一种梯度化的阴极催化层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种梯度化的阴极催化层及其制备方法和应用，所述阴极催化层从靠近质子交换膜侧到靠近气体扩散层侧依次包括第一催化层、第二催化层和第三催化层；所述第一催化层的厚度<第二催化层的厚度<第三催化层的厚度。本发明专利技术通过设计一种从靠近质子交换膜侧到靠近气体扩散层侧催化层厚度梯度增加的多层阴极催化层，有效解决了催化层的传质问题，同时提高了催化剂的利用率，所制备的厚度梯度化的阴极催化层有利于质子与氧气的传导，并且在高电流密度下生成的多余的液态水也能够及时排出，改善了燃料电池的性能。改善了燃料电池的性能。改善了燃料电池的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度化的阴极催化层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种梯度化的阴极催化层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池具有较高的能量转换效率和无污染的特点，在未来可持续能源体系建设中占据不可替代的作用。燃料电池技术已成功应用于许多应用，如电网固定发电、汽车和便携式电力设备。日本、韩国、美国、欧洲国家和中国先后制定了燃料电池的愿景和路线图，并引领了燃料电池电动汽车的商业化。近几年，丰田、本田和现代等公司开始在市场引入质子交换膜燃料电池动力汽车。然而，目前质子交换膜燃料电池的产业化进程仍然面临着成本过高、寿命较短等问题。
[0003]膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，为质子交换膜燃料电池提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所，为了实现燃料电池商业化目标，需要制备高功率密度、低铂载量、耐久性好的膜电极。催化层是膜电极电化学反应场所，又是气体、水、电子、质子等物质的传递通道。先进的阴极催化层设计可以提高质子交换膜燃料电池的功率性能和耐久性，从而降低燃料电池的成本。为了实现上述要求，可以通过对催化层结构进行改进提高催化层性能，其中催化层梯度化结构设计是非常有效的途径。
[0004]CN114142042公开了一种具有梯度孔径的膜电极催化层及其制备方法。该催化层至少包括两层贴合在质子交换膜上的催化子层，在远离质子交换膜的方向上，催化子层孔径逐渐增大。
[0005]CN114744218A公开了一种功能组分协同梯度化分布的燃料电池膜电极结构，包括质子交换膜；质子交换膜的左侧设置有阳极催化层、阳极气体扩散层和阳极极板；质子交换膜的右侧设置有阴极催化层、阴极气体扩散层和阴极极板；阴极催化层和阳极催化层均包含作为催化剂的铂和全氟磺酸，铂和全氟磺酸的含量按照预设的梯度化分布规律，在纵向和展向上分布；阳极气体扩散层和阴极气体扩散层均包含PTFE，PTFE的含量按照预设的梯度化分布规律，在纵向和展向上分布。
[0006]CN114824300A公开了一种具有梯度结构催化层的燃料电池用膜电极及制备方法，涉及燃料电池领域。所述燃料电池用膜电极包括质子交换膜及位于质子交换膜两侧的阴极与阳极催化层，组装成燃料电池时，所述燃料电池用膜电极的长度方向为氢气和空气的流动方向，所述阴极与阳极催化层的厚度沿燃料电池用膜电极的长度方向成周期性变化。
[0007]虽然上述方案针对催化层的铂含量、孔径或全氟磺酸含量等因素进行梯度化设计，但催化层仍存在利用率低以及氧传输阻力大等问题。
[0008]因此，如何有效解决传质问题，提高质子和氧气的传导速率以及催化剂的利用率，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种梯度化的阴极催化层及其制备方法和应用。本专利技术设计了一种从靠近质子交换膜侧到靠近气体扩散层侧催化层厚度梯度增加的多层阴极催化层，厚度梯度化的阴极催化层有利于质子与氧气的传导，并且在高电流密度下生成的多余的液态水也能够及时排出，有效解决了传质问题，同时提高了催化剂的利用率，有效改善了电池的性能。
[0010]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]第一方面，本专利技术提供一种梯度化的阴极催化层，所述阴极催化层从靠近质子交换膜侧到靠近气体扩散层侧依次包括第一催化层、第二催化层和第三催化层；
[0012]所述第一催化层的厚度<第二催化层的厚度<第三催化层的厚度。
[0013]本专利技术中，厚度梯度化设计的多层阴极催化层有利于质子与氧气的传导，在高电流密度下生成的多余的液态水也能够及时排出，有效解决了阴极催化层的传质问题，同时提高了催化剂的利用率，有效提高了电池的性能。
[0014]作为本专利技术优选的技术方案，所述阴极催化层的总厚度为12～18μm，例如可以是12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm或18μm等。
[0015]优选地，所述第一催化层的厚度为3～5μm，例如可以是3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm等。
[0016]优选地，所述第二催化层的厚度为4～6μm，例如可以是4μm、4.5μm、5μm、5.5μm或6μm等。
[0017]优选地，所述第三催化层的厚度为5～7μm，例如可以是5μm、5.5μm、6μm、6.5μm或7μm等。
[0018]优选地，所述第一催化剂层和第二催化剂层的厚度差值为1～3nm，例如可以是1μm、1.5μm、2μm、2.5μm或3μm等。
[0019]本专利技术中，若第一催化剂层和第二催化剂层的厚度差值过大，则孔径梯度化分布不明显，影响水气传输效率。
[0020]优选地，所述第二催化剂层和第三催化剂层的厚度差值为0.5～1.5nm，例如可以是0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm或1.5μm等
[0021]本专利技术中，若第二催化剂层和第三催化剂层的厚度差值过大，则孔径梯度化分布不明显，影响水气传输效率。
[0022]作为本专利技术优选的技术方案，所述第一催化层的孔隙率<第二催化层的孔隙率<第三催化层的孔隙率。
[0023]优选地，所述第一催化层的孔隙率为0.3～0.45，例如可以是0.3、0.33、0.36、0.39、0.42或0.45等。
[0024]优选地，所述第二催化层的孔隙率为0.35～0.5，例如可以是0.35、0.38、0.41、0.44、0.47或0.5等。
[0025]优选地，所述第三催化层的孔隙率为0.45～0.6，例如可以是0.45、0.48、0.51、0.54、0.57或0.6等。
[0026]优选地，所述第一催化层的孔隙率和第二催化层的孔隙率的差值为0.05～0.1，例如可以是0.05、0.06、0.07、0.08、0.09或0.1等。
[0027]优选地，所述第一催化层的孔隙率和第三催化层的孔隙率的差值为0.1～0.15，例如可以是0.1、0.11、0.12、0.13、0.14或0.15等。
[0028]作为本专利技术优选的技术方案，所述第一催化层、第二催化层和第三催化层的原料独立地包括催化剂和离聚物。需要说明的是，本专利技术中，“独立地”是指制备第一催化层的原料包括催化剂和离聚物，第二催化层的原料包括催化剂和离聚物，第三催化层的原料包括催化剂和离聚物，三者选择的原料互不干扰，可以选择相同的，也可以选择不同的。本专利技术中的“独立地”皆与此同理。
[0029]优选地，所述催化剂包括活性组分和载体，所述活性组分包括贵金属，所述载体包括碳。示例性地，贵金属可以是铂。
[0030]优选地，以催化剂的质量为100％计，所述催化剂中活性组分的质量分数为20～70％，例如可以是20％、30％、40％、50％、60％或70％等。
[0031]优选地，所述第一催化层中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度化的阴极催化层，其特征在于，所述阴极催化层从靠近质子交换膜侧到靠近气体扩散层侧依次包括第一催化层、第二催化层和第三催化层；所述第一催化层的厚度<第二催化层的厚度<第三催化层的厚度。2.根据权利要求1所述的阴极催化层，其特征在于，所述阴极催化层的总厚度为12～18μm；优选地，所述第一催化层的厚度为3～5μm；优选地，所述第二催化层的厚度为4～6μm；优选地，所述第三催化层的厚度为5～7μm；优选地，所述第一催化剂层和第二催化剂层的厚度差值为1～3μm；优选地，所述第二催化剂层和第三催化剂层的厚度差值为0.5～1.5μm。3.根据权利要求1或2所述的阴极催化层，其特征在于，所述第一催化层的孔隙率<第二催化层的孔隙率<第三催化层的孔隙率；优选地，所述第一催化层的孔隙率为0.3～0.45；优选地，所述第二催化层的孔隙率为0.35～0.5；优选地，所述第三催化层的孔隙率为0.45～0.6；优选地，所述第一催化层的孔隙率和第二催化层的孔隙率的差值为0.05～0.1；优选地，所述第二催化层的孔隙率和第三催化层的孔隙率的差值为0.1～0.15。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的阴极催化层，其特征在于，所述第一催化层、第二催化层和第三催化层的原料独立地包括催化剂和离聚物；优选地，所述催化剂包括活性组分和载体，所述活性组分包括贵金属，所述载体包括碳；优选地，以催化剂的质量为100％计，所述催化剂中活性组分的质量分数为20～70％；优选地，所述第一催化层中的活性组分载量>第二催化层中的活性组分载量组分载量>第三催化层中的活性组分载量；优选地，所述第一催化层中的活性组分载量为0.35～0.5mg/cm2；优选地，所述第二催化层中的活性组分载量为0.25～0.4mg/cm2；优选地，所述第三催化层中的活性组分载量为0.15～0.25mg/cm2；优选地，所述离聚物为全氟磺酸离聚物，所述全氟磺酸离聚物包括Nafion、Aquivion或3M PFSA中的任意一种；优选地，所述第一催化层中离聚物、第二催化层中离聚物和第三催化层中离聚物的种类相同；优选地，所述第一催化层中离聚物的质量分数>第二催化层中离聚物的质量分数>第三催化层中离聚物的质量分数；优选地，以第一催化层的质量为100％计，所述第一催化层中离聚物的质量分数为30～40％；优选地，以第二催化层的质量为100％计，所述第二催化层中离聚物的质量分数为25～35％；优选地，以第三催化层的质量为100％计，所述第三催化层中离聚物的质量分数为20～30％。
5.一种如权利要求1
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4任一项所述的梯度化的阴极催化层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将催化剂和去离子水混合，得到第一混合液；将离聚物与分散剂混合，得到第二混合液；将第一混合液与第二混合液混...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晶晶，于力娜，唐柳，朱雅男，张中天，刘晓雪，高梦阳，普星彤，马亮，杨帅，苗梓航，
申请(专利权)人：一汽解放汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：