膜电极CCM及制备方法、膜电极组件MEA、燃料电池技术

本发明专利技术关于一种膜电极CCM及制备方法、膜电极组件MEA、燃料电池。其中，膜电极CCM的制备方法包括如下步骤：依次将第一催化剂浆料、第二催化剂浆料涂布在第一转印基材上，得到涂布有阴极催化剂层的第一转印基材；将第一催化剂浆料涂布在第二转印基材上，得到涂布有阳极催化剂层的第二转印基材；采用热转印工艺将阴极催化剂层热转印至质子交换膜的一面上、将阳极催化剂层热转印至质子交换膜的另一面上，得到膜电极CCM；其中，第一催化剂浆料中的第一催化剂为颗粒状催化剂；第二催化剂浆料中的第二催化剂为具有三维网络结构的催化剂。本发明专利技术用于解决现有膜电极CCM的催化剂层存在表面缺陷大、催化层厚度影响传质、界面利用率低、耐久性差的问题。差的问题。差的问题。

【技术实现步骤摘要】
膜电极CCM及制备方法、膜电极组件MEA、燃料电池


[0001]本专利技术涉及一种燃料电池
，特别是涉及一种膜电极CCM及制备方法、膜电极组件MEA、燃料电池。

技术介绍

[0002]当今世界面临着化石能源的日益减少，甚至枯竭，以及人类对保护环境的高要求，急需一种环境友好型的能源出现。燃料电池应运进入到我们的视线。燃料电池是氢氧通过化学反应产生人类史上最伟大的专利技术之一电能，同时燃料电池的排放物为水。所以，燃料电池成为了能源科学和电化学领域的一个研究热点；同时，燃料电池还有操作温度低、能量效率高、燃料可再生等特点。
[0003]在燃料电池中，膜电极CCM的制备技术是燃料电池最核心的技术之一，同时膜电极CCM的制备技术也是质子交换膜燃料电池研究中最难突破技术之一。
[0004]本专利技术的专利技术人研究发现：现阶段燃料电池膜电极CCM上的阴极催化层都是单一形貌，优缺点明显。例如：采用喷涂工艺制备的阴极催化层，其优点是表面缺陷少，其缺点是传质效率受催化层的厚度影响严重，制备效率低，反应界面利用不完全，耐久性差、浆料利用率低等。例如：采用涂布工艺制备的阴极催化层，其优点是传质效率较高，制备效率高，反应界面利用率高，浆料利用率较高，缺点催化层表面缺陷严重，易造成催化层脱落，影响耐久性。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种膜电极CCM及制备方法、膜电极组件MEA、燃料电池，主要目的在于解决现有膜电极CCM的阴极催化剂层存在表面缺陷大、催化层厚度影响传质、界面利用率低、耐久性差的问题，以提高膜电极CCM、膜电极组件MEA及燃料电池的性能。
[0006]为达到上述目的，本专利技术主要提供如下技术方案：
[0007]一方面，本专利技术的实施例提供一种膜电极CCM的制备方法，其包括如下步骤：
[0008]制备阴极催化剂层步骤：先将第一催化剂浆料涂布在第一转印基材上，以在第一转印基材上制备出第一催化剂层；再将第二催化剂浆料涂布在第一催化剂层上，以在第一催化剂层上制备出第二催化剂层，得到涂布有阴极催化剂层的第一转印基材；
[0009]制备阳极催化剂层步骤：将第一催化剂浆料涂布在第二转印基材上，得到涂布有阳极催化剂层的第二转印基材；
[0010]热转印步骤：采用热转印工艺将所述第一转印基材上的阴极催化剂层热转印至质子交换膜的一面上、将所述第二转印基材上的阳极催化剂层热转印至质子交换膜的另一面上，得到膜电极CCM；
[0011]其中，所述第一催化剂浆料中的第一催化剂为颗粒状催化剂；所述第二催化剂浆料中的第二催化剂为具有三维网络结构的催化剂。
[0012]优选的，所述热转印步骤，包括：
[0013]将涂布有阳极催化剂层的第二转印基材、质子交换膜、涂布有阴极催化剂层的第一转印基材依次层叠平铺在热压机上，进行热转印处理，以将所述涂布有阴极催化剂层的第一转印基材上的阴极催化剂层热转印至质子交换膜的一面上、将所述涂布有阳极催化剂层的第二转印基材上的阳极催化剂层热转印至质子交换膜的另一面上；优选的，所述热转印处理的温度为120
‑
160℃，所述热转印处理的压力为10
‑
50公斤/cm2，所述热转印处理的时间为30
‑
200秒。
[0014]优选的，所述热转印步骤，包括：
[0015]1)开启热压机，进行加热；
[0016]2)待所述热压机的温度达到热转印处理的温度时，将涂布有阳极催化剂层的第二转印基材、质子交换膜、涂布有阴极催化剂层的第一转印基材依次层叠平铺在热压机上；
[0017]3)使所述热压机开始加压，达到热转印处理的压力后，进行热转印处理；
[0018]4)在热转印处理结束后，撕下第一转印基材、第二转印基材，得到膜电极CCM。
[0019]优选的，所述第二催化剂为复合碳载体负载合金催化剂；其中，在所述复合碳载体负载合金催化剂中：复合碳载体为包括粒状碳材料和线状碳材料的复合材料；合金为铂钴合金；优选的，所述铂钴合金中的铂的含量范围为10
‑
60wt％，优选为15
‑
50wt％；优选的，在所述复合碳载体负载合金催化剂中：所述铂钴合金的含量为20
‑
60wt％；优选的，所述粒状碳材料为介孔碳、碳微球、无定形碳中的一种或多种；优选的，所述线状碳材料为碳纳米管和/或碳纤维。
[0020]优选的，所述第一催化剂选用半石墨化纯铂催化剂；优选的，所述第一催化剂选用TEC10EA50E型号的半石墨化纯铂催化剂。
[0021]优选的，所述第一催化剂浆料包括第一催化剂和溶剂；其中，所述第一催化剂浆料的固含量为6
‑
10wt％；所述溶剂包括全氟磺酸溶液、PTFE乳液、去离子水以及醇；进一步优选的，全氟磺酸溶液、PTFE乳液、去离子水以及醇的体积比为(1.5
‑
2)：(0.5
‑
1)：(3
‑
5)：(6
‑
8)。
[0022]优选的，所述第二催化剂浆料包括第二催化剂和溶剂；其中，所述第二催化剂浆料的固含量为6
‑
10wt％；所述溶剂包括全氟磺酸溶液、PTFE乳液、去离子水以及醇；进一步优选的，全氟磺酸溶液、PTFE乳液、去离子水以及醇的体积比为(1.5
‑
2)：(0.5
‑
1)：(3
‑
5)：(6
‑
8)。
[0023]优选的，所述第一转印基材选用PTFE薄膜。
[0024]优选的，所述第二转印基材选用PFTE薄膜。
[0025]优选的，在制备阴极催化剂层步骤中：采用第一涂布设备将第一催化剂浆料涂布在第一转印基材上，其中，载量设定为0.1
‑
0.2mg/cm2。
[0026]优选的，在制备阴极催化剂层步骤中：采用第二涂布设备将第二催化剂浆料涂布在第一催化剂层上，其中，载量设定为0.1
‑
0.2mg/cm2。
[0027]优选的，在制备阳极催化剂层步骤中：采用第一涂布设备将第一催化剂浆料涂布在第二转印基材上，其中，载量设定为0.1
‑
0.2mg/cm2。
[0028]另一方面，本专利技术实施例提供一种膜电极CCM，其中，所述膜电极CCM包括：
[0029]质子交换膜；
[0030]阴极催化剂层，所述阴极催化剂层转印在所述质子交换膜的一面上；其中，所述阴
极催化剂层包括第一催化剂层和第二催化剂层；其中，第二催化剂层位于所述质子交换膜的一面上，所述第一催化剂层位于所述第二催化剂层上；所述第一催化剂层中的催化剂为第一催化剂；所述第二催化剂层中的催化剂为第二催化剂；
[0031]阳极催化剂层，所述阳极催化剂层转印在所述质子交换膜的另一面上；其中，所述阳极催化剂层中的催化剂为第一催化剂；
[0032]其中，所述第一催化剂为颗粒状催化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极CCM的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：制备阴极催化剂层步骤：先将第一催化剂浆料涂布在第一转印基材上，以在第一转印基材上制备出第一催化剂层；再将第二催化剂浆料涂布在第一催化剂层上，以在第一催化剂层上制备出第二催化剂层，得到涂布有阴极催化剂层的第一转印基材；制备阳极催化剂层步骤：将第一催化剂浆料涂布在第二转印基材上，得到涂布有阳极催化剂层的第二转印基材；热转印步骤：采用热转印工艺将所述第一转印基材上的阴极催化剂层热转印至质子交换膜的一面上、将所述第二转印基材上的阳极催化剂层热转印至质子交换膜的另一面上，得到膜电极CCM；其中，所述第一催化剂浆料中的第一催化剂为颗粒状催化剂；所述第二催化剂浆料中的第二催化剂为具有三维网络结构的催化剂。2.根据权利要求1所述的膜电极CCM的制备方法，其特征在于，所述热转印步骤，包括：将涂布有阳极催化剂层的第二转印基材、质子交换膜、涂布有阴极催化剂层的第一转印基材依次层叠平铺在热压机上，进行热转印处理，以将所述涂布有阴极催化剂层的第一转印基材上的阴极催化剂层热转印至质子交换膜的一面上、将所述涂布有阳极催化剂层的第二转印基材上的阳极催化剂层热转印至质子交换膜的另一面上；优选的，所述热转印处理的温度为120
‑
160℃，所述热转印处理的压力为10
‑
50公斤/cm2，所述热转印处理的时间为30
‑
200秒；优选的，所述热转印步骤，包括：1)开启热压机，进行加热；2)待所述热压机的温度达到热转印处理的温度时，将涂布有阳极催化剂层的第二转印基材、质子交换膜、涂布有阴极催化剂层的第一转印基材依次层叠平铺在热压机上；3)使所述热压机开始加压，达到热转印处理的压力后，进行热转印处理；4)在热转印处理结束后，撕下第一转印基材、第二转印基材，得到膜电极CCM。3.根据权利要求1或2所述的膜电极CCM的制备方法，其特征在于，所述第二催化剂为复合碳载体负载合金催化剂；其中，在所述复合碳载体负载合金催化剂中：复合碳载体为包括粒状碳材料和线状碳材料的复合材料；合金为铂钴合金；优选的，所述铂钴合金中的铂的含量范围为10
‑
60wt％，优选为15
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50wt％；优选的，在所述复合碳载体负载合金催化剂中：所述铂钴合金的含量为20
‑
60wt％；优选的，所述粒状碳材料为介孔碳、碳微球、无定形碳中的一种或多种；优选的，所述线状碳材料为碳纳米管和/或碳纤维。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的膜电极CCM的制备方法，其特征在于，所述第一催化剂选用半石墨化纯铂催化剂；优选的，所述第一催化剂选用TEC10EA50E型号的半石墨化纯铂催化剂。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的膜电极C...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾璐，张鑫，战立俊，吴金凤，王海峰，
申请(专利权)人：锋源新创科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：