[发明专利]丝网印刷制备质子交换膜燃料电池膜电极(CCM)的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极(CCM)的制备方法，尤其是对丝网印刷制备质子交换膜燃料电池膜电极(CCM)的改进。

背景技术

质子交换膜燃料电池，膜电极由阳极多孔气体扩散电极、电解质膜和阴极多孔气体扩散电极，通过热压等技术将两电极复合在膜的两面构成三合一组件。多孔气体扩散电极通常由扩散层和催化层构成，扩散层是憎水化处理的碳纸，催化层是由电催化剂(例如碳载铂)和固体聚合物电解质(例如Nafion)构成。阳极催化层和阴极催化层涂敷到电解质膜上形成的三合一结构，统称为CCM(catalyst coating membrane)。CCM在燃料电池中应用具有许多优点，如扩散可以不通过热压与CCM复合在一起，有效地保护了膜不受热压损伤；催化剂与电解质膜接触密切，有利于促进电化学反应生成水润是膜等。

现有技术制备CCM，采用多种方法将催化层涂敷到电解质膜上，如喷涂、刮涂和丝网印刷等，其中丝网印刷具有操作和工艺简单优点，涂载催化层被较多采用。目前丝网印刷制备CCM主要有两种方法，一种为直接法，如中国专利CN1477724所述，丝网印刷载膜基板为带大孔金属板，而极薄的涂载基如Nafion212、Nafion211厚度仅为50和25微米，真空吸附很难平铺，易造成膜的绉折；其次，电解质膜遇到水、乙醇等溶剂会发生溶涨，很难固定在丝网印刷机基板上，印刷过程会发生基膜移动，不仅导致基膜上涂抹的催化剂不均匀，而且给重复地制备CCM带来困难，难以得到的理想的CCM。另一种为间接步骤转印法，如中国专利CN1560949，CN1862855所述，必须先将催化剂浆料涂敷到转移介质上，加热去掉溶剂，在介质上形成催化剂层，然后通过热压将催化剂层转移到质子交换膜上。该方法虽然可以获得良好催化层的CCM，但工艺比较复杂，需采用多步操作才能完成，增加了制备成本；其次，此法在转印时催化层与膜的接触不是很理想，

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基膜能够平直不绉折平铺，基膜固定稳固，印刷时不会收缩、移动，方法简单，催化层与膜接触良好的丝网印刷制备质子交换膜燃料电池膜电极(CCM)的方法。

本发明目的实现，其特征是采用微孔板作为印刷承载基板，既能达到薄膜平直不绉折平铺，又在印刷时膜不会发生收缩、移动，从而可以在基膜表面均匀涂载催化层。具体说，本发明丝网印刷制备质子交换膜燃料电池膜电极(CCM)的方法，包括制备钠型膜，平铺放于平板载体上丝网印刷催化剂与固体聚合物电解质混合溶液，烘干脱除溶剂，其特征在于所述平板载体为微孔板，并由负压使基膜吸附于该微孔板载体表面。

本发明中

制备钠型电解质膜，其作用是使钠离子置换膜磺酸基团上的氢离子，以降低膜在水等溶剂中的溶涨率，可以采用通常方法如0.1～5mol/L氯化钠、氢氧化钠溶液浸泡，例如2～4小时。

微孔承载基板主要作用，一是作为印刷基膜的支承载体，二是其多微孔性可以使薄膜在负压吸附下使膜紧密贴合，不会产生绉折，以及在印刷过程中稳固不移动，因此可以采用任意具有微孔的平板，例如但不限于微孔塑料板、烧结多孔玻璃板，本发明优选采用烧结多孔玻璃板，其孔径细小且直通，更有利于膜的负压吸附。试验比较孔径，较好采用0.01-5微米，最好为0.5-2微米，细的孔径更有利于薄膜的不绉折平铺和稳固；板厚较好为5-10毫米，过薄则强度较低，不利于印刷和真空吸附，过厚会使真空吸附力增大，浪费能源。

电解质膜另一面催化层印刷涂载，可以把膜反过来印刷，如果阴极和阳极的催化剂种类及负载量不同，也可以采取分步印刷，或采用两台印刷机分别印刷。

本发明方法，由于采用微孔板作载膜基板真空吸附固定，有效克服了丝网印刷膜易绉折及印刷时膜会移动的两大技术缺陷，带来的涂载催化层不均匀，影响CCM膜性能的缺陷，可以直接丝网印刷，不必采用多步骤转移方法，具有工艺简单，可操作性强，可以确保薄膜不绉折平铺，及印刷过程膜不移位、不变形、使印刷催化层均匀。

具体实施方式