[发明专利]催化剂涂覆膜、燃料电池及制备方法

说明书

本发明公开了一种催化剂涂覆膜、燃料电池及制备方法，该催化剂涂覆膜包括：质子交换膜；催化层，形成在所述质子交换膜相对的两侧，所述催化层的表面具有三维立体微结构。通过这种方式，本发明能够为获得同时兼顾水管理、降低传质阻抗以及提高催化剂的利用效率的膜电极及燃料电池提供技术支持。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种催化剂涂覆膜、燃料电池及制备方法。

背景技术

燃料电池是一种电化学电池，其主要原理是将燃料和氧化剂中的化学能经氧化还原反应直接转化为电能。质子交换膜燃料电池作为燃料电池领域的重要分枝，除了拥有燃料电池一般性特点之外，还具有室温下启动速度快、体积小、无电解液损失、容易排水、寿命长、比功率和比能量高等突出优点。

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件。将催化层结合在质子交换膜上制备成催化剂涂覆膜(CCM，Catalyst Coated Membrane)，然后将CCM与气体扩散层粘合在一起制备成膜电极，该种结构的膜电极能够提高质子交换膜燃料电池膜电极的性能。目前CCM有两种制备方式：一种是将催化剂直接涂覆质子交换膜上，该方法的问题是，质子交换膜易吸收催化剂中的溶剂，并发生溶胀而产生形变，对CCM结构的均一性影响很大，而且催化层的结构很容易出现龟裂的现象。另一种是先将催化剂浆料涂覆在惰性基底上形成催化层，然后通过高温热压的方式将催化层转印到质子交换膜上，这种制备方式得到的CCM，其催化层很薄，能够降低催化剂的用量，而且能够避免溶剂对质子交换膜的影响。

虽然膜电极的制备工艺一直在改进，燃料电池的性能也在提高，但是上述膜电极均无法同时兼顾水管理、降低传质阻抗以及提高催化剂的利用效率。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种催化剂涂覆膜、燃料电池及催化剂涂覆膜的制备方法，能够为获得同时兼顾水管理、降低传质阻抗以及提高催化剂的利用效率的膜电极及燃料电池提供技术支持。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种催化剂涂覆膜，包括：质子交换膜；催化层，形成在所述质子交换膜相对的两侧，所述催化层的表面具有三维立体微结构；其中，所述催化层是通过转印法制备的；转印基底膜具有不同形状的压痕；压痕形状包括条形、圆环形、网格形、蛇形、山峰形中的至少一种；所述压痕的长度范围是1-1000um；所述压痕的宽度范围是1-1000um；所述压痕的深度范围是0.1-10um。

其中，所述催化层的表面具有流道；所述流道的形状包括条形、圆环形、网格形、蛇形、山峰形中的至少一种；所述流道的长度范围是1-1000um；所述流道的宽度范围是1-1000um；所述流道的深度范围是0.1-10um。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种燃料电池，所述燃料电池包括膜电极，所述膜电极包括如上任一项所述的催化剂涂覆膜。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种催化剂涂覆膜的制备方法，包括：提供质子交换膜；在所述质子交换膜相对的两侧形成表面具有三维立体微结构的催化层；

其中，所述在所述质子交换膜相对的两侧形成表面具有三维立体微结构的催化层，包括：利用转印法在所述质子交换膜相对的两侧形成表面具有三维立体微结构的催化层；

所述利用转印法在所述质子交换膜相对的两侧形成表面具有三维立体微结构的催化层，包括：提供具有不同形状的压痕的转印基底膜；提供催化剂浆料；将所述催化剂浆料涂覆在所述具有不同形状的压痕的转印基底膜上形成催化层；将所述催化层转印到所述质子交换膜的上下两侧上，形成所述催化剂涂覆膜。

其中，所述催化层的表面具有流道；所述流道的形状包括条形、圆环形、网格形、蛇形、山峰形中的至少一种；所述流道的长度范围是1-1000um；所述流道的宽度范围是1-1000um；所述流道的深度范围是0.1-10um。