[發明專利]具有裂紋的燃料電池用雙層催化劑層及其應用

有效

• 申請號: 202010129671.3
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111384410B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 白金勇;達斯汀.威廉.班哈姆;張翼
• 申請（專利權）人: 廣東泰極動力科技有限公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M8/1004
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 林德強

本發明公開了具有裂紋的燃料電池用雙層催化劑層及其應用。燃料電池用催化層為陽極催化層ACL或陰極催化層，由靠近電解質膜的第一催化層和直接附著在第一催化層的第二催化層組成，其中：所述第一催化層無裂紋；所述第二催化層具有裂紋。本發明的燃料電池用催化層，可以很好地提高傳質效率，同時不會顯著降低催化層的耐久性。

技術領域

本發明涉及一種燃料電池組件，特別涉及一種具有裂紋的燃料電池用雙層催化劑層及其應用。

背景技術

燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。燃料電池具有效率高，綠色環保等優勢，從節約能源和保護生態環境的角度來看，燃料電池是最有發展前途的發電技術。

燃料電池的主要構成組件為：電極(Electrode)、電解質隔膜(ElectrolyteMembrane)與集電器(Current Collector)等。電極是燃料發生氧化反應與氧化劑發生還原反應的電化學反應場所，其性能的好壞關鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。MEA(Membrane Electrode Assembly)膜電極是燃料電池電化學反應的基本單元，它的設計和制備首先要遵循燃料電池電化學反應的基本原理和特性，并且與燃料電池最終的使用條件相結合來綜合考慮。

為了獲得性能優異的MEA，要求MEA的催化層盡可能的薄，以利于傳質并提高燃料電池的效率。傳統的燃料電池MEA中，催化層(catalyst layer CL)是5～10μm厚的單層結構，由固載在碳材料上的催化劑(如Pt等)和質子導體聚合物(離聚物ionomer)組成。

為了促進反應物及反應產物的傳質，PEMFC的催化層，特別是陰極催化劑層(CCL)必須具有高孔隙率。現在一般有如下幾種策略：

減少CCL層中離聚物的含量：通過減少離聚物的含量，CCL中的孔含量和大小一般都會提高。但是這種方法會導致CCL內的質子傳導性降低，影響質子傳遞，對燃料電池的性能有著不利的影響。

在CCL中引入裂紋(cracks)：裂紋的引入一般會導致總體孔隙率的大幅增加。與傳統的由催化劑和離聚物混合制備得到的CCL相比，裂紋的引入同樣會產生更大的表面積。在CCL中引入裂紋的方法有幾種，包括使用高粘度或低粘度的溶劑。但是在干-濕循環的過程中，CCL中的裂紋會加速膜的降解，因為在水化時，膜會優先在CCL中的裂紋中膨脹，造成不均勻的機械應力，最終導致裂紋處的膜失效，直接影響燃料電池的性能穩定性和使用壽命。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種具有裂紋的雙層催化層及其應用，特別是提供一種性能更佳的CCL，在提高CL中傳質效率的同時具有可以接受的耐久性。

本發明所采取的技術方案是：

本發明的第一個方面，提供：

一種燃料電池用催化層，所述催化層為陽極催化層ACL或陰極催化層CCL，由靠近電解質膜的第一催化層和直接附著在第一催化層的第二催化層組成，其中：

所述第一催化層無裂紋；且

所述第二催化層具有裂紋。

在一些催化層的實例中，所述裂紋在第二催化層中梯度分布。

在一些催化層的實例中，所述裂紋的寬度為0.25～50μm，優選0.5～30μm。

在一些催化層的實例中，所述第一催化層的厚度為0.5～20μm，優選0.5～10μm。

在一些催化層的實例中，所述第二催化層的厚度為1～20μm，優選1～15μm。