用于电化学电池的阴极设计制造技术

膜电极组件包括：阳极电极，包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层；阴极电极，包括阴极气体扩散层和阴极催化剂层；以及聚合物电解质膜，插置在所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层之间，其中所述阴极催化剂层包括：与所述聚合物电解质膜相邻的第一阴极催化剂子层，所述第一阴极催化剂子层包括负载在第一碳质载体上的第一催化剂和负载在第二碳质载体上的第二催化剂；以及与所述阴极气体扩散层相邻的第二阴极催化剂子层，所述第二阴极催化剂子层包括负载在第三碳质载体上的第三催化剂，其中所述第一碳质载体是炭黑，并且所述第二碳质载体和所述第三碳质载体是石墨化碳。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学电池的阴极设计
本专利技术涉及用于电化学电池的催化剂层，特别是用于电化学燃料电池的膜电极组件的阴极催化剂层。
技术介绍
电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化为电。固体聚合物电化学燃料电池通常采用包括设置在两个电极之间的固体聚合物电解质膜的膜电极组件。膜电极组件通常插置在两个导电流场板之间以形成燃料电池。这些流场板充当集流体、为电极提供载体，并为反应物和产物提供通道。此类流场板通常包括流体流动通道，以将燃料和氧化剂反应物流体的流分别引导至每个膜电极组件的阳极和阴极，并去除过量的反应物流体和反应产物。在操作中，将电极电联接，以通过外部电路在电极之间传导电子。通常，将多个燃料电池串联电联接以形成具有期望的功率输出的燃料电池堆。阳极和阴极各自分别含有阳极催化剂层和阴极催化剂层。催化剂可以是金属、合金或负载的金属/合金催化剂，例如负载在炭黑上的铂。催化剂层可含有离子导电材料，如(由E.I.duPontdeNemoursandCo.提供)，和/或粘结剂，如聚四氟乙烯(PTFE)。每个电极进一步包括用于反应物分布和/或机械支撑的导电多孔衬底，如碳纤维纸或碳布。多孔衬底的厚度通常在约50至约250微米的范围。可选地，电极可包括设置在催化剂层和衬底之间的多孔子层。子层通常含有导电粒子，如碳粒子，并且可选地包括用于改变其如气体扩散和水管理的性质的防水材料。催化剂可涂覆在膜上以形成催化剂涂覆的膜(CCM)，或涂覆至子层或衬底上以形成电极。由于通常使用贵金属，因此催化剂是燃料电池中最昂贵的组分之一。此类贵金属包括铂和金，其经常与其它金属如钌、铱、钴、镍、钼、钯、铁、锡、钛、锰、铈、铬、铜和钨混合或合金化，以增强可取的反应并减轻不需要的副反应，对于阳极和阴极，可取的反应和不需要的副反应不同。氢气燃料电池中的阳极和阴极半电池反应如下式中所示：H2→2H++2e-(1)1/2O2+2H++2e-→H2O(2)在阳极上，主要功能是氧化氢燃料以形成质子和电子。根据燃料源，阳极催化剂可能需要耐受杂质。例如，当对基于重整物的燃料进行操作时，经常发生阳极催化剂的一氧化碳中毒。为了减轻一氧化碳中毒，在阳极上优选铂合金催化剂，如铂-钌合金。在阴极上，主要功能是还原氧并且形成水。该反应固有地比阳极反应慢得多，因此，阴极催化剂载荷通常高于阳极催化剂载荷。增强阴极半电池反应的一种方式是改进催化剂层的电化学活性和催化剂利用率，由此降低与催化动力学有关的电压损失。例如，美国第7,419,740号专利公开了具有增强活性和改进利用率的贵金属催化剂的膜电极组件。具体地，膜电极组件具有含有负载在碳上的贵金属催化剂和质子传导聚合物的反应层，其中阴极侧上的反应层包括在彼此顶部上的至少两个子层，即第一子层和第二子层，其中所述第一子层与所述聚合物电解质膜直接接触并且含有贵金属黑和负载在碳上的贵金属催化剂，并且所述第二子层含有进一步负载的贵金属催化剂。然而，使用贵金属黑是不期望的，因为难以实现降低成本所需的低催化剂载荷，并且倾向于产生更致密的层，产生更致密的层由于降低孔隙率而产生了水管理和气体扩散的问题。同时，阳极和阴极中的催化剂需要能够经受在燃料电池工作和燃料电池启动和关闭期间可能发生的劣化。典型的催化剂劣化模式包括催化剂载体材料的腐蚀以及铂的溶解和聚结，这导致由于铂表面积减小所致的燃料电池性能的降低。催化剂劣化是一个重要的问题，因为它对燃料电池寿命和总成本具有不利影响。为了减轻腐蚀，石墨化碳载体优于炭黑载体，因为石墨化碳载体更稳定且更不易受到腐蚀。根据M.Murthy和N.Sisofo(“InvestigationofDegradationMechanismsRelevanttoAutomotiveFuelCells”，3rdEuropeanPEFCForum，SessionB03，文件号B031(2005))，据信石墨化过程去除了表面官能团，这降低了碳腐蚀的程度。然而，石墨化碳载体也具有较低的表面积，这使得难以将贵金属催化剂均质地分散至石墨化的碳载体上。因此，具有分散在石墨化碳载体上的贵金属的催化剂通常比具有分散在高表面积载体如炭黑上的贵金属的催化剂显示出更低的电化学活性和燃料电池性能。因此，仍然存在对催化剂和催化剂层设计的大量研究以在降低成本的同时改进催化剂的性能和耐久性。本说明书解决这些问题并提供进一步的相关优点。
技术实现思路
简要地，本专利技术涉及用于电化学燃料电池的催化剂层。在一个实施方式中，膜电极组件包括：阳极电极，包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层；阴极电极，包括阴极气体扩散层和阴极催化剂层；以及聚合物电解质膜，插置于所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间，其中，所述阴极催化剂层包括：与所述聚合物电解质膜相邻的第一阴极催化剂子层，所述第一阴极催化剂子层包括负载在第一碳质载体上的第一催化剂和负载在第二碳质载体上的第二催化剂；以及与所述阴极气体扩散层相邻的第二阴极催化剂子层，所述第二阴极催化剂子层包括负载在第三碳质载体上的第三催化剂，其中，所述第一碳质载体是炭黑，并且所述第二碳质载体和所述第三碳质载体被至少部分石墨化。在具体实施方式中，负载在第一碳质载体上的第一催化剂包括铂-钴合金，并且分别负载在第二碳质载体和第三碳质载体上的第二催化剂和第三催化剂包括铂。在进一步的实施方式中，第一阴极催化剂子层中的离聚物不同于第二阴极催化剂子层中的离聚物。在一些实施方式中，膜电极组件包括：阳极电极，包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层；阴极电极，包括阴极气体扩散层和阴极催化剂层；和聚合物电解质膜，插置于所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间，其中所述阴极催化剂层包括：与所述聚合物电解质膜相邻的第一阴极催化剂子层，所述第一阴极催化剂子层包括负载在第一碳质载体上的第一催化剂和负载在第二碳质载体上的第二催化剂；以及与所述阴极气体扩散层相邻的第二阴极催化剂子层，所述第二阴极催化剂子层包括负载在第三碳质载体上的第三催化剂，其中，所述第一碳质载体上的所述第一催化剂的电化学活性比负载在所述第二碳质载体上的所述第二催化剂和负载在所述第三碳质载体上的所述第三催化剂的电化学活性更高。参照附图和以下详细描述，这些和其它方面将是显而易见的。附图说明在附图中，相同的附图标记标识类似的元件或动作。附图中的元件的大小和相对位置不一定按比例绘制。例如，各种元件的形状和角度不是按比例绘制的，并且这些元件中的一些被任意地放大和定位以改进附图可读性。此外，如所绘出的元件的特定形状不旨在传达关于特定元件的实际形状的任何信息，而仅仅是为了便于在附图中识别而被选择。图1显示了根据一个实施方式的膜电极组件的分解横截面。图2显示了在入口条件(约21％氧)下进行电势循环的情况下的燃料电池性能劣化的图。图3显示了在出口条件(约10.5％氧)下进行电势循环的情况下的燃料电池性能劣化的图。具体实施方式除非上下文另有需要，否则在整个说明书和所附权利要求书中，词语“包括(comprise)”及其变体，如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应以开放的、包括性的意义来解释，即解释为“包括但不限于”。在本上下文中，“载荷”是指形成或施加至衬底上的材料的量，并且通常表示为衬底的每单位表面积的材料的质量。如本文本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膜电极组件，包括：阳极电极，包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层；阴极电极，包括阴极气体扩散层和阴极催化剂层；以及聚合物电解质膜，插置于所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间；其中，所述阴极催化剂层包括：第一阴极催化剂子层，与所述聚合物电解质膜相邻，所述第一阴极催化剂子层包括第一催化剂和第二催化剂，所述第一催化剂负载于第一碳质载体上，所述第二催化剂负载于第二碳质载体上；以及第二阴极催化剂子层，与所述阴极气体扩散层相邻，所述第二阴极催化剂子层包括第三催化剂，所述第三催化剂负载于第三碳质载体上；其中，所述第一碳质载体是炭黑，并且所述第二碳质载体和所述第三碳质载体至少部分石墨化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.08 US 62/022,0941.一种膜电极组件，包括：阳极电极，包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层；阴极电极，包括阴极气体扩散层和阴极催化剂层；以及聚合物电解质膜，插置于所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间；其中，所述阴极催化剂层包括：第一阴极催化剂子层，与所述聚合物电解质膜相邻，所述第一阴极催化剂子层包括第一催化剂和第二催化剂，所述第一催化剂负载于第一碳质载体上，所述第二催化剂负载于第二碳质载体上；以及第二阴极催化剂子层，与所述阴极气体扩散层相邻，所述第二阴极催化剂子层包括第三催化剂，所述第三催化剂负载于第三碳质载体上；其中，所述第一碳质载体是炭黑，并且所述第二碳质载体和所述第三碳质载体至少部分石墨化。2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第一催化剂、所述第二催化剂和所述第三催化剂选自包括以下所列的组：铂、金、钌、铱、钴、镍、钼、钯、铁、锡、钛、锰、铈、铬、铜、钨、及其合金、固溶体和金属间化合物。3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第一催化剂、所述第二催化剂和所述第三催化剂包括铂。4.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第一催化剂包括铂和钴的合金。5.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第一催化剂包括铂和镍的合金。6.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第一碳质载体的比表面积比至少部分石墨化的所述第二碳质载体和所述第三碳质载体的比表面积大。7.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第一碳质载体具有约250m2/g至约2000m2/g的比表面积，其中，至少部分石墨化的所述第二碳质载体和所述第三碳质载体具有约40m2/g至约1500m2/g的比表面积。8.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第一阴极催化剂子层和所述第二阴极催化剂子层包括离聚物。9.根据权利要求8所述的膜电极组件，其中，所述第一阴极催化剂子层的离聚物含量与所述第二阴极催化剂子层的离聚物含量不同。10.一种燃料电池，包括根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾伦·杨，叶思宇，莎娜·D·奈茨，K·柏，
申请(专利权)人：BDFIP控股有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA