[發(fā)明專利]一種催化層、膜電極組件、燃料電池及制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011587145.8
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112687903A
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 段奔;潘牧;田明星;劉素芬;吳天涯;陳峰
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工氫電科技有限公司
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 呂露

本申請實(shí)施例提供一種催化層、膜電極組件、燃料電池及制備方法，涉及燃料電池領(lǐng)域。催化層主要是將分散混合物覆蓋于底膜表面并干燥得到，所述分散混合物包括溶劑，以及分散于所述溶劑中的第一負(fù)載型催化劑、第二負(fù)載型催化劑和離子交換樹脂，所述第一負(fù)載型催化劑的碳載體為碳比表面積為20?400的低比表面積碳，所述第二負(fù)載型催化劑的碳載體為碳比表面積為600?1800的高比表面積碳。催化層、膜電極組件、燃料電池初始性能優(yōu)異，且耐久性好。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及燃料電池領(lǐng)域，具體而言，涉及一種催化層、膜電極組件、燃料電池及制備方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，簡稱PEMFC)具有綠色環(huán)保、能量密度高、發(fā)電效率高、啟動速度快等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力的未來車用動力源之一。隨著商業(yè)化程度的不斷提升，燃料電池在商用及乘用車上的使用越來越多，由于車用工況的復(fù)雜性，對燃料電池的要求越來越高。

膜電極組件(Membrane Electrode Assemblies，簡稱MEA)作為質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，它主要由氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layer，簡稱GDL)、催化層(CL)和質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane Fuel，簡稱PEM)組成。其中，催化層作為電化學(xué)反應(yīng)的場所，主要構(gòu)成是載體鉑或碳載鉑合金，在燃料電池啟停過程中，由于陽極會出現(xiàn)氫空界面，導(dǎo)致陰極電壓超過1V，會出現(xiàn)電池電壓過高的情況，而高電位會導(dǎo)致催化劑的碳載體腐蝕加速，催化層不斷坍塌，從而導(dǎo)致膜電極組件性能急速衰減。目前主流的燃料電池商業(yè)產(chǎn)品為了保證其高性能，催化層里使用的碳載體為高比表面積碳，其在高電位下更容易腐蝕坍塌，這導(dǎo)致現(xiàn)有產(chǎn)品普遍存在高電位腐蝕耐受性很差的問題，無法滿足目前國際上的耐受性標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容

本申請實(shí)施例的目的在于提供一種催化層、膜電極組件、燃料電池及制備方法，其初始性能優(yōu)異，且耐久性好。

第一方面，本申請實(shí)施例提供了一種催化層，其包括主要是將分散混合物覆蓋于底膜表面并干燥得到，催化層一般僅指底膜表面覆蓋的功能層，也可以包括底膜和功能層。分散混合物包括溶劑，以及分散于溶劑中的第一負(fù)載型催化劑、第二負(fù)載型催化劑和離子交換樹脂，第一負(fù)載型催化劑的碳載體為碳比表面積為20-400的低比表面積碳，第二負(fù)載型催化劑的碳載體為碳比表面積為600-1800的高比表面積碳。

在上述技術(shù)方案中，選用兩種負(fù)載型催化劑，其中一種負(fù)載型催化劑為低比表面積碳型催化劑，其采用碳比表面積為20-400的低比表面積碳為碳載體，另一種負(fù)載型催化劑為高比表面積碳型催化劑，其采用碳比表面積為600-1800的高比表面積碳作為碳載體。采用上述兩種負(fù)載型催化劑形成的催化層，是以低比表面積碳型催化劑為催化層主體骨架，以高比表面積碳型催化劑做填充，該催化層的初始性能優(yōu)異，并避免了由于在高電位下碳腐蝕而導(dǎo)致催化層結(jié)構(gòu)坍塌，組成的膜電極組件的對高電位耐受性良好，耐久性好。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，第一負(fù)載型催化劑的碳載體和第二負(fù)載型催化劑的碳載體的質(zhì)量比為1：2-5：1。

在上述技術(shù)方案中，通過選用兩種特定的負(fù)載型催化劑，并配合調(diào)整這種催化劑的碳載體的質(zhì)量比例，能夠進(jìn)一步優(yōu)化催化層的初始性能及耐久性：低表面積碳過多，初始性能會下降；高比表面積碳過多，會導(dǎo)致耐久性提升不明顯。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，分散混合物中第一負(fù)載型催化劑和第二負(fù)載型催化劑總量為0.1wt％-50wt％；

和/或，離子交換樹脂為第一負(fù)載型催化劑和第二負(fù)載型催化劑總量的20wt％-200wt％。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述第一負(fù)載型催化劑和所述第二負(fù)載型催化劑的負(fù)載物均為鉑族或鉑族合金，可選地，第一負(fù)載型催化劑和/或第二負(fù)載型催化劑的負(fù)載物為Pt、Pb、PtCo合金、PtIr合金和PtRu合金中的至少一種；