膜電極催化劑層常見制備工藝：熱轉印、直涂

膜電極（MEA）是氫燃料電池和PEM制氫電解槽的核心部件，是電化學反應的關鍵部件，其結構組成主要有質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層、邊框膜等。

目前常見的膜電極生產流程主要涉及催化劑漿料制備、涂布質子膜形成CCM、熱壓氣體擴散層、貼合邊框膜等工序。

其中，膜電極催化劑層的涂布工藝可以有很多種，常見的有熱轉印、直涂等。

一、熱轉印

熱轉印過程涉及將催化劑油墨或粉末預先涂布或印刷到一個可轉移的基材（通常是高溫下穩定的薄膜）上，然后通過熱壓過程將催化劑從轉移膜轉移到質子交換膜或氣體擴散層上。

制備步驟：

1.催化劑油墨的制備：首先，將催化劑粉末與適當的溶劑和粘合劑混合，制備成催化劑油墨。這一步驟類似于其他涂布法中催化劑溶液的制備。

2.催化劑的涂布：將催化劑油墨涂布或印刷到一個具有良好熱穩定性的轉移膜上。這個轉移膜需要在后續的熱壓過程中保持完整，同時能夠在適當的溫度下釋放催化劑。

3.熱壓轉移：將含有催化劑的轉移膜與質子交換膜或氣體擴散層疊加在一起，并在熱壓機中加熱壓合。在此過程中，催化劑從轉移膜轉移到目標基底上。

4.轉移膜的移除：在催化劑轉移完成并冷卻后，移除轉移膜，留下催化劑層緊密地附著在PEM或GDL上。

熱轉印優勢與不足：

1.可以精確控制催化劑的形狀和大小：通過數字化設計，可以精細定制不同形狀和尺寸的催化劑并將其完整地轉移至電極表面上，有利于提高電化學反應的效率和選擇性；

2.制備工藝更加精密：將催化劑轉印到電極表面上，可以在較小的區域內形成極薄且高度一致的催化劑層。對于微觀尺度下的反應表面和形貌控制更高；

3.可以實現多層催化劑堆疊：可以將多種催化劑順序轉移至電極表面上以提高復合催化效率；又可減少外界干擾、如溫度等因素影響，還可以方便地通過選擇性去除，避免環境污染等問題。

不過，熱轉印法在大批量生產上，存在效率需要進一步提高的問題。

二、直涂

直涂工藝，顧名思義，就是在質子交換膜上直接涂覆催化劑漿料，目前產能高的膜電極廠家都是采用雙面卷對卷直涂工藝。個別廠家會采用一面熱轉印，一面直涂，避免直涂溶脹問題，同時提升效率。

陰極CCM涂布工藝

陽極CCM涂布工藝

卷對卷CCM涂布過程

生產步驟：

1. 制備催化劑漿料：
首先制備含有催化劑（如鉑）、離子交換樹脂、溶劑和其他添加劑的漿料。這種漿料必須具備良好的流變性質，以便于涂覆。

2. 選擇質子交換膜：
選用適合的質子交換膜，要求能在燃料電池工作條件下提供良好的化學穩定性和電導率。

3. 涂覆過程：
使用直涂技術將催化劑漿料直接涂布在膜上。涂布方法可以是刷涂、噴涂、刮刀涂布或其他適合的涂覆技術。

涂布后，膜電極會在特定條件下進行干燥和熱處理，以去除溶劑和確保催化劑層與膜的良好結合。

4. 干燥與熱處理：
干燥過程中溶劑蒸發，留下固體催化劑和離子交換樹脂。熱處理則進一步改善催化劑層的結構，增強其與膜的結合力。

5. 壓合過程：
處理后的膜電極與氣體擴散層（GDL）一起壓合，以形成完整的膜電極組件（MEA）。

優點與挑戰：

優點：

• 成本效益：減少了催化劑的使用量，因為催化劑可以更精確地涂布在所需區域。
• 工藝簡化：直接在膜上涂覆簡化了制造過程，減少了組裝復雜性。
• 性能提升：通過優化催化劑層厚度和均勻性，可以提高電池的性能。

挑戰：

• 涂覆均勻性：需要高度控制涂覆過程，以確保催化劑層的均勻性和厚度一致。
• 干燥和熱處理條件：必須精確控制，以防催化劑層損傷或與膜的結合不良。
• 溶脹問題：需要從設備、配方工藝方面來解決。

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原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：膜電極催化劑層常見制備工藝：熱轉印、直涂