本发明专利技术涉及一种用于燃料电池（１００）的膜电极组件（１１０）及制造该组件的方法，其中膜电极组件（１１０）包含梯度催化剂结构（１２０或１４０）。梯度催化剂结构（１２０或１４０）可以包含布置在多层巴克纸上的复数个催化剂纳米粒子（例如铂）。多层巴克纸可以至少包括第一层和第二层，第一层可以具有低于第二层的孔隙率。梯度催化剂结构（１２０或１４０）可以在第一层的多层巴克纸中包含单壁纳米管、碳纳米纤维或两者，可以在多层巴克纸的第二层中包含碳纳米纤维。膜电极组件（１１０）可以具有至少等于或小于０．３５ｇｃａｔ／ｋＷ的催化剂利用率。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于质子交换膜燃料电池的膜电极组件的领域。
技术介绍
燃料电池被许多人认为是有前途的用于大范围装置(包括汽车)的动力源、以及其它便携和固定用途的主体。燃料电池能够提供高能源效率和相对较快的启动。此外，燃料电池能够在不产生各种环境污染(这是许多其它动力源的特性)的情况下产生电力。因此，燃料电池是满足关键能量需要的解决方法，同时燃料电池也通过取代常规动力源来减轻环境污染。尽管燃料电池应用的增加带来了一些优点，但是其广泛的商业化则可能取决于是否可以降低与燃料电池有关的单位功率成本(贵金属成本)及其降低程度。对于运输用途，美国能源部(DOE)已设定了电催化剂的2015技术指标，即在O.aiig/cm2的总Pt负载率下产生lW/cm2的额定功率，得到0. 2gpt/kg的Pt利用率(美国能源部《氢燃料电池与基础设施技术规划-多年度研究、开发和示范计划》(2007年))。该水平的利用率将有可观的益处，包括由于相同或提高的燃料电池输出所需钼(Pt)量的减小而导致成本显著降低。实际上，实现商业化的一个特别有前途的途径是提高Pt利用率同时也优化电极结构，以便获得较高的Pt比功率密度。然而，实现此目的的一个障碍是常规催化剂载体材料(如碳黑Vulcan XC-72R)中有许多可以束缚Pt纳米粒子的微孔。这通常导致无法建立燃料电池的在气体、电解质和电催化剂之间的三相界面(TPB)。因此，不能利用Pt的相应部分(因为在这些部位不能发生电化学反应)，因而导致Pt利用水平的下降。此外，碳黑在燃料电池阴极中的固有苛刻条件下会被侵蚀，因而导致电池稳定性低和使用寿命缩短。最近以来，已调查了碳纳米管和纳米纤维作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的催化剂载体的可能性，因为碳纳米材料通常显示较高的导电性和较大的比表面积。另外，这种碳纳米材料具有相对较低的微孔率并且通常显示优异的耐电化学腐蚀性。制造质子交换膜燃料电池(PEMFC)中所使用的基于碳纳米管和碳纳米纤维的催化剂层的常规工艺，是将碳纳米管(CNT)或碳纳米纤维(CNF)分散于粘合剂(如Teflon或 Nafion)中而形成浆料，然后用该浆料涂覆气体扩散层。然而，常规工艺中所固有的显著问题是在制造阶段添加粘合剂易于使电催化剂层中的碳纳米管发生分离，从而导致较差的电子传递性能以及Pt活性表面的退化或消除
技术实现思路
因此，鉴于上述背景，本专利技术的一个特征是提供一种克服上述限制因素的、用于燃料电池的基于碳材料的膜电极组件(MEA)。根据本专利技术的一个方面，膜电极组件包括带催化剂纳米粒子(布置在具有特制梯度结构的巴克纸的表面上或附近)的多孔多层巴克纸膜。 此文中所用的术语“巴克纸”是指一种膜状的稳定复合材料，该复合材料包括单壁碳纳米管 (SWNT)、多壁碳纳米管(MWNT)、碳纳米纤维(CNF)或其组合的网络。将巴克纸-纳米粒子催化剂复合材料用作膜电极组件(MEA)的催化剂层。根据本专利技术，膜电极组件(MEA)的一个具体特征是基于至少具有第一层和第二层的多层巴克纸(LBP)膜的梯度孔径分布和催化剂纳米粒子分布。可以在使用少量粘合剂或者不使用粘合剂的情况下，由碳纳米管、纳米纤维或其混合物来制造多层巴克纸。通过调整起始材料和纳米粒子分散液，可以定制出多层巴克纸(LBP)的微观结构，从而获得膜电极组件(MEA)催化剂层的期望的孔隙率、孔径、表面积和导电性。优选地， 将催化剂纳米粒子直接沉积在多层巴克纸的最有效率的位置，由此使三相反应系数最大化。与用常规方法制造的燃料电池相比，以上述方式制造的膜电极组件可以具有在电极中的更高的催化剂利用率、可以提供更高的功率输出、可以具有增强的抗氧化性和更长的使用寿命。在一个实施方式中，本文中公开的膜电极组件可以包括质子交换膜和梯度催化剂结构。梯度催化剂结构可以包含布置在至少包括第一层和第二层的多层巴克纸上的复数个催化剂纳米粒子。催化剂结构可以包含梯度结构，使得多层巴克纸第一层具有低于多层巴克纸第二层的孔隙率。膜电极组件的复数个催化剂纳米粒子的催化剂利用率可以等于或小于 0. !35^^/kW。第一层的多层巴克纸可以包含单壁碳纳米管(SWNT)与碳纳米纤维(CNF)的混合物，第二层的多层巴克纸可以包含碳纳米纤维(CNF)。在形成多层巴克纸之后，可以将复数个催化剂纳米粒子沉积在多层巴克纸上。所述复数个催化剂纳米粒子可以包含钼(Pt)。催化剂层也可以包含在形成多层巴克纸之后沉积在多层巴克纸上的全氟磺酸树脂。下面，对以上这些实施方式和其它实施方式作更详细的描述。附图简要说明在附图中图示了优选的实施方式。然而，应当注意的是本专利技术并不局限于附图中所示的精确布置和手段。附图说明图1是包括膜电极组件(MEA)的示例性质子交换膜燃料电池(PEMFC)的示意图。图2 (a)-图2 (d)是示例性多层巴克纸的图像和能量分散X射线数据，其中图2 (a) 是示例性多层巴克纸剖面的扫描电子显微镜(SEM)图像；图2(b)是图2(a)的多层巴克纸的能量分散X射线光谱(EDS)分析；图2(c)是图2(a)的多层巴克纸第一层的表面图像；图 2(d)是图2(a)的多层巴克纸第二层的表面图像。图3是具有示例性梯度催化剂结构(作为阴极催化剂层)的膜电极组件(MEA)的电池极化曲线和作为电流密度的函数的功率密度。图4(a)是具有示例性梯度催化剂结构的膜电极组件(MEA)的极化曲线和作为电流密度的函数的功率密度、以及两个常规膜电极组件(MEA)的电池极化曲线和作为电流密度的函数的功率密度。图4(b)是图4(a)的膜电极组件的电压与质量活性(mass activity)的关系图。图4(c)是图4(a)的膜电极组件的电化学阻抗光谱(EIS)数据。图5是带示例性膜电极组件的燃料电池在不同工作时间的极化曲线的图。图6(a)是示例性多层巴克纸的透射电子显微镜(TEM)图像。图6(b)是图6(a)的示例性多层巴克纸的Pt粒度分布。图7 (a)和7 (b)是示例性膜电极组件(MEA)和常规膜电极组件(MEA)的电化学特性的图。图8(a)是具有示例性梯度催化剂结构的膜电极组件和两个常规膜电极组件的电化学阻抗光谱(EIS)数据。图8(b)是用于测定图8 (a)的电化学阻抗光谱数据的改良Randles-Ershler等效电路模型。具体实施例方式本文公开了新设计的具有梯度催化剂结构的燃料电池的膜电极组件(MEA)以及用于制造该组件的方法。膜电极组件中采用带催化剂纳米粒子的层状碳纳米材料巴克纸。 多层巴克纸可以制造成使其具有梯度孔径分布、梯度孔隙率、梯度电解质浓度、和/或梯度催化剂纳米粒子分布。此文中所用的“纳米粒子”是指长轴长度小于300nm的粒子。长轴长度可以小于 200nm或者小于lOOnm。本文中所述的催化剂纳米粒子的长轴长度可以在0. Inm至lOOnm、 或0. Inm至50nm、或Inm至25nm、或Inm至IOnm的范围内。图1显示使用本文中所公开的膜电极组件的示例性质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 100。膜电极组件110可以包括阳极催化剂层120、质子交换膜130和阴极催化剂层 140。质子交换膜130起到将阳极催化剂层120与阴极催化剂层140隔开同时又允许质子 145通过的电绝缘体的作本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种用于燃料电池（１００）的膜电极组件（３１０），包括：质子交换膜（１３０）；以及梯度催化剂结构（１２０或１４０），其包含布置在多层巴克纸上的复数个催化剂纳米粒子，其中多层巴克纸至少包括第一层和第二层，其中第一层具有低于第二层的孔隙率，并且其中第一重量百分率的复数个催化剂纳米粒子布置在第一层上，且第二重量百分率的复数个催化剂纳米粒子布置在第二层上，其中第一重量百分率比第二重量百分率至少大５ｗｔ％。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑建平，
申请(专利权)人：佛罗里达州立大学研究基金有限公司，
类型：发明
国别省市：US
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