膜电极及其制备方法、燃料电池与用电设备与流程

本申请属于新能源，具体涉及一种膜电极及其制备方法、燃料电池与用电设备。

背景技术：

1、膜电极是由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成，其中催化层设于质子交换膜和气体扩散层之间。反应气通过气体扩散层进入催化层表面发生氧化还原反应，并将产生的水通过气体扩散层排出膜电极，产生的质子经过催化层向质子交换膜传递。这就要求靠近质子交换膜侧的催化层部分要具有更高的质子传递效率，靠近气体扩散层的催化层部分要具有更好的气体传输效率与排水效率。

2、因此，有必要开发一种技术能实现更好的传质与水气传输，并保证电流分布具有较好的均匀性。

技术实现思路

1、基于现有技术存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种膜电极及其制备方法、燃料电池与用电设备，以实现更好的传质与水气传输目的，同时保证电流分布具有较好的均匀性。

2、为了达到上述目的，第一方面，本申请提供了一种膜电极，包括质子交换膜、设于所述质子交换膜一面上的阴极催化层以及设于所述质子交换膜另一面上的阳极催化层；

3、所述阴极催化层包括沿背离质子交换膜的方向依次设置的第一催化层、第二催化层和第三催化层；

4、所述第一催化层、第二催化层和第三催化层各自独立且均包含离聚物、碳纳米管和负载在所述碳纳米管上的pt；

5、所述第一催化层中的碳纳米管的长度l1和管径d1、所述第二催化层中的碳纳米管的长度l2和管径d2、所述第三催化层中的碳纳米管的长度l3和管径d3满足以下关系式：

6、l3＜l2＜l1，d3＞d2＞d1。

7、在一些实施例中，l1＝10-30μm，d1＝10-30nm；l2＝2-10μm，d2＝30-80nm；l3＝1-5μm，d3＝50-100nm。

8、在一些实施例中，所述第一催化层、第二催化层和第三催化层均满足：所含pt的质量为所含碳纳米管和pt总质量的10％-50％。

9、在一些实施例中，所述第一催化层、第二催化层和第三催化层均满足：所含离聚物与所含碳纳米管的质量比为(0.2-0.7):1。

10、在一些实施例中，所述第一催化层、第二催化层和第三催化层的厚度均为5-50μm。

11、在一些实施例中，满足特征1)-3)中的至少一项：1)所述阴极催化层的pt载量为0.2-0.4mg/cm2；

12、2)所述阳极催化层的pt载量为0.05-0.1mg/cm2；

13、3)所述离聚物包括nafion、piperion中的至少一种。

14、第二方面，本申请提供了一种燃料电池的制备方法，包括以下步骤：

15、将第一pt/cnt催化剂与溶剂混合分散，再加入离聚物，分散，得到第一催化层浆料，其中所述第一pt/cnt催化剂包括第一碳纳米管和负载在第一碳纳米管上的pt；

16、将第二pt/cnt催化剂与溶剂混合分散，再加入离聚物，分散，得到第一催化层浆料，其中所述第二pt/cnt催化剂包括第二碳纳米管和负载在第二碳纳米管上的pt；

17、将第三pt/cnt催化剂与溶剂混合分散，再加入离聚物，分散，得到第一催化层浆料，其中所述第三pt/cnt催化剂包括第三碳纳米管和负载在第三碳纳米管上的pt；

18、在质子交换膜的一面上涂布第一催化层浆料以形成第一催化层，在所述第一催化层背离所述质子交换膜的表面上涂布第二催化层浆料以形成第二催化层，在所述第二催化层背离所述质子交换膜的表面上涂布第三催化层浆料以形成第三催化层；

19、在质子交换膜的另一面上涂布阳极催化层浆料或转印阳极催化层，得到膜电极；

20、第一碳纳米管长度l1和管径d1、第二碳纳米管的长度l2和管径d2、第三碳纳米管的长度l3和管径d3满足以下关系式：

21、l3＜l2＜l1，d3＞d2＞d1。

22、在一些实施例中，满足特征a)-i)中的至少一项：

23、a)所述第一pt/cnt催化剂中，pt的质量百分含量为20％-50％，第一碳纳米管的质量百分含量为50％-80％；

24、b)所述第一催化层浆料中离聚物与第一碳纳米管的质量比为(0.2-0.6):1；

25、c)所述第二pt/cnt催化剂中，pt的质量百分含量为20％-50％，第二碳纳米管的质量百分含量为50％-80％；

26、d)所述第二催化层浆料中离聚物与第二碳纳米管的质量比为(0.2-0.6):1。

27、e)所述第三pt/cnt催化剂中，pt的质量百分含量为20％-50％，第三碳纳米管的质量百分含量为50％-80％；

28、f)所述第三催化层浆料中离聚物与第三碳纳米管的质量比为(0.2-0.6):1；

29、g)所述第一催化层浆料、第二催化层浆料和第三催化层浆料各自独立且所含溶剂均包括水和醇，水和醇的体积比均为(0-2):1；

30、h)所述第一催化层浆料、第二催化层浆料和第三催化层浆料各自独立且固含量均为0.3％-2％；

31、i)所述第一催化层、第二催化层和第三催化层的制备各自独立且均采用静电喷涂工艺，所述静电喷涂工艺均满足：静电喷涂电压范围为8.0-9.0v，出液速度为0.8-1.5ml/min，喷嘴管径为0.3-0.4mm，喷嘴与质子膜的间距为1.3-2.0cm。

32、第三方面，本申请提供了一种燃料电池，包括所述膜电极或所述制备方法制得的膜电极。

33、第四方面，本申请提供了一种用电设备，包括所述燃料电池。

34、相比现有技术，本申请的有益效果在于：

35、(1)本申请通过在靠近质子交换膜侧的阴极催化层部分即第一催化层，选择长度更长、管径更细的碳纳米管负载pt，以利用其高导电性的特性提高整体阴极催化层的传质能力，从而提高反应速率；在靠近气体扩散层侧的阴极催化层部分即第三催化层，选择长度更短、管径更粗的碳纳米管负载pt，以提高孔隙率，从而提高pt利用率，并降低氧气扩散和水排的阻力；在第一催化层和第三催化层之间设置第二催化层，并选择该层碳纳米管的长度和管径介于第一催化层和第三催化层之间，以起到过渡作用，兼顾传质和高孔隙率特性，保证电流密度分布更加均匀。

36、(2)本申请膜电极不仅传质与水气传输性更好，而且电流分布均匀性良好。

技术特征：

1.一种膜电极，其特征在于，包括质子交换膜、设于所述质子交换膜一面上的阴极催化层以及设于所述质子交换膜另一面上的阳极催化层；

2.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，l1＝10-30μm，d1＝10-30nm；l2＝2-10μm，d2＝30-80nm；l3＝1-5μm，d3＝50-100nm。

3.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第一催化层、第二催化层和第三催化层均满足：所含pt的质量为所含碳纳米管和pt总质量的10％-50％。

4.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第一催化层、第二催化层和第三催化层均满足：所含离聚物与所含碳纳米管的质量比为(0.2-0.7):1。

5.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第一催化层、第二催化层和第三催化层的厚度均为5-50μm。

6.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，满足特征1)-3)中的至少一项：

7.一种膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的膜电极的制备方法，其特征在于，满足特征a)-j)中的至少一项：

9.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项所述的膜电极或权利要求7～8所述的制备方法制得的膜电极。

10.一种用电设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的燃料电池。

技术总结
本申请公开了一种膜电极及其制备方法、燃料电池与用电设备，属于新能源技术领域。本申请通过在靠近质子交换膜侧的阴极催化层部分即第一催化层，选择长度更长、管径更细的碳纳米管负载Pt，以利用其高导电性来提高整体阴极催化层的传质能力，从而提高反应速率；在靠近气体扩散层侧的阴极催化层部分即第三催化层，选择长度更短、管径更粗的碳纳米管负载Pt，以提高孔隙率，从而提高Pt利用率，并降低氧气扩散和水排的阻力；在第一催化层和第三催化层之间设置第二催化层，并选择该层碳纳米管的长度和管径介于第一催化层和第三催化层之间，以起到过渡作用，兼顾传质和高孔隙率特性，保证电流密度分布更加均匀。

技术研发人员：郝彦淇,冯红丽,刘慧,彭隽曦
受保护的技术使用者：广州烯湾氢能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8