本發明專利技術公開了一種用保護背膜實現抗溶脹的CCM涂布工藝，將催化劑漿料涂布在質子交換膜的第一面，干燥后形成第一催化劑層；制備具有柔性載體層的保護膜，在含有第一催化劑層的質子交換膜第一面上貼合一層設有柔性載體層的保護膜，并將其和質子交換膜壓合；將催化劑漿料涂布于質子交換膜的第二面，干燥形成第二催化劑層，得到帶有臨時保護膜的膜電極；最后將帶有臨時保護膜的膜電極經過熱處理或紫外光(UV)照射，剝離臨時保護層，得膜電極；若選擇熱處理處理時，在第一催化層干燥之前需在第一催化層表面噴涂納米氧化物溶液。本發明專利技術制備膜電極過程中有效避免了質子交換膜的溶脹，并且制備工藝簡單，生產效率高且電池性能優異。
【技術實現步驟摘要】
一種用保護背膜實現抗溶脹的CCM涂布工藝
本專利技術涉及燃料電池
，具體而言，尤其涉及一種用保護背膜實現抗溶脹的CCM涂布工藝。
技術介紹
質子交換膜燃料電池是一種能將儲存在氫燃料和氧化劑中的化學能通過電化學反應的方式直接轉換為電能的能量轉化裝置。燃料電池具有能量轉化效率高、無廢氣排放等特點，被認為是解決能源危機和環境污染的最具前景的方案之一，特別是交通運輸如汽車、船舶和備用電源等方面極具應用前景。正是由于這些突出的優越性，燃料電池技術的開發與應用備受各國政府與大公司的重視，被認為是21世紀首選的潔凈高效發電方式。膜電極組件是質子交換膜燃料電池的核心元件，造價占總成本的三分之一。當前被廣泛應用的膜電極制備方法主要是涂布法，分為催化劑直接涂布質子交換膜法和間接涂布。催化劑涂布質子交換膜法制備的膜電極催化層與膜接觸緊密，使得內阻減小，性能最優。但是質子交換膜對醇類有機溶劑比較敏感，特別是第二面涂布催化劑時，容易引起質子交換膜的溶脹和褶皺，導致催化層脫落和涂布失敗，因此大量涂布工作主要選擇涂布質子交換膜的第一面，而第二催化層涂布在離型膜上進行熱轉移，但是此種方式在催化層熱轉移的過程中，催化層仍有大量殘留在離型膜上，并且工藝復雜，成本較高。目前采用的對質子交換膜第二面涂布時選擇設置保護膜對第一次涂布的催化劑涂層加以保護，然而并沒有具體公開保護膜的制備以及在制備CCM中的應用，而且現有保護膜在第二面涂布結束后難以剝離，會帶走大量催化劑涂層。
技術實現思路
根據上述提出的在涂布過程中涂布第二面引起的質子交換膜溶脹以及剝離時催化層掉落等技術問題，本專利技術提供一種用保護背膜實現抗溶脹的CCM涂布工藝，解決了連續涂布過程中質子交換膜的溶脹和收縮問題，避免了催化劑層脫落和出現裂紋，且制備的膜電極表面平整度高、均勻性好，電化學性能優異。本專利技術采用的技術手段如下：一種CCM涂布工藝，包括以下步驟：(1)制備催化劑漿料，將制備所得的催化劑漿料涂布在質子交換膜的第一面，干燥后在質子交換膜的第一面形成第一催化劑層；(2)制備臨時保護膜：采用UV涂層或者熱降解功能涂層作為柔性載體層，涂布在保護膜上，形成具有柔性載體層的臨時保護膜；(3)將臨時保護膜熱壓貼合于質子交換膜的第一催化劑層上；(4)將催化劑漿料涂布于質子交換膜的第二面，烘箱干燥后，形成帶有臨時保護膜的CCM；(5)將帶有臨時保護膜的CCM進行降粘處理，降低臨時保護膜和第一催化劑層之間的粘著力，剝離臨時保護膜，即得到CCM。進一步地，步驟(1)中，催化劑漿料由固體催化劑顆粒、分散劑和粘結劑組成，固體催化劑顆粒、粘結劑和分散劑的質量比為1:2-10:40-60；所述固體催化劑顆粒為碳載Pt或碳載Pt合金，金屬Pt含量為10-90wt％；所述分散劑為乙醇、甲醇、異丙醇或正丙醇中的一種或多種；所述粘結劑為5wt％的全氟磺酸樹脂液。進一步地，步驟(2)的具體制備步驟為，以涂布速度為4m/min，濕厚為80-200μm的工藝，將具有熱降解功能的化合物溶液或具有UV功能的化合物溶液均勻涂布在保護膜上，在40℃下烘干得到具有柔性載體層的臨時保護膜；保護膜為聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯膜(PE)或聚丙烯膜(PP)中的一種，厚度為10-80μm。進一步地，具有熱降解功能的化合物溶液的質量濃度為15％，溶劑為乙醇，溶質為自交聯丙烯酸、苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺或聚二甲基硅氧烷中的一種或多種；所述具有UV功能的化合物溶液的質量濃度為15％，溶劑為乙醇，溶質為環氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯或丙烯酸樹脂中的一種或多種。進一步地，步驟(3)中，第一催化劑層與柔性載體層之間的壓合壓力為0.1-10MPa。進一步地，步驟(4)中，烘箱干燥溫度為40-80℃。進一步地，所述步驟(3)中，將臨時保護膜熱壓貼合于膜電極前，在第一催化劑層上噴涂納米氧化物溶液，噴涂流量為5mL/min，噴涂速度200mm/s。進一步地，納米氧化物溶液為納米化合物和溶劑的混合液，混合液中，納米化合物含量為0.01-1wt％；納米化合物為SiO2、TiO2或Al2O3中的一種或多種組合；溶劑為水和異丙醇的混合溶劑，水和異丙醇的比例為1:0.1-1。進一步地，柔性載體層為熱降解功能涂層時，降粘處理采用熱處理方式，熱處理溫度為90-180℃；熱降解功能涂層干厚為0.1-5μm，粘著力為1-25gf/25mm，降粘處理后粘著力為0-1gf/25mm。進一步地，柔性載體層為UV涂層時，降粘處理采用紫外光照射方式；UV涂層干厚為5-40μm，粘著力為1-20gf/25mm，降粘處理后粘著力為0-1gf/25mm。進一步地，降粘處理采用紫外光照射方式時，先進入80-120℃的烘箱內烘干，再進入暗室中經紫外照射燈照射1-5min。上述CCM涂布工藝采用卷對卷連續涂布機進行涂布，所述卷對卷連續涂布機中沿質子交換膜傳送方向上依次設置有剝離輥一、涂布模頭一、噴涂室、烘箱一、熱壓輥、剝離輥二、涂布模頭二、烘箱二、烘箱三、剝離輥三和CCM收卷輥；所述熱壓輥為一對復合軋輥，用于將質子交換膜與臨時保護膜熱壓貼合；當降粘處理為紫外光照射方式時，可將烘箱三替換為暗室；剝離輥一外側設有對應的表面保護膜收卷輥一；剝離輥二外側設有對應的表面保護膜收卷輥二；剝離輥三外側設有對應的臨時保護膜收卷輥；噴涂室內設有噴頭；暗室內設有紫外照射燈；涂布設備還設置有多個傳送輥，用以將質子交換膜向前傳送。一種使用上述卷對卷連續涂布機的CCM涂布工藝，包括以下步驟：(1)通過剝離輥一剝離質子交換膜第一面上的表面保護膜，由表面保護膜收卷輥一收集；將催化劑漿料通過涂布模頭一涂布在質子交換膜的第一面，由烘箱一干燥后在質子交換膜的第一面形成第一催化劑層；(2)制備臨時保護膜：在保護膜上涂布柔性載體層，形成具有柔性載體層的臨時保護膜，所述柔性載體層為UV涂層或者熱降解功能涂層；(3)將所述臨時保護膜通過熱壓輥熱壓貼合于質子交換膜的第一催化劑層上；(4)通過剝離輥二剝離質子交換膜第二面上的表面保護膜，由表面保護膜收卷輥二收集；將催化劑漿料通過涂布模頭二涂布在質子交換膜的第二面，由烘箱二干燥后，形成帶有臨時保護膜的CCM；(5)通過烘箱三或暗室對帶有臨時保護膜的CCM進行降粘處理；通過剝離輥三剝離臨時保護膜，由臨時保護膜收卷輥收集；得到CCM由CCM收卷輥收集。較現有技術相比，本專利技術具有以下優點：1、本專利技術選擇在保護膜上附著一層柔性載體層，保護膜選擇價格低廉的塑料膜，柔性載體層選擇比較常見的涂料或膠粘樹脂等，制備的具有柔性載體層的臨時保護膜成本低，制作簡單。臨時保護膜通過一定壓力與質子交換膜第一催化劑層之間緊密接觸，柔性載體層在熱處理或者紫外光照射下發泡，粘著力大幅度降低，能夠很好的從第一催化劑層表面剝離，不會殘留催化劑，不會造成催化本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種CCM涂布工藝，其特征在于，包括以下步驟：/n(1)制備催化劑漿料，將制得的催化劑漿料涂布在質子交換膜的第一面，干燥后在質子交換膜的一面形成第一催化劑層；/n(2)制備臨時保護膜：在保護膜上涂布柔性載體層，形成具有柔性載體層的臨時保護膜，所述柔性載體層為UV涂層或者熱降解功能涂層；/n(3)將步驟(2)中臨時保護膜熱壓貼合于步驟(1)中質子交換膜的第一催化劑層上；/n(4)將催化劑漿料涂布于質子交換膜的第二面，干燥后，形成帶有臨時保護膜的CCM；/n(5)將步驟(4)帶有臨時保護膜的CCM進行降粘處理后剝離臨時保護膜。/n
【技術特征摘要】
1.一種CCM涂布工藝，其特征在于，包括以下步驟：
(1)制備催化劑漿料，將制得的催化劑漿料涂布在質子交換膜的第一面，干燥后在質子交換膜的一面形成第一催化劑層；
(2)制備臨時保護膜：在保護膜上涂布柔性載體層，形成具有柔性載體層的臨時保護膜，所述柔性載體層為UV涂層或者熱降解功能涂層；
(3)將步驟(2)中臨時保護膜熱壓貼合于步驟(1)中質子交換膜的第一催化劑層上；
(4)將催化劑漿料涂布于質子交換膜的第二面，干燥后，形成帶有臨時保護膜的CCM；
(5)將步驟(4)帶有臨時保護膜的CCM進行降粘處理后剝離臨時保護膜。
2.根據權利要求1所述的CCM涂布工藝，其特征在于：所述步驟(2)的具體制備步驟為，以涂布速度為4m/min，濕厚為80-200μm的工藝，將具有熱降解功能的化合物溶液或具有UV功能的化合物溶液均勻涂布在保護膜上，在40℃下烘干得到具有柔性載體層的臨時保護膜；
所述保護膜為聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯膜(PE)或聚丙烯膜(PP)中的任意一種，厚度為10-80μm。
3.根據權利要求2所述的CCM涂布工藝，其特征在于：具有熱降解功能的化合物溶液的質量濃度為15wt％，溶劑為乙醇，溶質為自交聯丙烯酸、苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺或聚二甲基硅氧烷中的一種或多種；
所述具有UV功能的化合物溶液的質量濃度為15wt％，溶劑為乙醇，溶質為環氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯或丙烯酸樹脂中的一種或多種。
4.根據權利要求1所述的CCM涂布工藝，其特征在于：步驟(1)中，催化劑漿料由固體催化劑顆粒、分散劑和粘結劑組成；所述固體催化劑顆粒為碳載Pt或碳載Pt合金，金屬Pt含量為10-90wt％；所述分散劑為乙醇、甲醇、異丙醇或正丙醇中的一種或多種；所述粘結劑為5wt％的全氟磺酸樹脂液；所述催化劑漿料中固體催化劑顆粒、粘結劑和分散劑的質量比為1:2-10:40-60。
5.根據權利要求1所述的CCM涂布工藝，其特征在于：步驟(3)中，第一催化劑層...
【專利技術屬性】
技術研發人員：郝金凱，張洪杰，邵志剛，
申請(專利權)人：中國科學院大連化學物理研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧;21
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