膜电极及其制备方法技术

本申请提供一种膜电极及其制备方法，属于燃料电池技术领域。膜电极包括依次层叠的阳极催化层、质子交换膜、第一阴极催化层以及第二阴极催化层。其中，第一阴极催化层中具有第一催化剂和自由基湮灭剂，第二阴极催化层中具有第二催化剂和碳纳米管，阳极催化层中具有第三催化剂。本申请通过自由基湮灭剂和碳纳米管的协同配合，同时提高质子交换膜和阴极催化层(即第一阴极催化层以及第二阴极催化层)的化学耐久性，进而实现显著提高整个膜电极的耐久性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
膜电极及其制备方法


[0001]本申请涉及燃料电池
，具体而言，涉及一种膜电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池具有容量大、体积小以及安全性较好等优点，因此在移动电源等产品中具有一定的优势。随着燃料电池的不断发展，燃料电池的耐久性问题受到越来越多的关注，而燃料电池的耐久性和其核心组件膜电极密切相关。通常来说，膜电极的耐久性的提升是由构成膜电极的关键材料(如：催化剂以及质子交换膜)本身的耐久性以及膜电极的结构和工艺设计共同决定。
[0003]在对于膜电极的耐久性的多种评价指标中，质子交换膜的化学耐久性以及催化层的耐久性(包括化学耐久性以及机械耐久性)等指标都是对于膜电极长期运行时影响重大的相关项。但是，现有的膜电极无法兼顾质子交换膜具有良好的耐久性和催化层具有良好的耐久性，导致膜电极整体的耐久性的提升存在瓶颈。

技术实现思路

[0004]本申请的目的在于提供一种膜电极及其制备方法，其旨在改善现有的膜电极的耐久性不佳的技术问题。
[0005]第一方面，本申请提供一种膜电极，膜电极包括：依次层叠的阳极催化层、质子交换膜、第一阴极催化层以及第二阴极催化层。
[0006]其中，第一阴极催化层中具有第一催化剂和自由基湮灭剂，第二阴极催化层中具有第二催化剂和碳纳米管，阳极催化层中具有第三催化剂。
[0007]在上述技术方案中，膜电极的阴极催化层中包括第一阴极催化层和第二阴极催化层，且靠近质子交换膜的第一阴极催化层中添加自由基湮灭剂，远离质子交换膜的第二阴极催化层中添加碳纳米管；本申请通过自由基湮灭剂和碳纳米管的协同配合，可使得阴极催化层靠近质子交换膜的区域(即第一阴极催化层)呈亲水性，而阴极催化层远离质子交换膜的区域(即第二阴极催化层呈疏水性，实现阴极催化层内呈梯度结构(即第二阴极催化层的孔隙率大于第一阴极催化层的孔隙率)，进而实现同时提高质子交换膜和阴极催化层(即第一阴极催化层以及第二阴极催化层)的化学耐久性，进而实现显著提高整个膜电极的耐久性。
[0008]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，自由基湮灭剂包括CeO2、Ag2O以及MnO2中的至少一种。
[0009]在上述技术方案中，自由基湮灭剂选自上述物质，有利于与碳纳米管更好地协同配合，以进一步提高整个膜电极的耐久性。
[0010]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，第一催化剂、第二催化剂以及第三催化剂各自独立地选自Pt/C催化剂以及Pt合金/C催化剂中的至少一种。
[0011]在上述技术方案中，第一催化剂、第二催化剂以及第三催化剂选自上述物质，有利
于提高阳极催化层、第一阴极催化层以及第二阴极催化层的催化活性。
[0012]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，第一阴极催化层中，自由基湮灭剂与第一阴极催化层中的铂的质量比为(0.1
‑
10)：100。
[0013]在上述技术方案中，自由基湮灭剂与第一阴极催化层中的铂的质量比为(0.1
‑
10)：100，有利于进一步提高整个膜电极的耐久性。
[0014]可选地，第一阴极催化层中的铂载量为0.05
‑
0.2mg/cm2，第一阴极催化层中的自由基湮灭剂的载量为0.0001
‑
0.01mg/cm2。
[0015]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，第二阴极催化层中，碳纳米管与第二阴极催化层中的铂的质量比为1:(4
‑
8)。
[0016]在上述技术方案中，碳纳米管与第二阴极催化层中的铂的质量比为1:(4
‑
8)，有利于进一步提高整个膜电极的耐久性。
[0017]可选地，第二阴极催化层中的铂载量为0.1
‑
0.35mg/cm2，第二阴极催化层中的碳纳米管的载量为0.017
‑
0.0583mg/cm2。
[0018]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，阳极催化层、第一阴极催化层以及第二阴极催化层中均具有离聚物，离聚物包括全氟磺酸树脂。
[0019]第一阴极催化层中，离聚物与第一催化剂中的碳的质量比为(0.5
‑
1.2):1；和/或，第二阴极催化层中，离聚物与第二催化剂中的碳的质量比为(0.5
‑
1.2):1；和/或，阳极催化层中，离聚物与第三催化剂中的碳的质量比为(0.5
‑
1.2):1。
[0020]在上述技术方案中，有利于提高催化层(阳极催化层、第一阴极催化层或第二阴极催化层)的催化活性。
[0021]第二方面，本申请提供一种上述第一方面提供膜电极的制备方法，包括：采用热压的方式，将阳极催化层、质子交换膜、第一阴极催化层以及第二阴极催化层层叠在一起。
[0022]在上述技术方案中，第一阴极催化层中添加自由基湮灭剂，第二阴极催化层中添加碳纳米管，通过自由基湮灭剂和碳纳米管的协同配合，同时提高质子交换膜和阴极催化层(即第一阴极催化层以及第二阴极催化层)的化学耐久性，即有效提高整个膜电极的耐久性；并配合采用热压的方式，使得阳极催化层、质子交换膜、第一阴极催化层以及第二阴极催化层之间的剥离力较强，且膜电极的相对两个表面(即阳极催化层远离质子交换膜的表面以及第二阴极催化层远离质子交换膜的表面)均具有较低的表面粗糙度，同时使得膜电极呈梯度结构(即第二阴极催化层的孔隙率大于第一阴极催化层的孔隙率)，有利于提高整个膜电极的机械耐久性，进而实现显著提高整个膜电极的耐久性(包括化学耐久性和机械耐久性)。
[0023]结合第二方面，本申请可选的实施方式中，热压的温度为110
‑
180℃，热压的压强为1
‑
10MPa。
[0024]在上述技术方案中，在上述热压条件下，有利于有效提高整个膜电极的机械耐久性。
[0025]结合第二方面，本申请可选的实施方式中，膜电极的制备方法包括：先采用涂布或喷涂的方式，在质子交换膜的相对两个表面分别形成阳极催化层以及第一阴极催化层；然后在第一阴极催化层的远离质子交换膜的表面转印形成第二阴极催化层并同时进行热压。
[0026]在上述技术方案中，转印形成第二阴极催化层和热压步骤同步进行，使得所有催
化层(即第一阴极催化层、第二阴极催化层以及阳极催化层)都经过热压处理，从而提升了催化剂层的机械耐久；此外，上述方法不仅可以提高阳极催化层、质子交换膜、第一阴极催化层以及第二阴极催化层之间的剥离力，还可以节省制备形成膜电极所需的时间，提高生产效率。
[0027]第三方面，本申请还提供一种膜电极的制备方法，包括：先采用涂布或喷涂的方式，在质子交换膜的相对两个表面分别形成阳极催化层以及第一阴极催化层；然后在第一阴极催化层的远离质子交换膜的表面转印形成第二阴极催化层并同时进行热压。
[0028]本申请转印形成第二阴极催化层和热压步骤同步进行，使得所有催化层(即第一阴极催化层、第二阴极催化层以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极，其特征在于，包括：依次层叠的阳极催化层、质子交换膜、第一阴极催化层以及第二阴极催化层；其中，所述第一阴极催化层中具有第一催化剂和自由基湮灭剂，所述第二阴极催化层中具有第二催化剂和碳纳米管，所述阳极催化层中具有第三催化剂。2.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述自由基湮灭剂包括CeO2、Ag2O以及MnO2中的至少一种。3.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第一催化剂、所述第二催化剂以及所述第三催化剂各自独立地选自Pt/C催化剂以及Pt合金/C催化剂中的至少一种。4.根据权利要求3所述的膜电极，其特征在于，所述第一阴极催化层中，所述自由基湮灭剂与所述第一阴极催化层中的铂的质量比为(0.1
‑
10)：100；可选地，所述第一阴极催化层中的铂载量为0.05
‑
0.2mg/cm2，所述第一阴极催化层中的所述自由基湮灭剂的载量为0.0001
‑
0.01mg/cm2。5.根据权利要求3所述的膜电极，其特征在于，所述第二阴极催化层中，所述碳纳米管与所述第二阴极催化层中的铂的质量比为1:(4
‑
8)；可选地，所述第二阴极催化层中的铂载量为0.1
‑
0.35mg/cm2，所述第二阴极催化层中的所述碳纳米管的载量为0.017
‑
0.0583mg/cm2。6.根据权利要求3
‑
5中任一项所述的膜电极，其特征在于，所述阳极催化层、所述第一阴极催化层以及所述第二阴极催化层中均具有离聚物，所述离聚物包括全氟磺酸树脂；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋松柏，米诗阳，焦海亮，吴楠，
申请(专利权)人：江苏擎动新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：