一种膜电极组件的制备方法、膜电极组件、燃料电池与流程

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种膜电极组件的制备方法、膜电极组件、燃料电池。

背景技术：

1、质子交换膜(proton exchange membrane fuel，pem)燃料电池是一种前景广阔的清洁能源技术，具有高能源效率、简单设计和快速启动等优点。它由多层结构的膜电极组件(membrane electrode assembly，mea)组成，包括阴极催化剂层和阳极催化剂层(catalystlayers，cls)、气体扩散层(gas diffusion layers，gdls)和质子传导膜。阴极催化剂层和阳极催化剂层分别由纳米颗粒支撑的铂催化剂和全氟磺酸(pfsa)离聚物组成。目前使用的支撑材料具有多种纳米级孔隙，但铂纳米颗粒无法完全融入这些孔隙与离聚物接触。此外，铂和离聚物的成本较高，几乎占据总成本的一半。因此，设计高性能的催化剂层并减少离聚物和铂的使用对于降低成本和制造简单的膜电极至关重要。

2、理想的催化剂层应提供高活性表面和低电荷传输阻力。在阴极催化剂层中，质子从质子膜中传入催化层，电子通过气体扩散层到达催化层，氧气通过孔结构和离聚物薄膜到达铂表面(也称为活性面或三相边界)。因此，理想情况下，如果质子膜附近的离聚物负载较高，有利于质子的迁移；在气体扩散层附近，铂-碳载荷较高，有利于电子传输和氧气浓度较高，而孔隙率和孔径越大，离聚物薄膜越薄，气体传输能力越强。因此，梯度催化剂层的设计可以显著提高燃料电池的性能。

3、目前，制备燃料电池膜电极中催化层的主要技术有直涂、转印和喷涂。直涂技术是将催化剂浆料直接涂敷在底膜或质子交换膜上，形成单层或多层结构。转印技术是将催化层从模板上转移到底膜或质子交换膜上，实现催化层的制备。喷涂技术是通过喷雾将催化剂溶液均匀地喷洒在底膜或质子交换膜上，形成催化层。

4、然而，在制备梯度多层催化层时，通常需要将梯度浆料分次涂敷在底膜或质子交换膜上，以制备多层结构。这个分次涂敷的过程需要等待前一层催化层干燥后再涂敷下一层，导致工作效率降低。此外，由于层与层之间存在界面，传质效率也会降低，从而拉低燃料电池的性能。

技术实现思路

1、为了解决以上技术问题，本发明提供了一种膜电极组件的制备方法、膜电极组件、燃料电池。

2、本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：

3、一种膜电极组件的制备方法，包括：

4、步骤s1，于第一溶剂中加入催化剂，并进行超声混合，得到浆料a；

5、步骤s2，于所述浆料a中加入质子交换膜溶液和第二溶剂，进行超声预混合后再进行分散处理，得到浆料b；

6、步骤s3，调整所述催化剂和所述质子交换膜溶液的比例后按照所述步骤s1-s2制备不同i/c比梯度的浆料b；

7、步骤s4，将制备得到的所述浆料b分别涂敷于底膜上，并进行烘干，保证涂层完全干燥，以避免热压转印过程中会出现花纹。

8、步骤s5，将烘干后的所述底膜按预定的梯度顺序对齐并进行热压，形成多层梯度结构的阳极催化剂层和阴极催化剂层；

9、步骤s6，将包含有固体聚合物电解质的质子交换膜进行热压；

10、步骤s7，将多层梯度结构的所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层分别放置于所述质子交换膜的相对的两侧，并进行热压，在热压过程中完成转印，得到膜电极组件。

11、优选地，满足下述条件①-⑤的一个或多个，

12、①所述步骤s1中，所述第一溶剂为去离子水；

13、②所述催化剂为催化剂颗粒，所述催化剂颗粒为单一贵金属或多种贵金属和贱金属的合金；所述催化剂颗粒的载体包括多孔炭黑、碳纳米管、天然石墨中的至少一种；

14、③所述步骤s2中，所述第二溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇中、去离子水中的至少一种；

15、④所述步骤s4中，所述底膜的材质为聚四氟乙烯均质膜或聚四氟乙烯增强膜；

16、⑤所述步骤s6中，所述包含有固体聚合物电解质的质子交换膜为全氟磺酸型质子交换膜。

17、优选地，满足下述条件⑥-⑨的一个或多个，

18、⑥所述步骤s4中，烘干温度c1为40℃～90℃，烘干时间t1为20min～40min；

19、⑦所述步骤s5中，热压温度c2为120℃～170℃，热压时间t2为1min～3min；

20、⑧所述步骤s7中，热压温度c3为120℃～170℃，热压时间t3为1min～3min；

21、⑨所述步骤s6中，热压温度c4为90℃-120℃，热压时间t4为0.5min～1.5min。

22、优选地，所述条件⑥-⑨满足以下的一个或多个，

23、⑥所述步骤s4中，烘干温度c1为50℃～80℃，烘干时间t1为20min～30min；

24、⑦所述步骤s5中，热压温度c2为150℃～165℃，热压时间t2为2min～2.5min；

25、⑧所述步骤s7中，热压温度c3为150℃～165℃，热压时间t3为2min～2.5min；

26、⑨所述步骤s6中，热压温度c4为90℃～100℃，热压时间t4为1min～1.2min。

27、用于制作所述阳极催化剂层的所述浆料b的i/c比大于用于制作所述阴极催化剂层的所述浆料b。

28、优选地，用于制作所述阳极催化剂层的所述浆料b的i/c比是1.05～1.1；

29、用于制作所述阴极催化剂层的所述浆料b的i/c比是0.7～0.9。

30、优选地，用于制作所述阳极催化剂层的所述浆料b的i/c比是0.95；

31、用于制作所述阴极催化剂层的所述浆料b的i/c比是0.8

32、优选地，所述步骤s5中，所述多层梯度结构的种类包括离聚物种类梯度、离聚物用量梯度、催化剂种类梯度、催化剂用量梯度、催化层厚度梯度、其他添加剂用量梯度中的至少一种。

33、本发明还提供一种膜电极组件，采用如上述的膜电极组件的制备方法制备得到，所述膜电极组件包括：

34、包含有固体聚合物电解质的质子交换膜；

35、阳极催化剂层，形成于所述质子交换膜的第一面；

36、阴极催化剂层，形成于所述质子交换膜的第二面；

37、所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层均为多层梯度结构。

38、本发明还提供一种燃料电池，包括采用如上述的膜电极组件的制备方法制备得到的膜电极组件。

39、本发明技术方案的优点或有益效果在于：

40、本发明能够快速制备梯度多层膜电极组件，解决梯度多层膜电极制备过程中工作效率低下的问题，提高梯度多层膜电极组件的制备效率；同时利用高分子材料在高温下的互溶特性，提高多层催化层之间传质能力，增强膜电极组件的传质能力，解决了多层膜电极之间存在界面导致传质能力降低的问题。

技术特征：

1.一种膜电极组件的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的膜电极组件的制备方法，其特征在于，满足下述条件①-⑤的一个或多个，

3.根据权利要求1所述的膜电极组件的制备方法，其特征在于，满足下述条件⑥-⑨的一个或多个，

4.根据权利要求3所述的膜电极组件的制备方法，其特征在于，所述条件⑥-⑨满足以下的一个或多个，

5.根据权利要求1所述的膜电极组件的制备方法，其特征在于，用于制作所述阳极催化剂层的所述浆料b的i/c比大于用于制作所述阴极催化剂层的所述浆料b。

6.根据权利要求1所述的膜电极组件的制备方法，其特征在于，用于制作所述阳极催化剂层的所述浆料b的i/c比是1.05～1.1；

7.根据权利要求6所述的膜电极组件的制备方法，其特征在于，用于制作所述阳极催化剂层的所述浆料b的i/c比是0.95；

8.根据权利要求1所述的膜电极组件的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，所述多层梯度结构的种类包括离聚物种类梯度、离聚物用量梯度、催化剂种类梯度、催化剂用量梯度、催化层厚度梯度、其他添加剂用量梯度中的至少一种。

9.一种膜电极组件，其特征在于，采用如权利要求1-8任意一项所述的膜电极组件的制备方法制备得到，所述膜电极组件包括：

10.一种燃料电池，其特征在于，包括采用如权利要求1-8任意一项所述的膜电极组件的制备方法制备得到的膜电极组件。

技术总结
本发明提供一种膜电极组件的制备方法、膜电极组件、燃料电池，包括：包含有固体聚合物电解质的质子交换膜；阳极催化剂层，形成于质子交换膜的第一面；阴极催化剂层，形成于质子交换膜的第二面；阳极催化剂层和阴极催化剂层均为多层梯度结构。有益效果：本发明能够快速制备梯度多层膜电极组件，解决梯度多层膜电极制备过程中工作效率低下的问题，提高梯度多层膜电极组件的制备效率；同时利用高分子材料在高温下的互溶特性，提高多层催化层之间传质能力，增强膜电极组件的传质能力，解决了多层膜电极之间存在界面导致传质能力降低的问题。

技术研发人员：李振,杨敏,闫海,朱星烨,方英军,陈福平,万玲玉
受保护的技术使用者：上海电气集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7