(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010128923.0
(22)申请日 2020.02.28
(66)本国优先权数据
201910992610.7 2019.10.18 CN
(71)申请人 广东道氏云杉氢能科技有限公司
地址 528000 广东省佛山市禅城区南庄镇
怡水三路1号2座
(72)发明人 达斯汀.威廉.班哈姆 白金勇
张翼
(74)专利代理机构 广州嘉权专利商标事务所有
限公司 44205
代理人 许飞
(51)Int.Cl.
H01M 4/92(2006.01)
H01M 4/88(2006.01)
H01M 8/1004(2016.01)H01M 8/1007(2016.01) (54)发明名称
MEA及燃料电池(57)摘要
本发明公开了一种燃料电池用CCL、MEA及燃
料电池，其CCL包括至少2个具有不同特的CCL。本 发明一些实例的CCL，可以在不牺牲耐久性的情
下，具有超高的耐久性。本发明一些实例的CCL，
易于制备，同时易于根据需要更改原料的组成，
满足不同的需要。权利要求书2页 说明书5页 附图7页CN 111244488 A 2020.06.05
C N 111244488
A
1.一种燃料电池用CCL，其至少包括靠近电解质隔膜的第一CCL和附着在第一CCL的第二CCL组成，其中：
所述第一CCL上负载的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP； 所述第二CCL上负载的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；
或
所述第一CCL上负载的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP；
所述第二CCL上负载的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；
或
所述第一CCL上负载的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；
所述第二CCL上负载的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP；
或
所述第一CCL上负载的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；
所述第二CCL上负载的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用CCL，其特征在于：所述第一CCL的厚度为1～5μm；所述第二CCL的厚度为1～5μm。
3.根据权利要求1所述的燃料电池用CCL，其特征在于：所述第一CCL和第二CCL之间没有间隔层。
4.根据权利要求1所述的燃料电池用CCL，其特征在于：
粘度为2.5～1000cP的溶剂选自甘油、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、二甘醇、乙二醇、丙二醇、异丁醇、1-丁醇、戊二醇中的至少一种；
粘度为0.05～10cP的溶剂选自丙酮、二甲氧甲烷、丁酮、乙酸乙酯、甲醇、水、乙醇、正丙醇、异丙醇和乙酸中的至少一种。
5.根据权利要求1或4所述的燃料电池用CCL，其特征在于：
催化活性为0.05～0.2A/mg的催化剂选自粒径不小于4nm的Pt/C；
催化活性为0.2～1.5A/mg的催化剂选自粒径不大于5.5nm的Pt、PtCo/C和PtNi/C。
6.根据权利要求1所述的燃料电池用CCL，其特征在于：其具有以下至少一个特征：
第一CCL中，催化剂的负载量为0.05～0.3mg/cm2；
第二CCL中，催化剂的负载量为0.05～0.3mg/cm2；
第一CCL中，离聚物的含量为15～50wt.％；
第二CCL中，离聚物的含量为15～50wt.％。
7.一种CCL的制备方法，包括如下步骤：
在电解质隔膜的一侧涂布第一CCL浆料，完全干燥后得到第一CCL；
在第一CCL上涂布第二CCL浆料，完全干燥后，得到CCL；其中，
所述第一CCL浆料的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP；
所述第二CCL浆料的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；
或
所述第一CCL浆料的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP；
所述第二CCL浆料的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；
或
所述第一CCL浆料的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；
所述第二CCL浆料的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP；
或
所述第一CCL浆料的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；
所述第二CCL浆料的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP。
8.一种燃料电池用MEA，其特征在于：其具有权利要求1所述的CCL，或按权利要求7所述方法制备得到的CCL。
9.一种燃料电池，其特征在于：其具有：
权利要求1～6任一项所述的CCL；或
按权利要求7所述方法制备得到的CCL；或
权利要求8所述的MEA。
一种燃料电池用CCL、MEA及燃料电池
技术领域
[0001]本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池用CCL、MEA及燃料电池。
背景技术
[0002]燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池具有效率高，绿环保等优势，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。
[0003]燃料电池的主要构成组件为：电极(Electrode)、电解质隔膜(Electrolyte Membrane)与集电器(Curr
ent Collector)等。电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。MEA(Membrane Electrode Assembly)膜电极是燃料电池电化学反应的基本单元，它的设计和制备首先要遵循燃料电池电化学反应的基本原理和特性，并且与燃料电池最终的使用条件相结合来综合考虑。
[0004]为了获得性能优异的MEA，要求MEA的催化层尽可能的薄，以利于传质并提高燃料电池的效率。传统的燃料电池MEA中，阴极催化层(cathode catalyst layer CCL)是5～10μm厚的单层结构，由固载在碳材料上的催化剂(如Pt等)和质子导体聚合物(离聚物ionomer)组成。一般而言，催化剂和离聚物的特性决定了高性能会导致快降解。另一个影响CCL性能及耐久的重要因素是CCL中使用的溶剂(solvent)。一般而言，高粘度的溶剂会提高CCL的耐久性但是性能较差，而低粘度的溶剂会提高CCL的性能但是耐久性较差。因此，在传统的CCL 设计中，无法兼顾高性能和高耐久性，只能根据具体的需要，择一选择高性能或高耐久性。典型的MEA设计如下：
[0005]CN110277579A公开了一种燃料电池用膜电极结构，包括：厚度为25～300微米的第一结构层；设于第一结构层之上的第一催化剂层；设于第一催化剂层之上的全氟磺酸质子交换膜；设于全氟磺酸质子交换膜之上的第二催化剂层；其中，所述第一催化剂层、第二催化剂层的厚度分别为1～50微米；以上各层复合后，形成膜电极结构。本发明的优势在于全氟磺酸树脂PFSA在催化层表面直接成膜，降低了催化层与质子交换膜界面间的传递质子的阻力；增强了催化层与质子交换膜间的水传递能力，在电池
操作过程中可更好的润湿质子交换膜；将质子交换膜制备过程融合入膜电极的制备过程，缩短了制备周期。
[0006]CN102104155A公开了一种燃料电池用高性能低铂阴极催化层结构及其用途。以Pt/C或PtMxOy/C为电催化剂，由比表面积为800～1200m2/g的炭载体制备的Pt/C或PtMxOy/ C催化剂(第二催化剂)与质子导体为主要组分构成与质子交换膜相连接的亲水性内催化层；以比表面积为50～300m2/g的炭载体制备的Pt/C或PtMxOy/C催化剂(第一催化剂)或其与第二催化剂的复合催化剂与憎水剂为主要组分构成与扩散层相连接的憎水性外催化层。该低铂阴极催化层结构具有Pt用量少、厚度薄、催化剂利用率和极限电流密度高、稳定性和耐久性好的特点。
[0007]US20130022891A1公开了一种提高MEA性能的方法，其具有双层CCL结构，靠近聚合物电解质膜的第一层由Pt构成，靠近GDL的第二层由性能更高的Pt-Co构成。CN106663817A 公开了另一种具有多层CCL结构的MEA，其CCL结构与US20130022891A1公开的结构几乎相反，靠近聚合物电解质膜的第一层由Pt-Co构成，靠近GDL的第二层由Pt构成，使催化性更好的催化剂位于CCL反应活性最高的区域，同时提高耐久性。这两种设计在提高MEA性能的同时，在使用过程中都面临着显著的性能损失。
发明内容
[0008]本发明的目的在于提供一种性能更为优异的CCL结构及其MEA和燃料电池。[0009]本发明所采取
的技术方案是：
[0010]本发明的第一个方面，提供：
[0011]一种燃料电池用CCL，其至少包括靠近电解质隔膜的第一CCL和附着在第一CCL的第二CCL组成，其中：
[0012]所述第一CCL上负载的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP；所述第二CCL上负载的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；或
[0013]所述第一CCL上负载的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP；所述第二CCL上负载的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；或
[0014]所述第一CCL上负载的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；所述第二CCL上负载的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP；或
[0015]所述第一CCL上负载的催化剂的催化活性为0.05～0.2A/mg，溶剂的粘度为0.05～10cP；所述第二CCL上负载的催化剂的催化活性为0.2～1.5A/mg，溶剂的粘度为2.5～1000cP。
[0016]在一些CCL的实例中，所述第一CCL的厚度为1～5μm。
[0017]在一些CCL的实例中，所述第二CCL的厚度为1～5μm。
[0018]在一些CCL的实例中，所述第一CCL和第二CCL之间没有间隔层。
[0019]在一些CCL的实例中，粘度为2.5～1000cP的溶剂选自甘油、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、二甘醇、乙二醇、丙二醇、异丁醇、1-丁醇、戊二醇中的至少一种。[0020]在一些CCL的实例中，粘度为0.05～10cP的溶剂选自丙酮、二甲氧甲烷、丁酮、乙酸乙酯、甲醇、水、乙醇、正丙醇、异丙醇和乙酸中的至少一种。
[0021]在一些CCL的实例中，催化活性为0.05～0.2A/mg的催化剂选自粒径不小于4nm的Pt/C。
[0022]在一些CCL的实例中，催化活性为0.2～1.5A/mg的催化剂选自粒径不大于5.5nm的Pt、PtCo/C和PtNi/C。
[0023]在一些CCL的实例中，其具有以下至少一个特征：
[0024]第一CCL中，催化剂的负载量为0.05～0.3mg/cm2；
[0025]第二CCL中，催化剂的负载量为0.05～0.3mg/cm2；
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