一種燃料電池高成品率催化電極批量制備方法及其設(shè)備技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)一種燃料電池高成品率催化電極批量制備方法及其所用設(shè)備，步驟為：稱取固體催化劑顆粒、全氟磺酸樹(shù)脂溶液和低沸點(diǎn)醇類(lèi)溶劑，制備催化劑漿料；將催化劑漿料涂布在質(zhì)子交換膜一側(cè)，完全干燥形成催化層一；將催化劑漿料涂布在支撐體膜上，形成含有凝膠態(tài)層的支撐復(fù)合體；并將具有凝膠態(tài)的支撐復(fù)合體傳輸?shù)絿娡渴遥M(jìn)行保濕功能化、抗氧化功能化以及噴涂樹(shù)脂處理，使其處于凝膠態(tài)；最后揭掉質(zhì)子交換膜另一面的保護(hù)膜，將其與含有凝膠態(tài)層的支撐復(fù)合體進(jìn)行熱壓復(fù)合，支撐復(fù)合體上的凝膠態(tài)層的轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換膜上，得到催化電極；通過(guò)本發(fā)明專利技術(shù)，使得催化電極第二面制作時(shí)的成品率大幅提高，并且制備方法生產(chǎn)速度快，催化層性能穩(wěn)定。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種燃料電池高成品率催化電極批量制備方法及其設(shè)備
本專利技術(shù)屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池高成品率催化電極批量制備方法及其所用設(shè)備。
技術(shù)介紹
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種新型綠色能源技術(shù)，它具有能量轉(zhuǎn)化效率高、低溫啟動(dòng)快速，無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)動(dòng)力和小型便攜式發(fā)電設(shè)備上具有廣泛的應(yīng)用前景。膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池中非常重要的組件，膜電極由質(zhì)子交換膜、涂覆于質(zhì)子交換膜兩面的催化劑漿料干燥后構(gòu)成催化電極后，以及再附于催化電極兩面的擴(kuò)散層構(gòu)成，目前，常見(jiàn)的催化電極的制備方法為：將催化劑、粘結(jié)劑和分散劑混合配置成漿液，然后以涂布或噴涂的方法將該漿液分布在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)形成催化層。目前普遍采用的噴涂法制備催化層的方式，是將催化劑直接通過(guò)氣體引流或者靜電引流的方式噴涂于質(zhì)子交換膜兩側(cè)，形成催化層。這種方法最大的缺陷是噴涂速度慢、加工周期長(zhǎng)而且造成大批量催化劑的浪費(fèi)。批量制備燃料電池膜電極催化層的主要方式時(shí)采用直接在質(zhì)子交換膜表面涂布催化劑層，此種方法生產(chǎn)速度快、精密度高、一致性好、催化劑浪費(fèi)少。但是質(zhì)子交換膜的雙面涂布工藝中，將催化劑漿料涂布在一面形成催化層后，必須附上保護(hù)背膜對(duì)催化層進(jìn)行保護(hù)，之后再對(duì)質(zhì)子交換膜的第二面進(jìn)行涂布，但是保護(hù)背膜價(jià)格昂貴，造成催化層的生產(chǎn)成本大幅度提高，并且不能完全解決對(duì)第二面進(jìn)行涂布時(shí)的溶脹問(wèn)題，即會(huì)造成膜的收縮變形，進(jìn)一步造成催化劑分布不均、產(chǎn)生裂紋、皸裂，甚至起殼、脫落。因此，開(kāi)發(fā)新的連續(xù)化、批量化制備燃料電池催化電極催化層的方法迫在眉睫。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
<br>本專利技術(shù)的目的是提供一種燃料電池高成品率催化層批量制備方法，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的無(wú)法穩(wěn)定且高效的生產(chǎn)催化電極的缺陷。本專利技術(shù)的上述技術(shù)目的是通過(guò)以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的:一方面，本專利技術(shù)提供了一種燃料電池催化電極批量制備方法，所述方法包括如下步驟：A.制備催化劑漿料；B.將步驟A所得催化劑漿料涂布于質(zhì)子交換膜的一側(cè)，干燥后形成催化層一，備用；C.將步驟A所得催化劑漿料涂布在一支撐體膜的一側(cè)，干燥后形成含有凝膠態(tài)層的支撐復(fù)合體；D.制備增濕-抗氧化混合溶液；E.將所述增濕-抗氧化混合溶液噴涂于所述支撐復(fù)合體的凝膠態(tài)層上，使所述凝膠態(tài)層始終保持凝膠態(tài)；F.將完成步驟B的質(zhì)子交換膜和完成步驟E的支撐復(fù)合體進(jìn)行熱壓復(fù)合，使所述支撐復(fù)合體上的凝膠態(tài)層轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換膜的非涂布側(cè)，得到所述催化電極。另一方面，本專利技術(shù)提供了一種燃料電池催化電極批量化生產(chǎn)設(shè)備，所述設(shè)備為連續(xù)涂布設(shè)備，所述連續(xù)涂布設(shè)備包括支撐體傳送線和質(zhì)子交換膜傳送線；所述支撐體傳送線和質(zhì)子交換膜傳送線均包括傳送帶、若干個(gè)傳送輥以及若干個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；所述支撐體傳送線與質(zhì)子交換膜傳送線設(shè)有傳送重合處；所述傳送重合處設(shè)有熱壓復(fù)合區(qū)；沿傳送方向，所述支撐體傳送線上位于熱壓復(fù)合區(qū)的前工位處依次設(shè)有涂布頭、烘道和噴涂室；所述噴涂室為半封閉式空間，所述噴涂室的底部設(shè)有僅供傳送帶通過(guò)的細(xì)槽口；所述噴涂室內(nèi)部靠近傳送帶處設(shè)置若干個(gè)霧化噴頭；沿傳送方向，所述支撐體傳送線上位于熱壓復(fù)合區(qū)的后工位處設(shè)有支撐體收卷輥，所述質(zhì)子交換膜傳送線上位于熱壓復(fù)合區(qū)的后工位處設(shè)有烘道。所述熱壓復(fù)合區(qū)包括一對(duì)用于實(shí)現(xiàn)熱壓功能的加熱轉(zhuǎn)動(dòng)輥。再一方面，本專利技術(shù)提供了一種利用上述設(shè)備生產(chǎn)催化電極的方法，所述方法包括以下步驟：(1)將支撐體和一側(cè)涂有催化劑漿料的質(zhì)子交換膜分別置于支撐體傳送線和質(zhì)子交換膜傳送線的起始位置；(2)通過(guò)涂布頭將催化劑漿料涂布在支撐體上，經(jīng)過(guò)烘道干燥后形成含有凝膠態(tài)層的支撐復(fù)合體，然后傳送至噴涂室中噴涂增濕-抗氧化混合溶液，使所述支撐復(fù)合體保持凝膠態(tài)；(3)在傳送帶的帶動(dòng)下，將所述質(zhì)子交換膜和噴涂后的支撐復(fù)合體通過(guò)熱壓復(fù)合區(qū)進(jìn)行熱壓轉(zhuǎn)移，使支撐復(fù)合體上的凝膠態(tài)層轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換膜的非涂布側(cè)，之后通過(guò)支撐體收卷輥對(duì)支撐體進(jìn)行收卷，繼續(xù)傳送的質(zhì)子交換膜通過(guò)烘道烘干，得到所述催化電極。本專利技術(shù)進(jìn)一步設(shè)置為：所述增濕-抗氧化混合溶液的制備方法如下：分別稱取具有保濕作用的納米氧化物、抗氧化作用的納米氧化物和全氟磺酸樹(shù)脂，混合后加入去離子水和異丙醇的混合溶劑，攪拌均勻，得到所述混合溶液。具體地，結(jié)合上述連續(xù)涂布設(shè)備，燃料電池高成品率催化層批量制備方法包括如下步驟：A.制備催化劑漿料；B.采用連續(xù)涂布設(shè)備，將步驟A所得催化劑漿料采用第一參數(shù)預(yù)設(shè)工藝涂布在質(zhì)子交換膜一側(cè)，完全干燥后在質(zhì)子交換膜的一側(cè)形成催化層一，之后將具有催化層一的質(zhì)子交換膜收卷備用；C.采用連續(xù)涂布設(shè)備，將步驟A所得催化劑漿料采用第二參數(shù)預(yù)設(shè)工藝涂布在一支撐體膜上，形成含有凝膠態(tài)層的支撐復(fù)合體；D.制備增濕-抗氧化混合溶液：稱取具有保濕作用的納米氧化物、抗氧化作用的納米氧化物和全氟磺酸樹(shù)脂，混合后再加入去離子水和異丙醇的混合溶劑，攪拌均勻得到混合溶液；其中混合溶液中具有保濕作用納米氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02％-0.5％,具有抗氧化作用納米氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02％-0.5％,全氟磺酸樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02％-0.5％,混合溶劑中去離子水和異丙醇的質(zhì)量比為1:0.1-5；E.將步驟C形成的具有凝膠態(tài)層的支撐復(fù)合體傳送至烘道烘干后，再傳送至噴涂室，所述噴涂室內(nèi)對(duì)支撐復(fù)合體噴涂步驟D的保濕-抗氧化混合溶液，使支撐復(fù)合體一直處于凝膠態(tài)；F.將涂布有催化層一的質(zhì)子交換膜再次置于連續(xù)涂布設(shè)備中，并采用第三參數(shù)預(yù)設(shè)工藝，將其和完成步驟E的支撐復(fù)合體進(jìn)行熱壓復(fù)合，支撐復(fù)合體上的凝膠態(tài)層的轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換膜上，得到催化電極。本專利技術(shù)進(jìn)一步設(shè)置為：步驟E中所述噴涂室為半封閉式空間，其底部設(shè)有供傳送帶通過(guò)的細(xì)槽口，所述噴涂室內(nèi)靠近傳送帶處設(shè)置多個(gè)與步驟D制備的增濕-抗氧化混合溶液連通的霧化噴頭，所述霧化噴頭對(duì)噴涂室內(nèi)實(shí)現(xiàn)間隔時(shí)間為3S，每次噴涂時(shí)間為2-4S的噴射工序，并使噴涂室內(nèi)始終充斥有增濕-抗氧化混合溶液的霧化液體；噴涂流量為5-10mL/min,噴涂速度200-400mm/s，每種成分的噴涂擔(dān)量為0.01-0.04mg/cm2。本專利技術(shù)進(jìn)一步設(shè)置為：步驟E中，所述支撐復(fù)合體傳送于噴涂室內(nèi)期間的傳送速度為0.2-0.5m/s。本專利技術(shù)進(jìn)一步設(shè)置為：步驟B中所述催化劑漿料于質(zhì)子交換膜上的涂布按照第一參數(shù)預(yù)設(shè)工藝進(jìn)行；所述第一參數(shù)預(yù)設(shè)工藝包含涂布速度、涂布濕厚、烘干溫度，其中，涂布速度為1-5m/min，涂布濕厚為10-20μm，烘干溫度為40-80℃；步驟C中所述催化劑漿料于支撐體膜上的涂布按照第二參數(shù)預(yù)設(shè)工藝進(jìn)行，所述第二參數(shù)預(yù)設(shè)工藝包含涂布速度、涂布濕厚、烘干溫度，其中，涂布速度為1-5m/min，涂布濕厚為10-20μm，烘干溫度為20-60℃；步驟F中所述熱壓復(fù)合按照第三參數(shù)預(yù)設(shè)工藝進(jìn)行，所述第三參數(shù)預(yù)設(shè)工藝包括60-80℃的烘干溫度；步驟F中熱壓復(fù)合的溫度為20-70℃，壓力為0.1-5MPa。本專利技術(shù)進(jìn)一步設(shè)置為：步驟A中催化劑漿料制備方法為：稱取Pt含量為20-80本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種燃料電池催化電極批量制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：/nA.制備催化劑漿料；/nB.將步驟A所得催化劑漿料涂布于質(zhì)子交換膜的一側(cè)，干燥后形成催化層一，備用；/nC.將步驟A所得催化劑漿料涂布在一支撐體膜的一側(cè)，干燥后形成含有凝膠態(tài)層的支撐復(fù)合體；/nD.制備增濕-抗氧化混合溶液；/nE.將所述增濕-抗氧化混合溶液噴涂于所述支撐復(fù)合體的凝膠態(tài)層上，使所述凝膠態(tài)層保持凝膠態(tài)；/nF.將完成步驟B的質(zhì)子交換膜和完成步驟E的支撐復(fù)合體進(jìn)行熱壓復(fù)合，使所述支撐復(fù)合體上的凝膠態(tài)層轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換膜的非涂布側(cè)，得到所述催化電極。/n

【技術(shù)特征摘要】
1.一種燃料電池催化電極批量制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：
A.制備催化劑漿料；
B.將步驟A所得催化劑漿料涂布于質(zhì)子交換膜的一側(cè)，干燥后形成催化層一，備用；
C.將步驟A所得催化劑漿料涂布在一支撐體膜的一側(cè)，干燥后形成含有凝膠態(tài)層的支撐復(fù)合體；
D.制備增濕-抗氧化混合溶液；
E.將所述增濕-抗氧化混合溶液噴涂于所述支撐復(fù)合體的凝膠態(tài)層上，使所述凝膠態(tài)層保持凝膠態(tài)；
F.將完成步驟B的質(zhì)子交換膜和完成步驟E的支撐復(fù)合體進(jìn)行熱壓復(fù)合，使所述支撐復(fù)合體上的凝膠態(tài)層轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換膜的非涂布側(cè)，得到所述催化電極。


2.一種權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)方法所用的燃料電池催化電極批量化生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備為連續(xù)涂布設(shè)備，所述連續(xù)涂布設(shè)備包括支撐體傳送線和質(zhì)子交換膜傳送線；所述支撐體傳送線與質(zhì)子交換膜傳送線設(shè)有傳送重合處；所述傳送重合處設(shè)有熱壓復(fù)合區(qū)；
沿傳送方向，所述支撐體傳送線上位于熱壓復(fù)合區(qū)的前工位處依次設(shè)有涂布頭、烘道和噴涂室；所述噴涂室為半封閉式空間，所述噴涂室的底部設(shè)有僅供傳送帶通過(guò)的細(xì)槽口；所述噴涂室內(nèi)部靠近傳送帶處設(shè)置若干個(gè)霧化噴頭；
沿傳送方向，所述支撐體傳送線上位于熱壓復(fù)合區(qū)的后工位處設(shè)有支撐體收卷輥，所述質(zhì)子交換膜傳送線上位于熱壓復(fù)合區(qū)的后工位處設(shè)有烘道；
所述熱壓復(fù)合區(qū)包括一對(duì)用于實(shí)現(xiàn)熱壓功能的加熱轉(zhuǎn)動(dòng)輥。


3.一種利用權(quán)利要求2所述設(shè)備生產(chǎn)催化電極的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
(1)將支撐體和一側(cè)涂有催化劑漿料的質(zhì)子交換膜分別置于支撐體傳送線和質(zhì)子交換膜傳送線的起始位置；
(2)通過(guò)涂布頭將催化劑漿料涂布在支撐體上，經(jīng)過(guò)烘道干燥后形成含有凝膠態(tài)層的支撐復(fù)合體，然后傳送至噴涂室中噴涂增濕-抗氧化混合溶液，使所述支撐復(fù)合體保持凝膠態(tài)；
(3)在傳送帶的帶動(dòng)下，將所述質(zhì)子交換膜和噴涂后的支撐復(fù)合體通過(guò)熱壓復(fù)合區(qū)進(jìn)行熱壓轉(zhuǎn)移，使支撐復(fù)合體上的凝膠態(tài)層轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換膜的非涂布側(cè)，之后通過(guò)支撐體收卷輥對(duì)支撐體進(jìn)行收卷，繼續(xù)傳送的質(zhì)子交換膜通過(guò)烘道烘干，得到所述催化電極。


4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于：所述增濕-抗氧化混合溶液的制備方法如下：分別稱取具有保濕作用的納米氧化物、抗氧化作用的納米氧化物和全氟磺酸樹(shù)脂，混合后加入去離子水和異丙醇的混合溶劑，攪拌均勻，得到所述混合溶液。


5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張洪杰，郝金凱，邵志剛，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：遼寧;21