CN109638298A - 一种3d结构一体化膜电极制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于氢燃料电池和SPE水电解技术领域，特别涉及一种具有3D结构能够与多种集电结构匹配的高性能膜电极的制备技术。具体为利用狭缝模头挤出式涂布技术制备无膜结构的CCM的方法。该过程通过狭缝挤出涂布依次构建膜电极的三层(阴极催化层、膜和阳极催化层)结构，经过连续流延、依次层叠，涂布形成三维空间膜电极(3D‑MEA)，这是一种可扩展的、基于流延涂层技术的三维膜电极(3D‑MEA)的制造方法。该工艺优化了膜电极三相界面结构，降低了不同界面的界面电阻；避免了使用价格昂贵的隔膜，且使得膜电极性能有数量级的提升；此外，制备工艺简单，成本低廉，同时缩短了制备时间，利于大规模制备。

Description

一种3D结构一体化膜电极制备方法
技术领域
本发明属于氢燃料电池和SPE水电解技术领域，特别涉及一种无外加隔膜的3D结构一体化膜电极制备方法。
背景技术
膜电极(Membrane Electrode Assemblies，MEA)是质子交换膜燃料电池和SPE电解槽中进行多相物质传输和电化学反应场所，其性能决定着SPE电解池或燃料电池的工作性能、寿命以及成本。膜电极主要由催化剂、质子交换膜及其溶液、气体扩散层制备而成，其制备工艺一直是电化学领域的核心技术。研究高性能、长寿命与低成本膜电极制备技术对于加快SPE电解池和燃料电池商业化进程具有十分重要的意义。在开发高效Pt基催化剂，调整Pt纳米晶体的暴露晶面(111)，制备Pt的合金、核壳、枝杈或非均质结构的多金属纳米晶体，用金属团簇、分子、离子、有机或无机化合物修饰铂纳米颗粒表面等均有利于改善膜电极电化学反应活性，高质量活性的铂基多孔/中空结构纳米颗粒催化剂备受关注。在改进催化剂的耐久性方面，主要集中于研发高度石墨化的碳材料(例如碳纤维，碳管，石墨稀)作为Pt基催化剂载体。但仅从催化剂等原材料角度来改善SPE电解池或燃料电池的成本和耐久性问题还远远不够，因为由催化剂制备的膜电极还必须兼顾电化学反应三相界面以及电子、质子、气体和水的传质微通道等多因素，才能获得最佳发电性能，因此，膜电极材料与制备工艺的集成与创新对高性能膜电极制备意义重大。
20世纪60年代美国通用电气公司采用铂黑作为催化剂，当时膜电极Pt载量超过4mg/cm2；20世纪90年代初，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)采用碳载铂(Pt/C)取代铂黑的油墨(Ink)制造工艺后，使得膜电极的Pt载量成倍地降低，该油墨制造工艺至今普遍采用；2000年后，低温、全固态的膜电极技术逐渐成熟，使得使用膜电极的电化学装置进入面向示范应用的阶段。伴随着膜电极几十年发展，膜电极技术经历了几代革新，大体上可分为热压法、CCM(Catalyst Coating Membrane)法和有序化膜电极三种类型，如表1所示。第一代是将催化剂、PTFE乳液或Nafion溶液与醇类溶剂混合的催化剂浆料制备到气体扩散层(GDL，Gas Diffusion Layer)的多功能层上形成电极，然后将质子交换膜夹在两层电极之间进行热压制成膜电极，即热压法，该方法催化层较厚，铂利用率低；第二代是将催化层通过转印法或直接喷涂法制备到质子交换膜两面上，形成CCM三合一膜电极，该方法催化层较薄(一般在10μm以下)，CCM制备工艺现已被广泛采用，是目前主流的商业化制备方法。由于H/Pt的交换电流密度(10-3A.cm-2)是O/Pt(10-9A.cm-2)约1000倍，且电化学反应过程不同，因此膜电极中阳极与阴极往往采用非对称设计，如阴极Pt载量一般是阳极载量的数倍，同时Nafion含量、孔隙尺寸、附加功能层在阴阳极有所不同，以期达到促进氧还原反应，防止水淹与干涸，减少浓差极化，增加耐久性能，提高发电功率密度的作用并降低Pt用量。
表1、膜电极分类
Table 1 MEA Classification
随着纳米线状材料的发展，人们尝试将其引入到膜电极催化层，主要包括纳米管材料、催化剂纳米线以及高质子传导纳米纤维。纳米线状材料的引入，催生了有序化膜电极概念。有序化膜电极能兼顾超薄电极和结构控制，拥有巨大的单位体积反应活性面积以及孔隙结构相互贯通的新奇特性，其突出优点包括：(1)高效三相传输；(2)高Pt利用率；(3)耐久性得到改善。近年来，有序化膜电极还处于基础研究阶段。
从膜电极的制备工艺技术演化看，SPE电解池或燃料电池传统膜电极组件可以通过多种不同方法来制备。催化剂分散直接涂覆在膜上或分散物首先涂在贴花基片上，然后催化剂层转移到膜上，由此产生的膜电极也被称为催化剂涂层膜(CCM)。另一种常见的方法是将分散体直接涂覆在多孔气体扩散层(GDL)上，然后用膜进行热压，最终形成MEA。然而，不管是CCM法还是热压法，这些方法都使用商用的膜材料来复合。相比之下，Ding等人研究了一种在GDL上喷涂催化剂形成气体扩散电极，然后在气体扩散电极上流延离子聚合物溶液形成膜，最后将催化剂分散在膜上形成第二电极的直接沉积法膜电极制备技术可以避免使用商品膜并自由调节质子导体层厚度的制备技术具有重要意义。电化学研究表明，该方法比在商品膜上喷涂催化剂油墨可获得更好的性能。Klingele等人介绍了一种直接膜沉积(DMD)技术，其中离子聚合物溶液直接喷墨印刷或喷涂在催化剂包覆的GDL上，取代常用的商品膜，然后组装膜涂层阳极和膜涂层阴极形成MEA。这种技术不仅可以降低界面电阻，还可以改变膜厚度，这对于研究膜电极界面电阻具有重要意义。使用DMD技术制备膜电极，SPE电解池或燃料电池的性能可以显著提高
发明内容
本发明提出一种3D一体化无隔膜制备CCM膜电极的方法。该方法中构成膜电极的三层(阴极、膜和阳极)依次通过连续流延，层叠在一起，形成三维空间膜电极(3D-MEA)。第一涂层涂覆在转印基板上，以便整个膜电极随后从转印基板被剥离。然后调整每层的成分与配比，使后一层附着在前一个子层上成膜而不溶解。这是一种可扩展的、基于流延涂层技术的三维膜电极(3D-MEA)制备技术，如图1所示。将每一层直接涂覆在前一层上，能够有效控制每一层的形成、性能、组成和厚度，并降低界面电阻，不需要额外的气体扩散层支撑涂层，并允许在不同的电化学装置操作中自由选择气体扩散层。这种方法不仅为SPE水电解，而且为燃料电池等电化学能量转换装置提供了高活性3D-MEA制备方法，创新了膜电极结构，优化了膜电极制备技术。
本发明的具体技术方案如下。
一种3D结构一体化膜电极制备方法，包括以下步骤：
(1)阳极催化层制备：首先配置阳极催化层浆料，将催化剂、去离子水、Nafion溶液、分散溶剂以及成型添加剂等混合充分分散；然后，通过狭缝模头流延(slot diecoating)的方式流延在易剥离的基底上，并干燥成型，形成阳极催化层；
(2)支撑边框添加：在上述催化层边缘放置第一层边框，边框内尺寸与电化学装置的活性区域相一致，主要由聚合物材料构成；
(3)直接沉积电解质膜层制备:采用狭缝模头流延方法将质子导体Nafion等高分子溶液涂覆在上述带边框的阳极催化层上并干燥成型，形成电解质膜层，电解质膜层覆盖整个催化层和边框。
(4)另一极(对电极)催化层制备:首先进行催化层浆料配制，将催化剂、去离子水、Nafion溶液、分散溶剂以及成型添加剂充分混合分散，再通过狭缝模头流延在上述电解质膜层上，控制涂布范围在有效区域边框内，干燥成型，形成对电极催化层；
(5)支撑边框添加：在上述催化层边缘放置第二层边框，边框内尺寸与电化学装置的活性区域相一致，主要由聚合物材料构成；第二层边框与第一层边框相对称，形成多层立体结构的膜电极；
(6)将上述多层结构膜电极在一定温度和压力下热压成型。
(7)将基底层与热压后的膜电极剥离，形成带有边框的独立结构的3D膜电极。
所述膜电极制备基底层为PTFE薄膜、氟素膜、FEP膜、硅油膜等易剥离聚合物膜；
所述阴、阳极催化剂为符合应用体系的电化学纳米催化剂，如Pt、Ir、Pt/C、Pt合金、金属氮碳催化剂、MOF、RuO2、IrO2等高活性、高分散性电化学催化剂。浆料中催化剂质量含量为3～45％。
所述涂布浆料中质子导体Nafion浓度为3～30％，浆料中Nafion质量含量为20～80％。
所述浆料中去离子水质量百分含量为0.1～60％。
所述涂布浆料中溶剂为易于催化剂分散和溶剂易挥发，且易与其他溶剂良好混合的有机物，如甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、***等易挥发溶剂中的一种或多种的混合液。
所述成型添加剂为高粘度醇类有机物，如庚醇、已醇、丁醇、2-甲基-2-丁醇、2-甲基-1-丙醇中的一种或几种的混合物等。
所述支撑边框材料为PET膜、聚酯、聚酰亚胺等热塑材料，边框厚度在5～300μm。
所述膜电极中间涂布层聚合物膜层厚度不小于10μm。
所述膜电极热压封装温度为100～150℃，压力为0.5～50MPa，热压时间为30s～20min。
本发明的有益效果：
(1)本发明将催化剂和质子导体通过狭缝涂布的方式依次叠加涂布在基膜上，制备3D结构分层沉积立体化膜电极，不需要使用外加膜材料，各界面充分接触，降低接触电阻，使膜电极性能比传统膜电极显著提高，并且实施过程操作简单、快速，成本低廉。
(2)本发明能够准确制备需要厚度、尺寸的膜层，灵活高效，且膜电极可以与各种集电材料良好接触。催化层与膜形成一体结构，大大降低界面阻抗，而且利于确保膜电极结构稳定性，延长使用寿命；在电催化及其他催化领域也有很好的应用前景。
(3)不需要额外的隔膜材料，利用狭缝模头挤出式涂布技术结合直接膜沉积(DMD)方法构建由阳极、膜层和阴极组成的一体化立体CCM。通过依次连续流延和层叠形成三层三维空间即3D-MEA。首先将第一层涂布在转印基板上，以便整个膜电极随后从转印基板被剥离。然后依次涂布叠加其他涂层。需要调整控制每层的成分与配比，从而使涂布的基层不溶解。将每一层直接涂覆在其它层上，使我们能够最终控制每一层的形成、性能和组成，并降低界面电阻。
附图说明
图1是本发明方法制备的三维膜电极(3D-MEA)工艺图。
图2是本发明方法制备的三维膜电极(3D-MEA)电镜图。
图3是本发明方法制备的3D膜电极与传统膜电极极化曲线比较图。
图4是本发明方法制备的3D膜电极与传统膜电极在燃料电池中极化曲线比较图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1：
SPE电解池膜电极制备：阴极催化层浆料以46wt％去离子水、25wt％Nafion溶液(浓度5％)、9wt％甲醇，9wt％2-甲基-2-丁醇，7wt％Pt/C，4wt％2-甲基-1-丙醇配制，采用台式涂布机将上述浆料流延在聚四氟乙烯基板(PTFE)上，并干燥成型，阴极催化层厚度为20微米。在上述阴极催化层边缘放置第一层PET边框，边框尺寸与5cm*5cm见方的活性区域相一致，厚度为20微米。采用Nafion溶液(30％浓度)通过slot die直接涂覆在上述阴极和边框上，形成电解质膜层，膜厚为50微米。然后，将阳极浆料(由22wt％二氧化铱，25wt％Nafion和53wt％1-庚醇构成)流延制备在上述膜表面上。干燥后形成阳极催化层，阳极催化层厚为200微米，在上述阳极催化层边缘放置第二层PET边框，与第一层边框相对称，边框厚度为200微米，形成多层立体结构的膜电极；将上述多层结构膜电极在130℃，0.5MPa压力下热压成型，并与PTFE基底分离，形成带有边框的独立3D结构SPE电解水制氢膜电极。该膜电极电镜测试断面图如图2所示。
实施例2：
将实施例1所述的3D膜电极采用两张Toray纸(TGP-H-120)作阴极和阳极，并组装在在阳极和阴极侧具有单蛇形流场的电解池中进行测试。为避免长期腐蚀，在阳极流场镀铂，阴极流场镀金。采用硅胶垫片密封电解池。阳极侧和阴极侧分别注入去离子水(R＝1MΩ.cm)，流速为35mL·min-1。为避免电解池内的温度梯度，将电解池温度调节到80℃，阳极和阴极两侧的水预热到80℃。同时在相同材料和催化剂载量条件下，采用Nafion HP传统膜电极与本发明3D膜电极进行性能比较。图3给出了3D-MEA和传统膜电极的极化曲线对比。通过比较电压值，可以看出本发明3D膜电极可在相同电解电压下获得较高的电流密度，例如在1.8V的电解电压下，本发明3D膜电极电流密度达到6A·cm-2，高于传统膜电极5A·cm-2。在7A·cm-2电流密度下，3D膜电极电解池效率达到80％。同时通过加速老化测试，本发明3D膜电极的耐久性达到了1万小时，而Nafion HP膜的传统膜电极耐久性仅为2000小时。
实施例3：
质子交换膜燃料电池膜电极制备：阳极催化层浆料以3wt％去离子水、29wt％Nafion溶液(浓度10％)、50wt％异丙醇，8wt％2-甲基-2-丁醇，10wt％Pt/C配制，采用台式涂布机将上述浆料流延在聚四氟乙烯基板(PTFE)上，并干燥成型，阳极催化层厚度为5微米。在上述阴极催化层边缘放置第一层聚酰亚胺边框，边框尺寸与10cm*10cm见方的活性区域相一致，厚度为5微米。采用Nafion溶液(5％浓度)通过slot die直接涂覆在上述阴极和边框上，形成电解质膜层，膜厚为15微米。然后，将阴极浆料(由20wt％Pt/C，29wt％Nafion和51wt％异丙醇构成)流延制备在上述膜表面上。干燥后形成阳极催化层，阴极催化层厚为15微米，在上述阴极催化层边缘放置第二层聚酰亚胺边框，与第一层边框相对称，边框厚度为15微米，形成多层立体结构的膜电极；将上述多层结构膜电极在150℃温度和50MPa压力下热压成型，并与PTFE基底分离，形成带有边框的独立的3D的燃料电池膜电极。
将上述3D膜电极采用两张Toray纸(TGP-H-60)作阴极和阳极，并组装在在阳极和阴极侧具有单蛇形流场的燃料电池中测试。为避免长期腐蚀，阳极流场镀铂，阴极流场镀金。采用硅胶垫片密封电池。阳极侧和阴极侧分别通入高纯氢气和空气，计量比分别为：1.5和2.3。电池操作温度为70℃，反应气体加湿RH 50％，反应气压为常压。同时在相同材料和催化剂载量条件下，采用GORE 15微米膜的传统膜电极与本发明3D膜电极进行性能比较。图3给出了3D-MEA和传统膜电极的极化曲线。从最大发电功率上看，3D膜电极峰值功率超过1W/cm2，传统膜电极的峰值功率仅为0.8W/cm2左右，性能提升近30％，这表明本发明3D膜电极制备方法能大大地降低膜电极接触电阻，优化多相传质，从而达到高性能的目标。同时通过加速老化测试，本发明3D膜电极的耐久性达到了2万小时，而GORE膜的传统膜电极耐久性仅为1000小时
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (11)

1.一种3D结构一体化膜电极制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)阳极催化层制备：将催化剂、去离子水、Nafion溶液、溶剂以及成型添加剂配置催化层浆料，然后涂覆在分离基底层上并干燥成型，形成阳极催化层；
2)支撑边框添加：在步骤1)所得催化层边缘放置第一层边框，边框内尺寸与电化学装置的活性区域相一致；
3)直接膜沉积电解质膜层制备：将Nafion高分子溶液涂覆在步骤2)所得物上并干燥成型，形成电解质膜层，电解质膜层覆盖整个催化层和边框；
4)阴极催化层制备：将催化剂、去离子水、Nafion溶液、溶剂以及成型添加剂配置催化层浆料，然后涂覆在步骤3)所得电解质膜层上，并控制在边框内，干燥成型，形成对电极催化层；
5)支撑边框添加：在步骤4)所得催化层边缘放置第二层边框，边框内尺寸与电化学装置的活性区域相一致；所述第二层边框与第一层边框相对称，形成多层立体结构的膜电极；
6)膜电极热压成型：将步骤5)所得多层立体结构膜电极在一定温度和压力下热压成型，形成有支撑边框的3D膜电极；
7)去除基底层:将基底层剥离，形成支撑框支撑的多层立体结构膜电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)、步骤3)和步骤4)中通过狭缝模头流延方式进行涂覆。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述基底层为PTFE薄膜、氟素膜、FEP膜或硅油膜。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)和4)中所述的催化剂包括Pt、Ir、Pt/C、Pt合金、金属氮碳催化剂、MOF、RuO2、IrO2电化学催化剂；所述浆料中催化剂质量含量为3～45％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)和4)中所述Nafion溶液的浓度为3～30％，Nafion质量含量为20～80％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)和4)中所述去离子水质量含量为0.1～60％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)和4)中所述溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、***中的一种或几种的混合物。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)和4)中所述成型添加剂为庚醇、己醇、丁醇、2-甲基-2-丁醇、2-甲基-1-丙醇中的一种或几种的混合物。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)和5)中所述支撑边框的材料为PET膜、聚酯或聚酰亚胺，所述边框厚度为5～300μm。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)、步骤3)和步骤4)中所述涂覆的膜层厚度不小于10μm。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤6)中所述热压成型的温度为100～150℃，压力为0.5～50MPa，热压时间为30s～20min。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111063925A (zh) * 2019-08-28 2020-04-24 深圳市通用氢能科技有限公司 催化剂涂覆膜、燃料电池及制备方法
CN111139497A (zh) * 2020-01-22 2020-05-12 同济大学 一种固体聚合物电解质电解槽用膜电极组件及制备方法
CN112018415A (zh) * 2019-05-31 2020-12-01 上海汽车集团股份有限公司 一种膜电极及其制备方法
CN112447987A (zh) * 2020-11-27 2021-03-05 上海交通大学 一种可满足不同增强需求的一体式膜电极制备方法
CN112713292A (zh) * 2020-12-25 2021-04-27 新源动力股份有限公司 一种适用于批量化生产的氢燃料电池膜电极组件及其生产工艺
CN114400335A (zh) * 2022-01-05 2022-04-26 海南大学 一种新型二维构型化电极的制备方法与装置
CN114597460A (zh) * 2022-01-17 2022-06-07 北京化工大学 一种减小界面阻抗的一体化膜电极的制备

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1613162A (zh) * 2001-11-30 2005-05-04 本田技研工业株式会社 燃料电池用电极的制备方法
WO2005086914A2 (en) * 2004-03-15 2005-09-22 Aerogel Composite, Llc Method of preparing membrane electrode assemblies with aerogel supported catalyst
CN1988227A (zh) * 2005-12-20 2007-06-27 通用汽车环球科技运作公司 涂覆催化剂的扩散介质
CN101288196A (zh) * 2005-10-14 2008-10-15 日本奥亚特克斯股份有限公司 膜电极接合体及固体高分子型燃料电池
CN101536225A (zh) * 2006-09-22 2009-09-16 卡伯特公司 用于形成涂覆有催化剂的膜和膜电极组件的方法、带框的膜和掩模
CN101800298A (zh) * 2010-03-11 2010-08-11 武汉理工新能源有限公司 一种边框叠层材料及其在制备带密封边框核心组件膜电极上的应用
CN102522570A (zh) * 2011-12-29 2012-06-27 新源动力股份有限公司 一种增强型质子交换膜燃料电池膜电极制备方法
CN102522572A (zh) * 2012-01-07 2012-06-27 大连理工大学 一种一体化燃料电池膜电极的制作方法
CN104051742A (zh) * 2013-03-15 2014-09-17 通用汽车环球科技运作有限责任公司 燃料电池的外部增强上的直接涂覆的膜电极组件
CN104051747A (zh) * 2013-03-15 2014-09-17 通用汽车环球科技运作有限责任公司 增强的电极组件
DE102015006078A1 (de) * 2015-05-09 2015-12-03 Daimler Ag Katalysatorbeschichtete Membran für eine Brennstoffzelle, Verfahren zu deren Herstellung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
CN106256037A (zh) * 2014-03-24 2016-12-21 庄信万丰燃料电池有限公司 制造催化剂涂覆的膜密封组件的方法
US20180323459A1 (en) * 2017-05-06 2018-11-08 Daimler Ag Catalyst coated membranes and preparation methods for fuel cells

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1613162A (zh) * 2001-11-30 2005-05-04 本田技研工业株式会社 燃料电池用电极的制备方法
WO2005086914A2 (en) * 2004-03-15 2005-09-22 Aerogel Composite, Llc Method of preparing membrane electrode assemblies with aerogel supported catalyst
CN101288196A (zh) * 2005-10-14 2008-10-15 日本奥亚特克斯股份有限公司 膜电极接合体及固体高分子型燃料电池
CN1988227A (zh) * 2005-12-20 2007-06-27 通用汽车环球科技运作公司 涂覆催化剂的扩散介质
CN101536225A (zh) * 2006-09-22 2009-09-16 卡伯特公司 用于形成涂覆有催化剂的膜和膜电极组件的方法、带框的膜和掩模
CN101800298A (zh) * 2010-03-11 2010-08-11 武汉理工新能源有限公司 一种边框叠层材料及其在制备带密封边框核心组件膜电极上的应用
CN102522570A (zh) * 2011-12-29 2012-06-27 新源动力股份有限公司 一种增强型质子交换膜燃料电池膜电极制备方法
CN102522572A (zh) * 2012-01-07 2012-06-27 大连理工大学 一种一体化燃料电池膜电极的制作方法
CN104051742A (zh) * 2013-03-15 2014-09-17 通用汽车环球科技运作有限责任公司 燃料电池的外部增强上的直接涂覆的膜电极组件
CN104051747A (zh) * 2013-03-15 2014-09-17 通用汽车环球科技运作有限责任公司 增强的电极组件
CN106256037A (zh) * 2014-03-24 2016-12-21 庄信万丰燃料电池有限公司 制造催化剂涂覆的膜密封组件的方法
DE102015006078A1 (de) * 2015-05-09 2015-12-03 Daimler Ag Katalysatorbeschichtete Membran für eine Brennstoffzelle, Verfahren zu deren Herstellung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
US20180323459A1 (en) * 2017-05-06 2018-11-08 Daimler Ag Catalyst coated membranes and preparation methods for fuel cells

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112018415A (zh) * 2019-05-31 2020-12-01 上海汽车集团股份有限公司 一种膜电极及其制备方法
CN112018415B (zh) * 2019-05-31 2022-01-28 上海汽车集团股份有限公司 一种膜电极及其制备方法
CN111063925A (zh) * 2019-08-28 2020-04-24 深圳市通用氢能科技有限公司 催化剂涂覆膜、燃料电池及制备方法
CN111063925B (zh) * 2019-08-28 2020-12-15 深圳市通用氢能科技有限公司 催化剂涂覆膜、燃料电池及制备方法
CN111139497A (zh) * 2020-01-22 2020-05-12 同济大学 一种固体聚合物电解质电解槽用膜电极组件及制备方法
CN111139497B (zh) * 2020-01-22 2022-11-29 同济大学 一种固体聚合物电解质电解槽用膜电极组件及制备方法
CN112447987A (zh) * 2020-11-27 2021-03-05 上海交通大学 一种可满足不同增强需求的一体式膜电极制备方法
CN112447987B (zh) * 2020-11-27 2022-06-28 上海交通大学 一种可满足不同增强需求的一体式膜电极制备方法
CN112713292A (zh) * 2020-12-25 2021-04-27 新源动力股份有限公司 一种适用于批量化生产的氢燃料电池膜电极组件及其生产工艺
CN114400335A (zh) * 2022-01-05 2022-04-26 海南大学 一种新型二维构型化电极的制备方法与装置
CN114597460A (zh) * 2022-01-17 2022-06-07 北京化工大学 一种减小界面阻抗的一体化膜电极的制备

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