CN113745613A - 膜电极、其制备方法及燃料电池 - Google Patents

膜电极、其制备方法及燃料电池 Download PDF

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CN113745613A CN202110891845.4A CN202110891845A CN113745613A CN 113745613 A CN113745613 A CN 113745613A CN 202110891845 A CN202110891845 A CN 202110891845A CN 113745613 A CN113745613 A CN 113745613A
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任建国
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Abstract

本申请提供一种膜电极、其制备方法及燃料电池，属于燃料电池技术领域。该膜电极包括质子交换膜和两侧催化剂层，两侧催化剂层分别设置在质子交换膜的两个表面。至少一侧催化剂层包括多个催化剂结构单元，每个催化剂结构单元包括第一区域和第二区域。第一区域中单位投影面积的催化剂质量大于第二区域中单位投影面积的催化剂质量。每个催化剂结构单元中的两个区域之间的单位投影面积的催化剂质量具有差异，单位投影面积质量较小的区域对气体的传质阻力相对较小，气体容易先从厚度方向分布于这些预设的区域然后再扩散至催化剂层的内部，可以使电极反应过程中的气体传质效果更好，从而提高了膜电极的电学性能。

Description

膜电极、其制备方法及燃料电池
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种膜电极、其制备方法及燃料电池。
背景技术
聚合物电解质燃料电池因为其无污染、使用条件温和、能量利用率高、可连续转换等优点被认为是较为理想的电能来源。膜电极组件(MEA)是聚合物电解质燃料电池中电化学过程发生的场所，对电池性能有着关键性的影响。目前，催化剂涂覆膜(CCM)工艺进行膜电极的制备较为广泛，该工艺采用喷涂、转印、丝网印刷或模涂等方式将催化剂浆料均匀涂覆到质子交换膜表面，干燥后再与气体扩散层和双极板集成。该方法制备得到的膜电极组件传质效果有限，不足以满足现有电池对超大电流密度工况的使用需求。
发明内容
本申请提供一种膜电极、其制备方法及燃料电池，有利于气体的传质，提高了膜电极的电学性能。
第一方面，本申请提供一种膜电极，包括质子交换膜和两侧催化剂层，两侧催化剂层分别设置在质子交换膜的两个表面。至少一侧催化剂层包括多个催化剂结构单元，每个催化剂结构单元包括第一区域和第二区域，其中，第一区域中单位投影面积的催化剂质量大于第二区域中单位投影面积的催化剂质量。
在一种可行的实施方式中，每个催化剂结构单元还包括连接第一区域和第二区域的过渡区域，沿第一区域至第二区域的方向，过渡区域上的单位投影面积的催化剂质量值逐渐减小。
在一种可行的实施方式中，第一区域、过渡区域和第二区域之间形成波浪形结构，第一区域的催化剂层厚度与第二区域中催化剂层厚度的比值为1.05:1～5:1。
在一种可行的实施方式中，两侧催化剂层均包括多个催化剂结构单元。
在一种可行的实施方式中，第一区域的中心与相邻的第一区域的中心之间的距离为d1，第二区域的中心与相邻的第二区域的中心之间的距离为d2，多个d1与多个d2的平均值为
Figure BDA0003196460000000021
每个催化剂结构单元满足以下条件a～c中的至少一者：a.d1与
Figure BDA0003196460000000022
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000023
d2与
Figure BDA0003196460000000024
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000025
b.至少90％的区域，d1与d的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000026
d2与
Figure BDA0003196460000000027
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000028
c.
Figure BDA0003196460000000029
的值满足：1
Figure BDA00031964600000000210
在一种可行的实施方式中，每个催化剂结构单元中，
Figure BDA00031964600000000211
的值满足：1
Figure BDA00031964600000000212
在一种可行的实施方式中，每个催化剂结构单元中，
Figure BDA00031964600000000213
的值满足：0.5
Figure BDA00031964600000000214
在一种可行的实施方式中，单侧催化剂层中满足以下条件d～g中的至少一者：d.每个催化剂结构单元为条纹状，d1与
Figure BDA00031964600000000215
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000000216
d2与
Figure BDA00031964600000000217
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000000218
e.每个催化剂结构单元为条纹状，d1与
Figure BDA00031964600000000219
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000000220
d2与
Figure BDA00031964600000000221
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000000222
f.每个催化剂结构单元为点阵状，d1与
Figure BDA00031964600000000223
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000000224
d2与
Figure BDA00031964600000000225
的值满足的关系是：0.2d≤d2≤3d；g.每个催化剂结构单元为点阵状，d1与
Figure BDA00031964600000000226
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000000227
d2与
Figure BDA00031964600000000228
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000000229
第二方面，本申请提供一种上述膜电极的制备方法，包括：在衬底的一表面涂覆催化剂前体，在衬底的背离催化剂前体的一表面上设置至少一个振动源，振动源振动使衬底的表面形成多个区块，干燥催化剂前体形成具有多个催化剂结构单元的催化剂层。其中，每个催化剂结构单元包括至少一个第一区域和至少一个第二区域，其中，第一区域的催化剂层厚度大于第二区域的催化剂层厚度。
在一种可行的实施方式中，衬底的用于涂覆催化剂前体的一表面的表面粗糙度≤5μm。
在一种可行的实施方式中，衬底的声速为500m/s-5000m/s。
在一种可行的实施方式中，振动满足以下条件h～k中的至少一者：h.振动使衬底沿其平面方向传播其在厚度方向的振动。i.振动源产生的振动在垂直于衬底的方向上具有分量。j.振动源的振动频率为0.5MHz-1 GHz。k.在衬底的背离催化剂前体的一表面上设置多个振动源，每个振动源振动使衬底沿其平面方向传播其在厚度方向的振动；多个振动源的振动频率的偏差值不超过5％。
在一种可行的实施方式中，振动源的振动频率为0.5MHz-50 MHz。
在一种可行的实施方式中，振动源的振动频率为0.1GHz-1 GHz。
第三方面，本申请提供一种燃料电池，包括阴极流场板、阳极流场板和上述膜电极，膜电极设置于阴极流场板和阳极流场板之间。第一区域与流场板的沟道槽对应，第二区域与流场板的沟道板脊对应。或，第一区域与流场板的沟道板脊对应，第二区域与流场板的沟道槽对应。
与现有技术相比，本申请的有益效果包括：
对于膜电极来说：至少一侧催化剂层包括多个催化剂结构单元，可以使催化剂层分成多个区块。且每个催化剂结构单元中，第一区域中单位投影面积的催化剂质量大于第二区域中单位投影面积的催化剂质量，对于单位投影面积的催化剂质量较小的区域来说，其对气体的传质阻力较小，可以使气体容易在厚度方向进行传质，然后再扩散至催化剂层的内部，有利于气体的传质，从而提高了膜电极的电学性能。
对于膜电极的制备方法来说：使用涂覆的方式进行催化剂的制备，在涂覆以后，通过点振源来振动衬底，就可以形成厚度具有区别的催化剂层结构，从而使膜电极反应过程中，厚度较小的区域可以有利于气体在厚度方向传质，然后再扩散至催化剂层的内部，有利于气体的传质，以提高膜电极的电学性能。该膜电极的制备工艺较为简单，适合大批量生产。
对于燃料电池来说：其使用本申请提供的膜电极，在反应过程中，有利于气体的传质，以提高燃料电池的电学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请实施例提供的膜电极的第一类层结构示意图；
图2为本申请实施例提供的膜电极的第二类层结构示意图；
图3为本申请实施例提供的膜电极的第一平面结构示意图；
图4为本申请实施例提供的膜电极的第二平面结构示意图；
图5为本申请实施例提供的膜电极的第三平面结构示意图；
图6为本申请提供的膜电极的制备的第一装置示意图；
图7为本申请提供的膜电极的制备的第二装置示意图；
图8为本申请实施例提供的CL2的实物显微图像；
图9为本申请部分实施例单电池测试的极化曲线图。
图标：301-质子交换膜；201-催化剂层；202-催化剂结构单元；21-第一区域；22-第二区域；23-过渡区域；203-第一催化剂结构单元；204-第二催化剂结构单元；205-第三催化剂结构单元；311-衬底；321-振动源；322-外接设备；331-边框；401-涂布装置。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
发明人研究发现，膜电极组件的传质效果受到影响的原因主要有：由于膜电极组件中的催化剂层通过涂覆工艺制备得到，形成的催化剂层的厚度以及致密度都较为均匀，电极反应过程中气体的传质处于无序状态，造成较大的浓差极化与寄生反应发生概率，限制着膜电极的电学性能提升。
图1为本申请实施例提供的膜电极的第一类层结构示意图；图2为本申请实施例提供的膜电极的第二类层结构示意图。请参阅图1和图2，至少一侧催化剂层201(图1和图2示出了质子交换膜301和其中一侧催化剂层201)包括多个催化剂结构单元202，每个催化剂结构单元202包括第一区域21和第二区域22，其中，第一区域21中单位投影面积的催化剂质量大于第二区域22中单位投影面积的催化剂质量。其中，单位投影面积是指催化剂层201在质子交换膜301上的正投影面积。
需要说明的是，图1和图2中所形成的催化剂层的厚度差异并不是指实际的厚度差异，而是指不同区域的单位投影面积的催化剂质量差异。催化剂层201中厚度较厚的区域指的是单位投影面积的催化剂质量相对较大的区域，其并不能够仅仅被解释为实际厚度相对较大的区域；催化剂层201中厚度较薄的区域指的是单位投影面积的催化剂质量相对较小的区域，其并不能够仅仅被解释为厚度相对较小的区域。将催化剂层分成多个催化剂结构单元202，且每个催化剂结构单元202中，均存在单位投影面积的催化剂质量较小的区域，该区域对气体的传质阻力较小，可以使气体容易在厚度方向进行传质，然后再扩散至催化剂层的内部，有利于气体的传质，从而提高了膜电极的性能。
上述的膜电极中，可以是仅阳极催化剂层具有上述的催化剂层结构；也可以是仅阴极催化剂层具有上述的催化剂层结构；还可以是阳极催化剂层和阴极催化剂层均具有上述的催化剂层结构。其中，图1和图2仅示出了质子交换膜301和其中一侧催化剂层201，其并不是限定为仅仅只有一侧催化剂层201具有上述的催化剂层结构。
为了使第一区域21和第二区域22的单位投影面积的催化剂质量存在差异，在一个实施方式中，可以使第一区域21和第二区域22的催化剂层201的厚度存在差异，但致密度基本相同，则催化剂层201的表面会形成槽结构，在槽结构(单面面积的催化剂质量较小)区域处，对气体的传质阻力减小，可以使气体容易在厚度方向进行传质，然后再扩散至催化剂层的内部，有利于气体的传质，从而提高了膜电极的电学性能。
在另一实施方式中，还可以使第一区域21和第二区域22的催化剂层201厚度基本相同，但致密度存在差异，可以使催化剂层201内的孔洞大小存在差异，致密度较小的区域(面密度较小的区域)，孔洞会更大，致密度较大的区域(面密度较大的区域)，孔洞会更小，在孔洞较大的区域(面密度较小的区域，单面面积的催化剂质量较小的区域)处，对气体的传质阻力减小，可以使气体容易在厚度方向进行传质，然后再扩散至催化剂层的内部，有利于气体的传质，从而提高了膜电极的电学性能。
在其他实施方式中，也可以使第一区域21和第二区域22的催化剂层201的厚度和致密度均存在差异，从而形成具有单位投影面积的催化剂质量较大的第一区域21和单位投影面积的催化剂质量较小的第二区域22，以利于气体的传质，从而提高膜电极的电学性能。
请继续参阅图1和图2，本申请中，每个催化剂结构单元202还包括连接第一区域21和第二区域22的过渡区域23，沿第一区域21至第二区域22的方向，过渡区域23上的单位投影面积的催化剂质量值逐渐减小。膜电极的单位投影面积的催化剂质量处于一个逐渐变化的状态，膜电极容易制备得到，且形成的二维有序结构利于介质的传导。
可选地，相邻的两个结构单元的第一区域21和第二区域22之间，也可以通过单位投影面积的催化剂质量逐渐变化的过渡区域23进行连接，以使单侧催化剂层201的单位投影面积的催化剂质量处于逐渐变化的状态。
请参阅图1，其催化剂层的截面为波浪形结构，此时，第一区域21、第二区域22和过渡区域23可以不具有标准的划分，其第一区域21并不能够被限定是波峰，第二区域22也并不能够被限定是波谷，第一区域21应该被理解为波峰周围的区域，第二区域22应该被理解为波谷周围的区域。本申请不做限定。
如果波浪形结构的催化剂层中，其致密度基本一致，则第一区域21的催化剂层厚度与第二区域22中催化剂层厚度的比值为1.05:1～5:1。质子交换膜301阳极侧或/和阴极侧的整个表面上均形成有催化剂层201，可以对膜电极的反应进行催化，且将不同区域的催化剂层的厚度比例限定在一定的比例范围之内，可以使第一区域21和第二区域22的催化剂能够被得到利用，使催化剂的利用率更高，以增加提高膜电极的性能。
作为示例性地，第一区域21的催化剂层厚度与第二区域22的催化剂层厚度的比值为1.05:1、2:1、3:1、4:1或5:1。本申请中，催化剂层201为质子交换膜301上形成的固态层结构，其是能够催化燃料电池电极反应发生并传递相应反应物的材料及其混合物。单位投影面积的催化剂质量是指的是整个单位投影面积的所有催化层电极物质的质量，并不限定为仅指金属活性物质的质量。
其中，催化剂层201主要包括载有贵金属纳米颗粒的碳基材料以及具备离子传导能力的离子交换树脂。可选地，载有贵金属纳米颗粒的碳基材料的尺寸为微米级尺寸，具备离子传导能力的离子交换树脂的尺寸也为微米级尺寸。
请参阅图2，其催化剂层的截面为具有平面结构，此时，第一区域21、第二区域22和过渡区域23可以具有标准的划分，其第一区域21可以为具有最高平面的区域，第二区域22可以为具有最低平面的区域；但是，其也可以是不标准的划分，第一区域21可以为具有最高平面的区域以及其周围的区域，第二区域22可以为具有最低平面的区域以及其周围的区域。本申请不做限定。
图3为本申请实施例提供的膜电极的第一平面结构示意图；图4为本申请实施例提供的膜电极的第二平面结构示意图；图5为本申请实施例提供的膜电极的第三平面结构示意图。请参阅图3-图5，颜色相对较深的区域为单位投影面积催化剂质量相对较大的第一区域21；颜色相对较浅的区域为单位投影面积催化剂质量相对较小的第二区域22。
请参阅图3-图5，每个催化剂结构单元202包括多个第一区域21和多个第二区域22，第一区域21的中心与相邻的第一区域21的中心之间的距离为d1，第二区域22的中心与相邻的第二区域22的中心之间的距离为d2，多个d1与多个d2的平均值为
Figure BDA0003196460000000081
其中，d1和d2的值可以相同，也可以不同，本申请不做限定。如果一个催化剂结构单元202中含有多个第一区域21，则每个催化剂结构单元202中会存在多个距离为d1的值，此时，多个d1的值可以相同，也可以不同。如果一个催化剂结构单元202中含有多个第二区域22，则每个催化剂结构单元202中会存在多个距离为d2的值，此时，多个d2的值可以相同，也可以不同。
每个催化剂结构单元202中，d1与
Figure BDA0003196460000000082
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000083
d2与
Figure BDA0003196460000000084
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000085
可选地，至少90％的区域，d1与
Figure BDA0003196460000000086
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000087
d2与
Figure BDA0003196460000000088
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000089
该催化剂结构单元202第一区域21和第二区域22分布较为均匀，可以使气体的传质效果更好，进一步提高膜电极的电学性能。
进一步地，
Figure BDA00031964600000000810
的值满足：
Figure BDA00031964600000000811
作为示例性地，
Figure BDA00031964600000000812
的值为1μm、10μm、50μm、100μm、500μm、1mm或2mm。
在一个实施方式中，
Figure BDA00031964600000000813
的值满足：
Figure BDA00031964600000000814
Figure BDA00031964600000000815
在上述范围内，催化剂层201的成膜效果较好，单位投影面积的催化剂质量的变化区域较为密集，可以在催化剂层201内形成较为均匀的传质通道，以使传质效果更好。
在另一实施方式中，
Figure BDA0003196460000000091
的值满足：
Figure BDA0003196460000000092
Figure BDA0003196460000000093
在上述范围内，单位投影面积的催化剂质量的变化区域相对稀疏一些，但是，一般情况下，流场板沟道宽度在0.5mm-2mm的范围内，该范围更加容易与双极板的流道进行配合，例如：单位投影面积的催化剂质量较大的第一区域21与双极板的沟道槽配合，单位投影面积的催化剂质量较小的第二区域22与双极板的沟道板脊进行配合(或，单位投影面积的催化剂质量较大的第一区域21与双极板的沟道板脊配合，单位投影面积的催化剂质量较小的第二区域22与双极板的沟道槽进行配合)，从而使传质效果更好。
其中，上述的第一区域21的中心是指该区域内单位投影面积催化剂质量最大的点或线(例如：图3中是线，图4中是点)；如果该单位投影面积催化剂质量最大的点或线不唯一，则取位于该区域内单位投影面积催化剂质量最大的区域的几何中心(例如：图2)。
如图3所示，每个催化剂结构单元202为条纹状，例如：将图3中的方框作为一个催化剂结构单元202，其为相邻的四条条纹划分而成(两条深色条纹和两条浅色条纹)，其中，深色条纹可以代表为第一区域21，浅色条纹可以代表为第二区域22；此处是一个举例，并不限定一定要这样划分，也可以是深色条纹代表第二区域22，浅色条纹代表第一区域21。
该催化剂结构单元202中，两条深色条纹(两个第一区域21)的中心线之间的距离为d1，两条浅色条纹(两个第二区域22)的中心线之间的距离为d2。所以，
Figure BDA0003196460000000094
d1与
Figure BDA0003196460000000095
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000096
d2与
Figure BDA0003196460000000097
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000098
可选地，d1与
Figure BDA0003196460000000099
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000000910
d2与
Figure BDA00031964600000000911
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000000912
图3中，d1与d2的值相同，均为d，
Figure BDA0003196460000000101
也为d。
在其他实施方式中，也可以是相邻的两条条纹划分成一个催化剂结构单元202(一条深色条纹和一条浅色条纹)，则d1和d2值的确定不再是在一个催化剂结构单元202中即可确定，需要相邻的两个催化剂结构单元202中才可以确定。
如图4所示，每个催化剂结构单元202为点阵状，例如：将图4中的方框作为一个催化剂结构单元202，其为方形分布的九个点以及九个点周围的黑色区域划分而成。该催化剂结构单元202中，浅色的点为第二区域22，深色的条纹区域为第一区域21；此处是一个举例，并不限定一定要这样划分，也可以是浅色的点为第一区域21，深色的条纹区域为第二区域22。此处的点并不是狭义的点，其具有一定的面积。
相邻的两个浅色的点(两个第二区域22)的中心点之间的距离为d2，如图4所示，可以是dx2或dy2，相邻的两条深色条纹(两个第一区域21)的中心线之间的距离为d1，如图4所示，可以是dx1或dy1。所以，
Figure BDA0003196460000000102
dx1与
Figure BDA0003196460000000103
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000104
dy1与
Figure BDA0003196460000000105
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000106
dx2与
Figure BDA0003196460000000107
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000108
dy2与
Figure BDA0003196460000000109
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000001010
可选地，dx1与
Figure BDA00031964600000001011
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000001012
dy1与
Figure BDA00031964600000001013
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000001014
dx2与
Figure BDA00031964600000001015
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000001016
dy2与
Figure BDA00031964600000001017
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000001018
Figure BDA00031964600000001019
如图5所示，每个催化剂结构单元202为条纹和点阵的混合结构，单侧催化剂层201包括多个第一催化剂结构单元203、多个第二催化剂结构单元204和多个第三催化剂结构单元205，上述的催化剂结构单元组合以后，使单侧催化剂层201的表面图案基本形成对称性的分布。
如图5所示，例如：第一催化剂结构单元203为图5中部的四个区域，第二催化剂结构单元204为图5中四条边的四个区域，第三催化剂结构单元205为图5中四个角的四个区域。其中，第一催化剂结构单元203中，既有条纹结构，又有点阵结构；第二催化剂结构单元204中，为波纹状的结构，其与条纹状的规律较为相似；第三催化剂结构单元205中，为条纹状的结构。下面以第一催化剂结构单元203为例，对其图形间距的分布情况进行具体说明。
如图5所示，每个第一催化剂结构单元203，浅色的环或条纹为第二区域22，深色的环、点或块为第一区域21；此处是一个举例，并不限定一定要这样划分，也可以是浅色的环或条纹为第一区域21，深色的环、点或块为第二区域22。
相邻的两个浅色的环(两个第二区域22)的中心圆之间的距离为dx2，相邻的两条浅色的条纹(两个第二区域22)的中心线之间的距离为dy2或dz2；深色的点和深色的点周围的深色的环(两个第一区域21)的之间的距离(点的最中心和环的中心圆之间的距离)为dx1，相邻的两个深色的圆环(两个第一区域21)的中心环之间的距离为dy1，一个深色的圆环的中心环与一个深色的方块(两个第一区域21)的中心点之间的距离dz1，一个深色条纹与相邻的深色条纹(两个第一区域21)的中心线之间的距离dg1。所以，
Figure BDA0003196460000000111
此处没有进行全部d1和d2的计算，仅仅举例几个d1和d2的计算方式，旨在对
Figure BDA0003196460000000112
的定义进行清晰的说明。
如图5所示，dx1与
Figure BDA0003196460000000113
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000114
dy1与
Figure BDA0003196460000000115
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000116
dz1与
Figure BDA0003196460000000117
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000118
dg1与
Figure BDA0003196460000000119
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000001110
dx2与
Figure BDA00031964600000001111
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000001112
dy2与
Figure BDA00031964600000001113
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000001114
dz2与
Figure BDA00031964600000001115
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000001116
可选地，dx1与
Figure BDA00031964600000001117
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000001118
dy1与
Figure BDA00031964600000001119
的值满足的关系是：
Figure BDA00031964600000001120
dz1与
Figure BDA00031964600000001121
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000121
dg1与
Figure BDA0003196460000000122
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000123
dx2与
Figure BDA0003196460000000124
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000125
dy2与
Figure BDA0003196460000000126
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000127
dz2与
Figure BDA0003196460000000128
的值满足的关系是：
Figure BDA0003196460000000129
在其他实施例中，还可以是其它形状的结构单元，本申请不做限定，只要能够使单位投影面积的催化剂质量较大的第一区域21和单位投影面积的催化剂质量较小的第二区域22之间形成较为规律的有序状态，均在本申请的膜电极的保护范围之内。
其中，图3、图4和图5中，其限定
Figure BDA00031964600000001210
与d1和d2的关系，主要是为了体现出每个催化剂结构单元202中，单位投影面积的催化剂质量较大的区域(第一区域21)与单位投影面积的催化剂质量较小的区域(第二区域22)的疏密程度，在二维平面方向形成较为有序的状态，且该有序结构满足上述条件，更加有利于气体的传质，可以在大电流工况下改善水气传至的效果，以便提高燃料电池的性能。
为了得到上述膜电极，使用下列方法对其进行制备。图6为本申请提供的膜电极的制备的第一装置示意图；图7为本申请提供的膜电极的制备的第二装置示意图。请参阅图6和图7，在衬底311的一表面涂覆催化剂前体，在衬底311的背离催化剂前体的一表面上设置至少一个振动源321，振动源321振动使衬底311沿其平面方向传播其在厚度方向的振动。
催化剂前体在干燥之前，可以是中高粘度流体或流动性很好的细粉体，且上述的振动源321是点振源，可以使振动在衬底311的平面上传播和干涉，形成振动加强和削弱的区域，该区域的催化剂前体则产生相应幅度的振动或波动，使衬底311的表面形成多个区块，干燥催化剂前体形成具有多个催化剂结构单元202的催化剂层201。其中，每个催化剂结构单元202包括至少一个催化剂层厚度较大的第一区域21和至少一个催化剂层厚度较小的第二区域22，形成具有二维有序的几何特征和拓扑学关系的催化剂层201结构。
需要说明的是，振动源321振动是在催化剂前体涂覆以后进行，干燥催化剂前体可以是在振动源321振动以后进行，也可以振动源321的振动和催化剂前体的干燥同时进行，本申请不做限定。
可选地，衬底311的用于涂覆催化剂前体的一表面的表面粗糙度≤5μm，衬底311的声速为500m/s-5000m/s，可选地，衬底311的声速为500m/s-2500m/s。进一步地，此处的声速可以指横波声速，例如：衬底311的横波声速为500m/s-5000m/s。以便可以使催化剂结构单元202中的多个第一区域21的单位投影面积的催化剂质量较为均匀；多个第二区域22的单位投影面积的催化剂质量也较为均匀。
在一些可能的实施方式中，衬底311的用于涂覆催化剂前体的一表面的表面粗糙度≤5μm，或衬底311的用于涂覆催化剂前体的一表面的表面粗糙度≤4μm，或衬底311的用于涂覆催化剂前体的一表面的表面粗糙度≤2μm。衬底311的声速为500m/s、1000m/s、2000m/s、3000m/s、4000m/s或5000m/s。需要说明的是，实际过程中测量到衬底声速会受到所涂覆的催化剂前体的质量及当中水含量变化的影响，故而在前体干燥过程中，实际有效声速会在一个较小的范围内变化。
可选地，振动源321产生的振动在垂直于衬底311的方向上具有分量，振动源321可以在垂直于衬底311的方向上形成点振动，也可以是在倾斜于衬底311的方向上形成点振动，本申请不做限定。
进一步地，振动源321的振动频率为0.5MHz-1 GHz。此方法较为简单，容易实现膜电极的产业化生产，可以使第一区域21的单位投影面积的催化剂质量与第二区域22的单位投影面积的催化剂质量的比值为1.05:1～5:1，可以使d的大致在0.5mm-2mm之间。
其中，振动源321是指能够提供振动来源，使具有衬底法向方向振幅的振动在衬底311平面上传播的装置。作为示例性地，振动源321的振动频率为0.5MHz、1MHz、5MHz、10MHz、100MHz、500MHz或1GHz。
在一个实施方式中，可以在衬底311的背离催化剂前体的一表面上设置一个振动源321，如果在衬底311的下表面的其中一个顶角设置一个振动源321，可以得到大概为图5所示的单侧催化剂层201的结构；如果在衬底311的下表面中心处设在一个振动源321，可以得到点阵状的单侧催化剂层201。
在另一实施方式中，可以在衬底311的背离催化剂前体的一表面上设置多个振动源321，每个振动源321振动使衬底311沿其平面方向传播其在厚度方向的振动；振动源321产生的是确定性周期振动，每个振动源321的振动频率为0.5MHz-1 GHz，振动频率可以通过外部设备进行调控，多个振动源321的振动频率的偏差值不超过5％。可以使得到的不同催化剂结构单元202中，第一区域21之间的面密度差异不大；第二区域22之间的面密度差异也不大，从而使催化层的二维有序结构更佳。
可选地，如果振动源321的振动频率为0.5MHz-50 MHz，可以使
Figure BDA0003196460000000141
的值满足：
Figure BDA0003196460000000142
如果振动源321的振动频率为0.1GHz-1GHz，可以使
Figure BDA0003196460000000143
的值满足：
Figure BDA0003196460000000144
如果在衬底311的下表面的两侧边缘对称排布多个振动源321，可以得到大概为条纹状的单侧催化剂层201。如果在衬底311的下表面的对顶角处排布两个振动源321，可以得到大概为条纹状和点阵状混合的单侧催化剂层201；如果在衬底311的下表面的中轴线处排布多个振动源321，可以得到大概为条纹状和点阵状混合的单侧催化剂层201。
振动源321的排布与催化剂层201形成的二维有序结构的图案有关，但，并不限制上述的振动源321排布方式，可以根据需求进行调整，只要能够通过振动得到二维有序的催化剂层201结构的方案均在本申请的保护范围之内。
如图6所示，本申请中，可以在连续平面的带状结构上进行单侧催化剂层201的制备，带状的衬底311的宽度大概为5cm-20cm，此处的宽度仅一个例子，可以根据膜电极的目标尺寸进行调整。
衬底311可以是单层衬底311，也可以是多层叠加的衬底311。如图6，通过辊对连续的带状结构进行输送(图6中箭头的方向为衬底311的输送方向)，在单侧催化剂层201的结构形成区域，衬底311为基本水平的状态。上层衬底311上具有边框331，催化剂前体涂覆在边框331内部，通过涂布装置401将催化剂前体(例如：催化剂浆料或催化剂混合粉体)涂覆在最上层衬底311上的边框331内，可以通过间隙涂布形成多个区块。在下层衬底311上设置多个振动源321，在催化剂前体未固化之前，开启调整振动的外接设备322，使振动源321周期性振动，从而形成二维有序的催化剂层201结构。
如图7所示，在其他实施方式中，还可以在矩形(例如：截角矩形、圆角矩形等)平板上进行单侧催化剂层201的制备。其长宽比在5:1-1:1范围之内，其中宽度为5cm-15cm。此处的宽度以及长宽比仅一个例子，可以根据膜电极的目标尺寸进行调整。
如图7，将平板状的衬底311平铺，该衬底311可以是多层结构，通过涂布装置401将催化剂前体(例如：催化剂浆料或催化剂混合粉体)涂覆在最上层衬底311上的边框331内。在下层衬底311上设置一个或多个振动源321，在催化剂前体未固化之前，开启调整振动的外接设备322，使振动源321周期性振动，从而形成二维有序的催化剂层201结构。
本申请中，催化剂前体包括催化剂成分(此处的催化剂成分是指催化剂前体干燥以后的催化剂层201结构的成分)和溶剂，可以是粉体状或浆料状，其中，催化剂成分的质量占比在1％-99.9％；溶剂可以是水、有机溶剂及其混合物；例如：溶剂为水和醇的混合液体。其中，涂覆的方式可以是直接涂覆、狭缝模涂、丝网印刷等。
通过振动源321形成了单位投影面积催化剂质量变化较为规律的有序结构以后，可以对催化剂前体进行干燥，从而形成单位投影面积催化剂质量变化较为规律的有序的催化剂层201结构。
其中，干燥的方式可以是进行烘烤，烘烤温度为70℃-250℃，可选地，烘烤温度为90℃-180℃，烘烤时的相对湿度≤80％，烘烤时的气氛环境为非氧化性氛围或气压低于10torr的空气。烘烤的加热方式可以是直接通过加热衬底311实现，也可以通过外部辐照、高温气体对流、热压等方式实现。
本申请中，通过上述的方式制备了催化剂层201以后，如果不进行处理，则形成的催化剂层201的第一区域21和第二区域22的厚度之间存在差异，致密度基本一致，从而形成第一区域21和第二区域22之间具有单位投影面积催化剂质量差的催化剂层201结构。
如果对上述的催化剂层201进行压制(压力相对较大)，可以使形成的催化剂层201的第一区域21和第二区域22的厚度基本不存在差异，致密度存在差异，从而形成第一区域21和第二区域22之间具有单位投影面积催化剂质量差的催化剂层201结构。
如果对上述的催化剂层201进行压制(压力相对较小)，可以使形成的催化剂层201的第一区域21和第二区域22的厚度存在一定的差异，致密度也存在差异，从而形成第一区域21和第二区域22之间具有单位投影面积催化剂质量差的催化剂层201结构。
本申请中，通过在衬底311的下方设置振动源321进行振动，容易实现膜电极的产业化生产，且能够得到单位投影面积催化剂质量呈现较为有序分布的催化剂层201结构。其中，膜电极的产业化生产主要是直接涂覆法，或转印法。
如果是直接涂覆法制备CCM，即在质子交换膜301上直接形成催化剂层201，此时，衬底311为质子交换膜301，例如：衬底311为离子交换树脂。
可选地，在离子交换树脂下设置支撑层作为衬底311进行使用，在离子交换树脂的上表面涂覆阳极催化剂前体，在支撑层的下表面设置振动源321，振动源321振动使衬底311沿其平面方向传播其在厚度方向的振动，使离子交换树脂的上表面形成多个催化剂结构单元202，干燥阳极催化剂前体形成具有多个催化剂结构单元202的阳极催化剂层，且每个催化剂结构单元202包括至少一个单位投影面积的催化剂质量第一区域21和至少一个单位投影面积的催化剂质量第二区域22，形成具有二维有序的几何特征和拓扑学关系的阳极催化剂层结构。
需要说明的是：对于直接涂覆法制备CCM，可以是先通过不添加振动源321直接涂覆催化剂层在离子交换树脂的其中一个表面；再通过上述添加振动源321的方式涂覆催化剂层在离子交换树脂的另一个表面。还可以先通过上述添加振动源321的方式涂覆催化剂层在离子交换树脂的其中一个表面，离子交换树脂的另一个表面的催化剂层通过转印法的方式实现。
如果是转印法制备CCM，即在转印膜上直接形成催化剂层201，此时，在转印膜下设置支撑层作为衬底311进行使用，例如：转印膜为聚四氟乙烯，但不限制聚四氟乙烯，其他能够使用的转印膜也可以实施。
可选地，在聚四氟乙烯的上表面涂覆阳极催化剂前体，在支撑层的下表面设置振动源321，振动源321振动使衬底311沿其平面方向传播其在厚度方向的振动，使聚四氟乙烯的上表面形成多个催化剂结构单元202，干燥阳极催化剂前体形成具有多个催化剂结构单元202的阳极催化剂层，且每个催化剂结构单元202包括至少一个单位投影面积的催化剂质量第一区域21和至少一个单位投影面积的催化剂质量第二区域22，形成具有二维有序的几何特征和拓扑学关系的阳极催化剂层结构。
在另一聚四氟乙烯的上表面涂覆阴极催化剂前体，在支撑层的下表面设置振动源321，振动源321振动使衬底311沿其平面方向传播其在厚度方向的振动，使聚四氟乙烯的上表面形成多个催化剂结构单元202，干燥阴极催化剂前体形成具有多个催化剂结构单元202的阴极催化剂层，且每个催化剂结构单元202包括至少一个单位投影面积的催化剂质量第一区域21和至少一个单位投影面积的催化剂质量第二区域22，形成具有二维有序的几何特征和拓扑学关系的阴极催化剂层结构。
然后将上述的阳极催化剂层转印至质子交换膜301的阳极侧，将上述的阴极催化剂层转印至质子交换膜301的阴极侧，从而得到CCM。
CCM制备完成以后，与阳极扩散层和阴极扩散层组装形成膜电极，然后与双极板进行组装形成单电池。多个单电池可以组装成燃料电池。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实验例
单侧催化剂层的制备条件如表1，以及单侧催化剂的结构特点如表2。
表1单侧催化剂层的制备条件(衬底311特征和振动源特征)
Figure BDA0003196460000000181
Figure BDA0003196460000000191
通过表1中的制备条件制备单侧催化剂层，具体地，将载量40％的碳载铂催化剂颗粒、全氟磺酸聚四氟乙烯树脂颗粒、水和乙醇混合得到催化剂前体，且催化剂前体的固含量为15％，通过直接涂覆的方式将催化剂前体涂覆在表1中的衬底上，并且通过表1中的具体振动方式进行振动形成图案，然后通过外部辐射的方式在100℃-120℃，相对湿度为50％-60％的条件下干燥，得到单位投影面积催化剂质量分布较为有序的单侧催化剂层结构。
并检测出单侧催化剂层的特征如表1。CL2中的图样类型是通过扫描电镜观察得到，如图8所示。相邻的两个第一区域的中心间隔距离d1，以及相邻的两个第二区域的中心间隔距离d2的测试方式为：通过有序催化层扫描电子显微镜图像上的衬度差异区分特征区域，在图像上直接测量并统计d1和d2的值的分布情况，然后计算出d的值。
然后通过扫描电子显微镜中能谱扫描功能表征有序催化层上两类区域中心处的Pt元素L系信号相对强度，以此代表固态电极物质分布的单位投影面积催化剂质量比f如表1。
将表1中的催化剂层组装成膜电极如表2。
表2膜电极的组装方式
Figure BDA0003196460000000201
Figure BDA0003196460000000211
其中，表2中的常规喷涂指的是不添加振动源进行催化剂层的制备，但催化剂前体以及干燥的方式与添加振动的催化剂层的制备方法一致。
通过表2的方式制备膜电极，然后将膜电极与流场板配合制备成单电池，并对其进行单电池断氢测试，可以在燃料电池的电学性能。
在制备催化层过程中，阳极统一铂载量为0.1mgPt/cm2，阴极为0.2mgPt/cm2。膜电极单电池测试条件为80℃与100％相对湿度，阳极氢气160KPa，阴极空气150KPa。以该膜电极的极化曲线(图9是部分测试结果的极化曲线图)与特定电流密度下的输出电压作为性能指标，测试结果见表3。
表3单电池的性能
Figure BDA0003196460000000212
Figure BDA0003196460000000221
从表3可以看出，使用了本申请提供的催化层结构的膜电极能在一定的电流密度区段体现出比常规膜电极更好的性能。特别是在阴极使用有序催化层的膜电极，普遍能够在加大电流密度下体现出更高的输出电压，而在阴极与阳极综合使用有序催化层能够获得最好的效果。
其中，MEA9在大电流密度下具有高的输出电压，并且在小电流密度区段中的输出电压也有较大的提高。说明膜电极的阴极催化剂层和阳极催化剂层均使用有序催化剂层，其性能最佳。
MEA1和MEA12对比，MEA2和MEA10对比，可以获知，相较于膜电极的阳极催化剂层为有序催化剂层(MEA12和MEA10的阳极侧为有序催化剂层，阴极侧为常规催化剂层)，膜电极的阴极催化剂层为有序催化剂层(MEA1和MEA2的阴极侧为有序催化剂层，阳极侧为常规催化剂层)，其在大电流密度下的输出电压更高，并且在小电流密度区段中的输出电压的提高也更加明显。
以上所述仅为本申请的一部分实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种膜电极，其特征在于，包括：质子交换膜和两侧催化剂层，两侧所述催化剂层分别设置在所述质子交换膜的两个表面，至少一侧所述催化剂层包括多个催化剂结构单元，每个所述催化剂结构单元包括第一区域和第二区域，其中，所述第一区域中单位投影面积的催化剂质量大于所述第二区域中单位投影面积的催化剂质量。
2.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，每个所述催化剂结构单元还包括连接所述第一区域和所述第二区域的过渡区域，沿所述第一区域至所述第二区域的方向，所述过渡区域上的单位投影面积的催化剂质量逐渐减小；
和/或，所述第一区域、所述过渡区域和所述第二区域之间形成波浪形结构，所述第一区域的催化剂层厚度与所述第二区域中催化剂层厚度的比值为1.05:1～5:1；
和/或，两侧所述催化剂层均包括多个所述催化剂结构单元。
3.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，每个所述催化剂结构单元包括多个所述第一区域和多个所述第二区域，所述第一区域的中心与相邻的所述第一区域的中心之间的距离为d1，所述第二区域的中心与相邻的所述第二区域的中心之间的距离为d2，多个d1及多个d2的平均值为
Figure FDA0003196459990000011
每个所述催化剂结构单元满足以下条件a～c中的至少一者：
a.d1与
Figure FDA0003196459990000012
的值满足的关系是：
Figure FDA0003196459990000013
d2与
Figure FDA0003196459990000014
的值满足的关系是：
Figure FDA0003196459990000015
b.至少90％的区域，d1与
Figure FDA0003196459990000016
的值满足的关系是：
Figure FDA0003196459990000017
d2与
Figure FDA0003196459990000018
的值满足的关系是：
Figure FDA0003196459990000019
c.
Figure FDA00031964599900000110
的值满足：
Figure FDA00031964599900000111
4.根据权利要求3所述的膜电极，其特征在于，每个催化剂结构单元中，
Figure FDA0003196459990000021
的值满足：
Figure FDA0003196459990000022
或，
Figure FDA0003196459990000023
的值满足：
Figure FDA0003196459990000024
5.根据权利要求3所述的膜电极，其特征在于，单侧所述催化剂层中满足以下条件d～g中的至少一者：
d.每个所述催化剂结构单元为条纹状，d1与
Figure FDA0003196459990000025
的值满足的关系是：
Figure FDA0003196459990000026
d2与
Figure FDA0003196459990000027
的值满足的关系是：
Figure FDA0003196459990000028
e.每个所述催化剂结构单元为条纹状，d1与
Figure FDA0003196459990000029
的值满足的关系是：
Figure FDA00031964599900000210
d2与
Figure FDA00031964599900000211
的值满足的关系是：
Figure FDA00031964599900000212
f.每个所述催化剂结构单元为点阵状，d1与
Figure FDA00031964599900000213
的值满足的关系是：
Figure FDA00031964599900000214
d2与
Figure FDA00031964599900000215
的值满足的关系是：
Figure FDA00031964599900000216
g.每个所述催化剂结构单元为点阵状，d1与
Figure FDA00031964599900000217
的值满足的关系是：
Figure FDA00031964599900000218
d2与
Figure FDA00031964599900000219
的值满足的关系是：
Figure FDA00031964599900000220
6.一种膜电极的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底的一表面涂覆催化剂前体；
在所述衬底的背离所述催化剂前体的一表面上设置至少一个振动源，所述振动源振动使所述衬底的表面形成多个区块；
干燥所述催化剂前体形成具有多个催化剂结构单元的催化剂层，其中，每个所述催化剂结构单元包括第一区域和第二区域，其中，所述第一区域的催化剂层厚度大于所述第二区域的催化剂层厚度。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述衬底的用于涂覆所述催化剂前体的一表面的表面粗糙度≤5μm；
或/和，所述衬底的声速为500m/s-5000m/s。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述振动满足以下条件h～k中的至少一者：
h.所述振动使所述衬底沿其平面方向传播其在厚度方向的振动；
i.所述振动源产生的振动在垂直于所述衬底的方向上具有分量；
j.所述振动源的振动频率为0.5MHz-1GHz；
k.在所述衬底的背离所述催化剂前体的一表面上设置多个振动源，每个所述振动源振动使所述衬底沿其平面方向传播其在厚度方向的振动；多个所述振动源的振动频率的偏差值不超过5％。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述振动源的振动频率为0.5MHz-50MHz；
或，所述振动源的振动频率为0.1GHz-1GHz。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括阴极流场板、阳极流场板和如权利要求1-5任一项所述的膜电极；所述膜电极设置于所述阴极流场板和所述阳极流场板之间；
所述第一区域与流场板的沟道槽对应，所述第二区域与流场板的沟道板脊对应；或，所述第一区域与流场板的沟道板脊对应，所述第二区域与流场板的沟道槽对应。
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Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1875514A (zh) * 2003-11-03 2006-12-06 通用汽车公司 基于流场几何结构的可变催化剂担载
CN101062502A (zh) * 2006-04-28 2007-10-31 张颖智 弱磁性铁矿石的选矿新工艺
CN101188302A (zh) * 2007-12-07 2008-05-28 哈尔滨工业大学 振动法制备质子交换膜燃料电池膜电极组件的方法
CN102225465A (zh) * 2011-06-16 2011-10-26 安徽大地熊新材料股份有限公司 一种烧结钕铁硼粉末的取向方法
US20140099565A1 (en) * 2011-03-31 2014-04-10 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Fuel cell comprising a proton-exchange membrane, having an increased service life
US20150194688A1 (en) * 2012-07-02 2015-07-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel-cell gas diffusion layer and method of forming the same
CN106099122A (zh) * 2016-07-12 2016-11-09 中国东方电气集团有限公司 电极催化层、其制备方法及其应用
CN108511777A (zh) * 2018-04-04 2018-09-07 华南理工大学 具有三维高比表面积表面的质子交换膜的构建方法及其基于这种质子交换膜的高性能膜电极
CN109550534A (zh) * 2018-12-06 2019-04-02 朱兴平 一种用于精确称量加样用的药勺
US20190245232A1 (en) * 2016-12-28 2019-08-08 Kolon Industries, Inc. Method for manufacturing electrode, electrode manufactured thereby, membrane-electrode assembly comprising same electrode, and fuel cell including same membrane-electrode assembly
CN111653809A (zh) * 2020-04-28 2020-09-11 上海电气集团股份有限公司 一种膜电极及其制备方法
CN112490373A (zh) * 2020-10-30 2021-03-12 西安交通大学 一种利用高频微振增强薄膜润湿性的方法及设备
CN112687893A (zh) * 2019-10-18 2021-04-20 丰田自动车株式会社 膜电极气体扩散层接合体的制造方法
CN113059167A (zh) * 2021-03-17 2021-07-02 昆山宝创新能源科技有限公司 一种钝化锂微球的制备方法及其装置和应用

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1875514A (zh) * 2003-11-03 2006-12-06 通用汽车公司 基于流场几何结构的可变催化剂担载
CN101447577A (zh) * 2003-11-03 2009-06-03 通用汽车公司 控制燃料电池中的反应的方法
CN101062502A (zh) * 2006-04-28 2007-10-31 张颖智 弱磁性铁矿石的选矿新工艺
CN101188302A (zh) * 2007-12-07 2008-05-28 哈尔滨工业大学 振动法制备质子交换膜燃料电池膜电极组件的方法
US20140099565A1 (en) * 2011-03-31 2014-04-10 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Fuel cell comprising a proton-exchange membrane, having an increased service life
CN102225465A (zh) * 2011-06-16 2011-10-26 安徽大地熊新材料股份有限公司 一种烧结钕铁硼粉末的取向方法
US20150194688A1 (en) * 2012-07-02 2015-07-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel-cell gas diffusion layer and method of forming the same
CN106099122A (zh) * 2016-07-12 2016-11-09 中国东方电气集团有限公司 电极催化层、其制备方法及其应用
US20190245232A1 (en) * 2016-12-28 2019-08-08 Kolon Industries, Inc. Method for manufacturing electrode, electrode manufactured thereby, membrane-electrode assembly comprising same electrode, and fuel cell including same membrane-electrode assembly
CN108511777A (zh) * 2018-04-04 2018-09-07 华南理工大学 具有三维高比表面积表面的质子交换膜的构建方法及其基于这种质子交换膜的高性能膜电极
CN109550534A (zh) * 2018-12-06 2019-04-02 朱兴平 一种用于精确称量加样用的药勺
CN112687893A (zh) * 2019-10-18 2021-04-20 丰田自动车株式会社 膜电极气体扩散层接合体的制造方法
CN111653809A (zh) * 2020-04-28 2020-09-11 上海电气集团股份有限公司 一种膜电极及其制备方法
CN112490373A (zh) * 2020-10-30 2021-03-12 西安交通大学 一种利用高频微振增强薄膜润湿性的方法及设备
CN113059167A (zh) * 2021-03-17 2021-07-02 昆山宝创新能源科技有限公司 一种钝化锂微球的制备方法及其装置和应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张军等: "质子交换膜燃料电池CCM膜电极", 《电源技术》, no. 09, 20 September 2008 (2008-09-20) *
邬晓艳等: "《让孩子爱上科学的55*3个经典游戏》", 杭州：浙江教育出版社, pages: 5 *

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