[發明專利]一種陽極催化劑層、膜電極及其制備方法

有效

• 申請號: 202111180403.5
• 申請日: 2021-10-11
• 公開（公告）號: CN113921829B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發明（設計）人: 王英;李瀟龍;劉冬安;陳佩佩;吳權軒
• 申請（專利權）人: 中汽創智科技有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/92;H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 萬婧

本發明公開了一種陽極催化劑層、膜電極及其制備方法，屬于燃料電池技術領域。陽極催化劑層包括陽極催化劑和陽極離子交換樹脂，其特征在于：所述的陽極催化劑層包括多個部分，所述多個部分的鉑載量和離子交換容量呈梯度化分布；陽極催化劑層中的鉑載量為0.075?mg/cmsupgt;2/supgt;?0.091?mg/cmsupgt;2/supgt;，所述陽極氣體的出氣口附近的催化劑層中的鉑載量大于進氣口的鉑載量；陽極離子交換樹脂的離子交換容量范圍為0.84?1.15meq/g，所述陽極氣體的出氣口附近的催化劑層中的離子交換容量高于進氣口的離子交換容量。本發明可以提供更多的催化位點；隨著反應的進行，催化劑層中的水比較多，后端使用排水性好的配方可以減小傳質阻力。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種陽極催化劑層、膜電極及其制備方法。

背景技術

燃料電池是一種電化學電池，其主要原理是將燃料和氧化劑中的化學能經氧化還原反應直接轉化為電能。質子交換膜燃料電池(PEMFC)作為燃料電池領域的重要分支，除了擁有燃料電池一般性特點如能量轉換效率高、環境友好之外，還具有室溫下啟動速度快、體積小、無電解液損失、容易排水、壽命長、比功率和比能量高等突出優點。它不僅適用于分散式電站的建設，而且適用于移動供電。它是一種新型的軍用和民用移動電源。因此，質子交換膜燃料電池具有非常廣闊的應用前景。

膜電極(Membrane?Electrode?Assembly,MEA)是燃料電池的核心組件，是燃料電池進行氧化還原反應的場所，主要由氣體擴散層(Gas?diffusion?layer,GDL)、催化劑層(Catalyst?layer,CL)、質子交換膜(Proton?ExchangeMembrane,PEM)以及密封層組成。催化劑層催化氫氣和氧氣的電化學反應，分為陰極催化層(氧氣還原反應)和陽極催化層(氫氣氧化反應)。陽極催化層將氫氣分解成質子，并釋放出電子，電子通過外電路到達陰極。陰極催化層催化質子和氧氣發生電化學反應，得到電子產生水。

現有技術中，膜催化劑層組件是在質子交換膜(Proton?ExchangeMembrane,PEM)的兩面形成催化劑層，該催化劑層包含在碳粉末上負載鉑系的金屬催化劑而得到的催化劑負載碳，以及具有氫離子傳導性的高分子電解質。一般情況下，采用全氟磺酸質子交換膜構成高分子電解質，例如美國杜邦公司生產的Nafion（商品名）等。

現有技術中，膜電極組件是在催化劑層的外面使用碳紙，形成同時具有通氣性及電子傳導性的氣體擴散層。通過催化劑層與氣體擴散層的組合而構成陽極和陰極。

催化劑層主要有4個功能。第一個功能，將從氣體擴散層供給的反應氣體供到催化劑層的反應位點的功能；第二個功能，傳導電極催化劑上的反應所必要的氫離子或生成的氫離子的功能；第三個功能，傳導反應所必要的電子或生成的電子的功能；第四個功能，利用高的催化劑性能與其大反應面積來加速電極反應的功能?？傊?，催化劑層需要具有高的反應氣體透過性、氫離子傳導性、電子傳導性及催化劑性能。

現有的MEA的陽極催化劑層的配方是一樣的，單電池發電的過程中，從進氣口和出氣口的反應條件是不同的，進氣口的濕度相對低一些，氫氣的含量相對來說比較充裕，接近出氣口的地方濕度相對比較高，氫氣的濃度相對低一些，這就要求后端的催化劑層排水性更好一些，并且催化的活性位點更多一些，目前催化劑的配方是相同的，無法根據不同區域的滿足不同的需求。

發明內容

本發明提供了一種膜電極及其制備方法，該膜電極催化劑層的設計方案是一種全新的設計方案，靠近進氣口的鉑載量適當低一些，靠近出氣口的地方鉑載量適當高一些，提供更多的催化位點；隨著反應的進行，催化劑層中的水比較多，后端使用排水性好的配方可以減小傳質阻力。