CN115298861A - 电催化剂层印花 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种催化转印基底，该催化转印基底包括转印基底、电催化剂层和位于该转印基底和该电催化剂层之间的层D，该层包括离子导电聚合物和碳材料。该层D被配置为使得在将该电催化剂层转移到表面上时，该层D的至少一部分保持附接到该电催化剂层并随该电催化剂层转移。

Description

电催化剂层印花

技术领域

本发明提供了一种具有附加层的催化转印基底，该附加层允许对电催化剂层进行标记，并有利于对廉价的转印基底材料加以利用。

背景技术

燃料电池是包括被电解质隔开的两个电极的电化学电池。燃料(例如，氢气、醇(诸如甲醇或乙醇)或甲酸)被供应给阳极，并且氧化剂(例如，氧气或空气)被供应给阴极。电化学反应在电极处发生，并且燃料和氧化剂的化学能被转换成电能和热量。电催化剂用于促进阳极处燃料的电化学氧化和阴极处氧气的电化学还原。

燃料电池通常根据所用电解质的性质进行分类。电解质通常为固体聚合物膜，其中该膜为电绝缘的但离子导电的。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，该离子导电膜是质子导电的，并且将在阳极处产生的质子横跨该离子导电膜传送至阴极，其中它们与氧组合以形成水。

PEMFC的主要部件是膜电极组件，该膜电极组件基本上由五层组成。中间层为聚合物离子导电膜。在离子导电膜的任一面上存在电催化剂层，该电催化剂层含有设计用于特定电解反应的电催化剂。最后，邻近每个电催化剂层存在气体扩散层。气体扩散层必须允许反应物到达电催化剂层并且必须传导由电化学反应产生的电流。因此，气体扩散层必须为多孔的和导电的。

电催化剂层一般还包含质子导电材料，诸如质子导电聚合物，以有助于质子从阳极电催化剂转移到离子导电膜和/或从离子导电膜转移到阴极电催化剂。

常规地，膜电极组件可通过多种方法构造。通常，这些方法涉及将电催化剂层中的一个或两个电催化剂层施加到离子导电膜以形成催化剂涂覆的离子导电膜。随后，将气体扩散层施加到电催化剂层。另选地，将电催化剂层施加到气体扩散层以形成气体扩散电极，然后将该气体扩散电极与离子导电膜组合。膜电极组件可通过这些方法的组合来制备，例如，将一个电催化剂层施加到离子导电膜以形成催化剂涂覆的离子导电膜，并施加另一个电催化剂层作为气体扩散电极。

电催化剂层可通过转印工艺来施加。首先，将常规地包括电催化剂材料、离子导电聚合物、溶剂和/或稀释剂以及任何期望包括在电催化剂层中的试剂的电催化剂油墨施加到转印基底上，并干燥以提供催化转印基底。此催化转印基底然后可例如作为卷材材料储存。然后通过转印将电催化剂层施加到期望基底，例如离子导电膜，以形成催化剂涂覆的离子导电膜。例如，可通过使用热量或通过热量和压力来促进转移。

发明内容

在含有位于膜的相对面上的两个电催化剂层的催化剂涂覆的离子导电膜中，在制造工艺完成后，可能难以区分这两层。因此，本领域需要一种有效的方法来标记电催化剂层中的一个或两个电催化剂层，而不影响膜电极组件中的电化学性能。此外，转印基底可能是昂贵的，并且因此而增加了工艺成本。这是因为要求基底具有特定的平衡性质，允许基底承载和剥离电催化剂层，在一些情况下，要求在电催化剂层和基底之间存在附加聚合物剥离层，以便于剥离。

因此，在第一方面，本发明提供了一种催化转印基底，该催化转印基底包括：

i)转印基底；

ii)电催化剂层A；

iii)层D，该层位于该转印基底和该电催化剂层A之间；其中

该层D包括离子导电聚合物和碳材料，以及

该层D被配置为使得在将该电催化剂层A转移到表面上时，该层D的至少一部分保持附接到该电催化剂层A并随该电催化剂层转移。

因此，例如通过反射方式或基于纹理的方式利用碳材料对电催化剂层进行标记。因此，其可与存在于离子导电膜相对面上的电催化剂层区别开。另外，当层D的仅一部分保持附接到电催化剂层上并随该电催化剂层转移时，层D的断裂影响剥离。例如，转印基底不需要存在附加聚合物剥离层来实现电催化剂层的剥离，这增加了转印基底的成本。

在第二方面，本发明提供了一种通过从催化转印基底转移而将电催化剂层施加到表面的方法，其中该催化转印基底包括：

i)转印基底；

ii)电催化剂层A；

iii)层D，该层位于该转印基底和该电催化剂层A之间；其中

该层D包括离子导电聚合物和碳材料；

其中当该电催化剂层A被转移到该表面时，该层D的至少一部分保持附接到该电催化剂层A并随该电催化剂层转移。

在第三方面，本发明提供了一种制备催化剂涂覆的离子导电膜的方法，该方法包括通过根据本发明的第二方面的方法将电催化剂层施加到离子导电膜的表面。

在第四方面，本发明提供了一种制备膜电极组件的方法，该方法包括以下步骤：

i)通过本发明的第三方面的方法制备催化剂涂覆的离子导电膜；然后

ii)将气体扩散层施加到保持附接到该电催化剂层的该层D。

在第五方面，本发明提供了一种制备催化转印基底的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将层D施加到转印基底；然后

b)将电催化剂层A施加到步骤a)中施加的该层D；其中该层D包括离子导电聚合物和碳材料。

附图说明

图1是根据本发明制备催化转印基底的示意图。

图2是根据本发明制备催化转印基底的示意图。

图3是示出包括根据本发明施加的阳极电催化剂层的膜电极组件和对比膜电极组件在100％相对湿度下电压与电阻和电流密度的曲线图。

具体实施方式

现在将阐述本发明的优选的和/或任选的特征。除非上下文另外要求，否则本发明的任何方面可与本发明的任何其他方面组合。除非上下文另外要求，否则任何方面的优选的或任选的特征中的任一者可单独地或组合地与本发明的任何方面组合。

本领域技术人员将意识到，转印基底是一种基底，材料可被施加到该基底上，并且然后通过材料和表面之间的接触从该基底移动到表面上。在本发明的上下文中，从转印基底到表面上的该移动是转移。可通过例如压力和/或热量来促进转移。在本发明中，从转印基底移动到另一个表面上的材料是电催化剂层A。该电催化剂层A不直接施加到转印基底上。相反，其被施加到首先被施加到转印基底的层D。为避免疑义，层D在其面中的一个面上与转印基底接触并粘附或附接到该转印基底，并且在其由层D的厚度隔开的相对面上与电催化剂层A接触并粘附或附接到该电催化剂层。优选地，不存在附加层将层D与转印基底或电催化剂层A隔开，并且不需要聚合物剥离层。本发明的催化转印基底可作为卷材材料提供。

在将电催化剂层A转移到表面(例如离子导电膜的表面)上时，层D将断裂，使得层D的一部分保持附接到电催化剂层A上并随该电催化剂层转移，并且一部分保持附接到转印基底。这是优选的。因此，优选的是，层D的至少一部分保持附接到转印基底。另选地，所有的层D保持附接到电催化剂层A并随该电催化剂层转移。

在将电催化剂层A转移到表面时，层D的至少一部分保持附接到电催化剂层A上并随该电催化剂层转移的要求可如下适当地实现。转印基底和层D之间的粘合强度(AS1)、电催化剂层A和层D之间的粘合强度(AS2)以及层D的凝聚强度(CS)可具有以下关系(i)或(ii)中的一者：

(i)AS2>CS并且AS1>CS并且AS2≥AS1；或者

(ii)CS>AS1并且AS2>AS1。

优选地，AS1、AS2和CS具有关系(i)。粘合强度与凝聚强度具有相同的单位，如技术人员所知，该凝聚强度是N/m²。只要AS1、AS2和CS的绝对值满足关系(i)和(ii)的要求，并且使得除了层D之外的组件零件在转移时不会断裂，则其绝对值就不是关键的。因此，当电催化剂层A被转移到表面时，层D可沿催化转印基底的x-y平面，即垂直于厚度(该厚度是z平面)延伸的平面断裂，使得一部分保持附接到电催化剂层A并随该电催化剂层转移，并且层D的至少一部分保持附接到转印基底(关系(i))。另选地，整个层D随该电催化剂层A转移(关系(ii))。

图1的步骤(iv)示意性地例示了层D的断裂，这是根据本发明第三方面制备催化剂涂覆的离子导电膜的方法的一部分。层D中保持附接到电催化剂层A并随该电催化剂层转移的部分的量和分布没有特别限制，只要其足以针对电催化剂层的充分剥离和电催化剂层的有效标记而转移。优选地，在转移后，层D的至少一部分保持附接到转印基底。因此，优选的是层D的至少一部分但并非全部保持附接到电催化剂层A并随该电催化剂层转移。例如，不超过90％，合适地不超过60％的层D保持附接到电催化剂层A上并随该电催化剂层转移。优选地，层D的保持附接到电催化剂层A上并随该电催化剂层转移的部分横跨至少90％的电催化剂层表面，优选地至少95％分布。合适地，保持附接到电催化剂层A并随该电催化剂层转移的部分基本上是均匀的。换言之，该层最薄的部分的厚度为最厚的部分的至少50％的厚度，优选为至少75％的厚度，更优选为至少90％的厚度，最优选为至少95％的厚度。层D的厚度没有特别限制，并且保持附接到电催化剂层A上并随该电催化剂层转移的层D的厚度没有特别限制，只要其不干扰膜电极组件中电催化剂层的电化学活性。例如，当转移基本上均匀的部分时，所转移的厚度不超过层D厚度的90％，合适地不超过60％。通过举例的方式，保持附接到电催化剂层A并随该电催化剂层转移的层D的厚度可以为至少0.1μm且不超过10μm，合适地不超过5μm，例如不超过2μm。

层D包括，优选地基本上由，更优选地由(或仅包括)离子导电材料和碳材料组成。碳材料优选地呈粉末形式。合适的碳材料包括炭黑和石墨材料，诸如石墨化炭黑、石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米管和石墨。优选地，碳材料是石墨材料，更优选地，碳材料是石墨，优选地呈粉末形式，例如合成石墨，诸如合成石墨粉46304(

(Alfa Aesar))和C-NERGY SFG 6L石墨(

(Imerys))。层D中碳材料的载量可合适地为按层D总重量计的至少50重量％且不超过95重量％，优选地不超过80重量％。所得层必须是导电的。具体地，在期望层D断裂的情况下，使用石墨材料是特别优选的，因为不希望受理论束缚，据信石墨材料和离子导电材料之间的弱相互作用(例如离子导电材料没有很好地粘附到石墨)形成了弱层D，即具有相对低CS的层。层D中存在的其他材料(如果有的话)，可包括染料，诸如金属氧化物，其有助于标记电催化剂层的目的，但是不干扰电催化剂层的电化学活性。层D不包括电催化剂。

离子导电材料合适地是离子导电聚合物，优选地质子导电离聚物。因此，电催化剂层A可合适地用于质子交换膜燃料电池或电解槽。技术人员应理解，离聚物是由经由侧链共价键合到聚合物主链的电中性重复单元和可电离重复单元两者构成的聚合物。离子导电材料可包括离聚物，诸如全氟磺酸(例如

(Chemours Company)、

(AsahiKasei)、

(Solvay Specialty Polymer)、

(Asahi Glass Co.)和由

供应的全氟磺酸离聚物材料)，或基于部分氟化或非氟化烃磺化或膦化聚合物的离聚物，诸如购自FuMA-Tech GmbH(以

P、E或K系列产品)、JSR Corporation、ToyoboCorporation等的那些。

本发明中使用的转印基底可由层D可施加到其上的任何合适的材料形成，使得在层D和转印基底之间存在所需的粘合强度(例如，其满足如上文所定义的关系(i)和关系(ii)的要求)，并且印花基底可充分支撑电催化剂层。合适的材料的示例包括含氟聚合物，诸如聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)-六氟丙烯和四氟乙烯的共聚物)和聚烯烃，诸如双向拉伸聚丙烯(BOPP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酯(PET)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)和聚烯烃。这些材料可用于本发明，而不需要附加聚合物剥离层。被认为是较便宜基底的材料包括PEN、PET、PEI、PPS、PEEK和聚烯烃。

电催化剂层A包括电催化剂。所用的确切电催化剂将取决于其旨在催化的反应，并且其选择在技术人员的能力范围内。电催化剂可以是阴极或阳极电催化剂，优选地为燃料电池或电解槽的阴极或阳极电催化剂，更优选地为质子交换膜燃料电池或电解槽。电催化剂合适地选自：

(i)铂族金属(铂、钯、铑、钌、铱和锇)；

(ii)金或银；

(iii)贱金属；

或包含这些金属或其氧化物中的一种或多种的合金或混合物。贱金属是锡或不是贵金属的过渡金属。贵金属是铂族金属(铂、钯、铑、钌、铱或锇)或金。优选的贱金属是铜、钴、镍、锌、铁、钛、钼、钒、锰、铌、钽、铬和锡。

通常，电催化剂包括铂族金属或铂族金属优选地与贱金属(如上文所定义的优选的贱金属)的合金。具体地讲，电催化剂包括铂或铂与贱金属(如上文所定义的优选的贱金属，更优选镍或钴、最优选镍)的合金。铂与合金金属的原子比通常在3:1至1:3的范围内并且包括3:1至1:3。

电催化剂层A可以是阴极或阳极，优选地为燃料电池或电解槽的阴极或阳极，更优选地为质子交换膜燃料电池或电解槽的阴极或阳极。电催化剂层的特征诸如厚度、电催化剂载量、孔隙率、孔径分布、平均孔径和疏水性将取决于其是用于阳极还是阴极。在燃料电池阳极中，电催化剂层厚度合适地为至少1μm，通常为至少5μm。在燃料电池阳极中，电催化剂层厚度合适地不超过15μm，通常不超过10μm。在燃料电池阴极中，电催化剂层厚度合适地为至少2μm，通常为至少5μm。在燃料电池阴极中，电催化剂层厚度合适地不超过20μm，通常不超过15μm。

电催化剂层A中的电催化剂载量还将取决于预期用途。在该上下文中，电催化剂载量意味着电催化剂层中活性金属(例如铂族)的量。因此，当电催化剂是铂的合金时(例如，在燃料电池阴极中)，电催化剂载量是每单位面积铂的量，表示为mg/cm²。例如，在含有电催化剂的燃料电池阴极中，所述电催化剂含有铂，电催化剂载量合适地为至少0.05mgPt/cm²，例如不超过0.5mgPt/cm²，优选地不超过0.3mgPt/cm²。在燃料电池阳极中，电催化剂载量合适地为至少0.02mgPt/cm²，例如不超过0.2mg/Ptcm²，优选地不超过0.15mgPt/cm²。

电催化剂层A优选地包括离子导电聚合物，诸如质子导电离聚物，以改善层的离子电导率。因此，离子导电材料可包括离聚物，诸如全氟磺酸材料(例如

(ChemoursCompany)、

(Asahi Kasei)、

(Solvay Specialty Polymer)、

(Asahi Glass Co.)和由

供应的全氟磺酸离聚物材料)，或基于部分氟化或非氟化烃磺化或膦化聚合物的离聚物，诸如购自FuMA-Tech GmbH(以

P、E或K系列产品)、JSR Corporation、Toyobo Corporation等的那些。合适地，离聚物是全氟磺酸，具体为购自Chemours Company的

系列(尤其是

1100EW)，以及购自Solvay的

系列(尤其是

830EW)。

电催化剂层A可包括附加组分。此类组分包括但不限于：析氧催化剂；过氧化氢分解催化剂；疏水性添加剂(例如，经过或不经过表面处理的聚合物(诸如聚四氟乙烯(PTFE)或无机固体)或亲水性添加剂以控制反应物和水的传输特性。附加组分的选择将取决于电催化剂层是用于阳极还是用于阴极，并且确定哪些附加组分是合适的在技术人员的能力范围内。

本发明的催化转印基底通过首先将层D施加到转印基底来制备。为此，首先制备层D油墨。此类油墨可通过将离子导电材料、碳材料和任何附加组分分散在稀释剂中来制备，该稀释剂是水性溶剂和有机溶剂。如果需要，通过本领域已知的方法，诸如高剪切混合、研磨、球磨、通过微流体仪等或它们的组合来进行团聚粒子破碎。合适的溶剂包括醇基溶剂，优选地丙醇或乙醇，例如丙-1-醇，包括醇基溶剂与水的混合物，诸如例如丙-1-醇：水。在有机溶剂和水的混合物中，按稀释剂的总重量计，有机溶剂的重量百分比合适地不超过90重量％并且为至少10重量％。

可通过本领域技术人员已知的任何合适的技术将层D油墨施加到转印基底。此类技术包括但不限于凹版涂布、狭缝模头(狭槽、挤出)涂布、丝网印刷、旋转丝网印刷、喷墨印刷、喷涂、涂漆、棒涂、垫涂、间隙涂布技术诸如在辊上进行刀或刮刀涂布以及计量杆施加。优选的技术是棒涂和狭缝模头。通过干燥将所施加的电催化剂油墨形成为电催化剂层。干燥方法没有特别限制，并且技术人员将能够确定与转印基底中使用的材料相容的合适方法(例如，不高于其熔融温度)。例如，油墨可被加热至在50℃至250℃范围内并且包括端值的温度。

在层D已经被施加到转印基底之后，电催化剂层A被施加到层D以形成催化转印基底。为此，首先制备电催化剂油墨。此类油墨可通过将电催化剂、离子导电材料(如果需要)和任何附加组分分散在稀释剂中来制备，该稀释剂是水性溶剂和/或有机溶剂。如果需要，通过本领域已知的方法，诸如高剪切混合、研磨、球磨、通过微流体仪等或它们的组合来进行团聚粒子破碎。合适的溶剂包括醇基溶剂，优选地丙醇或乙醇，例如丙-1-醇，包括醇基溶剂与水的混合物，诸如例如丙-1-醇：水。在有机溶剂和水的混合物中，按稀释剂的总重量计，有机溶剂的重量百分比合适地不超过90重量％并且为至少10重量％。

可通过本领域技术人员已知的任何合适的技术将电催化剂油墨施加到层D。此类技术包括但不限于凹版涂布、狭缝模头(狭槽、挤出)涂布、丝网印刷、旋转丝网印刷、喷墨印刷、喷涂、涂漆、棒涂、垫涂、间隙涂布技术诸如在辊上进行刀或刮刀涂布以及计量杆施加。通过干燥将所施加的电催化剂油墨形成为电催化剂层A。干燥方法没有特别限制，并且技术人员将能够确定合适的方法。例如，油墨可被加热至在50℃至250℃范围内并且包括端值的温度。

电催化剂层A可转移到其上的典型表面包括离子导电膜的表面。技术人员知道实现此类转移的方式。例如，将催化转印基底和表面放置在一起，使得电催化剂层A与表面接触，并且在除去转印基底以及(如果适用)层D的一部分之前施加压力。热量可与压力一起施加，例如温度在130℃至200℃的范围内并且包括端值，合适地150℃到170℃。例如，可使用加热辊或热压机施加压力和(如果需要的话)热量。

在本发明的第三方面，将电催化剂层A施加到离子导电膜的表面提供了催化剂涂覆的离子导电膜。阳极电催化剂层和阴极电催化剂层两者均可使用本发明的催化转印基底来施加，或可使用本发明的催化转印基底来施加阳极或阴极中的仅一者。当施加电催化剂层A时，第二电催化剂层可能已经存在于离子导电膜上，或可随后施加。为了标记一个电催化剂层以使其可与另一个电催化剂层相区别，优选的方法涉及使用本发明的催化转印基底来仅施加阳极电催化剂层或阴极电催化剂层中的仅一者。图1示出了根据本发明第三方面制备催化剂涂覆的离子导电膜的方法。在步骤(i)中，将层D施加到转印基底，在步骤(ii)中，将电催化剂层A施加到层D，在步骤(iii)中，将催化转印基底与离子导电膜结合，并且在步骤(iv)中，除去转印基底(即实现转移)，其中层D的一部分保持在转印基底上，并且一部分保持在电催化剂层A上。

在除去转印基底之前(即，在实现转移之前)，还可在催化剂转印基底上建立催化剂涂覆的离子导电膜。因此，将如上文所描述的离子导电膜施加到电催化剂层A。然后，将电催化剂层B施加到离子导电膜的另一表面，即被离子导电膜的厚度隔开的表面。因此，本发明的催化转印基底可另外包括：

iv)离子导电膜；和

v)电催化剂层B；

其中该离子导电膜位于该电催化剂层A和电催化剂层B两者之间。

此外，本发明第五方面的方法还可包括以下步骤：

c)将离子导电膜施加到该电催化剂层A；

d)将电催化剂层B施加到离子导电膜，使得该离子导电膜位于该电催化剂层A和电催化剂层B两者之间。然后优选地在已经施加电催化剂层B之后除去转印基底(即实现转移)。图2示出了以此方式制备催化剂涂覆的离子导电膜的方法。在步骤(i)中，将层D施加到转印基底，在步骤(ii)中，将电催化剂层A施加到层D，在步骤(iii)中，将离子导电膜施加到电催化剂层A，在步骤(iv)中将电催化剂层B施加到离子导电膜，并且在步骤(v)中，除去转印基底(即实现转移)，其中层D的一部分保持在转印基底上，并且一部分保持在电催化剂层A上。

离子导电膜合适地与电催化剂层A和电催化剂层B两者接触，使得电催化剂层被离子导电膜的厚度隔开，并且不存在隔开这些层的其他层。如果电催化剂层A是阴极，则电催化剂层B合适地是阳极，反之亦然。电催化剂层B的特征如本文针对电催化剂层A所描述的。离子导电膜和电催化剂层可通过本领域已知的方法施加，包括WO2015/145128中描述的用于催化剂涂覆的膜-密封组件的添加剂层制造工艺。因此，本发明中的转印基底可以是WO2015/154128中提到的载体。

优选地，在本发明的所有方面，离子导电膜是适用于质子交换膜燃料电池或电解槽的任何膜，例如，所述膜可基于全氟化磺酸材料，诸如

(Chemours Company)、

(Solvay Specialty Polymers)、

(Asahi Glass Group)和

(Asahi Kasei Chemicals Corp.)。另选地，该离子导电膜可基于磺化烃膜，诸如购自FuMA-Tech GmbH(以

P、E或K系列产品)、JSR Corporation、ToyoboCorporation等的那些。

离子导电膜的厚度不受特别限制，并且将取决于该离子导电膜的预期应用。例如，典型的燃料电池离子导电膜具有至少5μm、合适地至少8μm、优选地至少10μm的厚度。典型的燃料电池离子导电膜具有不超过50μm、合适地不超过30μm、优选地不超过20μm的厚度。因此，典型的燃料电池离子导电膜具有在5μm至50μm、合适地8μm至30μm、优选地10μm至20μm范围内并且包括这些端值的厚度。

离子导电膜可以包含附加组分，诸如过氧化物分解催化剂和/或自由基分解催化剂和/或重组催化剂。重组催化剂催化未反应的H₂和O₂的重组，它们可以分别从燃料电池的阳极和阴极扩散到离子导电膜中，以产生水。离子导电膜还可包含嵌入在该离子导电膜的厚度内的增强材料，诸如平面多孔材料(例如USRE37307中所述的膨体聚四氟乙烯(ePTFE)，以提供离子导电膜的改善的机械强度，诸如增强的抗撕裂性和减少的水合和脱水时的尺寸变化，并因此进一步增加膜电极组件的耐久性和结合了本发明的催化离子导电膜的燃料电池的寿命。形成增强离子导电膜的其他方法包括US 7,807,063和US 7,867,669中公开的那些，其中增强件为刚性聚合物膜，诸如聚酰亚胺，在其中形成多个孔，然后用PFSA离聚物填充。

存在的任何增强件可在离子导电膜的整个厚度上延伸，或者在离子导电膜的厚度的仅一部分上延伸。还可能有利的是，在比离子导电膜的第一表面和第二表面的中心面更大的程度上增强该离子导电膜的第一表面和第二表面的周边。相反，可能希望的是将离子导电膜的第一表面或第二表面的中心增强到比离子导电膜的第一表面或第二表面的周边更大的程度。

用于制备本发明的第四方面的膜电极组件的方法可合适地如下进行：

(i)将气体扩散层施加到层D，该层在由本发明第三方面制备的催化剂涂覆的离子导电膜的一面或两面上保持附接到电催化剂层。如果通过本发明第三方面的方法施加仅一个电催化剂层，则将气体扩散层施加到催化剂涂覆的离子导电膜的另一面上的电催化剂层。

(ii)将气体扩散电极施加到通过本发明第三方面的方法制备的催化剂涂覆的离子导电膜的一个面，并将气体扩散层施加到层D，该层在另一个面上保持附接到电催化剂层。

为避免疑义，本文所提到的离子导电膜的面沿离子导电膜的x-y平面延伸，并且被离子导电膜的厚度隔开，该离子传导膜的厚度在z方向上延伸。

因此，在已经除去转印基底之前或之后(即，在已经实现转移之前或之后)，可通过将气体扩散层施加到催化剂涂覆的离子导电膜的电催化剂层B来制备膜电极组件，该催化剂涂覆的离子导电膜已经通过本发明第五方面的方法制备。在已经除去转印基底之后，可将气体扩散层施加到层D，该层保持附接到电催化剂层A上并随该电催化剂层转移。

气体扩散层包括气体扩散基底和优选的微孔层。典型的气体扩散基底包括包含碳纤维网和热固性树脂粘结剂的非织造纸或网(例如，购自日本Toray Industries Inc.的TGP-H系列碳纤维纸，或购自德国Freudenberg FCCT KG的H2315系列，或购自德国SGLTechnologies GmbH的

系列，或来自Ballard Power Systems Inc.的

系列)，或者织造碳布。在制造电极和掺入膜电极组件中之前，碳纸、网或布可设置有预处理以使其更易润湿(亲水)或更防水(疏水)。任何处理的性质将取决于燃料电池的类型和将使用的操作条件。可通过经由从液体悬浮液浸渍掺入材料(诸如无定形碳黑)而使基底更具可润湿性，或者可通过用聚合物(诸如PTFE或聚氟乙烯丙烯(FEP))的胶态悬浮液浸渍基底的孔结构，然后进行干燥并加热至高于聚合物的熔点而使基底更具疏水性。典型的微孔层包含碳黑和聚合物(诸如聚四氟乙烯(PTFE))的混合物。

实施例

常规电催化剂层油墨制备

阳极电催化剂层油墨(阳极油墨)通过用分散在83％水/17％丙-1-醇混合物中的Solvay 790EW PFSA离聚物润湿阳极电催化剂材料来制备。使用顶置式搅拌器机械地搅拌该混合物，直到所有的催化剂已被润湿并分散在液体中。然后通过艾格尔(Eiger)球磨机加工该油墨以形成良好分散的油墨。

阴极电催化剂层油墨(阴极油墨)通过用分散在20％水/80％丙-1-醇混合物中的3M 825EW PFSA离聚物润湿阴极电催化剂材料来制备。使用顶置式搅拌器机械地搅拌该混合物，直到所有的催化剂已被润湿并分散在液体中。然后通过艾格尔(Eiger)球磨机加工该油墨以形成良好分散的油墨。

层D油墨制备

将60g石墨粉46304(Alfa

)或C-NERGY SFG 6L

与11％超纯水(18MΩ)/89％丙-1-醇混合物和PFSA离聚物(

D2020Chemours)轻轻混合，使得离聚物固体的量为石墨质量的20wt％，并且油墨的固体含量为按油墨总重量计的15wt％。在将所有的石墨掺入到油墨中之后，使用高剪切混合器机加工所得混合物，以确保离聚物材料与石墨紧密混合。所用的混合器是Silverson混合器均化器、艾格尔球磨机或微流体微流化器。

本发明的催化转印基底的组件

使用棒涂系统将层D油墨涂覆到PTFE上以形成连续层。沉积的湿层厚度为40μm。然后在80℃下干燥该层。然后，使用狭缝模头将含有20wt％Pt/C电催化剂材料

3000(Johnson Matthey)的阳极油墨涂覆到干燥层D上。

膜电极组件的制备

制备两个50cm²活性面积的催化剂涂覆的离子导电膜，一个为根据本发明的离子导电膜(MEA1)，并且另一个为对比的离子导电膜(MEA2)。

使用本发明的催化转印基底，通过将阳极电催化剂层转移到增强的PFSA膜(15μm厚度)的一个面上来制备MEA 1。阳极电催化剂层含有20wt％Pt/C电催化剂HiSPEC 3000(Johnson Matthey)，并且在150℃至200℃之间的温度下转移，并且整个层D随电催化剂层转移。阴极电催化剂层含有50wt％Pt/C电催化剂HiSPEC 21710(Johnson Matthey)，其使用如WO2013/015894中公开的专门设计用于燃料电池应用的碳，并且由PTFE片材上的阴极油墨形成，并在150℃至200℃并且包括端值的温度下转移到离子导电膜的相对面。阴极具有0.4mgPt/cm2的载量，并且阳极具有0.08mgPt/cm2的载量。

通过使用阳极油墨在PTFE片材上形成阳极电催化剂层，并在150℃至200℃的温度下将含有20wt％Pt/C电催化剂HiSPEC 3000(Johnson Matthey)的电催化剂层转移到增强PFSA膜(15μm厚)的一个面上，来制备MEA 2。阴极电催化剂层含有50wt％Pt/C电催化剂HiSPEC 21710(Johnson Matthey)，其使用如WO2013/015894中公开的专门设计用于燃料电池应用的碳，并且由PTFE片材上的阴极油墨形成，并在150℃至200℃并且包括端值的温度下转移到离子导电膜的相对面。阴极具有0.4mgPt/cm2的载量，并且阳极具有0.08mgPt/cm2的载量。

将气体扩散层施加到每种催化剂涂覆的离子导电膜的每个面，以形成完整的膜电极组件。所使用的气体扩散层是碳纤维纸，所述碳纤维纸具有施加到与催化剂涂覆的离子导电膜接触的面的含有碳和PTFE(来自SGL Technologies GmbH的

39BC)的疏水微孔层。

电化学测试方法

分别使用化学计量为1.5和2.0的H₂和空气流，在完全加湿和加压(100％RH，100kPag)条件下，在80℃的H₂/空气中测量MEA1和MEA2中的每一者的极化(电流与电压)性能。在阳极入口和阴极入口处控制电池湿度(RH)和压力。

结果与讨论

图3示出了MEA 1和MEA 2的极化性能和电阻。可以看出，这两个零件的性能是相同的，并且在所有条件下重复。这意味着层D可以用作识别电催化剂层的手段，以及用于促进电催化剂层的转移，而不改变膜电极组件的性能。

Claims (11)

1.一种催化转印基底，所述催化转印基底包括：

i)转印基底；

ii)电催化剂层A；

iii)层D，所述层位于所述转印基底和所述电催化剂层A之间；其中

所述层D包括离子导电聚合物和碳材料；以及

所述层D被配置为使得在将所述电催化剂层A转移到表面上时，所述层D的至少一部分保持附接到所述电催化剂层A并随所述电催化剂层转移。

2.根据权利要求1所述的催化转印基底，其中所述层D被配置为使得在将所述电催化剂层D转移到表面上时，所述层D的至少一部分保持附接到所述转印基底。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的催化转印基底，其中所述转印基底和所述层D之间的粘合强度(AS1)、所述电催化剂层A和所述层D之间的粘合强度(AS2)以及层D的凝聚强度(CS)具有以下关系(i)或(ii)中的一者：

(i)AS2>CS并且AS1>CS并且AS2≥AS1；或者

(ii)CS>AS1并且AS2>AS1。

4.根据任一前述权利要求所述的催化转印基底，所述催化转印基底还包括：

iv)离子导电膜；和

v)电催化剂层B；

其中所述离子导电膜位于所述电催化剂层A和电催化剂层B两者之间。

5.一种卷材材料，所述卷材材料包括根据任一前述权利要求所述的催化转印基底。

6.一种通过从催化转印基底转移而将电催化剂层施加到表面的方法，其中所述催化转印基底包括：

i)转印基底；

ii)电催化剂层A；

iii)层D，所述层位于所述转印基底和所述电催化剂层A之间；其中

所述层D包括离子导电聚合物和碳材料；

其中当所述电催化剂层A被转移到所述表面时，所述层D的至少一部分保持附接到所述电催化剂层A并随所述电催化剂层转移。

7.根据权利要求6所述的方法，其中当所述电催化剂层A被转移到所述表面时，所述层D的至少一部分保持附接到所述转印基底。

8.一种制备催化剂涂覆的离子导电膜的方法，所述方法包括通过根据权利要求6或权利要求7所述的方法将电催化剂层施加到离子导电膜的表面。

9.一种制备膜电极组件的方法，所述方法包括以下步骤：

i)通过根据权利要求8所述的方法制备催化剂涂覆的离子导电膜；

ii)将气体扩散层施加到保持附接到所述电催化剂层的所述层D。

10.一种制备催化转印基底的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将层D施加到转印基底；然后

b)将电催化剂层A施加到步骤a)中施加的所述层D；其中所述层D包括离子导电聚合物和碳材料。

11.根据权利要求10的方法，所述方法还包括以下步骤：

c)将离子导电膜施加到所述电催化剂层A；

d)将电催化剂层B施加到所述离子导电膜，使得所述离子导电膜位于所述电催化剂层A和电催化剂层B两者之间。

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