CN114914503A - 一种燃料电池用膜电极及其制备方法与用途 - Google Patents

一种燃料电池用膜电极及其制备方法与用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池用膜电极及其制备方法与用途。所述膜电极包括依次层叠设置的阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层和阳极气体扩散层；其中，所述阳极催化层和所述阴极催化层均包括催化剂、离聚物和聚四氟乙烯，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比的差值为5～30％。本发明通过调整燃料电池电堆内部膜电极中阴阳极的成分和配比，进而从原理层面构造了一种更加适应超低温冷启动工况的膜电极结构，进而提升了其超低温冷启动性能，成本更低且容易实现，且减低了控制系统的复杂性和硬件要求，具有较高的实用价值。

Description

一种燃料电池用膜电极及其制备方法与用途
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池用膜电极及其制备方法与用途。
背景技术
当前，由于具有近零排放和高转化效率，氢能与燃料电池方向已成为能源领域的重点研究方向之一。然而燃料电池尤其是车用燃料电池的推广利用还面临着成本、寿命和环境适应性等关键技术难题。超低温冷启动问题就是其中之一。由于燃料电池电池运行过程中的主要产物是水，在低于0℃的环境下极易结冰，导致性能下降的同时也会对膜电极内部的结构造成严重的损害。
因此，当前燃料电池尤其是车用燃料电池在-30℃及以下超低温冷启动问题依然是行业关注的重点问题，现有的技术多关注控制策略、电堆热容等方面的改进和完善，导致控制过程复杂、工况要求严格和材料选择受限等问题。
CN107154503A公开了属于燃料电池技术领域的一种可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块。其总体结构是按照顺序叠放：前端板、前端集流板、前端复合端板、密封垫、燃料电池电堆、密封垫、后端复合端板、后端集流板、电热隔离板和后端板叠放在一起、然后用带有弹性应力记忆能力的捆扎式固定带捆扎压紧；最后通过弹性元件、紧固螺栓及螺柱固定。本发明结构简单而新颖，使用新型超导体复合材料可实现简单快速的低温冷启动；通过改善公用通道中各单电池的气体分配、减小电堆中各单电池温度差异、增大两端膜电极的催化剂含量来提高电堆单片的一致性；抗振动与冲击性能得以提高，保证了燃料电池的安全、可靠及耐久性，同时，易于实现低温条件下的快速冷启动。该专利通过内部结构优化改善流量分布与温度分布，以提升PEMFC电堆单片的一致性进而提升冷启动能力。属于对热管理优化方面的，同时又对膜电极中的催化剂材料进行了优化。然而其仅仅改善了电堆的边缘效应，并未从根本上提升超低温冷启动性能，而通过差异性单体方式显然会大大增加电堆的成本。
CN113285097A提出一种燃料电池低温启动控制方法，获取燃料电池低温启动过程中t时刻下以当前升温速率使燃料电池的温度从当前温度升高至燃料电池内结冰点温度所需要的时间τT(t)；获取在t时刻下以当前结冰速率燃料电池内部从当前冰体积分数继续结冰至所允许的冰体积分数上限所需要的时间根据τT(t)和的比值获取燃料电池低温启动能力指数SF0(t)；SF0(t)>1时，通过调整控制策略，保证燃料电池低温启动成功。该方法在离线条件下，实现直接对预制的燃料电池启动策略和运行工况进行结果预测和评估，在燃料电池低温启动在线试验中，通过低温启动能力指数的计算对每一时刻燃料电池的启动情况进行实时监控，实时调控控制策略，降低启动失败风险。该发明是基于零下环境中的质子交换膜燃料电池启动过程是一个产热和结冰的竞速过程这一角度，对冷启动过程进行简化处理，以设计了一种低温启动控制方法。属于对控制策略优化方面的。然而对控制策略的优化对电堆冷启动性能的提升也是有限度的，同时伴随着更加复杂的控制和硬件配置也会显著增加系统的成本。
综上，目前对燃料电池超低温冷启动问题的解决和改善主要集中在电堆热管理优化、控制策略优化以及电堆内部材料优化等方面。
因此，如何从燃料电池自身出发，优化其内部结构，从原理层面使燃料电池更加适应超低温冷启动工况，同时降低成本，是亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池用膜电极及其制备方法与用途。本发明通过调整燃料电池电堆内部膜电极中阴阳极的成分和配比，进而从原理层面构造了一种更加适应超低温冷启动工况的膜电极结构，从而进而提升了其超低温冷启动性能，成本更低且容易实现，且减低了控制系统的复杂性和硬件要求，具有较高的实用价值。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种燃料电池用膜电极，所述膜电极包括依次层叠设置的阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层和阳极气体扩散层；
其中，所述阳极催化层和所述阴极催化层均包括催化剂、离聚物和聚四氟乙烯，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比的差值为5～30％，例如5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％等。
本发明催化层中的催化剂和离聚物，为常规的燃料电池膜电极中的催化剂，例如催化剂可以为商用铂基催化剂，如铂碳催化剂和合金催化剂等；而离聚物则可以为全氟磺酸型聚合物，通常以Nafion溶液形式使用。
本发明中，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比的差值即为阳极减阴极(为标准定义)。
本发明通过调整燃料电池电堆内部膜电极中阴阳极的成分和配比，进而从原理层面构造了一种更加适应超低温冷启动工况的膜电极结构，从而进而提升了其超低温冷启动性能，成本更低且容易实现，且减低了控制系统的复杂性和硬件要求，具有较高的实用价值。
本发明在阳极催化层和阴极催化层中加入聚四氟乙烯是为了提升催化剂层的疏水效果，以使产生的液态水不易存留于催化层中，尽快随气流排出至流道中避免结冰损害催化层的物理结构；同时，调整阳极催化层中的离聚物比例一方面是为了增加膜电极中的离聚物整体含量，因为存在于离聚物中的水具有过冷现象，在低于0℃时也不易结冰，因此离聚物含量更多能够使得膜电极在升温至零度以前能够储存更多的产物水而减少结冰情况；另一方面，提升阳极催化层中的离聚物含量还能够创建水排出通道，有利于排水，这样也能起到减少结冰的效果。
本发明中，阳极催化层中的离聚物的质量占比如果与阴极催化层中离聚物的质量占比一致或者更小，会导致阴极催化层中催化剂含量过低，造成膜电极性能降低。
优选地，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比各自独立地为10～80％，例如10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％或80％等。
优选地，所述阳极催化层中聚四氟乙烯的质量占比与所述阴极催化层中聚四氟乙烯的质量占比各自独立地为0.5～20％，例如0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％等。
优选地，所述质子交换膜为超薄型复合全氟磺酸膜。
优选地，所述超薄型复合全氟磺酸膜的厚度为6～12μm，例如6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、10μm、10.5μm、11μm、11.5μm或12μm等。
本发明中，选用超薄型质子交换膜是为了在一定程度上增加在特定压力差下的膜电极的透氢量，进而提升在冷启动过程中阴极侧氢氧直接发生反应的速率亦即产热速率，产热增加，可提升启动速度，也更加适用于超低温环境。
本发明中，超薄型复合全氟磺酸膜厚度过薄，会影响膜电极的机械性能和耐久性，而过厚，又会导致更低的氢渗透速率和离子传导率，进而影响膜电极的低温启动发热能力和功率输出能力。
优选地，所述阳极微孔层和所述阴极微孔层均包括导电碳材料、疏水剂和热传导材料。
本发明中，微孔层中添加热传导材料能够起到提升传热速率的作用，目的是提升膜电极面向的温度分布的均匀性，这一点是很必要的，因为在低温启动过程中，正常的氧还原反应和氢氧直接反应的分布和强度都是极不均匀的，如果不提升传热速率，会导致膜电极局部出现热点，进而损坏膜电极。
本发明中，如果不加入热传导材料，则会出现由于冷启动过程中膜电极发热不均导致的局部过热和过冷等问题，致使冷启动能力和膜电极的耐久性下降。
优选地，所述导电碳材料包括碳粉；优选地，所述疏水剂包括聚四氟乙烯、氟化乙丙烯、全氟聚醚、聚亚乙烯氟化物、全氟羟基或聚二甲基硅氧烷中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述热传导材料包括石墨烯和/或碳纳米管。优选地，所述疏水剂包括聚四氟乙烯、氟化乙丙烯、全氟聚醚、聚亚乙烯氟化物、全氟羟基或聚二甲基硅氧烷中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述阳极微孔层中导电碳材料的质量占比与所述阴极微孔层中导电碳材料的质量占比各自独立地为10～80％，例如10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％或80％等。
优选地，所述阳极微孔层中热传导材料的质量占比与所述阴极微孔层中热传导材料的质量占比各自独立地为0.02～1％，例如0.02％、0.05％、0.08％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1％等。
本发明中，热传导材料加入过多，会导致微孔层中孔隙率下降，进而影响微孔层的传质能力。
优选地，所述阳极扩散层和所述阴极扩散层中均包括导电碳材料与疏水剂。
作为优选的技术方案，所述膜电极包括依次层叠设置的阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层和阳极气体扩散层；
其中，所述阳极催化层和所述阴极催化层均包括催化剂、离聚物和聚四氟乙烯，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比各自独立地为10～80％，所述阳极催化层中聚四氟乙烯的质量占比与所述阴极催化层中聚四氟乙烯的质量占比各自独立地为0.5～20％，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比的差值为5～30％；
所述质子交换膜为厚度为6～12μm的超薄型复合全氟磺酸膜；
所述阳极微孔层和所述阴极微孔层均包括导电碳材料、疏水剂和热传导材料，所述阳极微孔层中导电碳材料的质量占比与所述阴极微孔层中导电碳材料的质量占比各自独立地为10～80％，所述阳极微孔层中热传导材料的质量占比与所述阴极微孔层中热传导材料的质量占比各自独立地为0.02～1％；
所述阳极扩散层和所述阴极扩散层中均包括导电碳材料与疏水剂。
本发明提供的膜电极，通过上述结构中的物质以及含量的搭配，协同作用，从原理层面得到了一种更加适应超低温冷启动工况的膜电极结构，进而提升了燃料电池电堆的超低温冷启动性能，其在低温下(≤-30℃)，可实现快速启动。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的燃料电池用膜电极的制备方法，所述制备方法包括：在质子交换膜的两侧分别制备阴极催化层以及阳极催化层，形成CCM结构，然后将带有微孔层的扩散层在CCM结构的两侧复合、封装，得到所述燃料电池用膜电极。
具体地，制备方法包括以下步骤：将特定质量配比的催化剂材料和PTFE材料加入到Nafion溶液中，通过超声分散形成均匀催化剂浆料，然后采用喷涂法在选定预处理后质子交换膜双侧制备催化层，形成CCM。将导电材料、疏水剂和热传导材料按比例均匀混合形成墨水状浆料，然后采用喷涂法在经过疏水化处理的气体扩散层表面制备微孔层。之后再将制备好的带有微孔层的气体扩散层和CCM电极用边框热压封装，即可得到膜电极。
第三方面，本发明还提供一种燃料电池，所述燃料电池包括如第一方面所述的燃料电池用膜电极。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过调整燃料电池电堆内部膜电极中阴阳极的成分和配比以及膜电极中的各个结构层中的成分和配比，从原理层面构造了一种更加适应超低温冷启动工况的膜电极结构，从而进而提升了燃料电池的超低温冷启动性能，成本更低且容易实现，还减低了控制系统的复杂性和硬件要求，具有较高的实用价值。本发明提供的膜电极，调整质子交换膜厚度后，不加入热传导材料时，电堆在1.5A/cm2时的平均单体电压值可达0.64V以上，且冷启动性能测试结果(作为冷启动时间)在128s以下；如果加入热传导材料且热传导材料的质量占比在0.02～1％范围内时，电堆在1.5A/cm2时的平均单体电压值可达0.62V以上，且冷启动性能测试结果(作为冷启动时间)在91s以下。
具体实施方式
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
在一个具体实施方式中，本发明提供一种燃料电池用膜电极，所述膜电极包括依次层叠设置的阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层和阳极气体扩散层；
其中，所述阳极催化层和所述阴极催化层均包括催化剂、离聚物和聚四氟乙烯，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比各自独立地为10～80％，所述阳极催化层中聚四氟乙烯的质量占比与所述阴极催化层中聚四氟乙烯的质量占比各自独立地为0.5～20％，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比的差值为5～30％；
所述质子交换膜为厚度为6～12μm的超薄型复合全氟磺酸膜；
所述阳极微孔层和所述阴极微孔层均包括导电碳材料、疏水剂和热传导材料，所述阳极微孔层中导电碳材料的质量占比与所述阴极微孔层中导电碳材料的质量占比各自独立地为10～80％，所述阳极微孔层中热传导材料的质量占比与所述阴极微孔层中热传导材料的质量占比各自独立地为0.02～1％；
所述阳极扩散层和所述阴极扩散层中均包括导电碳材料与疏水剂。
需要说明，本发明中，阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层和阳极气体扩散层的制备方法均为常规技术手段，即常规的可得到的手段，本发明均适用。
在另一个具体实施方式中，本发明还提供一种上述具体实施方式中的膜电极的制备方法，所述制备方法包括：在质子交换膜的两侧分别制备阴极催化层以及阳极催化层，形成CCM结构，然后将带有微孔层的扩散层在CCM结构的两侧复合、封装，得到所述燃料电池用膜电极。
具体地，所述制备方法包括：
将特定质量配比的催化剂材料和PTFE材料加入到Nafion溶液中，通过超声分散形成均匀催化剂浆料，然后采用喷涂法在选定预处理后质子交换膜双侧制备催化层，形成CCM。将导电材料、疏水剂和热传导材料按比例均匀混合形成墨水状浆料，然后采用喷涂法在经过疏水化处理的气体扩散层表面制备微孔层。之后再将制备好的带有微孔层的气体扩散层和CCM电极用边框热压封装，即可得到膜电极。
实施例1
本实施例提供一种燃料电池用膜电极，基于具体实施方式中的膜电极：
其中，阳极催化层由60％的全氟磺酸离聚物树脂、5％的聚四氟乙烯和35％的铂碳催化剂组成，阴极催化层由50％的全氟磺酸离聚物树脂、5％的聚四氟乙烯和45％的铂碳催化剂组成(质量占比)；
阳极微孔层和阴极微孔层均由70％的碳粉、0.5％的石墨烯和29.5％的聚四氟乙烯组成；
阳极扩散层和阴极扩散层均由80％的炭黑和20％的聚四氟乙烯组成；
质子交换膜为厚度为8μm的超薄型复合全氟磺酸膜。
所述膜电极的制备方法，基于另一具体实施方法中的方法进行。
实施例2
本实施例提供一种燃料电池用膜电极，基于具体实施方式中的膜电极：
其中，阳极催化层由70％的全氟磺酸离聚物树脂、3％的聚四氟乙烯和17％的铂碳催化剂组成，阴极催化层由40％的全氟磺酸离聚物树脂、10％的聚四氟乙烯和50％的铂碳催化剂组成(质量占比)；
阳极微孔层和阴极微孔层均由65％的碳粉、1％的石墨烯和34％的聚四氟乙烯组成；
阳极扩散层和阴极扩散层均由75％的碳布和25％的聚四氟乙烯组成；
质子交换膜为厚度为12μm的超薄型复合全氟磺酸膜。
所述膜电极的制备方法，基于另一具体实施方法中的方法进行。
实施例3
本实施例提供一种燃料电池用膜电极，基于具体实施方式中的膜电极：
其中，阳极催化层由60％的全氟磺酸离聚物树脂、10％的聚四氟乙烯和30％的铂碳催化剂组成，阴极催化层由55％的全氟磺酸离聚物树脂、5％的聚四氟乙烯和40％的铂碳催化剂组成(质量占比)；
阳极微孔层和阴极微孔层均由65％的碳粉、0.1％的石墨烯和34.9％的聚四氟乙烯组成；
阳极扩散层和阴极扩散层均由75％的碳布和25％的聚四氟乙烯组成；
质子交换膜为厚度为6μm的超薄型复合全氟磺酸膜。
所述膜电极的制备方法，基于另一具体实施方法中的方法进行。
实施例4
本实施例与实施例1的区别为，本实施例中阳极微孔层和阴极微孔层中均不含有石墨烯(由65％的碳粉和35％的聚四氟乙烯组成)。
其余膜电极中的参数以及制备方法与实施例1保持一致。
实施例5
本实施例与实施例1的区别为，本实施例中阳极微孔层和阴极微孔层中石墨烯的质量占比为2％(碳粉的质量占比调整为68％)。
其余膜电极中的参数以及制备方法与实施例1保持一致。
实施例6
本实施例与实施例1的区别为，本实施例中质子交换膜的厚度为5μm。
其余膜电极中的参数以及制备方法与实施例1保持一致。
实施例7
本实施例与实施例1的区别为，本实施例中质子交换膜的厚度为15μm。
其余膜电极中的参数以及制备方法与实施例1保持一致。
对比例1
本对比例与实施例1的区别为，本对比例中阳极催化层的组成及质量占比与阴极催化层及质量占比保持一致。
其余膜电极中的参数以及制备方法与实施例1保持一致。
对比例2
本对比例与实施例1的区别为，本对比例中阳极催化层的组成及质量占比与阴极催化层中的组成及质量占比进行交换。
其余膜电极中的参数以及制备方法与实施例1保持一致。
将实施例1-7与对比例1-2提供的膜电极组装10cell短堆，进行标准性能测试和冷启动性能测试，其中标准性能测试时电堆温度为70℃，进气压力为2.0bara，测试电流密度为1.5A/cm2时的平均单体电压值作为性能评判指标；冷启动性能测试时环境温度为-30℃，以电堆启动至冷却液入口温度超过超过0℃期间经过的时间作为冷启动性能评判指标。其结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003688301770000111
Figure BDA0003688301770000121
从实施例1与实施例4的数据结果可知，微孔层中不加入热传导材料，会导致冷启动时间延长至128s。
从实施例1与实施例5的数据结果可知，微孔层中热传导材料过多，也会导致性能显著下降至0.52V@1.5A/cm2。
从实施例1与实施例6和7的数据结果可知，质子交换膜的厚度过薄，不利于装配和使用，而过厚，又会影响冷启动时间。
从实施例1与对比例1的数据结果可知，阳极催化层中离聚物的质量占比过小，与阴极催化层中一致时，会导致性能显著下降至0.58V@1.5A/cm2。
从实施例1与对比例2的数据结果可知，阴极催化层中离聚物的质量占比更多时，会出现性能显著下降至0.54V@1.5A/cm2。
综上所述，本发明通过调整燃料电池电堆内部膜电极中阴阳极的成分和配比以及膜电极中的各个结构层中的成分和配比，从原理层面构造了一种更加适应超低温冷启动工况的膜电极结构，从而进而提升了燃料电池的超低温冷启动性能，成本更低且容易实现，还减低了控制系统的复杂性和硬件要求，具有较高的实用价值。本发明提供的膜电极，调整质子交换膜厚度后，不加入热传导材料时，电堆在1.5A/cm2时的平均单体电压值可达0.64V以上，且冷启动性能测试结果(作为冷启动时间)在128s以下；如果加入热传导材料且热传导材料的质量占比在0.02～1％范围内时，电堆在1.5A/cm2时的平均单体电压值可达0.62V以上，且冷启动性能测试结果(作为冷启动时间)在91s以下。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池用膜电极，其特征在于，所述膜电极包括依次层叠设置的阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层和阳极气体扩散层；
其中，所述阳极催化层和所述阴极催化层均包括催化剂、离聚物和聚四氟乙烯，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比的差值为5～30％。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用膜电极，其特征在于，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比各自独立地为10～80％。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用膜电极，其特征在于，所述阳极催化层中聚四氟乙烯的质量占比与所述阴极催化层中聚四氟乙烯的质量占比各自独立地为0.5～20％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池用膜电极，其特征在于，所述质子交换膜为超薄型复合全氟磺酸膜；
优选地，所述超薄型复合全氟磺酸膜的厚度为6～12μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池用膜电极，其特征在于，所述阳极微孔层和所述阴极微孔层均包括导电碳材料、疏水剂和热传导材料；
优选地，所述导电碳材料包括碳粉；优选地，所述疏水剂包括聚四氟乙烯、氟化乙丙烯、全氟聚醚、聚亚乙烯氟化物、全氟羟基或聚二甲基硅氧烷中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述热传导材料包括石墨烯和/或碳纳米管。
6.根据权利要求5所述的燃料电池用膜电极，其特征在于，所述阳极微孔层中导电碳材料的质量占比与所述阴极微孔层中导电碳材料的质量占比各自独立地为10～80％；
优选地，所述阳极微孔层中热传导材料的质量占比与所述阴极微孔层中热传导材料的质量占比各自独立地为0.02～1％。
7.根据权利要求1-6任一项所述的燃料电池用膜电极，其特征在于，所述阳极扩散层和所述阴极扩散层中均包括导电碳材料与疏水剂。
8.根据权利要求1-7任一项所述的燃料电池用膜电极，其特征在于，所述膜电极包括依次层叠设置的阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层和阳极气体扩散层；
其中，所述阳极催化层和所述阴极催化层均包括催化剂、离聚物和聚四氟乙烯，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比各自独立地为10～80％，所述阳极催化层中聚四氟乙烯的质量占比与所述阴极催化层中聚四氟乙烯的质量占比各自独立地为0.5～20％，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比的差值为5～30％；
所述质子交换膜为厚度为6～12μm的超薄型复合全氟磺酸膜；
所述阳极微孔层和所述阴极微孔层均包括导电碳材料、疏水剂和热传导材料，所述阳极微孔层中导电碳材料的质量占比与所述阴极微孔层中导电碳材料的质量占比各自独立地为10～80％，所述阳极微孔层中热传导材料的质量占比与所述阴极微孔层中热传导材料的质量占比各自独立地为0.02～1％；
所述阳极扩散层和所述阴极扩散层中均包括导电碳材料与疏水剂。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：在质子交换膜的两侧分别制备阴极催化层以及阳极催化层，形成CCM结构，然后将带有微孔层的扩散层在CCM结构的两侧复合、封装，得到所述燃料电池用膜电极。
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括如权利要求1-8任一项所述的燃料电池用膜电极。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115799573A (zh) * 2022-11-30 2023-03-14 浙江氢途科技有限公司 一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法
CN116171094A (zh) * 2023-03-20 2023-05-26 中科嘉鸿(佛山市)新能源科技有限公司 一种温差发电器件
CN117276605A (zh) * 2023-10-27 2023-12-22 鸿基创能科技(佛山)有限公司 一种湿润性可调节的膜电极及制备方法及应用

Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002208406A (ja) * 2001-01-12 2002-07-26 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子型燃料電池
US20060204831A1 (en) * 2004-01-22 2006-09-14 Yan Susan G Control parameters for optimizing MEA performance
CN101145613A (zh) * 2006-09-15 2008-03-19 新源动力股份有限公司 低温燃料电池电极用ptfe/c复合粉体及应用
KR20080054285A (ko) * 2006-12-12 2008-06-17 주식회사 엘지화학 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지
CN101800321A (zh) * 2010-03-31 2010-08-11 武汉理工新能源有限公司 基于催化剂/膜技术的亲疏水可调的质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法
CN102623717A (zh) * 2012-03-31 2012-08-01 中国科学院长春应用化学研究所 膜电极的制备方法和膜电极
CN103515622A (zh) * 2013-08-02 2014-01-15 清华大学 用于燃料电池的膜电极及其制备方法
CN103943877A (zh) * 2014-04-29 2014-07-23 哈尔滨工业大学 直接醇类燃料电池膜电极及其制备方法
CN105161729A (zh) * 2015-08-19 2015-12-16 哈尔滨工业大学 一种微型直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法
US20160329586A1 (en) * 2013-12-31 2016-11-10 Intelligent Energy Limited Fuel cell stack assembly and method of assembly
CN106797041A (zh) * 2014-07-11 2017-05-31 西格里碳素欧洲公司 膜电极组件
CN108075158A (zh) * 2016-11-18 2018-05-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池ccm膜电极的制备方法
CN211530098U (zh) * 2020-03-19 2020-09-18 恒大新能源技术(深圳)有限公司 复合质子交换膜和燃料电池
CN112436167A (zh) * 2020-11-17 2021-03-02 中国科学院兰州化学物理研究所 一种直接式多醚类化合物燃料电池及系统
CN113013454A (zh) * 2021-02-22 2021-06-22 浙江高成绿能科技有限公司 一种燃料电池膜电极及其制备方法
CN114122432A (zh) * 2021-11-12 2022-03-01 贵州梅岭电源有限公司 一种抗腐蚀性的一维梯度膜电极制备方法

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002208406A (ja) * 2001-01-12 2002-07-26 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子型燃料電池
US20060204831A1 (en) * 2004-01-22 2006-09-14 Yan Susan G Control parameters for optimizing MEA performance
CN101145613A (zh) * 2006-09-15 2008-03-19 新源动力股份有限公司 低温燃料电池电极用ptfe/c复合粉体及应用
KR20080054285A (ko) * 2006-12-12 2008-06-17 주식회사 엘지화학 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지
CN101800321A (zh) * 2010-03-31 2010-08-11 武汉理工新能源有限公司 基于催化剂/膜技术的亲疏水可调的质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法
CN102623717A (zh) * 2012-03-31 2012-08-01 中国科学院长春应用化学研究所 膜电极的制备方法和膜电极
CN103515622A (zh) * 2013-08-02 2014-01-15 清华大学 用于燃料电池的膜电极及其制备方法
US20160329586A1 (en) * 2013-12-31 2016-11-10 Intelligent Energy Limited Fuel cell stack assembly and method of assembly
CN103943877A (zh) * 2014-04-29 2014-07-23 哈尔滨工业大学 直接醇类燃料电池膜电极及其制备方法
CN106797041A (zh) * 2014-07-11 2017-05-31 西格里碳素欧洲公司 膜电极组件
CN105161729A (zh) * 2015-08-19 2015-12-16 哈尔滨工业大学 一种微型直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法
CN108075158A (zh) * 2016-11-18 2018-05-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池ccm膜电极的制备方法
CN211530098U (zh) * 2020-03-19 2020-09-18 恒大新能源技术(深圳)有限公司 复合质子交换膜和燃料电池
CN112436167A (zh) * 2020-11-17 2021-03-02 中国科学院兰州化学物理研究所 一种直接式多醚类化合物燃料电池及系统
CN113013454A (zh) * 2021-02-22 2021-06-22 浙江高成绿能科技有限公司 一种燃料电池膜电极及其制备方法
CN114122432A (zh) * 2021-11-12 2022-03-01 贵州梅岭电源有限公司 一种抗腐蚀性的一维梯度膜电极制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
梁铣;吴亮;徐铜文;: "离聚物在质子交换膜燃料电池膜电极中的应用进展", 中国科学:化学, no. 09, 11 September 2018 (2018-09-11) *
王洪建;许世森;程健;张瑞云;王鹏杰;任永强;: "质子交换膜燃料电池膜电极性能特性研究", 现代化工, no. 01, 20 January 2017 (2017-01-20) *
程晓亮, 衣宝廉, 张景新, 韩明, 乔亚光: "PEMFC催化层中PTFE和Nafion对催化剂利用率的影响", 电化学, no. 02, 25 May 1999 (1999-05-25) *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115799573A (zh) * 2022-11-30 2023-03-14 浙江氢途科技有限公司 一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法
CN115799573B (zh) * 2022-11-30 2024-02-09 浙江氢途科技有限公司 一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法
CN116171094A (zh) * 2023-03-20 2023-05-26 中科嘉鸿(佛山市)新能源科技有限公司 一种温差发电器件
CN116171094B (zh) * 2023-03-20 2023-12-08 中科嘉鸿(佛山市)新能源科技有限公司 一种温差发电器件
CN117276605A (zh) * 2023-10-27 2023-12-22 鸿基创能科技(佛山)有限公司 一种湿润性可调节的膜电极及制备方法及应用

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