[01131804]一种亲疏水性可调的质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法

该项目属无机非金属材料领域。燃料电池是将氢能转换为电能的先进能源转换装置,是《2006-2020年国家中长期科学和技术发展规划纲要》明确优先发展的先进能源前沿技术,在电动汽车、新能源等支柱产业中具战略支撑地位。 膜电极组件是燃料电池电化学反应核心部件,由催化层、质子交换膜、气体扩散层和密封结构组成,被称为燃料电池的“;芯片”;。第1代膜电极是将催化剂涂覆在气体扩散层上形成气体扩散电极（Gas Diffusion Electrode, GDE）、再与质子交换膜热压成膜电极的GDE技术,催化层厚（≥30um）,铂用量高、性能低。第2代膜电极制备技术,如丰田2014年底推出并获得商业成功的Mirai燃料电池车,采用的是催化层直接涂覆在质子交换膜上、再与气体扩散层复合成膜电极的CCM技术（Catalyst Coated Membrane, CCM）,催化层薄,有望降低铂用量、提高输出性能。但是,CCM型膜电极制备技术复杂、水/气管理难度大,一直被美国Gore、3M,英国JM等公司垄断,关键技术公开报道极少,技术无从借鉴。 该项目从2003年开始,历时17年,经过研究、开发、成果孵化、产业化等阶段,突破了CCM型膜电极制备、水/气传质以及超薄组件强化保护等难题,在中国首次开发出低铂、高效燃料电池第2代CCM型膜电极组件工业化成套制备技术,并获批量生产和应用,主要发明点如下： 1. 揭示了质子交换树脂全氟主链与磺酸根侧链的溶解规律,发明了溶解度参数、极性参数同时匹配的高温高压溶解体系,突破了质子交换树脂及其催化剂浆料单分散的难题;发明了离子效应保护的热转印技术,实现了兼具亲疏水结构的CCM型膜电极制备,解决了催化层的超薄化（≤10um）和水淹难题,催化剂利用率从GDE型膜电极的57.64%提高到82.58%。 2.发明了电化学沉积对气体扩散层基体（炭纸）原位疏水处理的新方法,获得了高孔隙度的疏水基体;创新了微孔层梯度孔隙结构复合技术,解决了燃料电池气体扩散层大电流工作时（≥3A/cm2）大量液态水排出和大量气体同时输入的突出矛盾,获得了高通量的气体扩散层制备技术,提高了膜电极的功率密度。 3. 发明了薄型柔性边框结构及其气体扩散层搭接结构,消除了膜电极活性区边沿的应力集中问题;发展了多层边框叠层材料的半冲断技术及连续加工工艺,保持了薄型柔性边框尺寸稳定性,实现了100万件/年膜电极的连续化生产。 该项目获授权发明专利18项,主编国标1项,发表论文86篇。生产的膜电极经国内外著名机构测试性能国际领先,铂用量从传统GDE膜电极的0.8降低到0.28mg/cm2, 功率密度从1提高到1.55W/cm2,实现了对国际垄断技术的反超。直接专利转让收入3600万元、产销膜电极163万件,建成我国最大膜电极生产基地;出口116.8万件,排名全球第5、中国第1,全球市场占有率4.73%且以260%的复合增长率快速增长,实现了国产膜电极的规模应用和对国际垄断的反向输出。膜电极及终端产品近3年产值37.56亿元,其中车用膜电极销量占自主化燃料电池市场55%,为我国燃料电池产业发展提供了核心材料保障。