[發(fā)明專利]一種膜電極及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010797029.2
• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN111900448A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙明全;莫善云;邵雨薇;楊云松;葉思宇;鄒渝泉;唐軍柯;孫寧
• 申請（專利權(quán)）人: 鴻基創(chuàng)能科技（廣州）有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M4/86
• 代理公司: 廣州永華專利代理有限公司 44478
• 代理人: 勞覓

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種膜電極，該種膜電極包括依次排列的陽極氣體擴(kuò)散層、陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陰極催化劑層和陰極氣體擴(kuò)散層，所述陰極催化劑層主要由全氟磺酸樹脂和催化劑制成，所述陰極催化劑層包括至少兩層陰極催化劑子層，其中，靠近質(zhì)子交換膜的子層全氟磺酸樹脂當(dāng)量小于靠近陰極氣體擴(kuò)散層的子層。該種膜電極既能使陰極催化層具有一定的含水量確保質(zhì)子的傳遞，又不至于含水量過多而影響氧氣傳遞。本發(fā)明還提供了膜電極的制備方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種膜電極及其制備方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池使用氫氣和氧氣作為反應(yīng)氣，膜電極是氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電能、熱能和水的場所，是燃料電池的心臟。膜電極由陽極氣體擴(kuò)散層、陽極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化劑層和陰極氣體擴(kuò)散層組成。氫氣在陽極催化劑層的作用下分解成質(zhì)子，并釋放出電子，電子通過外電路到達(dá)陰極，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極催化劑層，與陰極催化劑層中的氧氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，得到電子生成水。在質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極催化劑層的過程中，質(zhì)子是通過和水分子形成絡(luò)合物的形式完成的，因此這一過程中水分子不斷地從陽極隨著質(zhì)子到達(dá)陰極催化劑層，同時氧氣先經(jīng)陰極氣體擴(kuò)散層，再通過陰極催化層中的多孔結(jié)構(gòu)到達(dá)催化劑表面，與質(zhì)子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水。雖然質(zhì)子的傳遞需要水，但是過多的水一方面會填滿孔隙結(jié)構(gòu)，造成水淹；另一方面會造成陰極催化劑層中的全氟磺酸樹脂溶脹，影響孔隙結(jié)構(gòu)。上述兩個方面都會影響氧氣在陰極催化層中的傳遞，從而降低電池效率。現(xiàn)有技術(shù)中公開了一些解決上述問題的方法和膜電極結(jié)構(gòu)，但是這些方法和結(jié)構(gòu)都很難平衡陰極催化劑層的含水量和氧氣傳遞速率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種膜電極，既能使陰極催化層具有一定的含水量確保質(zhì)子的傳遞，又不至于含水量過多而影響氧氣傳遞。本發(fā)明還提供了膜電極的制備方法。

低當(dāng)量的全氟磺酸樹脂吸水性強(qiáng)、離子交換容量高、質(zhì)子傳遞速度快，因此，由低當(dāng)量全氟磺酸樹脂制備的催化劑，質(zhì)子導(dǎo)電率高，應(yīng)用于膜電極中能使膜電極在高溫低濕的條件下有較好的性能，但是在高濕度或者高電流密度下容易造成膜電極水淹，使得氧氣傳遞過程受阻，以致膜電極性能下降。高當(dāng)量的全氟磺酸樹脂吸水性弱、離子交換容量低、質(zhì)子傳遞速度慢，因此由高當(dāng)量全氟磺酸樹脂制備的催化劑，質(zhì)子導(dǎo)電率低，應(yīng)用于膜電極中會使膜電極在高溫低濕的條件下性能差。這說明現(xiàn)有的全氟磺酸樹脂制備的膜電極，很難在任何工況(高溫低濕、搞濕度、高電流密度、低電流密度等)下都具有良好的性能。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種膜電極，包括依次排列的陽極氣體擴(kuò)散層、陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陰極催化劑層和陰極氣體擴(kuò)散層，所述陰極催化劑層主要由全氟磺酸樹脂和催化劑制成，所述陰極催化劑層包括至少兩層陰極催化劑子層，其中，靠近質(zhì)子交換膜的子層全氟磺酸樹脂當(dāng)量小于靠近陰極氣體擴(kuò)散層的子層。

進(jìn)一步地，最靠近質(zhì)子交換膜的子層為內(nèi)子層，內(nèi)子層中的全氟磺酸樹脂的當(dāng)量小于800。

進(jìn)一步地，最靠近陰極氣體擴(kuò)散層的子層為外子層，外子層中的全氟磺酸樹脂的當(dāng)量大于等于770小于1100。

進(jìn)一步地，子層數(shù)量為兩層，靠近質(zhì)子交換膜的一層子層中的全氟磺酸樹脂的當(dāng)量為720，靠近陰極氣體擴(kuò)散層的一層子層中的全氟磺酸樹脂的當(dāng)量為800。

進(jìn)一步地，最靠近陰極氣體擴(kuò)散層的子層為外子層，外子層的厚度小于陰極催化劑層厚度的一半。

進(jìn)一步地，外子層的厚度占陰極催化劑層厚度的5％～20％。