【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池，具体涉及阴极催化剂层及其制备方法和应用。
技术介绍
1、膜电极(mea)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是燃料电池产生电能，发生电化学反应的重要部件。膜电极主要由阴阳极催化剂层、气体扩散层和质子交换膜、边框膜等材料组成。膜电极两侧分别通氢气和氧气后，在催化剂层的催化作用下，产生电位差，进而产生电能，供人们取用。目前，国内燃料电池的批量化制造能力正在逐步建立，不同的制造方法得到的膜电极具有不同的性能、质量、成本。
2、当今市场主流的膜电极的制备工艺主要采用涂布法来获取均匀一致的催化剂层，涂布法如下：首先将催化剂粉末、离聚物树脂、醇类溶剂、水等物质进行充分的混合形成浆液，然后通过分散工艺，将颗粒研磨到需要的粒度，形成阳极或阴极浆料，使用狭缝式涂布机、逗号刮刀涂布机等涂覆于质子交换膜的两个表面，经过隧道炉烘干，形成催化剂/质子交换膜组件(ccm)；或采用转印法即将阴极和阳极浆料分别涂覆于另一载体膜上，经过隧道炉烘干，分别形成阴极涂层和阳极涂层，然后通过热压转印的方式，将阴极和阳极涂层分别转移到质子交换膜的两侧，形成所需的ccm。以上两种制造方式，所得到的ccm的阴极催化剂层表面和阳极催化剂层表面均为平整的表面，催化剂层整体的孔隙大小、物质成分是均匀分布的，将其装配成电堆后，在通入氢气及空气后反应的过程中，反应气体依靠催化剂层自身的孔隙率渗透进入涂层内部，在pt催化剂颗粒的表面发生电化学反应，从而产生电能；反应气体的扩散深度、扩散速率由涂层的孔隙结构分布决定，而催化剂层外表面的一侧形貌对扩散速率有一定
3、当前常规膜电极催化剂层的设计理念是将孔隙结构和物质成分在单电池内均匀分布，而燃料电池在实际运行过程中由于电堆内部双极板的客观结构使燃料气的进气口和出气口存在压差，导致进气口和出气口催化剂层表面的反应气体存在浓度差，从而使阴极催化剂层局部的反应速率存在差异，而这种局部反应速率差异越大，造成的局部催化剂层之间的湿度、温度差异越大，进而加快了催化剂的腐蚀衰减，使膜电极局部发生失效，导致膜电极寿命缩短。特别是阴极催化剂层作为氧还原反应的场所，其催化剂层的结构和催化剂的稳定性将直接影响到燃料电池的使用。随着氢燃料电池的发展，近年来趋于应用在越来越多的领域，例如飞机、火车、重型卡车、船舶等领域，这些应用场景对大尺寸膜电极的需求将越来越凸显，当前市场上的膜电极对于解决此类问题的通用手段是通过优化双极板的流道设计来改善反应气体在膜电极整体区域内的分布均匀性，但是这些方法存在设计验证周期长，成本高等缺点。因此，现有的阴极催化剂层有待改进。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种阴极催化剂层及其制备方法和应用。该阴极催化剂层的反应速率均衡，阴极催化剂层的局部区域湿度、温度差异小，催化剂不易衰减失效，采用该阴极催化剂层制备的膜电极的寿命长。
2、在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种阴极催化剂层。根据本专利技术的实施例，阴极催化剂层一端形成有空气入口端，另一端形成有空气出口端，从所述空气出口端至所述空气入口端的所述阴极催化剂层的长度方向，所述阴极催化剂层内的催化剂粒径依次增大。
3、根据本专利技术上述实施例的阴极催化剂层，阴极催化剂层内的催化剂粒径从空气出口端至空气入口端的阴极催化剂层的长度方向依次增大；由于空气从空气入口端至空气出口端的压力即氧气浓度依次递减，若采用粒径均一的催化剂，整个阴极催化剂层的反应速率也依次递减，从而使整个阴极催化剂层的反应速率不均衡，易局部高温高湿，从而造成催化剂失效，影响膜电极寿命，而本申请阴极催化剂层内的催化剂粒径从空气出口端至空气入口端依次增大，也就是说催化剂在空气入口端的粒径最大，比表面积最小，从而使空气入口端的阴极催化剂层的反应速率降低，催化剂在空气出口端的粒径最小，比表面积最大，从而使空气出口端的阴极催化剂层的反应速率增大，催化剂粒径从空气出口端至空气入口端依次增大的梯度构造减小了阴极催化剂层由于空气压差的存在造成的反应速率差异；另一方面，由于空气入口端反应速率的降低，需要的氧气减少，而空气输入量是恒定的，所以空气入口端减少消耗的空气向空气出口端移动，从而使空气出口端的氧气浓度增大，进一步提高了空气出口端的阴极催化剂层的反应速率，平衡了整个阴极催化剂层的反应速率。由此，该阴极催化剂层的反应速率均衡，阴极催化剂层的局部区域湿度、温度差异小，催化剂不易衰减失效，采用该阴极催化剂层制备的膜电极的寿命长。
4、另外，根据本专利技术上述实施例的阴极催化剂层还可以具有如下技术特征：
5、在本专利技术的一些实施例中，从空气出口端至空气入口端的阴极催化剂层的长度方向，所述阴极催化剂层依次限定多个区域，所述多个区域依次记为s1、s2…sn，所述s1至sn区域的催化剂粒径依次增大。由此，可以平衡整个阴极催化剂层的反应速率。
6、在本专利技术的一些实施例中，所述s1区域内的催化剂的d50(1)为50～110μm，所述sn区域内的催化剂的d50(n)＝(d50(1)+20*(n-1))±20μm。由此，可以平衡整个阴极催化剂层的反应速率。
7、在本专利技术的一些实施例中，3≤n≤20，优选3≤n≤10。由此，可以平衡整个阴极催化剂层的反应速率。
8、在本专利技术的一些实施例中，单个所述区域的催化剂粒径相同。由此，可以平衡整个阴极催化剂层的反应速率。
9、在本专利技术的一些实施例中，所述s1至所述sn区域的每个区域的面积相同。由此，可以平衡整个阴极催化剂层的反应速率。
10、在本专利技术的一些实施例中，所述s1至所述sn区域的催化剂种类和含量相同。由此，可以平衡整个阴极催化剂层的反应速率。
11、本专利技术的再一个方面，本专利技术提供了一种制备上述阴极催化剂层的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：
12、(1)分别将n种不同粒径的阴极催化剂、离聚物和溶剂混合，以便得到n种不同粒径的催化剂浆料；
13、(2)将n种不同粒径的所述催化剂浆料按照粒径由小到大的顺序依次涂覆在质子交换膜上的s1、s2、s3......、sn区域，所述s1、s2、s3......、sn区域沿所述交换膜的长度方向分布，然后干燥，以便得到阴极催化剂层。
14、由此，采用该方法可以制备得到上述反应速率均衡、局部区域湿度、温度差异小、催化剂不易衰减失效的阴极催化剂层。
15、另外，根据本专利技术上述实施例的制备阴极催化剂层的方法还可以具有如下技术特征：
16、在本专利技术的一些实施例中，步骤(1)中，所述离聚物包括ew为700-1000g/mol的全氟磺酸树脂。
17、在本专利技术的一些实施例中，步骤(1)中，所述阴极催化剂包括pt/c、pt/co/c和pt/co/mn中的至少之一。
18、在本专利技术的一些实施例中，步骤(2)中，所述s1至本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种阴极催化剂层，其特征在于，所述阴极催化剂层一端形成有空气入口端，另一端形成有空气出口端，从所述空气出口端至所述空气入口端的所述阴极催化剂层的长度方向，所述阴极催化剂层内的催化剂粒径依次增大。
2.根据权利要求1所述的阴极催化剂层，其特征在于，从所述空气出口端至所述空气入口端的所述阴极催化剂层的长度方向，所述阴极催化剂层依次限定多个区域，所述多个区域依次记为S1、S2…Sn，所述S1至Sn区域的催化剂粒径依次增大。
3.根据权利要求2所述的阴极催化剂层，其特征在于，所述S1区域内的催化剂的D50(1)为50～110μm，所述Sn区域内的催化剂的D50(n)＝(D50(1)+20*(n-1))±20μm。
4.根据权利要求2所述的阴极催化剂层，其特征在于，3≤n≤20，优选3≤n≤10。
5.根据权利要求2所述的阴极催化剂层，其特征在于，单个所述区域的催化剂粒径相同；
6.一种制备权利要求1-5中任一项所述阴极催化剂层的方法，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述S1至Sn区域中的奇数区域的干燥温度T1为60-85℃，所述S1至Sn区域中的偶数区域的干燥温度T2为75-100℃，且10℃≤T2-T1≤20℃。
9.一种膜电极，其特征在于，包括质子交换膜、阴极催化剂层和阳极催化剂层，所述阳极催化剂层设在所述质子交换膜的一侧表面上，所述阴极催化剂层设在所述质子交换膜的另一侧表面上，其中所述阴极催化剂层为权利要求1-5中任一项所述的阴极催化剂层或采用权利要求6-8中任一项所述方法制备得到的阴极催化剂层。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求9所述的膜电极。
...【技术特征摘要】
1.一种阴极催化剂层，其特征在于，所述阴极催化剂层一端形成有空气入口端，另一端形成有空气出口端，从所述空气出口端至所述空气入口端的所述阴极催化剂层的长度方向，所述阴极催化剂层内的催化剂粒径依次增大。
2.根据权利要求1所述的阴极催化剂层，其特征在于，从所述空气出口端至所述空气入口端的所述阴极催化剂层的长度方向，所述阴极催化剂层依次限定多个区域，所述多个区域依次记为s1、s2…sn，所述s1至sn区域的催化剂粒径依次增大。
3.根据权利要求2所述的阴极催化剂层，其特征在于，所述s1区域内的催化剂的d50(1)为50～110μm，所述sn区域内的催化剂的d50(n)＝(d50(1)+20*(n-1))±20μm。
4.根据权利要求2所述的阴极催化剂层，其特征在于，3≤n≤20，优选3≤n≤10。
5.根据权利要求2所述的阴极催化剂层，其特征在于，单个所述区域的催化剂粒径相同...
【专利技术属性】
技术研发人员：任卫强，何练，吉田泰树，
申请(专利权)人：未势能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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