【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于燃料電池領域，具體涉及一種膜電極及其制備方法和單電池。
技術介紹
1、質子交換膜燃料電池具有能量密度大、能量轉換效率高、啟動溫度低、污染低等突出優點，是一種有效的轉換裝置，具有廣泛的應用前景。然而，為了成功實現商業化，必須開發降低成本、提高功率密度和提高耐用性的技術，這是目前質子交換膜燃料電池廣泛應用的主要障礙。電化學反應一般發生在膜電極組件的催化劑層與質子交換膜交界處。質子交換膜燃料電池的核心部件為膜電極組件，其是由質子交換膜、陽極與陰極催化層和氣體擴散層疊在一起構成。催化層作為電化學反應發生的場所，是膜電極的關鍵組成部分。電極催化層由三相構成，分別是傳導質子的離子聚合物相、傳導電子的pt/c催化劑相和傳遞氣體的孔相。電化學反應只能發生在電子、質子與氣體通路的交匯區域(三相區)，因此催化層的各相組成及其中各成分的傳輸對電極反應有極大影響。盡管質子交換膜燃料電池的研究取得了很多重大的進步，但是較大的電壓損失仍然不可避免，這主要是由于陰極催化層中緩慢的氧還原動力學過程存在較大的傳質阻力。因此，在一個質子交換膜燃料電池中，陰極催化層的特性對整個電池的性能具有十分重要的影響。
2、膜電極的催化劑層主要由pt/c催化劑和nafion離聚物組成，當前常規膜電極催化層結構的設計理念是將一種配方的墨水漿料(孔隙結構和物質成分)涂覆在質子交換膜上均勻分布在單電在池內。但是燃料電池運行是一個非常復雜的過程，靠近質子交換膜一側的內部反應狀態與靠近氣體擴散層一側的反應狀態不同，如圖1所示，催化劑涂層膜中氣體、質子、電子縱向傳
3、為設計出最佳的陰陽極催化層結構，傳統方法是通過改變陰陽極各自的催化劑種類、催化劑的量、離聚物種類或離聚物含量，從而配置一種配方均勻涂覆在質子交換膜上，然后組裝成電池在運行條件下開展燃料電池性能評價，以及耐久試驗。最后基于所得到的結果，選定能使所設計的燃料電池發揮最大性能和耐久性的最佳陰陽極催化層。
4、然而，傳統方案未考慮催化層靠近質子交換膜一側的反應狀態與靠近氣體擴散層一側的反應狀態不同，所以開發出的膜電極無法兼顧性能和耐久性。
5、因此，如何同時兼顧膜電極的高性能和耐久性，是當前亟需研究的難點。
6、為了解決這一的問題，本文專利技術了一種新型雙催化層設計方法，具體而言，就是陰極側制備2種不同配方的墨水漿料以平衡性能與耐久性之間的關系，最大程度提高材料利用率，降低產品成本。
技術實現思路
1、針對現有技術的不足，本專利技術的目的在于提供一種膜電極及其制備方法和單電池。本專利技術通過設置雙陰極催化層，且第一催化層中鉑的粒徑d50＜第二催化層中鉑的粒徑d50，不僅最大限度地提高了材料的利用率，降低了成本，而且同時提高了膜電極的性能和整體的耐久性，具有良好的發展潛力。
2、為達到此專利技術目的，本專利技術采用以下技術方案：
3、第一方面，本專利技術提供一種膜電極，所述膜電極包括雙陰極催化層、質子交換膜和氣體擴散層，所述雙陰極催化層包括第一催化層和第二催化層；
4、所述第一催化層與所述質子交換膜相連，所述第二催化層與所述氣體擴散層相連；
5、所述雙陰極催化層的原料包括含鉑催化劑和離聚物；
6、所述第一催化層中鉑的粒徑d50＜第二催化層中鉑的粒徑d50。
7、本專利技術通過設置雙陰極催化層，且所述第一催化層中鉑的粒徑d50＜第二催化層中鉑的粒徑d50，不僅最大限度地提高了材料的利用率，降低了成本，而且同時提高了膜電極的性能和整體的耐久性，具有良好的發展潛力。
8、需要說明的是，所述氣體擴散層包括陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層，所述第二催化層與陰極氣體擴散層相連。
9、優選地，所述膜電極還包括陽極催化層。
10、需要說明的是，一種“理想”的催化層結構應當能夠最大程度地利用催化活性中心，同時要讓傳質阻力達到最小。氧氣的濃度在靠近氣體擴散層側最高，隨著氧氣向質子交換膜方向傳輸，濃度逐漸降低，而質子濃度的變化趨勢正好相反，越靠近氣體擴散層，質子濃度越低，從質子供給的角度出發，催化層中較多的鉑應該分布于靠近質子交換膜一側，而在靠近氣體擴散層側可以減少鉑量并增加孔隙率，以此來促進氣體的傳輸和電極的排水，而理想的鉑分布應當要綜合考慮質子濃度和氧氣濃度的分布，即在催化層中間的某一位置處分布最多，此區域是質子濃度和氧氣擴散濃度的最佳平衡點。
11、此外，從耐久性方面考慮，燃料電池在實際運行過程中產生的水會向氣體擴散層方向排出，所以氣體擴散層附近(或催化層和氣體擴散層之間的界面)催化層的含水量比靠近膜的含水量高，這就是為什么催化層變薄發生在氣體擴散層附近的催化層的原因，如圖2所示。
12、因此，為了將電極表面靠近質子膜一側和靠近氣體擴散層一側性能和耐久性平衡化，本專利技術在電極靠近質子膜一側和靠近氣體擴散層一側使用不同的催化層結構，具體就是靠近質子膜一側的第一催化層用于提升性能，靠近氣體擴散層一側的第二催化層用于提升耐久性，且所述第一催化層中鉑的粒徑d50＜第二催化層中鉑的粒徑d50。通過上述設計，不僅可以最大程度地利用材料，降低成本，而且同時兼顧了膜電極的性能提升和耐久性改善的目的。
13、本專利技術中，第一催化層中鉑的粒徑d50＜第二催化層中鉑的粒徑d50，可以提升催化劑活性以及耐久性，因為粒徑越小，比表面積越大，質量活性越大。粒徑越大鉑納米粒子越緊湊，溶解越慢，穩定性越好。
14、需要說明的是，第一催化層中的含鉑催化劑和第二催化層中的含鉑催化劑為不同型號的含鉑催化劑。
15、作為本專利技術一種優選的技術方案，所述第一催化層中鉑的粒徑d50為1-3nm，例如可以是1nm、1.5nm、2nm、2.5nm或3nm等，優選為2.2-2.6nm。
16、優選地，所述第二催化層中鉑的粒徑d50為4-6nm，例如可以是4nm、4.5nm、5nm、5.5nm或6nm等，優選為5.2-5.6nm。
17、優選地，所述第一催化層的孔隙＜第二催化層的孔隙。
18、本專利技術中，第一催化層的孔隙＜第二催化層的孔隙，可以保證氧氣的順利傳輸，減少傳質過電位，提升高電流密度性能。
19、優選地，所述第一催化層的孔隙為20％-30％，例如可以是20％、22％、24％、25.4％、27％、28％或30％等。
20、優選地，所述第二催化層的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種膜電極，其特征在于，所述膜電極包括雙陰極催化層、質子交換膜和氣體擴散層，所述雙陰極催化層包括第一催化層和第二催化層；
2.根據權利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述第一催化層中鉑的粒徑D50為1-3nm，優選為2.2-2.6nm；
3.根據權利要求1或2所述的膜電極，其特征在于，所述第一催化層的鉑載量＞所述第二催化層的鉑載量；
4.根據權利要求1-3任一項所述的膜電極，其特征在于，所述含鉑催化劑包括鉑碳催化劑；
5.根據權利要求4所述的膜電極，其特征在于，所述離聚物包括氟化磺酸基聚合物、乙醇、水或正丙醇中的任意一種或至少兩種的組合；
6.根據權利要求4或5所述的膜電極，其特征在于，所述第一催化層中離聚物的EW值＜第二催化層中離聚物的EW值；
7.一種如權利要求1-6任一項所述的含雙陰極催化層的膜電極的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：
8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述第一比例混合中，含鉑催化劑、離聚物和溶劑的質量比為(3-10):(10-20):
9.根據權利要求7或8所述的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：
10.一種單電池，其特征在于，所述單電池包括陽極板、陰極板以及如權利要求1-6任一項所述的膜電極，所述陽極板和陰極板分別和所述膜電極的兩個端面連接。
...【技術特征摘要】
1.一種膜電極，其特征在于，所述膜電極包括雙陰極催化層、質子交換膜和氣體擴散層，所述雙陰極催化層包括第一催化層和第二催化層；
2.根據權利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述第一催化層中鉑的粒徑d50為1-3nm，優選為2.2-2.6nm；
3.根據權利要求1或2所述的膜電極，其特征在于，所述第一催化層的鉑載量＞所述第二催化層的鉑載量；
4.根據權利要求1-3任一項所述的膜電極，其特征在于，所述含鉑催化劑包括鉑碳催化劑；
5.根據權利要求4所述的膜電極，其特征在于，所述離聚物包括氟化磺酸基聚合物、乙醇、水或正丙醇中的任意一種或至少兩種的組合；
6.根據權利要求4或5...
【專利技術屬性】
技術研發人員：趙紅霞，趙志遠，翟海朋，
申請(專利權)人：未勢能源科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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