具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用制造技术

本发明专利技术公开了具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用。燃料电池用催化层为阳极催化层ACL或阴极催化层，由靠近电解质膜的第一催化层和直接附着在第一催化层的第二催化层组成，其中：所述第一催化层无裂纹；所述第二催化层具有裂纹。本发明专利技术的燃料电池用催化层，可以很好地提高传质效率，同时不会显著降低催化层的耐久性。

【技术实现步骤摘要】
具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用
本专利技术涉及一种燃料电池组件，特别涉及一种具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用。
技术介绍
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池具有效率高，绿色环保等优势，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。燃料电池的主要构成组件为：电极(Electrode)、电解质隔膜(ElectrolyteMembrane)与集电器(CurrentCollector)等。电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。MEA(MembraneElectrodeAssembly)膜电极是燃料电池电化学反应的基本单元，它的设计和制备首先要遵循燃料电池电化学反应的基本原理和特性，并且与燃料电池最终的使用条件相结合来综合考虑。为了获得性能优异的MEA，要求MEA的催化层尽可能的薄，以利于传质并提高燃料电池的效率。传统的燃料电池MEA中，催化层(catalystlayerCL)是5～10μm厚的单层结构，由固载在碳材料上的催化剂(如Pt等)和质子导体聚合物(离聚物ionomer)组成。为了促进反应物及反应产物的传质，PEMFC的催化层，特别是阴极催化剂层(CCL)必须具有高孔隙率。现在一般有如下几种策略：减少CCL层中离聚物的含量：通过减少离聚物的含量，CCL中的孔含量和大小一般都会提高。但是这种方法会导致CCL内的质子传导性降低，影响质子传递，对燃料电池的性能有着不利的影响。在CCL中引入裂纹(cracks)：裂纹的引入一般会导致总体孔隙率的大幅增加。与传统的由催化剂和离聚物混合制备得到的CCL相比，裂纹的引入同样会产生更大的表面积。在CCL中引入裂纹的方法有几种，包括使用高粘度或低粘度的溶剂。但是在干-湿循环的过程中，CCL中的裂纹会加速膜的降解，因为在水化时，膜会优先在CCL中的裂纹中膨胀，造成不均匀的机械应力，最终导致裂纹处的膜失效，直接影响燃料电池的性能稳定性和使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有裂纹的双层催化层及其应用，特别是提供一种性能更佳的CCL，在提高CL中传质效率的同时具有可以接受的耐久性。本专利技术所采取的技术方案是：本专利技术的第一个方面，提供：一种燃料电池用催化层，所述催化层为阳极催化层ACL或阴极催化层CCL，由靠近电解质膜的第一催化层和直接附着在第一催化层的第二催化层组成，其中：所述第一催化层无裂纹；且所述第二催化层具有裂纹。在一些催化层的实例中，所述裂纹在第二催化层中梯度分布。在一些催化层的实例中，所述裂纹的宽度为0.25～50μm，优选0.5～30μm。在一些催化层的实例中，所述第一催化层的厚度为0.5～20μm，优选0.5～10μm。在一些催化层的实例中，所述第二催化层的厚度为1～20μm，优选1～15μm。在一些催化层的实例中，所述第一催化层中使用的溶剂的粘度为2.5～1000cP；优选的，所述溶剂选自甘油、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、二甘醇、乙二醇、丙二醇、异丁醇、1-丁醇、戊二醇中的至少一种；优选的，所述第一催化层中还添加有碳纳米材料；进一步的，所述碳材料选自碳纳米管、碳纳米纤维、石墨和石墨烯中的至少一种。在一些催化层的实例中，所述第一催化层中，Pt催化剂(PGM)的含量为0.01～0.3mg/cm2；所述第二催化层中，Pt催化剂的含量为0.01～0.3mg/cm2；所述CCL中，Pt催化剂的总含量为0.05～0.5mg/cm2。在一些催化层的实例中，所述第一催化层中，离聚物的含量为10～50wt.％；所述第二催化层中，离聚物的含量为10～50wt.％。本专利技术的第二个方面，提供：一种燃料电池用MEA，其具有本专利技术第一个方面的燃料电池用催化层。本专利技术的第三个方面，提供：一种燃料电池，其具有：本专利技术第一个方面的燃料电池用催化层；或本专利技术第二个方面的燃料电池用MEA。本专利技术的有益效果是：本专利技术的燃料电池用催化层，可以很好地提高传质效率，同时不会显著降低催化层的耐久性。附图说明图1是本专利技术设计1和对比设计2的CCL在经过RH循环后的极化曲线对比结果；图2是本专利技术设计1和对比设计2的CCL在低RH下的极化曲线对比结果；图3是本专利技术设计1和对比设计1的CCL在高RH下的极化曲线对比结果。具体实施方式一种燃料电池用催化层，所述催化层为阳极催化层ACL或阴极催化层CCL，由靠近电解质膜的第一催化层和直接附着在第一催化层的第二催化层组成，其中：所述第一催化层无裂纹；且所述第二催化层具有裂纹。在一些催化层的实例中，所述裂纹在第二催化层中梯度分布。在一些催化层的实例中，所述裂纹的宽度为0.25～50μm，优选0.5～30μm。在一些催化层的实例中，所述第一催化层的厚度为0.5～20μm，优选0.5～10μm。在一些催化层的实例中，所述第二催化层的厚度为1～20μm，优选1～15μm。在一些催化层的实例中，所述第一催化层中使用的溶剂的粘度为2.5～1000cP；优选的，所述溶剂选自甘油、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、二甘醇、乙二醇、丙二醇、异丁醇、1-丁醇、戊二醇中的至少一种；优选的，所述第一催化层中还添加有碳纳米材料；进一步的，所述碳材料选自碳纳米管、碳纳米纤维、石墨和石墨烯中的至少一种。粘度指25℃，正常大气压下的粘度值。在一些催化层的实例中，所述第一催化层中，Pt催化剂(PGM)的含量为0.01～0.3mg/cm2；所述第二催化层中，Pt催化剂的含量为0.01～0.3mg/cm2；所述CCL中，Pt催化剂的总含量为0.05～0.5mg/cm2。在一些催化层的实例中，所述第一催化层中，离聚物的含量为10～50wt.％；所述第二催化层中，离聚物的含量为10～50wt.％。本专利技术的第二个方面，提供：一种燃料电池用MEA，其具有本专利技术第一个方面的燃料电池用催化层。本专利技术的第三个方面，提供：一种燃料电池，其具有：本专利技术第一个方面的燃料电池用催化层；或本专利技术第二个方面的燃料电池用MEA。下面结合实验数据，进一步说明本专利技术的技术方案。以CCL为例，无裂纹第一CCL层的油墨组成为：将Nafion离聚物分散在溶剂中，溶剂为浓度为60wt.％的乙二醇的水溶液；然后加入50wt.％的Pt/C催化剂，混匀。具裂纹第二CCL层的油墨组成为：将将Nafion离聚物分散在溶剂中，溶剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用催化层，所述催化层为阳极催化层ACL或阴极催化层CCL，由靠近电解质膜的第一催化层和直接附着在第一催化层的第二催化层组成，其中：/n所述第一催化层无裂纹；且/n所述第二催化层具有裂纹，优选的，所述裂纹在第二催化层中梯度分布。/n

【技术特征摘要】
20191031 CN 20191104866101.一种燃料电池用催化层，所述催化层为阳极催化层ACL或阴极催化层CCL，由靠近电解质膜的第一催化层和直接附着在第一催化层的第二催化层组成，其中：
所述第一催化层无裂纹；且
所述第二催化层具有裂纹，优选的，所述裂纹在第二催化层中梯度分布。


2.根据权利要求1所述的燃料电池用催化层，其特征在于：
所述裂纹的宽度为0.25～50μm，优选0.5～30μm。


3.根据权利要求1所述的燃料电池用催化层，其特征在于：
所述第一催化层的厚度为0.5～20μm，优选0.5～10μm。


4.根据权利要求1～3任一项所述的燃料电池用催化层，其特征在于：
所述第二催化层的厚度为1～20μm，优选1～15μm。


5.根据权利要求1～3任一项所述的燃料电池用催化层，其特征在于：
所述第一催化层中使用的溶剂的粘度为2.5～1000cP；优选的，所述溶剂选自甘油、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、二甘醇、乙二醇、丙二醇、异丁醇、1-丁醇、戊二醇中的至少一种；
优选的，所述第一催化层中还...

【专利技术属性】
技术研发人员：白金勇，达斯汀威廉班哈姆，张翼，
申请(专利权)人：广东道氏云杉氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44