燃料电池膜电极功能层材料、燃料电池膜电极及其制备方法和燃料电池与流程

本申请涉及电池，尤其涉及一种燃料电池膜电极功能层材料、燃料电池膜电极及其制备方法和燃料电池。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池具有高能量转换效率、高运行稳定性、环保、低噪音等优势，是未来能源领域发展的重要方向之一。

2、膜电极是燃料电池的重要组成成分，占据了燃料电池40％的成本，同时也是决定电池性能的关键材料之一。然而在实际运行场景中，在启停时产生的高电位容易引起膜电极中催化层碳腐蚀，从而导致催化层薄化，对电池性能产生严重的影响。提升膜电极耐久性，是一个至关重要的问题。

3、文章《enhanced pemfc durability with graphitized carbon black cathodecatalyst supports under accelerated stress testing》中通过对催化剂的碳材料进行高温石墨化处理，有效地提升了膜电极的耐久性，但石墨化碳结晶度较高，比表面积降低，导致pt颗粒有效附着位点减少，催化剂的活性往往不佳。以商业催化剂tec10e50e与tec10ea50e为例，tec10e50e催化剂采用的是e型多孔碳载体，tec10ea50e催化剂是经过高温石墨化处理后的e型碳。虽然tec10ea50e石墨化处理后耐久性得到了提升，但因为性能差导致该款催化剂依然没有tec10e50e应用广泛。

4、如专利cn110190310a采用多组分混合物对铂基催化剂进行处理或者将部分组分直接添加到催化剂层中来制备膜电极，通过加入抑制碳载体腐蚀的氧化物来提高膜电极耐久性，但是这些功能性的组分添加到催化层中，会改变催化层的亲疏水性，降低膜电极的传质性能，导致大电流区域性能不佳。

5、上述方案中虽然膜电极的耐久性得到提升，但石墨化处理后的碳比表面积低，pt颗粒有效附着点少，制备的催化层活性低；掺杂氧化物导致催化层欧姆阻抗增加，亲疏水性发生变化导致传质变差。膜电极的性能与耐久性不能兼得是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种燃料电池膜电极功能层材料、燃料电池膜电极及其制备方法和燃料电池，以解决上述问题。

2、为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：

3、一种燃料电池膜电极功能层材料，包括石墨化碳材料和粘结剂；

4、所述石墨化碳材料包括石墨化碳纳米管、石墨化炭黑、石墨化碳纤维、纳米石墨、洋葱型石墨碳中的一种或多种；

5、所述粘结剂包括必须的亲水性粘结剂和非必须的疏水性粘结剂。

6、优选地，所述石墨化碳材料的碳含量不低于90wt％；

7、所述石墨化碳材料还包括金属；

8、所述金属包括铂、钯、铱、铑、钌、钴、铁、锰、镍中的一种或多种。

9、优选地，所述石墨化碳材料的比表面积为10-500m2/g，接触角为90-160°。

10、优选地，所述的燃料电池膜电极功能层材料满足以下条件中的至少一个：

11、a.所述亲水性粘结剂包括全氟磺酸树脂、阴离子交换树脂、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯脂、聚苯磺酸树脂中的一种或多种；所述疏水性粘结剂包括聚四氟乙烯和/或聚偏氟乙烯；

12、b.所述粘结剂包括所述亲水性粘结剂和所述疏水性粘结剂，所述亲水性粘结剂与所述疏水性粘结剂的质量比为1：(0-0.1)。

13、优选地，所述石墨化碳材料和所述粘结剂的质量比为1：(0.6-1.2)。

14、本申请还提供一种燃料电池膜电极，包括催化层、功能层和气体扩散层，所述功能层设置在所述催化层和所述气体扩散层之间；所述功能层包括所述的燃料电池膜电极功能层材料。

15、优选地，所述功能层的厚度为3-20μm。

16、本申请还提供一种所述的燃料电池膜电极的制备方法，包括：

17、将所述石墨化碳材料和所述粘结剂混合得到浆料；

18、将所述浆料设置到所述催化层或所述气体扩散层的表面得到所述功能层，或者将所述浆料制备成为独立的所述功能层；

19、将所述催化层、所述功能层和所述气体扩散层组装得到所述燃料电池膜电极。

20、优选地，所述设置的方式包括喷涂、转印、刮涂、狭缝涂布、抽滤中的一种或多种。

21、本申请还提供一种燃料电池，包括所述的燃料电池膜电极。

22、与现有技术相比，本申请的有益效果包括：

23、本申请提供的燃料电池膜电极功能层材料，能同时提升膜电极的性能与耐久性。石墨化碳材料中的石墨化碳结构具有疏水性，起到水管理的作用，提升了膜电极在大电流下的性能；另一方面，碳腐蚀主要是高电位下碳与水发生反应，具有疏水性的功能层在催化层上形成了一个热力学壁垒，减小水在催化层的含量，从而保护了催化层中碳载体，增强了膜电极的耐久性。粘结剂中的亲水性粘结剂使所形成的功能层具有一定的亲水性，从而使催化层-功能层-气体扩散层形成亲疏水性梯度，进一步提高膜电极在大电流下的性能。

技术特征：

1.一种燃料电池膜电极功能层材料，其特征在于，包括石墨化碳材料和粘结剂；

2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极功能层材料，其特征在于，所述石墨化碳材料的碳含量不低于90wt％；

3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极功能层材料，其特征在于，所述石墨化碳材料的比表面积为10-500m2/g，接触角为90-160°。

4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极功能层材料，其特征在于，满足以下条件中的至少一个：

5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池膜电极功能层材料，其特征在于，所述石墨化碳材料和所述粘结剂的质量比为1：(0.6-1.2)。

6.一种燃料电池膜电极，其特征在于，包括催化层、功能层和气体扩散层，所述功能层设置在所述催化层和所述气体扩散层之间；所述功能层包括权利要求1-5任一项所述的燃料电池膜电极功能层材料。

7.根据权利要求6所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述功能层的厚度为3-20μm。

8.一种权利要求6或7所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述设置的方式包括喷涂、转印、刮涂、狭缝涂布、抽滤中的一种或多种。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求5-7任一项所述的燃料电池膜电极。

技术总结
本申请提供一种燃料电池膜电极功能层材料、燃料电池膜电极及其制备方法和燃料电池，涉及电池技术领域。燃料电池膜电极功能层材料包括石墨化碳材料和粘结剂；所述石墨化碳材料包括石墨化碳纳米管、石墨化炭黑、石墨化碳纤维、纳米石墨、洋葱型石墨碳中的一种或多种；所述粘结剂包括必须的亲水性粘结剂和非必须的疏水性粘结剂。燃料电池膜电极包括燃料电池膜电极功能层材料。燃料电池包括燃料电池膜电极。本申请提供的燃料电池膜电极功能层材料，能同时提升膜电极的性能与耐久性。

技术研发人员：夏蕾,颜聿聪,李子坤,黄友元
受保护的技术使用者：深圳市贝特瑞新能源技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24