膜电极CCM及其制备系统、方法和应用与流程

本发明属于燃料电池，具体涉及一种膜电极ccm及其制备系统、方法和应用。

背景技术：

1、膜电极(mea)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是燃料电池产生电能，发生电化学反应的重要部件。膜电极主要由催化层(cls)、气体扩散层(gdls)和膜材料组成。膜电极两侧分别通氢气和氧气后，在催化层的催化作用下，产生电位差，进而产生电能，供人们取用。膜电极的电性能、多片之间的一致性、发电的稳定性、使用的耐久性等特性直接决定了燃料电池的使用可靠性和寿命。目前，国内燃料电池的批量化制造能力正在逐步建立，各种不同的制造方法展示出不同的效率、质量、成本。

2、市场主流的涂有催化剂层的质子交换膜(catalyst coated membrane，简称ccm)的制备工艺主要为直涂法和转印法，直涂法如下：首先将催化剂粉末、离聚物树脂、醇类溶剂、水等物质进行充分的混合形成浆液，然后通过分散工艺，将颗粒研磨到需要的粒度，形成阳极或阴极浆料，分别涂覆于质子交换膜的两侧，经过隧道炉烘干，形成ccm；转印法则是将阴极和阳极浆料分别涂覆于另一载体膜上，经过隧道炉烘干，分别形成阴极涂层和阳极涂层，然后通过热压转印的方式，将阴极和阳极涂层分别转移到质子交换膜的两侧，形成所需的ccm。膜电极的制造过程还包括，将得到的ccm进行裁切，利用裁切好的特定形状的边框膜将ccm夹持在中间，进行热压或冷压封装，形成5层ccm，最后将gdls分别粘贴在5层ccm的两侧得到膜电极成品。

3、上述传统方法在制备过程中涉及浆料配制、分散、涂布催化层、转印等工序，尤其是浆料配制消耗人力，时间长，其品质决定催化层的好坏，从而决定膜电极的性能好坏，而配制材料中包括醇类等有机溶剂，存在催化剂易团聚、易燃易爆、过程控制难度高的特点；在经过涂布过程形成催化层的过程中，存在浆料浪费、大量的voc排放以及干燥过程耗能高等缺点。在直涂法中浆料中的溶剂对质子交换膜有腐蚀溶胀作用，进而严重影响ccm的寿命及品质稳定性；转印法中的转印过程对涂层转移效率和效果要求高，这就造成转印效率低，转印品质易出现透光点、折纹等缺陷，过程控制难度高，同时降低膜电极的品质，增加了制造成本。

4、因此，现有的膜电极ccm制备技术有待改进。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种膜电极ccm及其制备系统、方法和应用，利用该系统来制备膜电极ccm，可以省去传统制造工艺中的浆料配制、涂布和转印的工序，制备过程中没有voc排放和化学废料产生，大大缩短了膜电极的制造流程，生产效率得到显著提升，生产成本降低，同时可以避免直涂法中溶剂对质子交换膜的腐蚀溶胀作用以及转印法中易出现的透光点、折纹等缺陷，催化层中催化剂及离聚物分布均匀，二者利用率明显优于传统涂布法制得的膜电极催化层，催化层孔隙结构更有利于气体的渗透，且催化层的厚度容易控制。

2、在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备膜电极ccm的系统。根据本发明的实施例，所述系统包括：

3、等离子体流发生装置，所述等离子体流发生装置上设有物料导入口和导出口，所述物料包括催化剂和离聚物树脂，所述离聚物树脂在所述等离子体流发生装置内熔融；

4、物料导入装置，所述物料导入装置与所述物料导入口相连；

5、冷却装置，质子交换膜置于所述冷却装置上，在所述冷却装置的作用下，所述等离子体流发生装置中的包括催化剂和熔融离聚物树脂的物料随着等离子体气流从所述导出口喷出后沉积在所述质子交换膜两侧表面形成催化层。

6、由此，利用该系统来制备膜电极ccm，可以省去传统制造工艺中的浆料配制、涂布和转印的工序，制备过程中没有voc排放和化学废料产生，大大缩短了膜电极的制造流程，生产效率得到显著提升，生产成本降低，同时可以避免直涂法中溶剂对质子交换膜的腐蚀溶胀作用以及转印法中易出现的透光点、折纹等缺陷，催化层中催化剂及离聚物分布均匀，二者利用率明显优于传统涂布法制得的膜电极催化层，催化层孔隙结构更有利于气体的渗透，且催化层的厚度容易控制。

7、另外，根据本发明上述实施例的制备膜电极ccm的系统还可以具有如下附加的技术特征：

8、在本发明的一些实施例中，所述物料导入口包括催化剂导入口和离聚物树脂导入口，所述物料导入装置包括催化剂导入装置和离聚物树脂导入装置，所述催化剂导入装置与所述催化剂导入口相连，所述离聚物树脂导入装置与所述离聚物树脂导入口相连。由此，无需预先将催化剂和离聚物树脂混合均匀即可实现同时喷涂催化剂和离聚物树脂，且可以实现催化剂和离聚物树脂的交替等离子体喷涂。

9、在本发明的一些实施例中，所述离聚物树脂导入装置上具有预加热组件。由此，可以将离聚物树脂在离聚物树脂导入装置中加热到接近熔点，使其进入等离子体流发生装置后能够快速熔融，后续与催化剂混合更均匀。

10、在本发明的一些实施例中，所述冷却装置中与所述质子交换膜相接触的面为二维弧形台面。由此，可以对质子交换膜起到展平和支撑的作用。

11、在本发明的一些实施例中，所述二维弧形台面的弧面长度为50-100cm，弧度为1-10rad。由此，可以对质子交换膜起到展平和支撑的作用。

12、在本发明的一些实施例中，所述制备膜电极ccm的系统进一步包括：入料导辊，所述入料导辊设在所述等离子体流发生装置的上游，并且所述入料导辊与所述质子交换膜相连；出料导辊，所述出料导辊设在所述等离子体流发生装置的下游，且用于对形成催化层的质子交换膜进行辊压。由此，有利于实现连续化生产，同时可以提高膜电极ccm催化层的平整度和压实密度。

13、在本发明的第二个方面，本发明提出了一种利用上述的系统制备膜电极ccm的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：将催化剂和离聚物树脂经由物料导入装置供给至等离子体流发生装置，所述催化剂和所述离聚物树脂随着高温等离子体气流从所述等离子体流发生装置上的导出口喷出，并在冷却装置的作用下，沉积在质子交换膜的至少部分上表面和至少部分下表面，以便在所述质子交换膜的至少部分上表面和至少部分下表面上分别形成催化层，得到膜电极ccm。

14、由此，采用本技术的方法来制备膜电极ccm，可以省去传统制造工艺中的浆料配制、涂布和转印的工序，制备过程中没有voc排放和化学废料产生，大大缩短了膜电极的制造流程，生产效率得到显著提升，生产成本降低，同时可以避免直涂法中溶剂对质子交换膜的腐蚀溶胀作用以及转印法中易出现的透光点、折纹等缺陷，催化层中催化剂及离聚物分布均匀，二者利用率明显优于传统涂布法制得的膜电极催化层，催化层孔隙结构更有利于气体的渗透，且催化层的厚度容易控制。

15、另外，根据本发明上述实施例的利用上述的系统制备膜电极ccm的方法还可以具有如下附加的技术特征：

16、在本发明的一些实施例中，在将催化剂和离聚物树脂经由物料导入装置供给至等离子体流发生装置之前，预先将所述催化剂和所述离聚物树脂在所述系统外进行混合，得到混合颗粒，再将所述混合颗粒经由所述物料导入装置供给至所述等离子体流发生装置。由此，在膜电极ccm的催化层中，催化剂和离聚物树脂分布均匀。

17、在本发明的一些实施例中，将所述催化剂经由催化剂导入装置供给至所述等离子体流发生装置，同时将所述离聚物树脂经由离聚物树脂导入装置供给至所述等离子体流发生装置。由此，在膜电极ccm的催化层中，催化剂和离聚物树脂分布均匀。

18、在本发明的一些实施例中，将所述催化剂经由催化剂导入装置供给至所述等离子体流发生装置后喷涂于所述质子交换膜表面，将所述离聚物树脂经由离聚物树脂导入装置供给至所述等离子体流发生装置后喷涂于所述质子交换膜表面，二者交替进行。由此，在膜电极ccm的催化层中，催化剂和离聚物树脂分布均匀。

19、在本发明的一些实施例中，所述离聚物树脂和所述催化剂的质量比为(0.8-1.2)：1。

20、在本发明的一些实施例中，所述高温等离子体气流的温度为200-1000℃。由此，可以保证离聚物树脂在等离子体流发生装置内完全熔融，熔融后的离聚物树脂可以对催化剂进行包裹。

21、在本发明的一些实施例中，在将所述离聚物树脂经由离聚物树脂导入装置供给至所述等离子体流发生装置之前，预先将所述离聚物树脂导入装置预热至50-300℃。由此，可以将离聚物树脂在离聚物树脂导入装置中加热到接近熔点，使其进入等离子体流发生装置后能够快速熔融，与催化剂混合更均匀。

22、在本发明的一些实施例中，所述冷却装置的冷却温度为-20-30℃。由此，一方面更利于物料在质子交换膜上沉积，另一方面，更有利于避免质子交换膜在高温下发生变形。

23、在本发明的一些实施例中，所述催化剂包括载体和活性物质，所述活性物质负载在所述载体上，所述载体包括碳颗粒，所述活性物质包括铂金属、铂钴合金和氧化铱中至少之一。

24、在本发明的一些实施例中，所述离聚物树脂包括全氟磺酸树脂，所述离聚物树脂的离子交换当量为700-1000g/mol。

25、在本发明的一些实施例中，所述催化剂的粒径为0.2-2.0μm，所述离聚物树脂的粒径为1-20μm。

26、在本发明的一些实施例中，所述活性物质包括铂金属和/或铂钴合金，单侧所述催化层中铂金属含量为0.01-0.5mg/cm2。

27、在本发明的一些实施例中，所述催化层的孔隙率为30％-80％。由此，有利于气体的渗透。

28、在本发明的一些实施例中，所述方法进一步包括：对所述膜电极ccm进行辊压。

29、在本发明的第三个方面，本发明提出了一种膜电极ccm。根据本发明的实施例，所述膜电极ccm采用上述的系统或者采用上述的方法制备得到。由此，该膜电极ccm的催化层中催化剂及离聚物分布均匀，二者利用率明显优于传统涂布法制得的膜电极催化层，催化层孔隙结构更有利于气体的渗透，使得膜电极ccm具有较高的品质和较长的寿命，且成本较低。

30、另外，根据本发明上述实施例的膜电极ccm还可以具有如下附加的技术特征：

31、在本发明的一些实施例中，所述膜电极ccm上阳极催化层和阴极催化层中催化剂的活性物质包括铂金属和/或铂钴合金，所述阳极催化层中铂金属含量xmg/cm2和所述阴极催化层中铂金属含量ymg/cm2满足如下关系：0＜3x≤y。

32、在本发明的一些实施例中，所述阳极催化层的厚度为0.5-6μm，所述阴极催化层的厚度为1-15μm。

33、在本发明的第四个方面，本发明提出了一种膜电极。根据本发明的实施例，所述膜电极包括上述的膜电极ccm。由此，该膜电极的催化层中催化剂及离聚物分布均匀，二者利用率明显优于传统涂布法制得的膜电极催化层，催化层孔隙结构更有利于气体的渗透，使得膜电极具有优异的电性能和较长的寿命，且成本较低。

34、在本发明的第五个方面，本发明提出了一种燃料电池。根据本发明的实施例，所述燃料电池包括上述的膜电极。由此，该燃料电池具有优异的电性能和较长的寿命，且成本较低。

35、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。