[發(fā)明專利]一種燃料電池用膜電極及其應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211320045.8
• 申請日: 2022-10-26
• 公開（公告）號: CN115602896B
• 公開（公告）日: 2023-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 達斯汀·威廉·班哈姆;彭曄;白金勇;崔自然
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東泰極動力科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/1018;H01M4/92
• 代理公司: 廣州市諾豐知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44714
• 代理人: 許飛

本發(fā)明公開了一種燃料電池用膜電極及其應(yīng)用，通過使用分層設(shè)計的陰極催化劑層，與質(zhì)子交換膜和GDL接觸的陰極催化層具有不同類型的催化劑，通過這種多層設(shè)計，保留了不同結(jié)構(gòu)的催化劑的優(yōu)點，使得燃料電池在多種工況下均具有良好的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池用膜電極及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，能源危機和環(huán)境問題日益凸顯。傳統(tǒng)的化石能源存在環(huán)境污染以及能量利用效率較低等問題，開發(fā)綠色清潔、高效的新型能源(例如：太陽能、氫能、風(fēng)能等)已經(jīng)迫在眉睫。質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuelcells，PEMFCs)是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新型能源裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、工作溫度較低、清潔綠色、啟動迅速等優(yōu)點。

PEMFCs的核心在于燃料電池膜電極(MEA)，MEA一般依次包括陽極氣體擴散層、陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陰極催化劑層和陰極氣體擴散層。在MEA中，催化劑層對于燃料電池性能的影響最大。催化劑層中分布有催化劑顆粒，一般而言，催化劑為納米Pt或其合金粒子分散在碳載體上。催化劑用于陽極和陰極，分別催化氫氧化反應(yīng)（HOR）和氧還原反應(yīng)（ORR）。陰極催化劑中的鉑納米顆粒在碳載體中的空間分布對其性能有很大影響。當(dāng)鉑主要沉積在碳載體的外表面時，其質(zhì)量活性（A/mg）較低，但在高電流密度下表現(xiàn)出較高的性能。這是因為催化劑層中的離聚物可以直接吸附在鉑表面，導(dǎo)致催化劑失活，但反應(yīng)物/產(chǎn)物能夠在反應(yīng)位點快速轉(zhuǎn)移，在高電流密度條件下優(yōu)勢明顯。相反，在碳結(jié)構(gòu)的孔隙中沉積的鉑具有高質(zhì)量活性（因為離聚物(ionomer)不會吸附在鉑表面），但由于傳輸限制，在高電流密度下性能較差。

現(xiàn)有技術(shù)中，主要有3種類型的Pt/C催化劑：

碳載體高度石墨化，孔隙率低。當(dāng)負(fù)載鉑時，鉑主要位于碳顆粒的外表面。由于離聚物的吸附，這些催化劑的質(zhì)量活性通常較低。然而，由于離聚體與鉑表面直接接觸，可以實現(xiàn)快速的質(zhì)子導(dǎo)電性，因此在中高電流密度下可以觀察到良好的性能。

碳載體具有高孔隙率、高比表面積。當(dāng)負(fù)載鉑時，鉑主要位于碳載體的孔內(nèi)，這些催化劑通常表現(xiàn)出較高的質(zhì)量活性；因為離聚物不能穿透這些相對狹窄的孔，離聚物不會覆蓋或接觸鉑，在高電流密度下會受到傳輸限制，導(dǎo)致嚴(yán)重的H⁺傳輸限制。

碳載體具有介孔，其孔徑在2-80nm之間，離聚物難以進入，而鉑可以沉積在孔隙中，并且不與離聚物直接接觸，從而產(chǎn)生非常高的比活性（A/cm²）。然而，盡管調(diào)節(jié)孔徑已被證明是很容易實現(xiàn)的，但鉑沉積到孔中的深度相對不受控制。因此，這些催化劑在高電流密度下表現(xiàn)出較差的性能，因為H⁺和O₂難以接觸到進入深埋在孔內(nèi)的Pt顆粒。擴大孔徑使離聚物穿透有助于將傳輸損失降低，但隨著鉑表面再次受到離聚物的毒害，比活性（A/cm²）的改善也隨之消失。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的至少一個不足，提供一種燃料電池用膜電極及其應(yīng)用。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的第一個方面，提供：

一種燃料電池用膜電極，依次包括陽極氣體擴散層、陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陰極催化劑層和陰極氣體擴散層，所述陰極催化劑層為雙層結(jié)構(gòu)，其中，靠近質(zhì)子交換膜的第一陰極催化劑層中，催化劑結(jié)構(gòu)為貴金屬和/或貴金屬合金納米粒子負(fù)載在介孔碳載體的孔內(nèi)；靠近陰極氣體擴散層的第二陰極催化劑層中，催化劑結(jié)構(gòu)為貴金屬和/或貴金屬合金納米粒子負(fù)載在碳載體表面。

在一些燃料電池用膜電極的實例中，所述第一陰極催化劑層厚度為 1～20 μm。

在一些燃料電池用膜電極的實例中，所述第一陰極催化劑層中，催化劑的貴金屬和/或貴金屬合金負(fù)載量為 0.05～0.5 mg/cm²。