[发明专利]一种燃料电池膜电极CCM连续化涂布工艺

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种燃料电池膜电极CCM连续化涂布工艺，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)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；

(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；

(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；

(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；