一种膜电极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及燃料电池领域，提供一种膜电极，包括：设有阴极催化层与阳极催化层的燃料电池芯片，以及气体扩散层；阴极催化层包括：若干相互连接的阴极催化区；以质子交换膜的进气口向质子交换膜出气口的流动方向为第一方向；同一阴极催化区中，铂碳催化剂的载量均一，离子树脂与铂碳催化剂中的碳含量的质量比均一，铂碳催化剂中的铂含量均一；本发明专利技术的阴极催化层中铂碳催化剂的载量

【技术实现步骤摘要】
一种膜电极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，尤其涉及一种膜电极及其制备方法与应用
。

技术介绍

[0002]当前发展新能源，实现低碳
‑
无碳排放已形成了全球共识
。
氢燃料质子交换膜电池
PEMFC
能够避免化石燃料的燃烧，将燃料的化学能直接转化为电能，而且无需经过低效
、
易产生污染的燃烧过程，是一种高效清洁的能源技术
。
在燃料电池中，催化层是主要反应场所，然而高催化剂用量导致的高成本和有限的电性能制约了其规模应用，因此，降低膜电极催化剂的用量，同时保证膜电极的高电性能是推动
PEMFC
商业化进程的关键
。
[0003]现有的催化层梯度分布主要有：
(1)
催化剂载量由质子交换膜向两侧梯度增加的膜电极，增强膜和电极界面的连接强度，提高膜电极的耐久性；
(2)
离子树脂由质子交换膜向两侧梯度分布，提高离子导电性；但以上方法均未考虑均衡膜电极在运行过程中气体扩散及水去除的传输阻力问题
。
[0004]因此，亟需一种能提高催化剂利用率
、
气体传输能力及排水能力的膜电极
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术中的不足，提供一种膜电极及其制备方法与应用
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0007]本专利技术的第一方面是提供一种膜电极，所述膜电极包括：设有阴极催化层与阳极催化层的燃料电池芯片，以及气体扩散层；其中，所述阴极催化层与所述阳极催化层分别设于质子交换膜的不同侧；所述阴极催化层包括：若干相互连接的阴极催化区；以所述质子交换膜的进气口向所述质子交换膜出气口的流动方向为第一方向，所述阴极催化层沿所述第一方向设置；其中，
[0008]同一所述阴极催化区中，铂碳催化剂的载量均一，离子树脂与所述铂碳催化剂中的碳含量的质量比均一，所述铂碳催化剂中的铂含量均一；
[0009]沿所述第一方向设置的所述阴极催化区中，所述铂碳催化剂的载量逐渐减少，所述离子树脂与所述铂碳催化剂的碳含量的质量比逐渐减少，所述铂碳催化剂中的铂含量逐渐减少
。
[0010]优选地，所述铂碳催化剂的载量至少为
0.2mg/cm2，至多为
0.4mg/cm2。
[0011]优选地，所述离子树脂与所述铂碳催化剂中的碳含量的质量比至少为
0.3
，至多为
0.9。
[0012]优选地，所述铂碳催化剂中的铂含量至少为
30wt
％，至多为
70wt
％
。
[0013]本专利技术的第二方面是提供一种上述膜电极的制备方法，步骤包括：
[0014]S1、
在所述质子交换膜的一侧制备所述阴极催化层；
[0015]S2、
在所述质子交换膜的另一侧制备所述阳极催化层后，即得燃料电池芯片；
[0016]S3、
将所述燃料电池芯片与所述气体扩散层贴合，得所述膜电极
。
[0017]优选地，步骤
S1
包括：
[0018]S1
‑
1、
提供若干不同铂含量的所述铂碳催化剂，分别与所述离子树脂混合，制得若干所述阴极催化浆料；
[0019]S1
‑
2、
沿所述第一方向，将所述质子交换膜划分为若干喷涂区；
[0020]S1
‑
3、
选定某一所述喷涂区，将聚酰亚胺薄膜覆盖其余所述喷涂区后，将所述阴极催化浆料喷涂于该所述喷涂区上，并进行烘干处理，得所述阴极催化区；
[0021]S1
‑
4、
重复步骤
S1
‑3，直至所有所述喷涂区喷涂完成，得所述阴极催化层；其中，沿所述第一方向设置的所述阴极催化区中，所述铂碳催化剂的载量逐渐减少，所述离子树脂与所述铂碳催化剂的碳含量的质量比逐渐减少，所述铂碳催化剂中的铂含量逐渐减少
。
[0022]更优选地，所述离子树脂为
Nafion
离聚物
。
[0023]优选地，步骤
S2
包括：提供一所述铂碳催化剂，与所述离子树脂混合，制得阳极催化浆料；将所述阳极催化浆料喷涂于所述质子交换膜远离所述阴极催化层的一侧，并进行烘干处理，得所述燃料电池芯片
。
[0024]本专利技术的第三方面是提供一种上述膜电极在制备质子交换膜燃料电池中的应用
。
[0025]本专利技术采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0026]本专利技术的阴极催化层中铂碳催化剂的载量
、
离子树脂与铂碳催化剂中碳含量的质量比以及铂碳催化剂中的铂含量均沿第一方向逐渐减少，一方面使铂碳催化剂的载量与进气口的反应物浓度相匹配，提高铂碳催化剂的利用率；另一方面调节了孔隙分布，使得孔隙的分布与沿流体流动方向的水含量的变化相互匹配，从而提高了排水能力以及气体传输能力，提升了膜电极的性能
。
附图说明
[0027]图1为本专利技术一实施例中质子交换膜分区示意图；
[0028]图2为本专利技术检测实施例中第一次电池性能测试结果图；
[0029]图3为本专利技术检测实施例中第二次电池性能测试结果图；
[0030]图4为本专利技术检测实施例中第三次电池性能测试结果图；
[0031]图中的附图标记包括：
[0032]第一阴极催化区
C1
；第
n
阴极催化区
Cn
；第一方向
D。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围
。
[0034]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合
。
[0035]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定
。
[0036]实施例1[0037]本实施例提供一种膜电极
(MEA)
的制备方法，步骤包括：
[0038]S1、
配置第一阴极催化浆料
、
第二阴极催化浆料以及阳极催化浆料，将质子交换膜沿第一方向
D
分为第一喷涂区
C1
以及第二喷涂区
C2
；
[0039]S2、
将聚酰亚胺薄膜覆盖第二喷涂区
C2
后，将第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种膜电极，所述膜电极包括：设有阴极催化层与阳极催化层的燃料电池芯片，以及气体扩散层；其中，所述阴极催化层与所述阳极催化层分别设于质子交换膜的不同侧，其特征在于，所述阴极催化层包括：若干相互连接的阴极催化区；以所述质子交换膜的进气口向所述质子交换膜出气口的流动方向为第一方向
(D)
，所述阴极催化层沿所述第一方向
(D)
设置；其中，同一所述阴极催化区中，铂碳催化剂的载量均一，离子树脂与所述铂碳催化剂中的碳含量的质量比均一，所述铂碳催化剂中的铂含量均一；沿所述第一方向
(D)
设置的所述阴极催化区中，所述铂碳催化剂的载量逐渐减少，所述离子树脂与所述铂碳催化剂的碳含量的质量比逐渐减少，所述铂碳催化剂中的铂含量逐渐减少
。2.
根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述铂碳催化剂的载量至少为
0.2mg/cm2，至多为
0.4mg/cm2。3.
根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述离子树脂与所述铂碳催化剂中的碳含量的质量比至少为
0.3
，至多为
0.9。4.
根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述铂碳催化剂中的铂含量至少为
30wt
％，至多为
70wt
％
。5.
一种如权利要求1‑4任一项所述膜电极的制备方法，其特征在于，步骤包括：
S1、
在所述质子交换膜的一侧制备所述阴极催化层；
S2、
在所述质子交换膜的另一侧制备所述阳极催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：方英军，杨敏，朱星烨，闫海，詹吟桥，万玲玉，李振，
申请(专利权)人：上海电气集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：