传质性改善的膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种传质性改善的膜电极及其制备方法。其中膜电极包括阳极催化层、阴极催化层、阳极侧扩散层、阴极侧扩散层和交换膜，阳极催化层和阴极催化层分别位于交换膜的两侧，且阳极侧扩散层与阳极催化层的另一侧连接，从而支撑阳极催化层，阴极侧扩散层与阴极催化层的另一侧连接，从而支撑阴极催化层；阳极侧扩散层与阴极侧扩散层具有不同的组成。本发明专利技术的膜电极具有优异的透气性和排水性，从而使传质性得到改善。

【技术实现步骤摘要】
传质性改善的膜电极及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池领域，具体地涉及一种膜电极及其制备方法。
技术介绍
燃料电池是一种不经过燃烧直接将燃料的化学能以电化学反应方式变为电能的发电装置,它作为一种能源利用的新技术，具有洁净、高效的特点。其中，低温燃料电池因具有工作温度低，启动快，能量转化率高等特点，是野外电站、电动汽车、便携式电源的理想替代电源，受到广泛重视的低温燃料电池是指80℃的低温下使用质子交换膜工作的燃料电池，包括H2/O2质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲酸燃料电池(DFAFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)等。PEMFC为适用范围最广的燃料电池类型之一，主要包括固定式电源和移动式电源两类。固定式电源PEMFC可以做成任意规模的发电装置，适宜作为分散型电站。移动式电源PEMFC具有工作温度低、启动速度快、功率密度高和体积小等特点，可以用作车用动力源及一些便携小型移动电源。其中，移动式PEMFC电动车被公认为是电动车的未来发展方向。膜电极是PEMFC中的关键部件之一，膜电极一般情况下包括催化层、扩散层和交换膜层，其中扩散层由导电的多孔材料组成，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多种作用，对于反应气体和产物水在流场和催化层之间的分配中起到极其重要的作用。目前已有大量文献报道了扩散层的结构分析和优化研究，但是这些分析和优化仍然不够充分，仍需要进一步提高扩散层的性能。
技术实现思路
为了解决至少部分上述问题，本专利技术的一方面，提供一种传质改善的膜电极，其具有优异的透气性和排水性。本专利技术的另一方面，提供该膜电极的制备方法，该方法可方便地制备传质性改善的膜电极。具体地，本专利技术包括以下内容。本专利技术的第一方面，提供一种传质性改善的膜电极，其包括阳极催化层、阴极催化层、阳极侧扩散层、阴极侧扩散层和交换膜，其中：所述阳极催化层和所述阴极催化层分别位于所述交换膜的两侧，且所述阳极侧扩散层与所述阳极催化层的另一侧连接，从而支撑所述阳极催化层，所述阴极侧扩散层与所述阴极催化层的另一侧连接，从而支撑所述阴极催化层；和所述阳极侧扩散层与所述阴极侧扩散层具有不同的组成。根据本专利技术的膜电极，优选地，所述阳极侧扩散层包括基底层，所述基底层为多孔碳层；或者所述阳极侧扩散层包括基底层和微孔层，所述基底层为多孔碳层，和所述微孔层为碳粉层。根据本专利技术的膜电极，优选地，其中所述阴极侧扩散层包括基底层和微孔层，所述基底层为多孔碳层，所述微孔层包含多孔配位聚合物，且所述基底层的厚度大于所述微孔层的厚度。根据本专利技术的膜电极，优选地，其中所述多孔配位聚合物包括聚二甲基硅氧烷涂层修饰的多孔配位聚合物；和/或烷基化合物或三甲基氯硅烷改性的多孔配位聚合物。根据本专利技术的膜电极，优选地，其中所述疏水性多孔配位聚合物的导电率为2-40S/cm。根据本专利技术的膜电极，优选地，其中所述多孔配位聚合物为MIL-100和/或MIL-101。根据本专利技术的膜电极，优选地，其中所述交换膜选自全氟磺酸质子交换膜、含乙烯基苯类化合物的质子交换膜、含亚芳基醚的质子交换膜和聚酰亚胺基质子交换膜组成的组中的至少一种。根据本专利技术的膜电极，优选地，其中所述阴极催化层的催化剂通过包括以下步骤的方法制备得到：(1)将铂氯酸溶液加入碳粉悬浮液进行混合得到浆液，在80-150℃下干燥成粉末，然后在氢气环境中升温至200-300℃反应1-5小时，得到第一碳颗粒；(2)将所述第一碳颗粒分散在具有支链的醇溶液中，并加入铁前驱体和钴前驱体进行混合，干燥后烧结形成第二碳颗粒；(3)在50-60℃下用酸处理所述第二碳颗粒10分钟至50分钟，然后水洗，干燥后得到催化剂。本专利技术的第二方面，提供根据本专利技术第一方面所述的膜电极的制备方法，其包括：将阴极催化层连接到交换膜的步骤；将阳极催化层连接到交换膜的步骤；将所述阴极侧扩散层和阳极侧扩散层分别或同时热压至连接有阴极催化层和阳极催化层的交换膜的两侧的步骤。与传统的膜电极不同，本专利技术的膜电极中阴极侧的扩散层与阳极侧的扩散层的组成不同，其具有更加优异的孔结构，优选地还具有优异的排出通道和透气通道，从而使膜电极性能优异。附图说明图1为不同膜电极的功率密度变化曲线图。图2为不同膜电极的V-I曲线。具体实施方式现详细说明本专利技术的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本专利技术的限制，而应理解为是对本专利技术的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本专利技术中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本专利技术。另外，对于本专利技术中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本专利技术内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本专利技术所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本专利技术仅描述了优选的方法和材料，但是在本专利技术的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。除非另有说明，否则“％”是指基于重量的百分数。[膜电极]本专利技术的第一方面，提供一种传质性改善的膜电极。本专利技术中有时简称为“膜电极”，是指用于在燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池(PEMFC)中催化氢气和氧气进行反应，把化学能直接转化为电能的电极组件。本专利技术的膜电极包括5层结构。即，阳极催化层、阴极催化层、阳极侧扩散层、阴极侧扩散层和交换膜。阳极催化层和阴极催化层分别位于所述交换膜的两侧，且阳极侧扩散层与阳极催化层连接，从而支撑所述阳极催化层，阴极侧扩散层与阴极催化层连接，从而支撑所述阴极催化层；阳极侧扩散层与阴极侧扩散层具有不同的组成。下面详细说明各层。[阳极催化层]本专利技术的阳极催化层用于催化燃料(例如，氢气)氧化，其为由包括阳极催化剂的原料制成的层。其中阳极催化剂包括贵金属类催化剂和非贵金属类催化剂。作为贵金属类催化剂的实例包括但不限于Pt类催化剂、Pd类催化剂、Au类催化剂。优选Pt类催化剂。更优选地，阳极催化剂具有抗CO中毒的能力。例如，Pt与过渡金属M的二元或多元催化剂，或Pt-Ru二元催化剂。在某些实施方案中，使用Pt含量为10-40重量％，优选20-30％的Pt/C催化剂。[阴极催化层]本专利技术的阴极催化层用于催化氧化剂(例如，氧或空气)的还原，其为由包括阴极催化剂原料制成的层。其中阴极催化剂包括贵金属类催化剂和非贵金属类催化剂。作为贵金属类催化剂优选Pt类催化剂，例如，使用Pt含量为10-40重量％，优选20-30％的Pt/C催化剂。膜电极中铂的载量优选为4mg/cm2以下，优选2mg/cm2以下。作为非贵金属类催化剂优选有机螯合物类催化剂，例如基于过渡金属螯合物的催化剂。在某些实施方案中，本专利技术的阴极催化剂为催化剂A；在某些实施方案中，本专利技术的阴极催化剂为催化剂B。关于催化剂A和催化剂B的说明如下。催化剂A本专利技术的催化剂A为Pt/C类催化剂，其中基于催化剂的总重量铂的含量为20％-35％，优选25-30％，更优选25-28％。催化剂A通过包括以下步骤的方法制备获得：(1)将铂氯酸溶液加入碳粉悬浮液进行混合得到浆液，在80-150℃下干燥成粉末，然后在氢气环境中升温至200-300本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传质性改善的膜电极，其包括阳极催化层、阴极催化层、阳极侧扩散层、阴极侧扩散层和交换膜，其中：所述阳极催化层和所述阴极催化层分别位于所述交换膜的两侧，且所述阳极侧扩散层与所述阳极催化层的另一侧连接，从而支撑所述阳极催化层，所述阴极侧扩散层与所述阴极催化层的另一侧连接，从而支撑所述阴极催化层；和所述阳极侧扩散层与所述阴极侧扩散层具有不同的组成。

【技术特征摘要】
1.一种传质性改善的膜电极，其包括阳极催化层、阴极催化层、阳极侧扩散层、阴极侧扩散层和交换膜，其中：所述阳极催化层和所述阴极催化层分别位于所述交换膜的两侧，且所述阳极侧扩散层与所述阳极催化层的另一侧连接，从而支撑所述阳极催化层，所述阴极侧扩散层与所述阴极催化层的另一侧连接，从而支撑所述阴极催化层；和所述阳极侧扩散层与所述阴极侧扩散层具有不同的组成。2.根据权利要求1所述的膜电极，其中所述阳极侧扩散层包括基底层，所述基底层为多孔碳层；或者所述阳极侧扩散层包括基底层和微孔层，所述基底层为多孔碳层和所述微孔层为碳粉层。3.根据权利要求2所述的膜电极，其中所述阴极侧扩散层包括基底层和微孔层，所述基底层为多孔碳层，所述微孔层包含多孔配位聚合物，且所述基底层的厚度大于所述微孔层的厚度。4.根据权利要求3所述的膜电极，其中所述多孔配位聚合物包括聚二甲基硅氧烷涂层修饰的多孔配位聚合物；和/或烷基化合物或三甲基氯硅烷改性的多孔配位聚合物。5.根据权利要求3所述的膜电极，其中所述疏水性多孔配位聚合物的导电率为2-40S/cm。6.根据权利要求5所述的膜电极，其中所述多孔配位聚合物为MIL-100和/...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丁，戚玉欣，
申请(专利权)人：德州新动能铁塔发电有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37