[发明专利]一种燃料电池用CCM及其制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池用CCM及其制备方法，涉及燃料电池领域。一种燃料电池用CCM，包括质子交换膜及位于质子交换膜两侧的催化层，所述催化层从质子交换膜一侧向外分为亲水性层、第一疏水性层和第二疏水性层。本发明提供一种排水效果好、抗降解流失耐久性好的燃料电池用CCM，且其制备方法操作简单，适合批量生产和实验室操作。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池用CCM及其制备方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种电化学的发电装置，不同于常规意义上的电池，燃料电池按电化学的方式直接把化学能转换为电能。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转换效率高(40％-60％)，环境友好，几乎不排放氮硫氧化物。燃料电池以其优异的性能成为世界各个国家研究的热点，在发电，移动电源，车载电源上发挥了巨大的作用。燃料电池汽车的研究日益深入，但其商业化仍然存在技术瓶颈问题，燃料电池工作时生成大量的水容易进入电极孔，覆盖在催化层表面难以排走导致局部水淹，阻止了反应气体与催化剂的有效接触从而降低了电极性能。长时间运行催化层的贵金属催化剂会出现降解流失现象减小了有效催化面积导致性能下降。

燃料电池芯片是将燃料电池催化剂涂敷在质子交换膜两侧制备的催化剂/质子交换膜组件，简称CCM(catalyst coated membrane)。与传统的将催化剂涂敷于气体扩散层(即碳纸或碳布)表面所制备的膜电极MEA(membrane electrode assembly)相比，CCM具有以下优点：1)催化剂层超薄化，催化剂催化效率也得到了很大提高，从而降低了Pt贵金属催化剂的载量(一般可降低到0.4-0.6mg/cm²以下)；2)质子交换膜可超薄化，提高了膜的面电导，而且还降低了膜的用量；3)电池活化时间较短，电化学响应快等。因此，CCM技术被认为是燃料电池膜电极技术的第二次革命。

授权号为CN102325602B的专利申请公开了用于碱性膜燃料电池的催化剂涂层膜(CCM)和催化剂膜/催化层及其制备方法，基于无担载金属颗粒层的燃料电池阴极催化层，相对于基于碳载金属颗粒的催化层，具有内在稳定性的优势。其使用银阴极催化剂设计的碱性膜燃料电池包括一种催化层和一种阴离子导电离聚物，该催化层包括银金属纳米-颗粒。银金属纳米-颗粒与离聚物溶液混合形成一种催化剂油墨，该催化剂油墨应用在碱性膜上，在薄膜表面形成一种超薄阴极催化层。

公开号为CN112310413A的专利申请公开了一种气体扩散层、及其制备方法和用途，所述气体扩散层包括支撑层和依次设置于所述支撑层表面的复合碳材料扩散层和微孔层；所述支撑层为多孔材料，所述复合碳材料扩散层包括碳纳米管和碳纤维。其发明所述支撑层具有较高的机械强度，其既可作为集流又可作为扩散层框架基底；碳纳米管和碳纤维两种材料混合，以碳纤维作为基底框架，碳纳米管作为框架的填充物，满足了气体扩散层高透气性的要求，并且拥有较高的机械强度；微孔层可以使扩散层大小不一的孔隙填补，还可以减缓扩散层的不平整现象，进而实现水和反应气体在流场和催化层的再分配，并且增加了电导率，提高了电池寿命。

因此，对抗降解流失耐久性好的燃料电池用CCM成为了一个新的研究方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种排水效果好、抗降解流失耐久性好的燃料电池用CCM及其制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种燃料电池用CCM，它包括质子交换膜、粘附于膜两侧的催化层，其中阴极催化层包括亲水性低铂含量催化层、疏水性高性能高铂含量催化层、疏水性低铂含量催化层。其特征是：催化层亲疏水性成梯度结构利于排水、利于气流分布，催化层两侧低铂多碳催化剂耐降解耐流失。

本发明提供了一种燃料电池用CCM，包括质子交换膜及位于质子交换膜两侧的催化层，所述催化层从质子交换膜一侧向外分为亲水性层、第一疏水性层和第二疏水性层；