[发明专利]一种一体化燃料电池膜电极的制作方法

摘要

本发明一种一体化燃料电池膜电极的制作方法属于燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池膜电极的制作方法。该制作方法是首先制作具有微孔层的阴极、阳极扩散层，然后制备阴极催化层、阴极催化-质子交换过渡层、质子交换层、阳极催化-质子交换过渡层和阳极催化层的功能层悬浮液或溶液，最后，以阴极或阳极扩散层为基底，利用电流体动力雾化方法将各功能层悬浮液或溶液层层沉积累加，完成一体化膜电极的沉积成型。本发明是利用电流体动力雾化层层沉积累加，并有序改变沉积悬浮液，制作具有整体一体化内部各功能层结构有序变化的膜电极。本发明工艺简单、加工成本低，可实现低成本膜电极的批量制作。

主权项

一种一体化燃料电池膜电极的制作方法，其特征是，首先制作具有微孔层的阴极扩散层(1)及阳极扩散层(2)，然后制备阴极催化层(3)、阴极催化‑质子交换过渡层(4)、质子交换层(5)、阳极催化‑质子交换过渡层(6)和阳极催化层(7)的功能层悬浮液或溶液，最后，以阴极扩散层(1)或阳极扩散层(2)为基底，利用电流体动力雾化方法将各功能层悬浮液或溶液层层沉积累加，完成一体化膜电极(8)的沉积成型；具体工艺步骤如下：第一步具有微孔层的阴极、阳极扩散层(1、2)的制备具有微孔层的阴极扩散层(1)的制备：将一定质量的碳粉与乙醇混合，磁力搅拌5～10分钟，然后加入一定量PTFE溶液和Nafion溶液，再超声分散1～2小时，形成碳悬浮溶液，其中碳粉与乙醇、PTFE溶液、Nafion溶液的质量比例为1∶30～50∶1～7∶4～10；将碳悬浮液均匀的涂在碳纸上，使碳担载量为2～5mg/cm2，然后，分别在250℃加热30分钟和在350℃加热1小时，两次干燥处理，形成具有微孔层的阴极扩散层(1)；具有微孔层的阳极扩散层(2)的制备：将一定质量的碳粉与乙醇混合，磁力搅拌5～10分钟，然后加入一定量Nafion溶液，再超声分散1～2小时，形成碳悬浮溶液，其中碳粉与乙醇、Nafion溶液的质量比例为1∶30～50∶4～10；将碳悬浮液均匀的涂在碳纸上，使碳担载量为2～5mg/cm2，再经过室温干燥，形成具有微孔层的阳极扩散层(2)；第二步各功能层悬浮液或溶液的制备阴极催化层悬浮液(9)的制备：将一定质量的Pt/C粉末先与去离子水混合，磁力搅拌5～10分钟，再加入一定量的乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液与Pt/C的质量比为2～5∶1，超声分散1～2小时后，得到阴极催化层悬浮液(9)；阴极催化‑质子交换过渡层悬浮液(10)的制备：将一定质量的Pt/C粉末先与去离子水混合，磁力搅拌5～10分钟，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion 溶液与Pt/C的质量比为10～20∶1，超声分散1～2小时后，得到阴极催化‑质子交换过渡层悬浮液(10)；质子交换层溶液(11)的制备：在Nafion溶液中加入一定量甲醇，Nafion溶液与甲醇按2～10∶1的比例混合，磁力搅拌1～2小时，得到质子交换层溶液(11)；阳极催化‑质子交换过渡层悬浮液(12)的制备：将一定质量的Pt‑Ru/C粉末先与去离子水混合，磁力搅拌5～10分钟，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液与Pt‑Ru/C的质量比为10～20∶1，超声分散1～2小时，得到阳极催化‑质子交换过渡层悬浮液(12)；阳极催化层悬浮液(13)的制备：将一定质量的Pt‑Ru/C粉末先与去离子水混合，磁力搅拌5～10分钟，再加入一定量乙醇和Nafion溶液，使Nafion溶液与Pt‑Ru/C的质量比为2～5∶1，超声分散1～2小时，得到阳极催化层悬浮液(13)；第三步一体化膜电极(8)的沉积成型一体化膜电极(8)采用电流体动力雾化技术进行层层沉积累加成型，首先根据阴极扩散层(1)或阳极扩散层(2)的面积设置移动平台(14)的移动距离、速度及格栅间距，然后，通过调节高压电源(15)的电压、注射泵(16)的流量及雾化针头(17)与扩散层基底之间高度，保证各功能层悬浮液在针头(17)的出口处形成稳定的雾化模式，进行各功能层悬浮液的逐层沉积累加成型；其中，在沉积质子交换层(5)过程中，每沉积完一层需要使其在电热板上加热以去除溶剂，减小应力集中。