一种膜电极及其制备方法与流程

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。

背景技术：

1、为了提高膜电极催化层质子传输，可将离聚物通过静电纺丝方式制备成纤维状，其连续质子传输路径和纤维状结构提升了催化层孔隙率和质子传输率；但是采用纤维状离聚物的膜电极在低湿情况下性能较低。

技术实现思路

1、本申请提供了一种膜电极及其制备方法，其能够改善采用纤维状离聚物的膜电极的低湿性能。

2、第一方面，本申请实施例提供了一种膜电极，膜电极包括催化层和质子交换膜，催化层包括第一催化层和第二催化层，第一催化层设于质子交换膜表面，第二催化层设于第一催化层远离质子交换膜的表面，第二催化层的离聚物包括纤维状离聚物。

3、本申请实施例的技术方案中，通过采用两层催化层的结构，将含有纤维状离聚物的第二催化层设于靠近扩散层的一侧，利用纤维状离聚物疏水的特性以利于催化层的排水。同时纤维状离聚物构成的第二催化层能够提升整个催化层的孔隙率和质子传输率。将常规的不含有纤维状离聚物的第一催化层设于靠近质子交换膜的一侧，第一催化层的亲水性要好于第二催化层，进而使得在低湿情况下整个催化层和质子交换膜具有一定的湿度，进而实现改善采用纤维状离聚物的膜电极的低湿性能的效果。

4、作为一种可选的实施方式，纤维状离聚物的纤维直径为100~800nm；或

5、纤维状离聚物的纤维直径为100~300nm。

6、在上述实施过程中，纤维状离聚物的纤维直径越小，会导致整个催化层越致密，进而越不利于排水，而纤维状离聚物的纤维直径越大，纤维状离聚物比表面积越小，越不利于催化层的传质。控制纤维状离聚物的纤维直径为100~800nm能够兼顾整个催化层的排水性能和传质性能。

7、作为一种可选的实施方式，第二催化层的接触角大于第一催化层的接触角；和/或

8、第二催化层的接触角为130~140°；和/或

9、第一催化层的接触角为120~130°。

10、在上述实施过程中，控制第二催化层的接触角大于第一催化层，使得整个催化层在具有较好的排水性能的前提下实现在低湿情况下整个催化层和质子交换膜具有一定的湿度，进而使得膜电极具有较好的低湿性能。

11、作为一种可选的实施方式，第二催化层的孔隙率大于第一催化层的孔隙率；和/或

12、第二催化层的孔隙率为0.6~0.8；和/或

13、第一催化层的孔隙率为0.4~0.6。

14、在上述实施过程中，孔隙率的大小在一定程度上和疏水性呈正相关，控制第二催化层的孔隙率大于第一催化层的孔隙率，使得第二催化层具有较高的孔隙率和质子传输率，同时第一催化层具有一定的保湿性，实现整个催化层和质子交换膜在低湿情况下具有一定的湿度，进而具有较好的性能。

15、作为一种可选的实施方式，第二催化层的催化剂载量小于第一催化层的催化剂载量；和/或

16、催化剂包括铂碳催化剂和铂合金催化剂中的至少一种；和/或

17、第二催化层的铂载量为0.05~0.2mg/cm2；和/或

18、第一催化层的铂载量为0.1~0.2mg/cm2。

19、在上述实施过程中，第二催化层由于具有更高的孔隙率和更强的质子传输能力，对应的其物质传输的阻力较低，能够在更低的催化剂用量的情况下实现相同的催化效果，通过控制第二催化层的催化剂载量小于第一催化层的催化剂载量，实现催化剂用量的降低，有利于成本的控制。

20、作为一种可选的实施方式，质子交换膜的厚度为8~18μm；和/或

21、第一催化层的厚度为4~8μm；和/或

22、第二催化层的厚度为1~4μm。

23、第二方面，本申请实施例提供了一种膜电极的制备方法，方法包括：

24、得到第一催化层浆料；

25、得到纤维状离聚物，后把纤维状离聚物配制成第二催化层浆料；

26、把第一催化层浆料和第二催化层浆料分别附着到质子交换膜，以制备第一催化层和第二催化层，得到膜电极，第一催化层设于质子交换膜表面，第二催化层设于第一催化层远离质子交换膜的表面。

27、作为一种可选的实施方式，得到纤维状离聚物包括：

28、把离聚物溶液和高分子聚合物混合于溶剂，得到混合溶液；

29、对混合溶液进行静电纺丝，得到纤维状离聚物。

30、作为一种可选的实施方式，高分子聚合物的分子量为50~200kda；和/或

31、离聚物溶液中离聚物ew为800~1200g/mol；和/或

32、混合溶液中高分子聚合物的质量浓度为0.5%~3%；和/或

33、混合溶液中高分子聚合物和离聚物的总质量浓度为5%~25%。

34、在上述实施过程中，通过控制高分子聚合物的分子量为50~200kda，使得在后续静电纺丝过程中的溶液具有较为合适的粘度，降低对电场引起的拉伸的抵抗力，进而使制得的纤维状离聚物具有较为合适纤维直径。通过控制离聚物溶液中离聚物ew为800~1200g/mol使得第二催化层具有较为合适的亲疏水性能。通过控制混合溶液中高分子聚合物的质量浓度为0.5%~3%能够降低高分子聚合物对离聚物性质的影响。通过控制混合溶液中高分子聚合物和离聚物的总质量浓度为5%~25%能够使第二催化层兼顾质子传输性能和氧气传输性能。

35、作为一种可选的实施方式，第二催化层浆料中催化剂的质量占比为10%~60%、第二催化层浆料中催化剂的碳和离聚物的质量比为0.5~1.0；和/或

36、第一催化层浆料中催化剂的质量占比为10%~60%、第一催化层浆料中催化剂的碳和离聚物的质量比为0.75~1.5。

技术特征：

1.一种膜电极，其特征在于，所述膜电极包括催化层和质子交换膜，所述催化层包括第一催化层和第二催化层，所述第一催化层设于所述质子交换膜表面，所述第二催化层设于所述第一催化层远离所述质子交换膜的表面，所述第二催化层的离聚物包括纤维状离聚物。

2. 根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述纤维状离聚物的纤维直径为100~800nm。

3. 根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第二催化层的接触角大于所述第一催化层的接触角；和/或

4. 根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第二催化层的孔隙率大于所述第一催化层的孔隙率；和/或

5. 根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第二催化层的催化剂载量小于第一催化层的催化剂载量；和/或

6. 根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述质子交换膜的厚度为8~18μm；和/或

7.一种膜电极的制备方法，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，所述得到纤维状离聚物包括：

9. 根据权利要求8所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物的分子量为50~200kda；和/或

10.根据权利要求7所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第二催化层浆料中催化剂的质量占比为10%~60%、所述第二催化层浆料中催化剂的碳和离聚物的质量比为0.5~1.0；和/或

技术总结
一种膜电极及其制备方法，属于燃料电池技术领域；膜电极包括催化层和质子交换膜，催化层包括第一催化层和第二催化层，第一催化层设于质子交换膜表面，第二催化层设于第一催化层远离质子交换膜的表面，第二催化层的离聚物包括纤维状离聚物；通过采用两层催化层的结构，将含有纤维状离聚物的第二催化层设于外层，利用纤维状离聚物疏水的特性以利于催化层的排水。同时纤维状离聚物构成的第二催化层能够提升整个催化层的孔隙率和质子传输率。将不含有纤维状离聚物的第一催化层设于内层，第一催化层的亲水性要好于第二催化层，进而使得在低湿情况下整个催化层和质子交换膜具有一定的湿度，进而实现改善采用纤维状离聚物的膜电极的低湿性能的效果。

技术研发人员：高云川,吴丹,王琛,王秀
受保护的技术使用者：苏州擎动动力科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13