电化学燃料电池的阴极电极设计制造技术

膜电极组件，包括：阳极电极；阴极电极；以及聚合物电解质膜；其中所述阴极包括第一阴极催化剂子层，其包含第一贵金属催化剂组合物和第一离聚物组合物，所述第一离聚物组合物包含第一离聚物和第二离聚物；以及第二阴极催化剂子层，其包含第二贵金属催化剂组合物和含有第三离聚物的第二离聚物组合物；其中所述第一离聚物在化学结构和当量重量中的至少一方面不同于所述第二离聚物。

Design of cathode electrode for electrochemical fuel cell

The membrane electrode assembly includes: an anode electrode; a cathode electrode; and a polymer electrolyte membrane; the cathode comprises a first cathode catalyst sublayer comprising a first noble metal catalyst composition and a first ionomer composition comprising a first ionomer and a second ionomer; and a second cathode catalyst sublayer comprising a second noble metal catalyst sublayer. Chemical composition and second ionomer composition containing a third ionomer; the first ionomer is different from the second ionomer in at least one aspect of its chemical structure and equivalent weight.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电化学燃料电池的阴极电极设计背景本公开的领域本公开涉及用于电化学燃料电池的催化剂层，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。相关技术的描述电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化为电力。固体聚合物电化学燃料电池通常采用膜电极组件，其包括设置在两个电极之间的固体聚合物电解质膜。膜电极组件通常介于两个导电流场板之间以形成燃料电池。这些流场板用作集电器，为电极提供支撑，并为反应物和产物提供通道。这种流场板通常包括流体流动通道以分别将燃料和氧化剂反应物流体的流动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，电极电耦合用于通过外部电路在电极之间传导电子。通常，多个燃料电池串联电耦合以形成具有期望功率输出的燃料电池堆。阳极和阴极分别各自含有一层阳极催化剂和阴极催化剂。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。催化剂层可以含有离子导电材料，例如(由E.I.duPontdeNemoursandCo.提供的)和/或粘合剂，例如聚四氟乙烯(PTFE)。每个电极还包括导电多孔基板，例如碳纤维纸或碳布，用于反应物分布和/或机械支撑。多孔基板的厚度通常为约50至约250微米。任选地，电极可以包括设置在催化剂层与基板之间的多孔子层。子层通常含有导电颗粒(例如碳颗粒)和任选的防水材料，用于改变其性质，例如气体扩散和水管理。可以将催化剂涂覆至膜上以形成催化剂涂覆的膜(CCM)或涂覆至子层或基板上以形成电极。由于通常使用的贵金属，催化剂是燃料电池中最昂贵的组分之一。这种贵金属包括铂和金，其通常与其他金属混合或合金化，例如钌、铱、钴、镍、钼、钯、铁、锡、钛、锰、铈、铬、铜和钨，以增强优选的反应并减轻不期望的副反应，这些副反应对于阳极和阴极是不同的。催化剂可以负载在催化剂载体上以减少所需催化剂的负载量并改善催化剂层中的电子电导率。可以在催化剂层中使用额外的电子导体，例如碳和石墨，以进一步改善电导率。氢气燃料电池中的阳极和阴极半电池反应如以下方程式所示：H2→2H++2e-(1)1/2O2+2H++2e-→H2O(2)在阳极上，主要功能是使氢燃料氧化以形成质子和电子。取决于燃料源，阳极催化剂可能需要耐受杂质。例如，当在基于重整物的燃料上操作时，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，铂合金催化剂(例如铂-钌)在阳极上是优选的。在阴极上，主要功能是使氧还原并形成水。该反应固有地比阳极反应慢得多，因此，阴极催化剂的负载量通常比阳极催化剂的负载量高。增强阴极半电池反应的一种方法是改善催化剂层的电化学活性和催化剂利用率，从而减少与电子电阻和质子电阻以及质量传递有关的电压损失。在另一个实例中，如第2017/0141406号美国专利公开中所公开的，双层阴极催化剂层设计可以提供性能和耐久性的改进。在催化剂层中，本领域众所周知的是，其中催化剂、反应物和电解质(或膜)相遇的三相边界是进行电化学反应所必需的。例如，为了在常规聚合物电解质燃料电池的阴极上进行氧还原反应，质子需要通过质子导体从膜传导至催化剂，电子需要从催化剂传导至集电器，并且氧气和产物水需要能够行进往返于催化剂层和气体通道。催化剂层中使用的质子导体通常是离聚物，其可以与膜中的离聚物相同或不同。许多不同的离聚物以各种组成和当量重量(EW)存在与本领域中。通常，较低的EW离聚物在较低的相对湿度下是优选的，并且较高的EW离聚物在较高的相对湿度下是优选的。已经进行了大量研究来表征膜中的离聚物。最常用的离聚物是全氟磺酸(PFSA)离聚物，例如(DuPont)，特别适用于低温至中温应用，因为它具有相对高的耐化学降解性以及在潮湿工作条件下相对高的质子传导性。然而，其质子传导对水合程度的依赖性使得不适合在低相对湿度或较干燥条件下或相对高的温度(超过100摄氏度)下操作。在某些应用中，尤其是汽车应用中，无论是在高温和低温和/或相对湿度下，需要在各种操作条件下保持性能。具有不同性质和化学结构的离聚物各自在不同的操作条件下具有其自身的优点。因此，在催化剂层设计中仍然存在许多研究以改善在宽范围的操作参数上的性能。本说明书解决了这些问题并提供了进一步的相关优点。简要概述简而言之，本公开涉及用于电化学燃料电池的阴极催化剂层。在一个实施方案中，膜电极组件包括阳极电极，其包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层；阴极电极，其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，其介于阳极催化剂层与阴极催化剂层之间；其中阴极催化剂层包括：第一阴极催化剂子层，其邻近聚合物电解质膜，第一阴极催化剂子层包含第一贵金属催化剂组合物和第一离聚物组合物，第一离聚物组合物包含第一离聚物和第二离聚物；以及第二阴极催化剂子层，其邻近阴极气体扩散层，第二阴极催化剂子层包含第二贵金属催化剂组合物和第二离聚物组合物，第二离聚物组合物包含第三离聚物；其中第一离聚物在化学结构和当量重量中的至少一方面不同于第二离聚物。在一些实施方案中，第一离聚物具有(1)的化学结构，并且第二离聚物具有(2)的化学结构：在一些实施方案中，第一离聚物具有比第二离聚物低的当量重量。在一些实施方案中，第一离聚物的化学结构和当量重量不同于第二离聚物。在具体的实施方案中，第一离聚物的当量重量小于约900EW，并且第二离聚物的当量重量等于或大于约900EW。参考附图和以下详细描述，这些和其他方面将是显而易见的。附图简述在附图中，相同的参考标记表示相似的元件或动作。附图中的元件的尺寸和相对位置不一定按比例绘制。例如，各种元件和角度的形状未按比例绘制，并且这些元件中的一些被任意放大和定位以改善附图易读性。此外，所绘制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，并且为了便于在附图中识别而单独选择。图1示出了根据一个实施方案的膜电极组件的分解横截面。图2a示出了比较例1至4在100％相对湿度下的稳态极化曲线图。图2b示出了比较例1至4在60％相对湿度下的稳态极化曲线图。图3a示出了比较例5和本申请实施例1至3在100％相对湿度下的平均稳态极化曲线图。图3b显示了比较例5和本申请实施例1至3在60％相对湿度下的平均稳态极化曲线图。图4a示出了比较例5至7和本申请实施例2在100％相对湿度下的稳态极化曲线图。图4b示出了比较例5至7和本申请实施例2在60％相对湿度下的稳态极化曲线图。详述除非上下文另有要求，否则在整个说明书和随后的权利要求中，词语“包含/包括(comprise)”及其变体，例如“包含/包括(comprises)”和“包含/包括(comprising)”应以开放式、包含性的含义来解释，即“包括但不限于”。在本文中，“负载量”是指形成或应用于基板上的材料的量，并且通常表示为基板的每单位表面积的材料的质量。在本文中，催化剂和催化剂载体的“表面积”是指通过BET方法测量的表面积。如本文所用，“石墨化碳”是指至少在碳颗粒的表面上主要包含石墨碳的碳材料。在本文中，“至少部分石墨化”的碳质载体意指碳质载体的表面包含至少一些石墨碳。根据一个实施方案，参考图1，膜电极组件2包括阳极电极4，其包括阳极气体扩散层6和阳极催化剂层8；阴极电极10，其包括阴极气体扩散层12和阴极催化剂层14；以及聚合物电解质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.膜电极组件，包括：阳极电极，其包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层；阴极电极，其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，其介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，其邻近所述聚合物电解质膜，所述第一阴极催化剂子层包含第一贵金属催化剂组合物和第一离聚物组合物，所述第一离聚物组合物包含第一离聚物和第二离聚物；以及第二阴极催化剂子层，其邻近所述阴极气体扩散层，所述第二阴极催化剂子层包含第二贵金属催化剂组合物和第二离聚物组合物，所述第二离聚物组合物包含第三离聚物；其中所述第一离聚物在化学结构和当量重量中的至少一方面不同于所述第二离聚物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.30 US 62/402,6381.膜电极组件，包括：阳极电极，其包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层；阴极电极，其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，其介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，其邻近所述聚合物电解质膜，所述第一阴极催化剂子层包含第一贵金属催化剂组合物和第一离聚物组合物，所述第一离聚物组合物包含第一离聚物和第二离聚物；以及第二阴极催化剂子层，其邻近所述阴极气体扩散层，所述第二阴极催化剂子层包含第二贵金属催化剂组合物和第二离聚物组合物，所述第二离聚物组合物包含第三离聚物；其中所述第一离聚物在化学结构和当量重量中的至少一方面不同于所述第二离聚物。2.如权利要求1所述的膜电极组件，其中所述第一离聚物具有以下化学结构：3.如权利要求2所述的膜电极组件，其中所述第二离聚物具有以下化学结构：4.如权利要求1所述的膜电极组件，其中所述第一离聚物具有比所述第二离聚物低的当量重量。5.如权利要求1所述的膜电极组件，其中所述第一离聚物的当量重量比所述第二离聚物的当量重量低约100以上。...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶思宇，梁·亚历山大·文聪，K·柏，达斯汀·威廉·H·班哈姆，艾伦·杨，
申请(专利权)人：百拉得动力系统公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA