膜电极、膜电极组件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及燃料电池技术领域，尤其涉及膜电极、膜电极组件及其制备方法。膜电极组件包括：质子交换膜、两层接触设置的阳极催化层和一层阴极催化层；两层接触设置的阳极催化层和一层阴极催化层分别设置于质子交换膜的两侧；其中，第一阳极催化层与质子交换膜接触设置，第一阳极催化层中的阳极催化剂为可催化氢氧化反应的非Pt催化剂；第二阳极催化层中的阳极催化剂为Pt/C。本发明专利技术的膜电极组件，能够有效切断启停过程阳极氢空界面“反向电流机制”产生的电回路，从而有效抑制阴极碳材料的氧化，进而使膜电极具有“抗启停”的保护功能，显著降低启停过程对燃料电池膜电极的损伤。低启停过程对燃料电池膜电极的损伤。低启停过程对燃料电池膜电极的损伤。

【技术实现步骤摘要】
膜电极、膜电极组件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及膜电极、膜电极组件及其制备方法。

技术介绍

[0002]氢燃料电池是一种可以将氢气中的化学能直接转化为电能的装置，具有能量转化效率高、无污染等特点。膜电极是氢燃料电池的“心脏”，电化学反应就发生在膜电极中。膜电极通常由阳极催化层、阴极催化层、质子交换膜、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层构成。阳极催化层发生氢氧化反应(HOR)，通常由Pt/C催化剂和导质子的树脂构成。阴极催化层发生氧还原反应(ORR)，通常也由Pt/C催化剂和导质子的树脂构成。质子交换膜通常由全氟磺酸树脂组成，主要起传导质子，隔绝电子和气体的作用。阴阳极气体扩散层通常由碳纸或碳布及单侧一层微孔层构成，分别用于向阴阳极催化层中传输空气和氢气，以及排出多余的水。
[0003]燃料电池在启停过程中，阳极催化层中容易混入一定量的空气(主要来源于阴极空气通过质子交换膜的渗透以及管道渗入)，从而形成氢空界面，如图2所示。阳极催化层的空气区域在Pt/C催化剂的催化作用下，可发生氧还原反应，从而抬高阴极催化层局部位置的电势。上述阴极催化层局部(IV)电势甚至可以达到2.0V，迫使该区域的水发生氧析出反应(OER)以及碳载体发生碳氧化反应(COR)。碳载体作为催化剂及载体以及催化层的骨架，其发生氧化，会导致大量的Pt流失，甚至造成催化层骨架坍塌，严重损害电池性能。
[0004]现有技术中，CN201180061661.X公开了用于PEM燃料电池的改进型膜电极组件，其有两个电极层(EL1和/或EL2)，其中的至少一个包含一种第一电催化剂(EC1)，它包含氧化铱组分与至少一种其他无机氧化物组分的组合；和一种第二电催化剂(EC2/EC2')，它不含铱。优选地，使用氧化铱/二氧化钛催化剂作为EC1。这些膜电极展现了很好的性能，尤其是在如燃料不足和启动/停止循环等多种严苛的操作条件下。然而，该设计通过氧化铱加速水电解反应来抑制阴极碳材料的腐蚀，防止电池性能衰退，这并不能从根本上消除启停过程中的衰退机理，其所起到的保护作用有限。

技术实现思路

[0005]鉴于此，本专利技术提供了一种膜电极组件，
[0006]包括：质子交换膜、两层接触设置的阳极催化层和一层阴极催化层；
[0007]所述两层接触设置的阳极催化层和一层阴极催化层分别设置于所述质子交换膜的两侧；
[0008]其中，第一阳极催化层与所述质子交换膜接触设置，所述第一阳极催化层中的阳极催化剂为可催化氢氧化反应的非Pt催化剂；
[0009]第二阳极催化层中的阳极催化剂为Pt/C。
[0010]根据本专利技术提供的一种膜电极组件，所述第二阳极催化层的厚度与所述第一阳极催化层的厚度比小于1:3，更优选小于1:5。
[0011]根据本专利技术提供的一种膜电极组件，在所述第一或第二阳极催化层中，阳极催化剂占阳极催化层的重量百分比为30％～70％。
[0012]根据本专利技术提供的一种膜电极组件，所述第一阳极催化层中的阳极催化剂为Ru/C、Ir/C、IrRu/C中的至少一种。
[0013]根据本专利技术提供的一种膜电极组件，所述阴极催化层中含有阴极催化剂Pt/C。
[0014]根据本专利技术提供的一种膜电极组件，所述第一或第二阳极催化层中还包括：全氟磺酸树脂；
[0015]优选所述全氟磺酸树脂占所述阳极催化层的重量百分比为30％～70％。
[0016]本专利技术还提供上述膜电极组件的制备方法，包括：
[0017](1)将阳极催化层的材料分散于溶剂中，制得阳极浆料；将阴极催化层的材料分散于溶剂中，制得阴极浆料；
[0018](2)将第一和第二阳极浆料依次涂覆在质子交换膜的一侧，将阴极浆料涂覆在质子交换膜的另一侧，制得所述膜电极组件。
[0019]根据本专利技术提供的一种膜电极组件的制备方法，所述溶剂包括醇溶液。
[0020]根据本专利技术提供的一种膜电极组件的制备方法，所述溶剂为醇的水溶液，醇优选为正丙醇、异丙醇、乙醇和乙二醇中的至少一种，水醇重量比为1：4～4:1。
[0021]根据本专利技术提供的一种膜电极组件的制备方法，所述涂覆的方式包括直接涂覆和间接涂覆；
[0022]所述直接涂覆包括喷涂或狭缝挤出的方式；
[0023]所述间接涂覆具体为：将所述第二阳极浆料和阴极浆料分别涂到PTFE基材上，形成第二阳极催化层和阴极催化层，然后将所述第一阳极浆料涂覆到所述第二阳极催化层上，形成第一阳极催化层；而后将所述第一、第二阳极催化层和阴极催化层转印到质子交换膜上。
[0024]本专利技术还提供一种膜电极组件，其由上述任一制备方法制得。
[0025]本专利技术还提供一种膜电极，其中含有上述任一实施方案中的膜电极组件。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0027]本专利技术膜电极的阳极设置两层阳极催化层，其中与质子交换膜接触的阳极催化层中含有可催化氢氧化反应的非Pt催化剂，其表面设置Pt/C阳极催化层，这样设计能够有效切断启停过程阳极氢空界面“反向电流机制”产生的电回路，从而有效抑制阴极碳材料的氧化，进而使膜电极具有“抗启停”的保护功能，显著降低启停过程对燃料电池膜电极的损伤；第二阳极催化层含少量可高效催化氢氧化反应的Pt/C催化剂，能够补偿第一阳极催化层导致的性能下降。而且，本专利技术采用材料学解决方案，可有效缓解燃料电池系统控制策略设计压力。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1是本专利技术的抗启停膜电极组件的结构示意图；其中，1表示质子交换膜，2表示阴极催化层，3表示第一阳极催化层，4表示第二阳极催化层。
[0030]图2是现有技术的膜电极的“反向电流机制”示意图。
[0031]图3是本专利技术的具有“抗启停”保护功能的膜电极组件设计原理示意图。
[0032]图4为对比例膜电极启停加速实验前后的极化曲线。
[0033]图5为对比例阴极催化层老化实验前后的循环伏安曲线。
[0034]图6为本专利技术膜电极启停加速实验前后的极化曲线。
[0035]图7为本专利技术阴极催化层老化实验前后的循环伏安曲线。
[0036]图8是本专利技术的抗启停膜电极的结构示意图；其中，1表示质子交换膜，2表示阴极催化层，3表示第一阳极催化层，4表示第二阳极催化层，5表示阳极气体扩散层，6表示阴极气体扩散层。
具体实施方式
[0037]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极组件，其特征在于，包括：质子交换膜、两层接触设置的阳极催化层和一层阴极催化层；所述两层接触设置的阳极催化层和一层阴极催化层分别设置于所述质子交换膜的两侧；其中，第一阳极催化层与所述质子交换膜接触设置，所述第一阳极催化层中的阳极催化剂为可催化氢氧化反应的非Pt催化剂；第二阳极催化层中的阳极催化剂为Pt/C。2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，在所述第一或第二阳极催化层中，阳极催化剂占阳极催化层的重量百分比为30％～70％。3.根据权利要求1或2所述的膜电极组件，其特征在于，所述第一阳极催化层中的阳极催化剂为Ru/C、Ir/C、IrRu/C中的至少一种。4.根据权利要求1～3中任一项所述的膜电极组件，其特征在于，所述阴极催化层中含有阴极催化剂Pt/C。5.根据权利要求1～4中任一项所述的膜电极组件，其特征在于，所述第一或第二阳极催化层中还包括：全氟磺酸树脂；优选所述全氟磺酸树脂占所述阳极催化层的重量百分比为30％～70％。6.权利要求1～5中任一项所述的膜电极组件的制备方法，其特征在于，包括：(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡超，艾勇诚，陈峰，
申请(专利权)人：三一电动车科技有限公司，
类型：发明
国别省市：