤(4)后的质子交换膜再次传送至卷对卷连续化涂布设备的 涂布区在干燥后的催化层一上使用所述催化剂浆料进行二次连续化涂布，得到 担载于质子交换膜上的催化层二，重复步骤(4)，干燥后得到单侧CCM；
[0013](6)依次重复步骤(3)
‑
(5)，在质子交换膜的另一侧涂布催化层一和催 化层二，干燥后得到所述燃料电池膜电极CCM。
[0014]本专利技术进一步设置为：步骤(1)中，所述胶体形态分散液的配置方式为： 将所述高分子聚合物、溶剂和致孔剂混合，在10
‑
120Hz的超声频率下超声分散 10
‑
15min，或在转速10000
‑
20000RPM的磁力搅拌下搅拌10
‑
15min，得到胶体 形态分散液；所述胶体形态分散液的胶体粒径为20
‑
120nm。
[0015]本专利技术进一步设置为：步骤(1)中，所述高分子聚合物为全氟磺酸树脂、 磺化三氟苯乙烯树脂、磺化聚醚醚酮树脂以及磺化聚苯并咪唑树脂中一种或多 种的组合。所述致孔剂为碳酸锂、氯化锂、碳酸氢铵、聚乙二醇、聚乙烯醇和 聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种的组合。所述溶剂为醇类，所述醇类为甲醇、 乙醇、异丙醇、正丙醇和正丁醇中的一种。
[0016]本专利技术进一步设置为：步骤(2)中，所述催化剂浆料包括质量百分比分别 为1
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30％的固体催化剂颗粒、5
‑
20％的高分子聚合物、20
‑
80％的醇类有机溶剂 以及0.2
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10％的致孔剂。
[0017]本专利技术进一步设置为：步骤(2)中，所述固体催化剂颗粒为贵金属纳米催 化剂或非贵金属纳米催化剂；所述贵金属纳米催化剂是Pt碳、Pt黑以及Pt合 金中的一种或多种，其中贵金属Pt的含量10
‑
90wt％。
[0018]专利技术进一步设置为：步骤(2)中，催化剂浆料的分散方式为：无氧条件下， 超声波辅助高速搅拌分散，其中超声波发生器采用高低温循环浴，使超声波分 散和高速搅拌分散温度处于恒温状态，超声频率为10
‑
120Hz，搅拌速度为 10000
‑
20000RPM，所述搅拌分散在25℃恒温条件下进行。
[0019]本专利技术进一步设置为：步骤(2)中固体催化剂颗粒和胶体形态分散液混合 优选在真空手套箱内进行。
[0020]本专利技术进一步设置为：步骤(2)中催化剂浆料的粘度为100
‑
300cp。
[0021]本专利技术进一步设置为：步骤(4)中，所述盐酸溶液的浓度为5
‑
15wt％。
[0022]本专利技术进一步设置为：催化层一干厚为1
‑
10μm；催化层二干厚为1
‑
10μ m。
[0023]综上所述，本专利技术具有以下有益效果：
[0024]1、本专利技术催化剂浆料制备过程中加入致孔剂，目的是为了其在催化层中分 布均匀；在催化层涂布结束后进行浸泡处理，需要经过稀盐酸溶液和去离子水 除去致孔剂，由于致孔剂在电池运行过程中会随着电池运行产生的水一起排出， 但是其排出不均匀，并且会在电池停止运行时堵塞催化层孔隙，影响下一次电 池运行时的催化效率；本专利技术采用多次涂布、多次浸泡的方式，既提高了致孔 剂的除去效率，避免单层催化层涂布较厚难以除
去致孔剂的缺陷；又提升了电 池的使用效率和电化学性能。
[0025]总之，本专利技术在催化剂浆料的配制中加入致孔剂并通过多次浸泡的方式去 除，在避免了致孔剂残留在催化层内部带来的缺陷的同时，一方面大幅度增加 了催化层的孔隙以及催化本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种燃料电池膜电极CCM连续化涂布工艺，其特征在于，包括以下步骤：(1)配置胶体形态分散液，所述分散液包括高分子聚合物、溶剂和致孔剂；(2)配置催化剂浆料：将固体催化剂颗粒与所述胶体形态分散液混合、分散，得到催化剂浆料；(3)将所述催化剂浆料涂布在质子交换膜的一侧，烘干后形成担载于质子交换膜上的催化层一；(4)将担载有催化层一的质子交换膜于盐酸溶液内浸泡1
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10min，除去致孔剂，再浸泡于去离子水内清洗1
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10min，然后进行干燥；(5)在干燥后的催化层一上使用所述催化剂浆料进行二次连续化涂布，得到担载于催化层一上的催化层二，重复步骤(4)，干燥后得到单侧CCM；(6)依次重复步骤(3)
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(5)，在质子交换膜的另一侧涂布催化层一和催化层二，干燥后得到所述燃料电池膜电极CCM。2.根据权利要求1所述的连续化涂布工艺，其特征在于：步骤(1)中，所述胶体形态分散液的配置方式为：将所述高分子聚合物、溶剂和致孔剂混合，在10
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120Hz的超声频率下超声分散10
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15min，或在转速10000
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20000RPM的磁力搅拌下搅拌10
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15min，得到胶体形态分散液；所述胶体形态分散液的胶体粒径为20
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120nm。3.根据权利要求1所述的连续化涂布工艺，其特征在于：步骤(1)中，所述高分子聚合物为全氟磺酸树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、磺化聚醚醚酮树脂以及磺化聚苯并咪唑树脂中一种或多种的组合；所述致孔剂为碳酸锂、氯化锂、碳酸氢铵、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种的组合；...
【专利技术属性】
技术研发人员：张洪杰，郝金凯，邵志刚，林永俐，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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