技術領域
本發明公開了一種氫燃料電池膜電極的制備工藝，屬于電池膜電極領域。
背景技術：
傳統的膜電極制備方法，即GDE法，主要是將催化劑涂到擴散層上形成催化層，然后通過熱壓工藝將擴散層、催化層和質子交換膜經過高溫高壓及一定的時間熱壓在一起，形成膜電極。之后通過科技的發展，膜電極的制備將催化層直接轉移到質子交換膜上，即形成CCM，再與擴散層熱壓形成膜電極。傳統的膜電極制備方法，即GDE法，使催化劑不能與質子交換膜緊密結合充分進行反應，與此同時，由于催化劑顆粒較小，很可能堵塞擴散層中的微孔，影響氣體的運輸，增加傳質阻力，從而降低催化劑的利用率和電池的性能。
中國專利CN101276919A采用極性板作為質子交換膜的擔載板，將放質子交換膜的擔載板放在加熱臺上恒溫加熱到100~150℃，然后將催化劑漿料均勻地噴涂在質子交換膜上。CCM法制備膜電極的工藝仍然不能有效解決質子交換膜的溶脹問題，且質子交換膜容易褶皺，噴涂前的鋪膜花費較長的時間。
美國專利US5211984、US6847518公開了一種用轉印法制備膜電極的方法，先將催化劑漿液涂到轉印介質上，干燥后將兩片分別涂有陽極、陰極催化劑的轉印介質放在一片質子交換膜兩側，進行熱壓，剝離介質后得到了膜電極。但是此方法存在的問題是催化劑受溫度和壓力的影響使其在膜上的附著強度無法控制，且在熱壓時膜與轉印介質邊上的催化劑由于受力不均勻而不能完全轉印到膜上，從而降低了催化劑的利用率；同時，轉印介質經常由于熱壓發生形變而不能重復利用，增加了膜電極制作成本。
由此可見，現有技術中存在不少由轉印法、噴涂法等制備膜電極的工藝，但還是存在較多不足之處，影響了催化劑的利用率，限制了燃料電池的電化學性能。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術中的缺陷，提供一種氫燃料電池膜電極的制備工藝，利用Nafion漿液與質子交換膜以及碳粉漿液與擴散層間的作用使各層之間緊密結合，再結合熱轉印工藝后大大提高了膜電極的電化學性能，延長了膜電極的壽命，并解決了質子交換膜褶皺、溶脹等問題，節省了大量鋪膜，處理膜的時間，有利于膜電極的大規模生產。
為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案是：一種氫燃料電池膜電極的制備工藝，其特征在于，將超聲噴涂工藝和熱轉印工藝兩種工藝結合制備膜電極，首先采用超聲噴涂工藝將碳粉漿液、電催化劑漿液以及粘結劑漿液依次噴涂于轉印介質上依次形成碳粉漿液層、電催化劑層和粘結劑層，然后通過熱轉印工藝將催化層擔載于質子交換膜上，再用自動化噴涂設備自制擴散層，經過熱壓后得到膜電極；電催化劑漿料由鉑含量為60%的Pt/C催化劑、異丙醇、Nafion含量為5%的Nafion溶液組成，三者質量比例為1~3:30~60:4~10；碳粉漿液層經過轉印后在電催化劑層的外側，當與擴散層進行熱壓時碳粉漿液層與擴散層緊密結合；粘結劑漿液為5%Nafion溶液，即全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物溶液。
所述碳粉漿液的配制方法是：將碳粉與分散劑加入器皿中并分散均勻，碳粉質量含量為30%~60%，分散劑質量含量為40%~70%，其中，分散劑為低沸點醇類，選自甲醇、乙醇、丙醇及異丙醇中的一種或幾種。
所述碳粉漿液噴涂于轉印介質上的碳載量為0.2~2mg/cm2，催化劑層載量為0.2mg/cm2-0.5mg/cm2。
所述粘結劑漿液噴涂于轉印介質上的離子交換樹脂載量為0.01~1.0mg/cm2。
所述轉印介質為高溫布、聚四氟乙烯、玻纖膜和聚酰亞胺的一種。自制擴散層時所用的自動化噴涂設備為超聲噴涂儀器。噴涂擴散層時，加熱平臺溫度保持在60℃~140℃，碳黑及憎水劑漿液的流速在2~30mL/min，微孔層（微孔層即擴散層，由碳黑及憎水劑組成，兩者質量比例為3~5:0.5~2）載量為1~5 mg/cm2，憎水劑為聚四氟乙烯、正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷中的一種。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、膜電極中催化劑的利用率高：傳統的方法中催化層制備在擴散層上，會有部分催化劑顆粒進入擴散層中，不僅堵塞氣體通道，還降低了催化劑的利用率；一些轉印法制備的膜電極會由于轉印介質邊緣受力不均勻而破壞催化層無法使其完全轉印到膜上；本發明利用了Nafion漿液與質子交換膜的相似相容作用使轉印時在介質邊緣也能夠受力均勻從而實現不浪費催化劑完全轉印，提高了催化劑利用率。
2、轉印時的碳粉漿液經過轉印后在催化層的最外側，當與擴散層進行熱壓時能緊密結合，減小了傳質阻力，提高了膜電極的電化學性能。
3、膜電極中經過熱壓后的催化層中貴金屬催化劑顆粒不易脫落、溶解、擴散等，推遲了催化劑失活的時間，故延長了膜電極的壽命。
4、轉印介質為高溫布，一方面由于高溫布在高溫高壓下不會發生形變，故能重復利用，降低了成本；另一方面，減少了將催化劑直接噴涂在膜上所遇到的如質子交換膜褶皺、溶脹等問題，還節省了大量的鋪膜時間，有利于膜電極的大規模生產。
5、通過自動超聲噴涂儀制備的擴散層微孔層分布均勻，利于氣體的傳輸，并且操作簡單快捷，可以達到量產的要求。
綜上所述，本發明的制備工藝具有提高膜電極的性能，延長膜電極的壽命和利于膜電極的大規模生產等特點，可進行商業化推廣。
附圖說明
圖1是實施例1、對比例1和對比例2的膜電極組裝單電池的性能比較圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明做進一步說明。
實施例1
將碳粉與異丙醇放入燒杯中超聲20min使其混合均勻得到碳粉漿液；再取適量的5%的Nafion溶液用水稀釋得到粘結劑漿液；然后用60%Pt/C催化劑、異丙醇、5%Nafion溶液配置電催化劑漿料。
取大小合適的高溫布先稱量，然后置于超聲噴涂儀器的加熱平臺上，打開真空泵將高溫布平整吸附。首先噴涂碳粉漿液，經過稱量確保碳粉載量為0.6mg/cm2；然后噴涂催化劑漿液，陽極載量為0.24mg/cm2，陰極載量為0.48mg/cm2；最后將Nafion漿液噴涂于催化層上，載量為0.1mg/cm2。
將噴涂有陰陽極不同載量的兩片高溫布分別置于杜邦211膜的兩側，在140℃，30kg/cm2，10min的熱壓條件下進行熱壓，然后剝離兩側的高溫布，得到完整的催化層薄膜。
最后將碳紙經過PTFE疏水處理，配置10%的PTFE碳粉漿液，用超聲噴涂儀器進行噴涂，加熱平臺溫度保持在90℃，流速為4mL/min，得到微孔層載量為1mg/cm2，然后與催化層薄膜熱壓得到膜電極。
實施例2
與實施例1相同，只是碳粉載量變為1mg/cm2。
實施例3
與實施例1相同，只是Nafion載量變為0.3mg/cm2。
對比例1
用60%Pt/C催化劑、異丙醇、5%Nafion溶液配置電催化劑漿料。
取大小合適的高溫布先稱量，然后置于超聲噴涂儀器的加熱平臺上，打開真空泵將高溫布平整吸附。然后在高溫布上只噴涂催化劑漿液，陽極載量為0.24mg/cm2，陰極載量為0.48mg/cm2；
將噴涂有陰陽極不同載量的兩片高溫布分別置于杜邦211膜的兩側，在140℃，30kg/cm2，10min的熱壓條件下進行熱壓，然后剝離兩側的高溫布，高溫布邊緣會不均勻地殘留部分的催化層。
最后將碳紙經過PTFE疏水處理，配置10%的PTFE碳粉漿液，用超聲噴涂儀器進行噴涂，加熱平臺溫度保持在90℃，流速為4mL/min，得到微孔層載量為1mg/cm2，然后與催化層薄膜熱壓得到膜電極。
對比例2
用60%Pt/C催化劑、異丙醇、5%Nafion溶液配置電催化劑漿料。
將211膜置于超聲噴涂儀器的加熱平臺上，打開真空泵將211膜平整吸附。然后在膜上只噴涂催化劑漿液使其陽極載量為0.24mg/cm2，陰極載量為0.48mg/cm2；
最后將碳紙經過PTFE疏水處理，配置10%的PTFE碳粉漿液，用超聲噴涂儀器進行噴涂，加熱平臺溫度保持在90℃，流速為4mL/min，得到微孔層載量為1mg/cm2，然后與催化層薄膜熱壓得到膜電極。
從圖1可知，本發明的制備工藝能顯著提高膜電極的性能。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征以及優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落進要求保護本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。