一种膜电极及其制备方法和应用与流程

本申请涉及燃料电池，尤其涉及一种膜电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、由于质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，不会生成污染物如sox、nox、co、co2等，因此为解决汽车产生的环境问题以及能源问题提供了一个新的方案。

2、膜电极组件是质子交换膜燃料电池最核心的部分，它是燃料电池产生电流的核心组件，其被誉为燃料电池的“心脏”，是发生电化学反应的核心场所，膜电极的好坏决定了电池的性能。膜电极组件通常由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层组成。目前燃料电池的耐久性仍有较大的提升空间。

技术实现思路

1、本申请提供了一种膜电极及其制备方法和应用，以改善目前膜电极耐久性不佳的问题。

2、第一方面，本申请提供了一种膜电极，所述膜电极包括质子交换膜和催化层，所述催化层包括第一子层和第二子层，所述第一子层设于所述质子交换膜和所述第二子层之间；所述第一子层包括第一催化颗粒和第一离子聚合物，所述第一催化颗粒包括第一载体和负载于所述第一载体的第一催化本体；所述第二子层包括第二催化颗粒和第二离子聚合物，所述第二催化颗粒包括第二载体和负载于所述第二载体的第二催化本体；所述第一催化颗粒的粒径大于所述第二催化颗粒的粒径，所述第一子层中所述第一催化本体的载量小于所述第二子层中所述第二催化本体的载量，所述第一子层中所述第一离子聚合物的含量小于所述第二子层中所述第二离子聚合物的含量。

3、作为一种可选的实施方式，所述第一催化颗粒的粒径大于4nm；和/或

4、所述第二催化颗粒的粒径为2nm～3nm。

5、作为一种可选的实施方式，所述第一子层中所述第一催化本体的载量为0.05mg/cm2～0.15mg/cm2；和/或

6、所述第二子层中所述第二催化本体的载量为0.25mg/cm2～0.35mg/cm2。

7、作为一种可选的实施方式，所述第一子层中所述第一离子聚合物的重量和所述第一载体的重量比为0.6～0.8；和/或

8、所述第二子层中所述第二离子聚合物的重量和所述第二载体的重量比为0.8～1.2。

9、作为一种可选的实施方式，所述第一催化颗粒中所述第一催化本体的质量含量为30％～70％；和/或

10、所述第一载体包括碳材料；和/或

11、所述第一催化本体包括铂或铂基材料。

12、作为一种可选的实施方式，所述第二催化颗粒中所述第二催化本体的质量含量为30％～70％；和/或

13、所述第二载体包括碳材料；和/或

14、所述第二催化本体包括铂或铂基材料。

15、第二方面，本申请提供了一种第一方面提供的膜电极的制备方法，所述方法包括：

16、将第一催化剂颗粒、第一离子聚合物和分散剂混合，得到第一浆料；

17、将第二催化剂颗粒、第二离子聚合物和分散剂混合，得到第二浆料；

18、依次将所述第一浆料和第二浆料涂覆于质子交换膜，以形成第一子层和第二子层，得到膜电极。

19、作为一种可选的实施方式，所述分散剂包括乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、正丁醇和六氟异丙醇中的至少一种；和/或

20、所述第一离子聚合物和第二离子聚合物为nafion溶液；和/或

21、所述nafion溶液的质量浓度为4％～25％。

22、作为一种可选的实施方式，所述涂覆的方式包括超声波喷雾喷涂。

23、第三方面，本申请提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括第一方面提供的膜电极。

24、本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

25、本申请实施例提供的该膜电极，通过在靠近质子交换膜的第一子层采用粒径较大的催化颗粒(例如pt/c颗粒)，且催化本体(例如pt)载量和离子聚合物含量均较低，在远离质子交换膜的第二子层采用粒径较小的催化颗粒，且催化本体载量和离子聚合物含量均较高。靠近质子交换膜一侧催化颗粒粒径较大，抑制由于膜附近催化颗粒溶解再沉淀导致，从而避免形成催化本体枯竭带而导致质子运输迟缓造成欧姆损失；靠近质子交换膜一侧离子聚合物含量较低，能显著增加质子交换膜附近催化本体离子(例如pt2+)的输运阻力，阻碍了催化本体离子向质子交换膜的扩散，有助于减小催化本体损耗；降低靠近质子交换膜一侧的催化本体载量，提升远离质子交换膜一侧催化本体离子载量，有利于阻碍了催化本体离子向质子交换膜的扩散，有助于减小催化本体损耗，从而使膜电极的耐久性得到显著提升。

技术特征：

1.一种膜电极，其特征在于，所述膜电极包括质子交换膜和催化层，所述催化层包括第一子层和第二子层，所述第一子层设于所述质子交换膜和所述第二子层之间；所述第一子层包括第一催化颗粒和第一离子聚合物，所述第一催化颗粒包括第一载体和负载于所述第一载体的第一催化本体；所述第二子层包括第二催化颗粒和第二离子聚合物，所述第二催化颗粒包括第二载体和负载于所述第二载体的第二催化本体；所述第一催化颗粒的粒径大于所述第二催化颗粒的粒径，所述第一子层中所述第一催化本体的载量小于所述第二子层中所述第二催化本体的载量，所述第一子层中所述第一离子聚合物的含量小于所述第二子层中所述第二离子聚合物的含量。

2.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第一催化颗粒的粒径大于4nm；和/或

3.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第一子层中所述第一催化本体的载量为0.05mg/cm2～0.15mg/cm2；和/或

4.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第一子层中所述第一离子聚合物的重量和所述第一载体的重量比为0.6～0.8；和/或

5.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第一催化颗粒中所述第一催化本体的质量含量为30％～70％；和/或

6.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第二催化颗粒中所述第二催化本体的质量含量为30％～70％；和/或

7.一种权利要求1至6中任一项所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述分散剂包括乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、正丁醇和六氟异丙醇中的至少一种；和/或

9.根据权利要求7所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述涂覆的方式包括超声波喷雾喷涂。

10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括权利要求1至6中任一项所述的膜电极。

技术总结本申请涉及一种膜电极及其制备方法和应用，属于燃料电池技术领域；通过使靠近质子交换膜一侧催化颗粒粒径较大，抑制由于膜附近催化颗粒溶解再沉淀导致，从而避免形成催化本体枯竭带而导致质子运输迟缓造成欧姆损失；同时使靠近质子交换膜一侧离子聚合物含量较低，能显著增加质子交换膜附近催化本体离子的输运阻力，阻碍了催化本体离子向质子交换膜的扩散，有助于减小催化本体损耗；同时降低靠近质子交换膜一侧的催化本体载量，提升远离质子交换膜一侧催化本体离子载量，有利于阻碍了催化本体离子向质子交换膜的扩散，有助于减小催化本体损耗，从而使膜电极的耐久性得到显著提升。技术研发人员：周江峰,唐雪君,史建鹏,官树猛,高佳武受保护的技术使用者：东风汽车集团股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/12/2