一种具有梯度孔结构的膜电极催化层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种具有梯度孔结构的膜电极催化层及其制备方法和应用，该催化层包括大孔层(11)、小孔层(12)和贵金属催化剂，所述的小孔层(12)靠近质子交换膜(2)一侧；所述的贵金属催化剂包括大催化剂和小催化剂；所述的大孔层(11)中包括大催化剂；所述的小孔层(12)中包括小催化剂。所述的大孔层(11)和小孔层(12)之间还设有至少一层过渡层，该过渡层中包括大催化剂和小催化剂。所述的过渡层设有多层，各过渡层中大催化剂的质量分数沿着大孔层(11)向小孔层(12)的方向逐层递减。与现有技术相比，本发明专利技术具有保证了催化层的润湿及催化层中的质子传导能力，电池性能高等优点。电池性能高等优点。电池性能高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种具有梯度孔结构的膜电极催化层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及膜电极催化层领域，具体涉及一种具有梯度孔结构的膜电极催化层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]膜电极作为燃料电池的核心组件，其主要有质子交换膜、催化层和扩散层组成，催化层作为燃料在膜电极内发生化学反应的场所，其结构的优化和性能的提高一直以来都是研究的重点。催化层一般由Pt颗粒、可传导电子的碳载体、可传导质子和粘合作用的离聚物(一般为Nafion溶液)和大量的孔隙组成。
[0003]催化层内部孔结构是决定气体传输和水管理重要的参数。在催化层内部可分为“一次孔”和“二次孔”，“一次孔”主要是多个碳载体相互聚集，在内部形成的孔，其半径约为2～20nm左右，“二次孔”主要为多个碳载体团聚成大颗粒，相互之间形成的孔，其半径一般＞20nm。在传统的CCM制备方法过程中，在制备材料和热压工艺等诸多因素的影响下，催化层内部的孔隙率较低，孔径较小，对反应物气体形成一定的扩散阻力。为了提高电池发电效率，加快电化学反应过程，提高输出电流密度同样需要克服燃料电池在高电流密度下传质和水管理问题。因此优化催化层的孔径分布和孔径大小在膜电极的制备中至关重要。对于CCM制备工艺来说，优化催化层的孔结构需要从催化层的制备材料着手，碳载体、离聚物、溶剂均对催化层的孔隙产生影响，碳载体如Ketjen Black和Vulcan XC
‑
72，其孔径分布相似，但比表面积和孔隙大小所占比例不同；离聚物的加入增加了催化层的电化学反应活性区，并有效传导质子，提高催化剂的利用率，但是催化层中离聚物含量过多，不仅会大量覆盖Pt/C颗粒，阻碍电子传导，还可能阻塞催化层内部的“一次孔”和“二次孔”，导致内部水和反应气体的传输通道受阻，这样会大大减弱电池的性能；溶剂主要作用为分散催化层物质和促进孔结构的生成，这与其粘度，溶解度，挥发性，介电常数等性质有关。
[0004]目前常见的膜电极，常在大电流密度时(>1A/cm2)出现严重的传质极化，反应生成的水不能及时排出而导致水淹，不仅掩盖了催化剂的反应位点，也阻止了反应气的进入，为解决这个问题，优化催化层的孔径分布极为重要，本专利设计了一种具有梯度孔结构的催化层，能有效缓解水淹，提升电池的输出电压。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种保证了催化层的润湿及催化层中的质子传导能力，电池性能高的具有梯度孔结构的膜电极催化层及其制备方法和应用。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]专利技术人了解到，作为氢燃料电池核心部件的膜电极，其质子交换膜两侧的催化层组成及结构对电池性能起着决定性作用，催化层是电化学反应发生的场所，需要有良好的质子传导性和导电性，此外，还需能及时排出反应生成的水，以免阻挡反应气与活性位点的
接触，减小传质阻力。
[0008]本专利技术通过选用不同直径碳载体的贵金属催化剂，制备得到具有梯度孔大小的催化层，其中，最靠近质子交换膜一侧的催化层成为小孔层，最远离质子交换膜一侧的催化层称为大孔层，小孔层与大孔层之间可继续设置大、小孔相间的过渡层。通过控制制备工艺得到不同层数、不同厚度的催化层，以达到提高电池性能的目的，具体方案如下：
[0009]一种具有梯度孔结构的膜电极催化层，该催化层包括大孔层、小孔层和贵金属催化剂，所述的小孔层靠近质子交换膜一侧；所述的贵金属催化剂包括大催化剂和小催化剂；
[0010]所述的大孔层中包括大催化剂；所述的小孔层中包括小催化剂。
[0011]进一步地，所述的大孔层和小孔层之间还设有至少一层过渡层，该过渡层中包括大催化剂和小催化剂。
[0012]进一步地，所述的过渡层设有多层，各过渡层中大催化剂的质量分数沿着大孔层向小孔层的方向逐层递减。
[0013]进一步地，所述的贵金属催化剂包括碳载体和担载在碳载体上的贵金属，所述的碳载体直径为30
‑
200nm，所述贵金属纳米颗粒直径为2
‑
10nm之间，所述贵金属纳米颗粒的担载量为30
‑
60％。
[0014]进一步地，所述的大催化剂包括大碳载体和贵金属纳米颗粒；所述的大碳载体直径为100
‑
200nm；所述的小催化剂包括小碳载体和贵金属纳米颗粒；所述的小碳载体直径为30
‑
100nm，不取100。
[0015]一种如上所述具有梯度孔结构的膜电极催化层的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0016]小孔层催化层浆料制备：将小催化剂、全氟磺酸树脂溶液、低沸点溶剂和去离子水混合均匀，得到小孔层催化层浆料；
[0017]过渡层催化层浆料制备：将小催化剂、大催化剂、全氟磺酸树脂溶液、低沸点溶剂和去离子水混合均匀，得到过渡层催化层浆料；
[0018]大孔层催化层浆料制备：将大催化剂、全氟磺酸树脂溶液、低沸点溶剂和去离子水混合均匀，得到大孔层催化层浆料；
[0019]先将制备得到的小孔层催化层浆料采用喷涂方法转移到质子交换膜一侧，然后在其上喷涂过渡层催化层浆料，再在其上喷涂大孔层催化层浆料；
[0020]再在质子交换膜的另一侧重复上一步骤，得到具有梯度孔结构的膜电极催化层。
[0021]如果没有过渡层，那么制备步骤可以概括为：
[0022]小孔层催化层浆料制备：将小催化剂、全氟磺酸树脂溶液、低沸点溶剂和去离子水混合均匀，得到小孔层催化层浆料；
[0023]大孔层催化层浆料制备：将大催化剂、全氟磺酸树脂溶液、低沸点溶剂和去离子水混合均匀，得到大孔层催化层浆料；
[0024]先将制备得到的小孔层催化层浆料采用喷涂方法转移到质子交换膜一侧，再在其上喷涂大孔层催化层浆料；
[0025]再在质子交换膜的另一侧重复上一步骤，得到具有梯度孔结构的膜电极催化层。
[0026]进一步地，所述的催化层浆料中，全氟磺酸树脂固体与贵金属催化剂中总的碳组分的质量之比为0.5
‑
1.5，低沸点溶剂与去离子水的质量比为(5
‑
20):1；催化剂浆料中的固
体含量为0.5
‑
20wt％。
[0027]在具体的浆料中，全氟磺酸树脂固体与各种贵金属催化剂中总的碳组分的质量之比为0.5
‑
1.5，比如，在小孔层催化层浆料中，全氟磺酸树脂固体与小催化剂中总的碳组分的质量之比为0.5
‑
1.5，在大孔层催化层浆料、过渡层催化层浆料均类似。
[0028]进一步地，所述全氟磺酸树脂的当量质量EW为700
‑
1100g/mol，所述低沸点溶剂的沸点在70
‑
120℃之间，具体包括乙醇、正丙醇或异丙醇。
[0029]进一步地，喷涂时，保持质子交换膜表面温度在70
‑
120℃之间。
[0030]进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有梯度孔结构的膜电极催化层，其特征在于，该催化层包括大孔层(11)、小孔层(12)和贵金属催化剂，所述的小孔层(12)靠近质子交换膜(2)一侧；所述的贵金属催化剂包括大催化剂和小催化剂；所述的大孔层(11)中包括大催化剂；所述的小孔层(12)中包括小催化剂。2.根据权利要求1所述的一种具有梯度孔结构的膜电极催化层，其特征在于，所述的大孔层(11)和小孔层(12)之间还设有至少一层过渡层，该过渡层中包括大催化剂和小催化剂。3.根据权利要求2所述的一种具有梯度孔结构的膜电极催化层，其特征在于，所述的过渡层设有多层，各过渡层中大催化剂的质量分数沿着大孔层(11)向小孔层(12)的方向逐层递减。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的一种具有梯度孔结构的膜电极催化层，其特征在于，所述的贵金属催化剂包括碳载体和担载在碳载体上的贵金属纳米颗粒，所述的碳载体直径为30
‑
200nm，所述贵金属纳米颗粒直径为2
‑
10nm之间，所述贵金属纳米颗粒的担载量为30
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60％。5.根据权利要求1所述的一种具有梯度孔结构的膜电极催化层，其特征在于，所述的大催化剂包括大碳载体和贵金属纳米颗粒；所述的大碳载体直径为100
‑
200nm；所述的小催化剂包括小碳载体和贵金属纳米颗粒；所述的小碳载体直径为30
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100nm。6.一种如权利要求1
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5任一项所述具有梯度孔结构的膜电极催化层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：小孔层催化层浆料制备：将小催化剂、全氟磺酸树脂、低沸点溶剂和去离子水混合均匀，得到小孔层催化层浆料；过渡层催化层...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾邹杰，徐一凡，唐厚闻，李红涛，白云飞，孔令兴，
申请(专利权)人：上海氢晨新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：