CN107634229B - 用于燃料电池电堆的膜电极 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种用于燃料电池电堆的膜电极，所述膜电极包括：阴极催化层、全氟磺酸膜、阳极催化层；该膜电极催化层中添加一种金属有机骨架材料，该金属有机骨架材料具有镂空球状结构，可提高催化层孔隙率。该金属有机骨架材料具有高质子传导率可以提供催化层一定保湿能力。本发明提出的用于质子交换膜燃料电池电堆的膜电极，可提高电堆性能，提高干燥气候下电堆适应能力，提高电堆能量密度。同时通过改善催化层反应活性降低贵金属催化剂用量，极大降低了电堆成本。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池电堆，尤其涉及一种用于燃料电池电堆的膜电极。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种高效环保，无污染零排放的新型清洁能源转换装置。能被广泛应用于航空、军工、交通、民用等行业。
该装置采用氢气为燃料，以含有氧气的空气为氧化剂。氢气在膜电极阳极催化层侧发生氧化反应，失去电子变成质子，电子经外电路传输到膜电极阴极催化层侧，质子通过膜电极的质子交换膜传递到阴极催化层。氧气在膜电极的阴极催化层侧得到经外电路传输过来的电子发生还原反应，与经质子交换膜从阳极传递过来的质子结合生成水。膜电极作为发生化学反应的场所，膜电极的材料性能、组成配比及结构对膜电极性能影响十分显著。
然而，现有的膜电极性能较差，适应能力不强，能量密度较低。有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的膜电极，以便克服现有膜电极存在的上述缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于燃料电池电堆的膜电极，可提高电堆性能，提高干燥气候下电堆适应能力，提高电堆能量密度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于燃料电池电堆的膜电极，所述膜电极包括：阴极催化层、全氟磺酸膜、阳极催化层，所述阳极催化层和阴极催化层中添加一种金属有机骨架材料；
所述阴极催化层添加有定量金属有机骨架材料，金属有机骨架材料在阴极催化层中可提高阴极催化层的介孔孔隙率，有利于反应气体进入到催化层内部进行反应；
所述阳极催化层添加有定量有机骨架材料，金属有机骨架材料在阳极催化层中可提高阳极保湿性能，降低质子传递阻力；
所述阴极催化层和阳极催化层中金属有机骨架材料的添加量是不同的；或者，所述阳极催化层中不添加金属有机骨架材料，仅阴极催化层中添加金属有机骨架材料；
所述膜电极在添加金属有机骨架材料到催化层中前可对金属有机骨架材料做预处理，但预处理不改变该金属有机骨架材料的物理结构；该预处理的目的是提高金属有机骨架材料的导电性；
所述膜电极在添加金属有机骨架材料到催化层中前可不对金属有机骨架材料做预处理，该金属有机骨架材料的不饱和金属提供活性位能可以高效吸附反应气中毒性一氧化碳，提供膜电极抗中毒能力；
该膜电极的金属有机骨架材料在催化层内分别梯度递减，近气体扩散层侧金属有机骨架材料的分布比近质子交换膜侧的密度高；
该膜电极的金属有机骨架材料按占催化剂和粘结剂0.5％～10％的比例添加到浆料中混合均匀后涂布到全氟磺酸膜表面；
采用喷涂方式的浆料浓度比采用刮涂方式的浆料浓度低；
采用超声分散的方式获得均匀浆料，或者采用球磨的方式获得均匀浆料。
一种用于燃料电池电堆的膜电极，所述膜电极包括：阴极催化层、阳极催化层、质子交换膜，阴极催化层和阳极催化层中添加有一种金属有机骨架材料；
所述的金属有机骨架材料具有类似镂空球状结构，其具有2nm至4nm的介孔孔道。
所述的金属有机骨架材料具有磺酸基团，具有良好的质子传导率和一定保湿能力；
所述的金属有机骨架材料按催化层物质总量2.5％的比例添加到催化层中；
所述的金属有机骨架材料可以是磺化MIL-101；
所述的金属有机骨架材料先与催化剂混合，然后再加入粘结剂和溶剂进行超声分散或球磨得到均匀分散的催化剂浆料；
所述的阴极催化剂浆料可以分成A、B两部分，其中A部分不添加金属有机骨架材料，B部分添加金属有机骨架材料；
所述的阴极催化剂浆料可不分为A、B两部分；
所述的阴极催化剂浆料依次涂覆到质子交换膜一侧，A部分先涂覆到质子交换膜一侧，干燥后再将B部分涂覆到A部分涂层上；
所述的阴极催化剂浆料A、B部分中催化剂比例为2:1至5:1之间；
所述的阳极催化剂浆料可以分为A、B两部分，其中A部分不添加金属有机骨架材料，B部分添加金属有机骨架材料；
所述的阳极催化剂浆料可不分为A、B两部分；
所述的阳极催化剂浆料依次涂覆到质子交换膜一侧，A部分先涂覆到质子交换膜一侧，干燥后再将B部分涂覆到A部分涂层上；
所述的阳极催化剂浆料A、B部分中催化剂比例为2:1至5:1之间。
一种用于质子交换膜燃料电池电堆的膜电极，所述膜电极包括：阴极催化层、全氟磺酸膜、阳极催化层，所述阳极催化层和阴极催化层中添加一种金属有机骨架材料。
作为本发明的一种优选方案，所述阳极催化层中添加一种金属有机骨架材料。
作为本发明的一种优选方案，所述阴极催化层中添加一种金属有机骨架材料。
作为本发明的一种优选方案，所述阳极催化层分成两层，近气体扩散层的催化层添加金属有机骨架材料而近质子交换膜侧不添加。
作为本发明的一种优选方案，所述阴极催化层分成两层，近气体扩散层的催化层添加金属有机骨架材料而近质子交换膜侧不添加。
作为本发明的一种优选方案，催化剂浆料的制备采用超声分散或球磨的方式。
膜电极作为燃料电池能量转换的化学反应场所，在阴极催化层中发生还原反应，在阳极催化层中发生氧化反应。氢气在阳极催化层中被氧化失去电子后变成质子，经全氟磺酸膜转移到阴极催化层侧；氧气在阴极催化层中得到经外电路传输过来的电子被还原与从阳极转移过来的质子结合变成水。而化学反应都是在固液气三相区发生，所以催化层需要同时具备电子通道、质子传输通道、气体传输通道。增加固液气三相区这些活性位点的部分办法就是增加通道数量。
膜电极催化层的制备通常有两种形式，一是涂覆到气体扩散层上后再与质子交换膜进行热压；一是涂覆到质子交换膜上后再与气体扩散层进行压合。涂覆工艺又大体包括刮涂、丝印和喷涂三种方式。
为让催化层疏松多孔，通常采用分批多次涂覆的方式，但是造成涂覆时间增长，生产效率降低。
采用催化层中添加造孔剂的方式，通常造孔剂分解后产生的挥发性气体会对催化剂造成危害，或者分解后残留的无机离子会占据磺酸基团上质子的位置，需要进行对残留无机离子进行清理，造成工序繁琐。
采用催化层中添加石墨烯可以提高催化层横向导电能力，对提供孔隙率无帮助。
本发明的有益效果在于：本发明提出的用于燃料电池电堆的膜电极，该膜电极能够实现增加能量密度，提高能量转化效率和电堆性能；有助于提高膜电极催化层内部的气体传输能力，引导阴极产生的过量水向阳极渗透提高膜电极自身水管理能力，并且添加的金属有机骨架材料自身具有的磺酸基团可以充当质子传递通道。本发明有助于解决催化层内部气体扩散阻力大，在大电流条件下物质传输不及时的问题，减少浓差极化。与现有膜电极设计相比，本方法有助于提高电堆性能，降低气体背压，提高电堆能量密度。
由于传统的燃料电池双极板存在在大电流情况下气体扩散速度过慢，容易发生浓差极化，功率过低等，以至极限电流小和难以长时间恒流放电等。
相比之下，本发明内容中的膜电极通过改善催化层微观孔隙率，其中同时添加的金属有机骨架材料可以提高水迁移能力改善水管理。可以将反应气体均匀的分散到催化层内部，有助于提供燃料电池电堆效率和提供功率密度。可以降低催化层铂金催化剂的用量，极大降低电堆成本。
附图说明
图1为膜电极双催化层结构示意图。
图2为膜电极单催化层结构示意图。
图3为膜电极催化层局部示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图1，本发明揭示了一种用于燃料电池电堆的膜电极，所述膜电极包括：阴极催化层、阳极催化层、全氟磺酸膜，所述阴极催化层、阳极催化层添加镂空的金属有机骨架材料来增强催化层气体传输能力，增强催化层水管理能力。
图1中，金属有机骨架材料1和催化剂2通过粘结剂3分布于催化层近气体扩散层侧。
图1中，催化剂2通过粘结剂3分布于催化层近全氟磺酸膜4侧。
实施例二
请参阅图2，本发明揭示了一种用于燃料电池电堆的膜电极，所述膜电极包括：阴极催化层、阳极催化层、全氟磺酸膜，所述阴极催化层、阳极催化层添加镂空的金属有机骨架材料来增强催化层气体传输能力，增强催化层水管理能力。
图2中，金属有机骨架材料1a、催化剂2a通过粘结剂3a均匀分布于全氟磺酸膜侧4a。
图3中，金属有机骨架材料1b、催化剂2b通过粘结剂3b均匀分布于全氟磺酸膜侧4b。反应气体可以通过镂空的金属有机骨架材料孔道扩散到内层的催化剂上参与反应。
综上所述，本发明提出的用于质子交换膜燃料电池电堆的膜电极，该膜电极能够实现提高催化层气体传输效率，提高催化层水管理能力，从而能量转化效率和燃料电池电堆性能减少催化层贵金属催化剂的用量，降低燃料电池电堆成本。本发明有助于解决燃料电池膜电极催化层反应气体传输困难，水管理难度大的问题。与现有膜电极制备方案相比，本方法有助于提高燃料电池电堆性能，降低膜燃料电池电堆反应气背压要求，提高燃料电池电堆能量密度，降低燃料电池电堆成本，帮助实现燃料电池电堆的快速商业化。
实施例三
本发明揭示一种用于燃料电池电堆的膜电极，所述膜电极包括：阴极催化层、阳极催化层、质子交换膜，阴极催化层和阳极催化层中添加有一种金属有机骨架材料。
所述的金属有机骨架材料具有类似镂空球状结构，其具有2nm至4nm的介孔孔道。
所述的金属有机骨架材料具有磺酸基团，具有良好的质子传导率和一定保湿能力；所述的金属有机骨架材料按催化层物质总量2.5％的比例添加到催化层中。
所述的金属有机骨架材料可以是磺化MIL-101；也可以是其他金属有机骨架材料。
所述的金属有机骨架材料先与催化剂混合，然后再加入粘结剂和溶剂进行超声分散或球磨得到均匀分散的催化剂浆料。
所述的阴极催化剂浆料可以分成A、B两部分，其中A部分不添加金属有机骨架材料，B部分添加金属有机骨架材料。当然，所述的阴极催化剂浆料也可以不分为A、B两部分。
所述的阴极催化剂浆料依次涂覆到质子交换膜一侧，A部分先涂覆到质子交换膜一侧，干燥后再将B部分涂覆到A部分涂层上。
本实施例中，所述的阴极催化剂浆料A、B部分中催化剂比例为2:1至5:1之间(当然也可以是其他比例)。
所述的阳极催化剂浆料可以分为A、B两部分，其中A部分不添加金属有机骨架材料，B部分添加金属有机骨架材料。所述的阳极催化剂浆料也可以不分为A、B两部分。
所述的阳极催化剂浆料依次涂覆到质子交换膜一侧，A部分先涂覆到质子交换膜一侧，干燥后再将B部分涂覆到A部分涂层上。
本实施例中，所述的阳极催化剂浆料A、B部分中催化剂比例为2:1至5:1之间(当然也可以是其他比例)。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (2)
1.一种用于燃料电池电堆的膜电极，其特征在于，所述膜电极包括：阴极催化层、全氟磺酸膜、阳极催化层，所述阳极催化层和阴极催化层中添加一种金属有机骨架材料；
所述阴极催化层添加有定量金属有机骨架材料，金属有机骨架材料在阴极催化层中提高阴极催化层的介孔孔隙率，有利于反应气体进入到催化层内部进行反应；
所述阳极催化层添加有定量有机骨架材料，金属有机骨架材料在阳极催化层中提高阳极保湿性能，降低质子传递阻力；
所述阴极催化层和阳极催化层中金属有机骨架材料的添加量是不同的；所述阴极催化层和阳极催化层中添加的金属有机骨架材料自身具有的磺酸基团，充当质子传递通道；
所述膜电极在添加金属有机骨架材料到催化层中前可对金属有机骨架材料做预处理，但预处理不改变该金属有机骨架材料的物理结构；该预处理的目的是提高金属有机骨架材料的导电性；
所述膜电极在添加金属有机骨架材料到催化层中前可不对金属有机骨架材料做预处理，该金属有机骨架材料的不饱和金属提供活性位能高效吸附反应气中毒性一氧化碳，提供膜电极抗中毒能力；
该膜电极的金属有机骨架材料在催化层内分别梯度递减，近气体扩散层侧金属有机骨架材料的分布比近质子交换膜侧的密度高；
该膜电极的金属有机骨架材料按占催化剂和粘结剂0.5％～10％的比例添加到浆料中混合均匀后涂布到全氟磺酸膜表面；
采用超声分散的方式获得均匀浆料，或者采用球磨的方式获得均匀浆料。
2.一种用于燃料电池电堆的膜电极，所述膜电极包括：阴极催化层、阳极催化层、质子交换膜，阴极催化层和阳极催化层中添加有一种金属有机骨架材料；
所述金属有机骨架材料具有类似镂空球状结构，其具有2nm至4nm的介孔孔道；
所述金属有机骨架材料具有磺酸基团，具有良好的质子传导率和一定保湿能力；
所述金属有机骨架材料按催化层物质总量2.5％的比例添加到催化层中；
所述金属有机骨架材料为磺化MIL-101；
所述金属有机骨架材料先与催化剂混合，然后再加入粘结剂和溶剂进行超声分散或球磨得到均匀分散的催化剂浆料；
所述阴极催化剂浆料分成A、B两部分，其中A部分不添加金属有机骨架材料，B部分添加金属有机骨架材料；
所述阴极催化剂浆料依次涂覆到质子交换膜一侧，A部分先涂覆到质子交换膜一侧，干燥后再将B部分涂覆到A部分涂层上；
所述阴极催化剂浆料A、B部分中催化剂比例为2:1至5:1之间；
所述阳极催化剂浆料分为A、B两部分，其中A部分不添加金属有机骨架材料，B部分添加金属有机骨架材料；
所述阳极催化剂浆料依次涂覆到质子交换膜一侧，A部分先涂覆到质子交换膜一侧，干燥后再将B部分涂覆到A部分涂层上；
所述阳极催化剂浆料A、B部分中催化剂比例为2:1至5:1之间。
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Families Citing this family (6)
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| CN112117468B (zh) * | 2020-08-21 | 2021-10-08 | 同济大学 | 一种骨架燃料电池催化层的制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1656632A (zh) * | 2002-05-23 | 2005-08-17 | 哥伦比亚化学公司 | 质子导电性碳材料 |
| CN103178273A (zh) * | 2013-03-01 | 2013-06-26 | 北京化工大学常州先进材料研究院 | 一种MOFs/石墨烯复合载体的电催化剂及制备方法 |
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Family Cites Families (1)
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1656632A (zh) * | 2002-05-23 | 2005-08-17 | 哥伦比亚化学公司 | 质子导电性碳材料 |
| CN103178273A (zh) * | 2013-03-01 | 2013-06-26 | 北京化工大学常州先进材料研究院 | 一种MOFs/石墨烯复合载体的电催化剂及制备方法 |
| CN103219531A (zh) * | 2013-03-01 | 2013-07-24 | 北京化工大学常州先进材料研究院 | 一种金属有机骨架为载体的高活性电催化剂及制备方法 |
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