[发明专利]一种具有催化剂梯度的膜电极

说明书

本发明涉及一种具有催化剂梯度的膜电极，包括中间的质子交换膜和分别设于质子交换膜两侧的催化剂层；所述的催化剂层为催化剂纳米颗粒、导电载体材料和离子型聚合物构成混合物，所述的催化剂纳米颗粒在催化剂层中的载量由靠近质子交换膜处分别向两侧梯度递增。与现有技术相比，本发明中制备的FGM膜电极增强了膜和电极的界面连接强度，减少了裂纹驱动力，缓和了应力分布不均的状况，减少了铂颗粒在界面处的腐蚀几率。

技术领域

本发明涉及一种膜电极，尤其是涉及一种具有催化剂梯度的膜电极。

背景技术

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极主要由气体扩散层、质子交换膜、催化层组成。其中，常用的质子交换膜为全氟磺酸聚合物材料，它由疏水的聚四氟乙烯作为骨架和末端带有亲水性离子交换基团(磺酸基团)的支链两部分组成。催化层一般由碳黑载铂(Pt/C)和离子聚合物复合而成；气体扩散层多制备在多孔碳纸上，由碳、水、聚四氟乙烯(PFTE)或其它疏水物质组成。当质子交换膜与水结合时，氢离子通过与水分子结合而自由活动于磺酸基之间，形成离子电导。催化层中，铂作为催化剂起着促进电化学反应进程的作用，而离子聚合物则起着粘结和传输介质的作用。气体扩散层用于连结催化层和双极板，起着扩散气体、集流、导流的作用，其多孔特性保证了反应气体有效地分散在膜或催化层的催化剂上。

膜电极在长期湿热循环加载过程中，由于其各层湿热膨胀性质的不同容易使内部应力分布不均，或是在电池启动和关闭操作过程中进入空气从而腐蚀了催化剂铂颗粒，均可造成膜电极内部产生力学损伤，尤其是分层破坏，大大降低了电池的耐久性。以上两种原因本质上是由于不同材料之间存在着的界面造成的。现有的制备膜电极的方法通常是将催化剂呈均匀分布的催化层直接热压或等离子喷射到质子交换膜上，催化剂层中的催化剂为均匀分布的，参见图1。由于催化剂层与质子交换膜的材料相差较大，这种方法制备得到的膜电极存在较大的界面效应。

CN104247114B公开了一种燃料电池电极组件，其在被承载于常规碳上的膜的紧邻区域中采用大铂颗粒催化剂，并在电极的更靠近被承载于稳定碳上的GDL的部段中采用小铂颗粒。该梯度结构有助于电极性能稳定，但膜电极中相邻层材料的组成相差较大，无法解决各层之间存在着的界面造成的结构问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有催化剂梯度的膜电极。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有催化剂梯度的膜电极，包括中间的质子交换膜和分别设于质子交换膜两侧的催化剂层；

所述的催化剂层为催化剂纳米颗粒、导电载体材料和离子型聚合物构成混合物，所述的催化剂纳米颗粒在催化剂层中的载量由靠近质子交换膜处自内至外分别向两侧梯度递增。

进一步地，所述的催化剂层包括位于质子交换膜一侧的阳极催化层和另一侧的阴极催化层；

所述的阳极催化层中催化剂纳米颗粒的质量分数为20％，所述的阴极催化层中催化剂纳米颗粒的质量分数为30％。

进一步地，催化剂层中催化剂的载量由靠近质子交换膜处向两侧呈三级梯度递增；

其中，第一级催化层中催化剂载量占阳极/阴极侧催化总量的15％～20％；

第二级催化层中催化剂载量占阳极/阴极侧催化总量的30％～35％；

第三级催化层中催化剂载量占阳极/阴极侧催化总量的45％～50％。

进一步地，所述的第一级催化层中催化剂载量占阳极/阴极侧催化总量的17％；

所述的第二级催化层中催化剂载量占阳极/阴极侧催化总量的33％；

所述的第三级催化层中催化剂载量占阳极/阴极侧催化总量的50％。