本申请提供了一种制备燃料电池的膜电极组件的阴极催化层结构的方法。该方法包括形成具有至少第一催化层和第二催化层的阴极催化层结构，第二催化层用于比第一催化层更靠近膜电极组件的质子交换膜定位，第一催化层由第一浆料形成，并且第二催化层由第二浆料形成。该方法包括选取第一浆料和第二浆料中的铂类催化剂的平均粒径、碳载体的比表面积、I/C比和铂类催化剂占碳载体和铂类催化剂的总重量的重量百分率。本申请还提供了一种通过前述方法制备得到的阴极催化层结构。根据本申请，能够在最大化阴极催化层结构的整体的质子传导能力、氧输送能力和ECSA的同时，有效减轻阴极催化层结构上的铂类催化剂颗粒团聚和碳载体腐蚀。结构上的铂类催化剂颗粒团聚和碳载体腐蚀。结构上的铂类催化剂颗粒团聚和碳载体腐蚀。
【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池的膜电极的阴极催化层结构及其制备方法
[0001]本申请总体上涉及燃料电池的领域，具体而言，涉及制备用于燃料电池的膜电极的阴极催化层结构的方法，以及由这种方法制备得到的阴极催化层结构。
技术介绍
[0002]利用燃料与氧化剂的电化学反应发电的燃料电池系统被日益广泛地用来提供电力，尤其是在电动车辆领域中。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种广泛应用的燃料电池，其采用氢气为燃料，氧气为氧化剂。PEMFC的膜电极组件(MEA)由聚合物电介质膜(即，质子交换膜)、膜两侧的催化层(CL)和扩散层(GDL)组成。PEMFC的电化学反应发生在MEA中，主要涉及氢氧化(HOR)过程和氧还原(ORR)过程。H2和O2分别通过阳极扩散层和阴极扩散层传输到阳极催化层和阴极催化层中，H2在阳极催化层处在阳极催化剂的作用下失去电子，形成H
+
。H
+
通过质子交换膜传递到阴极侧，在阴极催化层处在阴极催化剂的作用下与O2结合成H2O。H2O通过扩散层传递到流场中，随后排出PEMFC。电子则通过外电路流向阴极以形成电流。
[0003]ORR过程是决定PEMFC的电化学反应速率的关键。阴极催化层作为ORR过程的发生场所，其构造和组分将直接影响MEA的性能和寿命，从而影响PEMFC的性能和寿命。因此，在行业中总是存在调节阴极催化层的构造和组分以提高MEA的性能和寿命的需求。
技术实现思路
[0004]本申请旨在提供一种改进的制备燃料电池的膜电极组件的阴极催化层结构的方法，以通过调节阴极催化层的构造和组分来提高MEA的性能和寿命。
[0005]根据本申请的一个方面，提供了一种制备燃料电池的膜电极组件的阴极催化层结构的方法，其特征在于，所述方法包括形成具有至少第一催化层和第二催化层的阴极催化层结构，所述第二催化层用于比所述第一催化层更靠近所述膜电极组件的质子交换膜定位，所述第一催化层由第一浆料形成，并且所述第二催化层由第二浆料形成，其中：(1)所述第一浆料中的第一铂类催化剂的第一平均粒径小于所述第二浆料中的第二铂类催化剂的第二平均粒径；(2)所述第一浆料中的第一碳载体的第一比表面积大于等于200m2/g，并且所述第二浆料中的第二碳载体的第二比表面积小于等于200m2/g；(3)所述第一浆料中的第一I/C比大于0.9，并且所述第二浆料中的第二I/C比小于等于0.9；以及(4)所述第一浆料中的所述第一铂类催化剂的重量占所述第一碳载体和所述第一铂类催化剂的总重量的第一重量百分率大于等于40％，并且所述第二浆料中的所述第二铂类催化剂的重量占所述第二碳载体和所述第二铂类催化剂的总重量的第二重量百分率小于等于40％。
[0006]在一些实施例中，所述第一浆料和所述第二浆料呈以下中的至少一种形式：所述第一平均粒径小于等于2nm，并且所述第二平均粒径大于等于2nm；所述第一比表面积在800m2/g到1000m2/g之间，并且所述第二比表面积在100m2/g到200m2/g之间；所述第一I/C比大于0.9且小于等于1.05，并且所述第二I/C比等于0.9，优选地小于等于0.8；所述第一重量
百分率在50％到60％之间，并且所述第二重量百分率在20％到40％之间。
[0007]在一些实施例中，所述第一催化层的第一铂载量至少是所述第二催化层的第二铂载量的1.5倍，所述第一催化层和所述第二催化层的总铂载量优选地为0.1
‑
0.6mg/cm2。
[0008]在一些实施例中，所述第一催化层的厚度和所述第二催化层的厚度基本相同，所述第一催化层和所述第二催化层的总厚度优选地为6μm到15μm。
[0009]在一些实施例中，所述第一浆料中的第一离聚物EW值大于所述第二浆料中的第二离聚物EW值，优选地，所述第一离聚物EW值在800g/mol到1000g/mol之间，并且所述第二离聚物EW值在720g/mol到800g/mol之间。
[0010]在一些实施例中，形成所述阴极催化层结构还包括在所述第一催化层与所述第二催化层之间形成第三催化层，所述第三催化层由第三浆料形成，其中：(1)所述第三浆料中的第三铂类催化剂的第三平均粒径大于所述第一平均粒径，并且小于所述第二平均粒径；(2)所述第三浆料中的第三碳载体的第三比表面积大于所述第二比表面积，并且大于等于所述第一比表面积；(3)所述第三浆料中的第三I/C比大于所述第二I/C比，并且小于所述第一I/C比；(4)所述第三浆料中的所述第三铂类催化剂的重量占所述第三碳载体和所述第三铂类催化剂的总重量的第三重量百分率大于等于40％；以及(5)所述第三催化层的第三铂载量至少是所述第一催化层的第一铂载量的两倍，并且至少是所述第二催化层的第二铂载量的两倍。
[0011]在一些实施例中，所述第一浆料、所述第二浆料和所述第三浆料呈以下中的至少一种形式：所述第一平均粒径小于2nm，所述第二平均粒径大于4nm，并且所述第三平均粒径在2nm到4nm之间；所述第一比表面积在200m2/g到800m2/g之间，所述第二比表面积在100m2/g到200m2/g之间，并且所述第三比表面积在800m2/g到1000m2/g之间；所述第一I/C比大于0.9且小于等于1.05，所述第二I/C比小于等于0.8，并且所述第三I/C比等于0.9；所述第一浆料中的第一离聚物EW值大于所述第二浆料中的第二离聚物EW值，并且大于所述第三浆料中的第三离聚物EW值，优选地，所述第一离聚物EW值在800g/mol到1000g/mol之间，所述第二离聚物EW值在720g/mol到800g/mol之间，并且所述第三离聚物EW值在720g/mol到800g/mol之间。
[0012]在一些实施例中，所述第一催化层、所述第二催化层和所述第三催化层的总铂载量为0.1
‑
0.6mg/cm2。
[0013]在一些实施例中，所述第一催化层、所述第二催化层和所述第三催化层中的每个的厚度基本相同，所述第一催化层、所述第二催化层和所述第三催化层的总厚度优选地为6μm到15μm。
[0014]在一些实施例中，所述第一铂类催化剂、所述第二铂类催化剂和所述第三铂类催化剂中的每个选自由纯铂催化剂和铂基合金催化剂组成的组，所述第一铂类催化剂、所述第二铂类催化剂和所述第三铂类催化剂优选地是相同的铂类催化剂。
[0015]在一些实施例中，所述阴极催化层结构通过转印法、刮涂法、喷涂法、刷涂法、喷墨打印法或狭缝模头涂布法形成。
[0016]根据本申请的另一方面，提供了一种用于燃料电池的膜电极组件的阴极催化层结构，所述阴极催化层结构通过根据前述方法制备得到。
[0017]本申请的制备方法能够在最大化阴极催化层结构的整体的质子传导能力、氧输送
能力和ECSA的同时，有效减轻阴极催化层结构上的铂类催化剂颗粒团聚和碳载体腐蚀，从而有效地提高MEA的性能和寿命。
附图说明
[0018]下面将结合附图来更彻底地理解并认识本申请的上述和其它方面。应本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种制备燃料电池的膜电极组件的阴极催化层结构的方法，其特征在于，所述方法包括形成具有至少第一催化层和第二催化层的阴极催化层结构，所述第二催化层用于比所述第一催化层更靠近所述膜电极组件的质子交换膜定位，所述第一催化层由第一浆料形成，并且所述第二催化层由第二浆料形成，其中：所述第一浆料中的第一铂类催化剂的第一平均粒径小于所述第二浆料中的第二铂类催化剂的第二平均粒径；所述第一浆料中的第一碳载体的第一比表面积大于等于200m2/g，并且所述第二浆料中的第二碳载体的第二比表面积小于等于200m2/g；所述第一浆料中的第一I/C比大于0.9，并且所述第二浆料中的第二I/C比小于等于0.9；以及所述第一浆料中的所述第一铂类催化剂的重量占所述第一碳载体和所述第一铂类催化剂的总重量的第一重量百分率大于等于40％，并且所述第二浆料中的所述第二铂类催化剂的重量占所述第二碳载体和所述第二铂类催化剂的总重量的第二重量百分率小于等于40％。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一浆料和所述第二浆料呈以下中的至少一种形式：所述第一平均粒径小于等于2nm，并且所述第二平均粒径大于等于2nm；所述第一比表面积在800m2/g到1000m2/g之间，并且所述第二比表面积在100m2/g到200m2/g之间；所述第一I/C比大于0.9且小于等于1.05，并且所述第二I/C比等于0.9，优选地小于等于0.8；所述第一重量百分率在50％到60％之间，并且所述第二重量百分率在20％到40％之间。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一催化层的第一铂载量至少是所述第二催化层的第二铂载量的1.5倍，所述第一催化层和所述第二催化层的总铂载量优选地为0.1
‑
0.6mg/cm2；和/或所述第一催化层的厚度和所述第二催化层的厚度基本相同，所述第一催化层和所述第二催化层的总厚度优选地为6μm到15μm。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一浆料中的第一离聚物EW值大于所述第二浆料中的第二离聚物EW值，优选地，所述第一离聚物EW值在800g/mol到1000g/mol之间，并且所述第二离聚物EW值在720g/mol到800g/mol之间。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述阴极催化层结构还包括在所述第一催化层与所述第二催化层之间形成第三催化层，所述第三催化层由第三浆料形成，其中：所述第三浆料中的第三铂类催化剂的第三平均粒径大于...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈必成，张旭，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：
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