低温燃料电池以其能量转换效率高、启动迅速、无噪音、环境友好、燃料来源多样化等优点,被誉为21世纪最具大规模产业化前景的一类燃料电池。低温燃料电池包括氢氧燃料电池、直接醇燃料电池和直接酸燃料电池等。这些燃料电池催化剂分为阴阳极催化剂,一般燃料电池阳极用20%的铂碳催化剂(膜载量为0.1-0.2mg/cm2);阴极用40%或者60%的铂碳催化剂(膜载量为0.4-0.6mg/cm2)。
作为燃料电池的核心零部件,膜电极是由质子交换膜、催化剂层、边框以及扩散层组成,那么它又是如何从原材料变成了成品,这其中两个主要的工艺环节就是薄膜制备和催化剂涂布。
CCM膜制备指采用卷对卷直接涂布、丝网印刷、喷涂等方法直接将催化剂、磺酸树脂和适当分散剂组成的浆料涂布到质子交换膜两侧,该方法提高了催化剂的利用率(小于0.4mg/cm2)与耐久性,目前商业化程度最高,已大批量生产。本文以热转印法为例进行膜电极(MEA)工艺介绍:
工艺简化流程:
催化剂浆料配置——催化剂涂布到承载体聚合物膜上——热转印到PEM上——去除承接催化剂的聚合膜——密封边框加工——形成MEA
分工艺说明
一.催化剂浆料配制1)物料准备阳极浆料:重量比约15%的Pt-C催化剂、重量比约40%的去离子水和40%的甲醇类有机溶剂、约5%的聚离体溶液做粘合剂。阴极浆料:重量比约20%的Pt-C催化剂、重量比约35%的去离子水和35%的甲醇类有机溶剂、约10%的聚离体溶液做粘合剂。2)浆料分散设备
说明:分散设备可以用浆式搅拌机、球式搅拌机、超声波分散机等设备。
3)分散搅拌,浆料混合均匀。(阴阳极的成份差异需要分别配制加工)
4)配制过程参数控制:a.阴极铂载量:0.4mg/cm2b.阳极铂载量:0.1mg/cm2c.环境控制:无污染物d.分散搅拌时间:>1he.建议搅拌温度:2摄氏度f.建议搅拌转速:~rpm5)影响品质因素搅拌分散时间、温度,环境6)品质特征多孔性、粘度、铂分布的均匀性
将阴阳极催化剂浆料分别涂布到载体(一种离型膜)上并固化
二.催化剂浆料的涂布和干燥(将阴阳极催化剂浆料分别涂布到载体(一种离型膜)上并固化)
1)材料准备:配制好的催化剂浆料、一种聚合物膜
2)设备:浆料喷枪或其他替代设备(如转辊式丝网印刷、喷墨印刷、刮刀涂布等等)、加热传送带、IR/DC在线监测设备。3)过程参数和要求
a.阳极膜厚3~15μm;阴极膜厚10~30μm
b.供料速度:0.1~1m/minc.
c.干燥时间:约4分钟d.干燥温度:加热气流约30~70度;加热辊设定约~度
4)影响品质因素
催化剂浆料粘度
使用的工具或设备
干燥设备温度
5)品质特征
涂层均匀一致性
涂层厚度
涂层干燥度
粒径大小
三、将固化的催化剂层热转印到PEM上
1)材料准备:加工好的分别附着在聚合物(膜)表面的阴阳极催化剂、质子交换膜卷料(PEM)。2)设备:传送带、热压辊、去除废料聚合物膜的转辊。(一种定制设备)。3)过程参数和要求
a.线性拉力:-N/cm。
b.热压辊温度:-°C。
4)影响品质因素
a.承接催化剂层的聚合物膜的品质(离型效果,催化层能不能正常剥离)。
b.供料速度和辊子压力以及温度的组合。(决定催化层和PEM的接着效果)。
c.压力持续时间。
5)品质特征a.聚合物膜无残留。b.聚合物膜层对催化剂层没有损坏。c.催化剂层在PEM上的良好附着。
四、膜电极(MEA)密封边框的加工
1)材料准备:上制程加工好的两面涂有阴阳催化剂的卷料、涂布有接着层的密封边框卷料(材料为PI、PET、PEN等)2)设备:传送带、转向辊、定制的模切辊、层压辊、真空模切辊(可以是一种定制设备)。3)过程参数和要求a.供料速度:最高可达30m/分钟
c.根据产品几何形状定制的辊模(切孔)
4)影响品质因素a.各辊轴的同向、同轴平行对齐等。(多层料不能跑偏)
b.边框和CCM之间的位置公差。
5)品质特征a.密封边框的精准定位
b.MEA表面无污染
c.密封边框与CCM的连接强度至此一个完整的MEA卷料就形成了