[发明专利]一种高成品率燃料电池催化电极涂布生产方法及其设备

说明书

本发明公开了一种高成品率燃料电池催化电极涂布生产方法及其设备，所述方法包括如下步骤：S1、将固体催化剂颗粒和全氟磺酸树脂液，加入去离子水、低沸点醇类溶剂和慢干剂，分散、除泡，得到催化剂浆料；S2、选择第一预设工艺涂布到质子交换膜的一侧，完全干燥形成催化层A；S3、催化剂浆料涂布在支撑体上，并使其通过多道功能化的喷涂处理，形成具有凝胶态层的支撑复合体；S4、将带有凝胶态层的支撑复合体和质子交换膜的另一面进行热压转移，将支撑复合体上的凝胶态层转移到质子交换膜的另一面，得催化电极；本发明的膜电极在制备过程中通过热压转移的方式，解决质子交换膜溶胀和催化层掉落等问题，并且成品率高，催化层电化学性能优异。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种高成品率燃料电池催化电极涂布生产方法。

背景技术

燃料电池是一种电化学电池，其主要原理是将燃料和氧化剂中的化学能经氧化还原反应直接转化为电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为燃料电池领域的重要分支，除了拥有燃料电池一般性特点如能量转换效率高、环境友好之外，还具有室温下启动速度快、体积小、无电解液损失、容易排水、寿命长、比功率和比能量高等突出优点。它不仅适用于分散式电站的建设，而且适用于移动供电。它是一种新型的军用和民用移动电源。因此，质子交换膜燃料电池具有非常广阔的应用前景。

目前比较常见的制备方式是采用涂布和喷涂，采用喷涂法制备膜电极有利于催化层的均匀性和孔隙率，并且膜电极性能也较好。但是目前采用超声喷涂的方式都较为复杂，多采用预先裁剪成块状料再使用夹具固定后进行喷涂，多见于实验室的小批量制备，或是采用真空吸附传送带进行喷涂，无法做到卷对卷的连续化涂布，而且喷涂过程中，会造成催化剂浆料的大量浪费。并且现有的燃料电池喷涂生产线无法满足燃料电池展现最佳性能的生产要求以及无法规模化量产。采用涂布的方式制备膜电极的过程中，目前一般选择双面涂布和单面涂布的方式，在双面涂布催化层时，由于大多数催化层采用的溶剂是醇类物质，如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丙醇或丙三醇等，醇类溶剂会使质子交换膜产生溶胀和褶皱，严重会出现膜穿孔，进而影响质子交换膜的质量。

为了解决上述溶胀问题，人们在质子交换膜的单面涂布催化层后，在其上面覆一层保护膜，然后涂布第二催化层，此种方式虽然可以缓解质子交换膜的溶胀问题，但是由于保护膜在附着的过程中不可避免会产生气泡和褶皱等问题，影响第二催化剂的涂布，其次保护膜在涂布结束后撕下来的时候其粘着力较强，会带走大量催化剂层，导致催化层脱落和不完整，最后保护膜具有很高的成本花费。进而人们选择采用单面涂布方法，其做法是在质子交换膜的一面涂上第一催化层，同时在支撑体上涂布第二催化层，分别将第一催化层和第二催化层烘干，再将第二催化层通过一定工艺转移到已揭去底膜的质子交换膜的另一面上，形成催化电极。但是支撑体上的第二催化层在转移至质子交换膜上的过程中，或多或少的部分催化层残留在支撑体上不能完全转移，造成转移率不高，催化层表面形貌不完整，催化层厚度分布不均匀的问题，这是不允许的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高成品率燃料电池催化电极涂布生产方法，在催化层制备过程中，通过转移的方式解决质子交换膜溶胀和催化层掉落等问题，并且对催化层进行一系列处理，使得催化层不仅转移率高，而且催化层电化学性能优异。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一方面，本发明提供一种燃料电池催化电极的生产方法，所述方法包括如下步骤：

S1、制备催化剂浆料，将所制得的催化剂浆料涂布于质子交换膜的一面，烘干后备用；

S2、将S1制备的催化剂浆料涂布在一支撑体上，对所述催化剂浆料进行烘干形成催化剂层，同时在催化剂层上依次喷涂保湿溶液、抗氧化溶液、增强质子传导溶液以及全氟磺酸树脂溶液，形成具有凝胶态层的支撑复合体；

S3、将S2制备的支撑复合体与S1的质子交换膜的非涂覆面进行热压转移处理，使支撑复合体上的凝胶态层转移到质子交换膜的非涂覆面上，烘干后得到所述催化电极。