專(zhuān)利名稱(chēng)：一種有效降低燃料電池Pt擔(dān)量的催化層結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠降低燃料電池Pt擔(dān)量的催化層結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)燃料電池催化層制備工藝的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)催化層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)降低Pt擔(dān)量的目的。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池自上世紀(jì)九十年代以來(lái)，受到各國(guó)政府和能源、汽車(chē)、家電和軍工等各方面的廣泛關(guān)注，技術(shù)發(fā)展迅速。近年來(lái)已成功的應(yīng)用在汽車(chē)、備用電源、移動(dòng)式電站，水下動(dòng)力系統(tǒng)電源等各個(gè)領(lǐng)域。膜電極作為燃料電池核心部件，其通常由膜、催化層和擴(kuò)散層三個(gè)部分組成，是電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方。電極中的催化層是氧還原和氫氧化發(fā)生的場(chǎng)所，需要具有良好的催化活性、良好的質(zhì)子傳導(dǎo)能力和導(dǎo)電能力。膜電極主要分為氣體擴(kuò)散電極(GasDiffusion Electrode, GDE)和薄層覆膜電極(catalyst coated membrane, CCM),美國(guó) 3M公司提出采用納米結(jié)構(gòu)薄膜(nanostructured thin film,NSTF)作為支撐體制備出的超薄電極，被認(rèn)為很有希望成為下一代MEA。氣體擴(kuò)散層電極目前普遍采用絲網(wǎng)印刷的制備工藝，將催化劑、憎水劑、有機(jī)溶劑組成催化劑漿料刷到氣體擴(kuò)散層上，經(jīng)過(guò)高溫處理后再向催化層表面噴涂Naifon溶液實(shí)現(xiàn)電極立體化。薄層覆膜電極目前則普遍采用噴涂的制備工藝，將催化劑、離子導(dǎo)體樹(shù)脂、有機(jī)溶劑組成的漿料噴涂到膜上，或者先將漿料噴涂到其他載體上再轉(zhuǎn)印到膜上，形成膜催化層一體化電極。美國(guó)3M公司提出的超薄電極，發(fā)展時(shí)間較短，目前還沒(méi)有大規(guī)模使用。本發(fā)明基于薄層覆膜電極的制備工藝，設(shè)計(jì)了由2-4層覆膜催化層組成的膜電極。根據(jù)燃料電池反應(yīng)的特征，氧經(jīng)由擴(kuò)散層向催化層內(nèi)部擴(kuò)散，并與陽(yáng)極傳遞過(guò)來(lái)的氫質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)生成水。當(dāng)電流密度較低時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)速度較慢，催化層中的氧濃度比較充足，但由于離子傳導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電子傳導(dǎo)率，此時(shí)離子傳導(dǎo)成為反應(yīng)的控制步驟，氧還原反應(yīng)主要發(fā)生在靠近膜一側(cè)的催化層；當(dāng)電流密度較高時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)速度加快，需要的氧氣量增加，此時(shí)，氧在擴(kuò)散層中出現(xiàn)濃差極化現(xiàn)象，一經(jīng)到達(dá)催化層的氧氣立即被反應(yīng)掉，此時(shí)電化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在靠近擴(kuò)散層的催化層中(文獻(xiàn)I Jiejing Zhang,wei Yang et al.Electrochimica Acta 56 (2011)6912 6918)。相關(guān)專(zhuān)利如下:公開(kāi)號(hào)102104155A，涉及一種燃料電池用高性能低鉬陰極催化層結(jié)構(gòu)及其用途。以Pt/c或PtMx0y/C為電催化劑，由比表面積為800 1200m2/g的炭載體制備的Pt/C或PtMx0y/C催化劑(第二催化劑)與質(zhì)子導(dǎo)體為主要組分構(gòu)成與質(zhì)子交換膜相連接的親水性?xún)?nèi)催化層；以比表面積為50 300m2/g的炭載體制備的Pt/C或PtMx0y/C催化劑(第一催化劑)或其與第二催化劑的復(fù)合催化劑與憎水劑為主要組分構(gòu)成與擴(kuò)散層相連接的憎水性外催化層。該低鉬陰極催化層結(jié)構(gòu)具有Pt用量少、厚度薄、催化劑利用率和極限電流密度高、穩(wěn)定性和耐久性好的特點(diǎn)。公開(kāi)號(hào)1744360:—種復(fù)合催化層質(zhì)子交換膜燃料電池電極及其制造方法，在預(yù)先經(jīng)憎水和碳粉整平處理的氣體擴(kuò)散層的整平層側(cè)表面制備一層以上含疏水性物質(zhì)(如PTFE)、碳載鉬(Pt/C)催化劑的催化層，在320-380°C惰性氣體保護(hù)下焙燒后，噴涂一定量固體高分子電解質(zhì)，然后在上述催化層上制備一層以上由不同比例固體高分子電解質(zhì)和電極催化劑及溶劑組成的漿料。在100-380°C惰性氣體保護(hù)下干燥或焙燒后得到由親水、疏水性不同的復(fù)合催化層組成的燃料電池電極。此復(fù)合催化層燃料電池電極具有充分的電子傳導(dǎo)能力和質(zhì)子傳導(dǎo)能力，且具有較好的氣體和水的傳遞或擴(kuò)散能力，拓展了電極反應(yīng)的三相界面區(qū)域，大幅度提高了燃料電池的功率密度。

發(fā)明內(nèi)容
上面兩項(xiàng)專(zhuān)利是基于傳統(tǒng)氣體擴(kuò)散電極的，與上面兩項(xiàng)專(zhuān)利不同的是，本發(fā)明是基于薄層覆膜電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多層催化層結(jié)構(gòu)。上面兩項(xiàng)專(zhuān)利的著重點(diǎn)在于親憎水催化層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到提高靠近膜催化層利用效率，改善靠近擴(kuò)散層催化層傳質(zhì)的目的，與之不同的是，本發(fā)明是通過(guò)調(diào)整催化劑載量，離子導(dǎo)體的離子交換當(dāng)量，以及控制溶劑的揮發(fā)速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)Pt濃度、氫質(zhì)子濃度、孔隙率的梯度分布，繼而實(shí)現(xiàn)提高靠近膜催化層利用效率，改善靠近擴(kuò)散層催化層傳質(zhì)的目的。與此兩項(xiàng)發(fā)明相比，本發(fā)明避免了 PTFE的使用，可以更大程度的提高催化劑利用率，而且工藝簡(jiǎn)單，節(jié)能(避免高溫焙燒過(guò)程)。本發(fā)明的目的在于提供一種有效降低燃料電池Pt載量的催化層，重新設(shè)計(jì)的薄層覆膜電極中，催化劑利用率和氣體擴(kuò)散速度均得到提升。由于催化劑利用率和氣體擴(kuò)散速度是相互制約的，因此不可能在單一催化層結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)上述目的，考慮到電池反應(yīng)時(shí)，靠近膜一側(cè)催化層主要參與中低電流下的反應(yīng)，靠近擴(kuò)散層一側(cè)的催化層主要參與高電流密度下的反應(yīng)，本發(fā)明旨在提供一種靠近膜的催化層具有較高Pt濃度和離子交換能力，靠近擴(kuò)散層的催化層中含有較低Pt濃度，較低離子交換能力，和較高的孔隙。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:所述有效減低燃料電池Pt載量的催化層，如圖1所示，其由2-4層不同催化劑和離子導(dǎo)體及制備工藝制備而成的單獨(dú)薄層覆膜催化層組成，每一層所采用的催化劑類(lèi)型、催化劑活性組分、離子導(dǎo)體種類(lèi)、離子導(dǎo)體的離子交換當(dāng)量、離子導(dǎo)體在催化層中的質(zhì)量濃度、以及制備工藝均不相同。所述催化層由2-4層依附在膜上的催化層所組成，每一層催化層所采用的催化劑類(lèi)型、催化劑載量、離子導(dǎo)體類(lèi)型、離子導(dǎo)體濃度、制備工藝各不相同，以實(shí)現(xiàn)從膜到擴(kuò)散層的方向上，Pt擔(dān)量逐漸減小，離子導(dǎo)體濃度逐漸降低，孔隙率逐漸增大，催化劑利用率逐漸降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保證電池性能的前提下總Pt擔(dān)量的降低。不同催化劑類(lèi)型，包括活性組份擔(dān)載量彡20%的負(fù)載型催化劑Pt/C、PtxRu/C(x =
0.2-5)、PtxPd/C(x = 0.2-5)、Au/C中的一種或二種以上，以及非負(fù)載型催化劑包括Pt或Au納米粉末。不同催化劑可以實(shí)現(xiàn)每一層獨(dú)立催化層的特殊功能:提高反應(yīng)速度，抗中毒，降低Pt擔(dān)量等。不同離子導(dǎo)體類(lèi)型，包括Nafion或磷酸PBI等，其具有不同的離子交換當(dāng)量，使催化層體現(xiàn)出不同的反應(yīng)速率、孔隙率、催化劑利用率等；制備過(guò)程，通過(guò)控制內(nèi)層催化劑漿料溶劑揮發(fā)速度慢于外層催化劑漿料溶劑揮發(fā)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外層孔隙 率高于內(nèi)層。催化層由四層組成時(shí):緊鄰膜的催化層中，催化劑活性組分含量(即Pt或其他活性組分占催化劑粉末的質(zhì)量百分比)為SO-1OOwt.%，離子導(dǎo)體的離子交換當(dāng)量為800-890，離子導(dǎo)體占催化層的濃度為20-25wt.% (余下部分為催化劑)，催化層成型溫度為40-49° ;靠近膜的第二層中:催化劑活性組分含量為60-79wt.%，離子導(dǎo)體的離子交換當(dāng)量為900-990，離子導(dǎo)體占催化層的濃度為15-19wt.% (余下部分為催化劑)，催化層成型溫度為50-59° ;遠(yuǎn)離膜的第三層中:催化劑活性組分含量為40-59wt.%，離子導(dǎo)體的離子交換當(dāng)量為1000-1090，離子導(dǎo)體占催化層的濃度為10-14wt.% (余下部分為催化劑)，催化層成型溫度為60-69° ;遠(yuǎn)離膜的第四層中:催化劑活性組分含量為20-39wt.%，離子導(dǎo)體的離子交換當(dāng)量為1100-1200，離子導(dǎo)體占催化層的濃度為7-9wt.% (余下部分為催化劑)，催化層成型溫度為70-80°。催化層由三層組成時(shí):緊鄰膜的第一層催化層中，催化劑活性組分含量(即Pt或其他活性組分占催化劑粉末的質(zhì)量百分比)為70-80wt.%，離子導(dǎo)體的離子交換當(dāng)量為900-990，離子導(dǎo)體占催化層的濃度為18-22wt.% (余下部分為催化劑)，催化層成型溫度為50-59° ;第二層中:催化劑活性組分含量為50-60wt.%，離子導(dǎo)體的離子交換當(dāng)量為1000-1090，離子導(dǎo)體占催化層的濃度為14-17wt.% (余下部分為催化劑)，催化層成型溫度為60-69° ;第三層中:催化劑活性組分含量為30-40wt.%，離子導(dǎo)體的離子交換當(dāng)量為1100-1200，離子導(dǎo)體占催化層的濃度為10-13wt.% (余下部分為催化劑)，催化層成型溫度為 70-80°。催化層由二層組成時(shí):緊鄰膜的第一層催化層中，催化劑活性組分含量(即Pt或其他活性組分占催化劑粉末的質(zhì)量百分比)為60-70wt.%，離子導(dǎo)體的離子交換當(dāng)量為900-990，離子導(dǎo)體占催化層的濃度為17-25wt.% (余下部分為催化劑)，催化層成型溫度為50-60° ;第二層中:催化劑活性組分含量為40-50wt.%，離子導(dǎo)體的離子交換當(dāng)量為1100-1200，離子導(dǎo)體占催化層的濃度為12-16wt.% (余下部分為催化劑)，催化層成型溫度為 70-80。。采用這種設(shè)計(jì)的催化層其靠近膜的催化層中電化學(xué)反應(yīng)效率較高，催化劑利用率高，遠(yuǎn)離膜的催化層中催化劑擔(dān)量低，并保證有效的傳質(zhì)過(guò)程，進(jìn)而從整體上降低了催化層的Pt擔(dān)量。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):1.緊鄰或靠近膜的薄層覆膜催化層具有很高的催化劑利用率，為電化學(xué)反應(yīng)提供充分的活性。本發(fā)明提高了催化劑利用率、降低Pt擔(dān)量。燃料電池反應(yīng)時(shí)，氧分子從催化層擴(kuò)散到催化層內(nèi)部，與從陽(yáng)極遷移過(guò)來(lái)的氫質(zhì)子反應(yīng)，根據(jù)燃料電池反應(yīng)的特征，氧經(jīng)由擴(kuò)散層向催化層內(nèi)部擴(kuò)散，并與陽(yáng)極傳遞過(guò)來(lái)的氫質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)生成水。本發(fā)明在設(shè)計(jì)催化層結(jié)構(gòu)時(shí)，著重提高靠近膜一側(cè)催化層的Pt濃度和離子導(dǎo)體濃度，以提高中低電流密度下的反應(yīng)效率，而在靠近擴(kuò)散層的催化層中則適當(dāng)降低Pt濃度和離子導(dǎo)體濃度，以達(dá)到降低Pt用量和改善物質(zhì)傳遞的目的。2.遠(yuǎn)離膜的薄層覆膜催化層具有較低的Pt擔(dān)量和良好的孔隙率，可以有效降低Pt用量和保證良好的傳質(zhì)。在本發(fā)明中，特別設(shè)計(jì)了 2-4層催化層結(jié)構(gòu)，在緊鄰膜或者靠近膜的催化層中，采用Pt載量高的催化劑以及離子交換當(dāng)量低的離子導(dǎo)體，目的是提高這部分催化層的反應(yīng)效率，而在稍遠(yuǎn)離或最外層的催化層中，則采用Pt載量低的催化劑和離子交換當(dāng)量高的離子導(dǎo)體，目的是降低Pt擔(dān)量和改善氧擴(kuò)散過(guò)程。此外，在催化層形成的工藝上，控制內(nèi)層催化層的溶劑揮發(fā)速度稍慢，外層催化層溶劑的揮發(fā)速度稍快，可以實(shí)現(xiàn)從內(nèi)層到外層催化層孔隙率的逐漸提高。


圖1催化劑和Naifon階梯分布的催化層；圖2實(shí)施例1催化層的電池性能；圖3實(shí)施例2催化層的電池性能。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1制備由內(nèi)外兩層催化層組成的催化層結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)外兩層催化層的Pt擔(dān)量相同，具體制備方法:首先在商品化的Nafion膜上噴涂第一層催化層，噴涂溫度為60°，其由70wt %的Pt/C催化劑和離子交換當(dāng)量為900的Naifon所組成，Pt擔(dān)量0.1mg an2,Nafion在催化層中的質(zhì)量濃度為25wt.% ;然后再?lài)娡康诙哟呋瘜?，噴涂溫度?0°，其由40wt%的Pt/C和離子交換當(dāng)量為1100的Naifon所組成，Pt擔(dān)量0.1mg cm-2, Naifon在催化層中的質(zhì)量濃度為15wt.%。圖2為實(shí)例I所制備電極的電池評(píng)價(jià)結(jié)果(評(píng)價(jià)時(shí)的操作條件為氏/Air增濕溫度65°，電池溫度65°，H2/Air化學(xué)計(jì)量比1.5/2.5，操作壓力為常壓)，圖中雙層催化層電極與單層催化層電極進(jìn)行對(duì)比。實(shí)施例2制備由內(nèi)外兩層催化層組成的催化層結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)外兩層催化層的厚度相同，具體制備方法:首先在自制增強(qiáng)復(fù)合膜上噴涂第一層催化層，噴涂溫度為50°，其由70wt.%的Pt/c催化劑和離子交換當(dāng)量為950的Naifon所組成,Pt擔(dān)量0.28mg cm-2,Nafion在催化層中的質(zhì)量濃度為18wt.% ;然后再?lài)娡康诙哟呋瘜?，噴涂溫度?0°，其由40wt%的Pt/C和離子交換當(dāng)量為1200的Naifon所組成，Pt擔(dān)量0.08mg era2, Naifon在催化層中的質(zhì)量濃度為12wt.%。圖3為實(shí)例2所制備電極的電池評(píng)價(jià)結(jié)果，圖中雙層催化層電極與單層催化層電極進(jìn)行對(duì)比(評(píng)價(jià)時(shí)的操作條件SH2Air增濕溫度65°，電池溫度65°，H2Air化學(xué)計(jì)量比1.5/2.5，操作壓力為常壓)。實(shí)施例3制備由三層催化層組成的催化層結(jié)構(gòu)，具體制備方法:首先在自制增強(qiáng)復(fù)合膜上噴涂第一層催化層，噴涂溫度為55°，其由75wt.%的Pt/C催化劑和離子交換當(dāng)量為950所組成，Pt擔(dān)量0.12mg cnT2,Nafion在催化層中的質(zhì)量濃度為20wt.然后再?lài)娡康诙哟呋瘜?，噴涂溫度?5°，其由55wt.%的Pt/C和離子交換當(dāng)量為1050的Naifon所組成，Pt擔(dān)量0.06mgcnT2, Naifon在催化層中的質(zhì)量濃度為15wt.% ;然后再?lài)娡康谌龑哟呋瘜?，噴涂溫度?5°，其由35wt.%的Pt/C和離子交換當(dāng)量為1150的Naifon所組成，Pt擔(dān)量
0.02mg cnT2, Naifon在催化層中的質(zhì)量濃度為Ilwt.%。實(shí)施例4制備由4層單獨(dú)催化層組成的催化層:首先在所制備的膜上噴涂第一層催化層，噴涂溫度為45°，其組成為Pt 0.12mg cnT2，Naifon離子交換當(dāng)量為850，在催化層中的質(zhì)量含量為22wt.%,Pt/C中Pt載量為90wt.% ;然后在其表面噴涂第二層催化層，噴涂溫度為55°，其組成為Pt 0.05mgcm_2，Naifon離子交換當(dāng)量為950，在催化層中的質(zhì)量含量為17wt.%, Pt/C中Pt載量為70wt.% ;然后在其表面噴涂第三層催化層，噴涂溫度65°，其組成為Pt 0.02mg cm2, Naifon離子交換當(dāng)量為1050，在催化層中的質(zhì)量含量為12wt.%,Pt/C中Pt載量為50wt.% ;然后在其表明噴涂第四層催化層，噴涂溫度為75°，其組成為Pt 0.0lmg cm_2，Naifon離子交換當(dāng)量為1150，在催化層中的質(zhì)量含量為8wt.%, Pt/C中Pt載量為30wt.%0
權(quán)利要求
1.一種有效降低燃料電池Pt擔(dān)量的催化層結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述催化層由2-4層依附在膜上的催化層所組成，每一層催化層均由催化劑和離子導(dǎo)體構(gòu)成； 催化層由4層時(shí)，以緊鄰膜的一層為第一層，其中離子導(dǎo)體在催化層中的質(zhì)量百分比為20-25wt.%，余下組成部分為催化劑；以靠近第一層的催化層為第二層，在靠近膜的第二層中離子導(dǎo)體在催化層中的質(zhì)量百分比為15-19wt.%，余下組成部分為催化劑；以靠近第二層的催化層為第三層，在遠(yuǎn)離膜的第三層中離子導(dǎo)體在催化層中的質(zhì)量百分比為10-14wt.%，余下組成部分為催化劑；以靠近第三層的催化層為第四層，在遠(yuǎn)離膜的第四層中離子導(dǎo)體在催化層中的質(zhì)量百分比為7-9wt.%，余下組成部分為催化劑； 催化層由3層時(shí)，以緊鄰 膜的催化層為第一層，其中離子導(dǎo)體在催化層中的質(zhì)量百分比為18-22wt.%，余下組成部分為催化劑；以靠近第一層的催化層為第二層，在靠近膜的第二層中離子導(dǎo)體在催化層中的質(zhì)量百分比為14-17wt.%，余下組成部分為催化劑；以靠近第二層的催化層為第三層，在遠(yuǎn)離膜的第三層中離子導(dǎo)體在催化層中的質(zhì)量百分比為10-13wt.%，余下組成部分為催化劑； 催化層由2層時(shí)，以緊鄰膜的催化層為第一層，其中離子導(dǎo)體在催化層中的質(zhì)量百分比為17-25wt.%，余下組成部分為催化劑；以靠近第一層的催化層為第二層，在靠近膜的第二層中離子導(dǎo)體在催化層中的質(zhì)量百分比為12-16wt.%，余下組成部分為催化劑。
2.按照權(quán)利要求1所述的催化層結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述催化劑為非負(fù)載型或負(fù)載型催化劑，催化劑中活性組分載量，具體為活性組分在催化劑粉末中的質(zhì)量百分比， 催化層由4層時(shí)，其緊鄰膜的催化層中采用活性組分為SO-1OOwt.%的催化劑，靠近膜第二層中采用活性組分為60-79wt.%的催化劑，遠(yuǎn)離膜第三層中采用活性組分為40-59wt.%的催化劑，遠(yuǎn)離膜第四層中采用活性組分為20-39wt.%的催化劑； 催化層由3層時(shí)，其緊鄰膜的催化層中采用活性組分為70-80wt.%的催化劑，靠近膜第二層中采用活性組分為50-60wt.%的催化劑，遠(yuǎn)離膜第三層中采用活性組分為30-40wt.%的催化劑； 催化層由2層時(shí)，其緊鄰膜的催化層中采用活性組分為60-70wt.%的催化劑，靠近膜第二層中采用活性組分為40-50wt.%的催化劑。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的催化層結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述催化劑為非負(fù)載型或負(fù)載型催化劑，活性組分為Pt、Ru、Pd、Au中的一種或二種以上； 負(fù)載型催化劑包括 Pt/C、PtxRu/C(x = 0.2-5)、PtxPd/C(x = 0.2-5)或 Au/C 中的一種或二種以上； 非負(fù)載型催化劑包括Pt或Au納米粉末。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的催化層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的離子導(dǎo)體為具有不同的離子交換當(dāng)量的離子導(dǎo)體， 催化層由4層時(shí)，其緊鄰膜的催化層中采用離子交換當(dāng)量為800-890的離子導(dǎo)體，靠近膜第二層中采用離子交換當(dāng)量為的900-990離子導(dǎo)體，遠(yuǎn)離膜第三層中采用離子交換當(dāng)量為1000-1090的離子導(dǎo)體，遠(yuǎn)離膜第四層中采用離子交換當(dāng)量為1100-1200的離子導(dǎo)體；催化層由3層時(shí)，其緊鄰膜的催化層中采用離子交換當(dāng)量為900-990的離子導(dǎo)體，靠近膜第二層中采用離子交換當(dāng)量為1000-1090的離子導(dǎo)體，遠(yuǎn)離膜第三層中采用離子交換當(dāng)量為1100-1200的尚子導(dǎo)體。
催化層由2層時(shí)，其緊鄰膜的催化層中采用離子交換當(dāng)量為900-990的離子導(dǎo)體，靠近膜第二層中采用離子交換當(dāng)量為1100-1200的離子導(dǎo)體。
5.按照權(quán)利要求1或2所述的催化層結(jié)構(gòu)，其特征在于:制備過(guò)程， 催化層由4層時(shí)，緊鄰膜的催化層成型溫度為40-49°，靠近膜的第二層催化層成型溫度為50-59°，遠(yuǎn)離膜的第三層成型溫度為60-69°，遠(yuǎn)離膜的第四層成型溫度為70-80° ；催化層由3層時(shí)，緊鄰膜的催化層成型溫度為50-59°，靠近膜的第二層催化層成型溫度為60-69°，遠(yuǎn)離膜的第三層成型溫度為70-80° ； 催化層由2層時(shí)，緊鄰膜的催化層成型溫度為50-60°，靠近膜的第二層催化層成型溫度為 70-80°。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種能夠有效降低燃料電池Pt擔(dān)量的催化層結(jié)構(gòu)，所述催化層由多層不同組成的單一催化層組成，每一層催化層所采用的催化劑Pt載量，離子導(dǎo)體型號(hào)，Pt擔(dān)量，以及每一層的制備工藝均有所不同，以達(dá)到提高催化劑利用率、降低Pt擔(dān)量的目的。燃料電池反應(yīng)時(shí)，氧分子從催化層擴(kuò)散到催化層內(nèi)部，與從陽(yáng)極遷移過(guò)來(lái)的氫質(zhì)子反應(yīng)，根據(jù)燃料電池反應(yīng)的特征，氧經(jīng)由擴(kuò)散層向催化層內(nèi)部擴(kuò)散，并與陽(yáng)極傳遞過(guò)來(lái)的氫質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)生成水。本發(fā)明在設(shè)計(jì)催化層結(jié)構(gòu)時(shí)，著重提高靠近膜一側(cè)催化層的Pt濃度和離子導(dǎo)體濃度，以提高中低電流密度下的反應(yīng)效率。
文檔編號(hào)H01M4/94GK103165915SQ20111042450
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者宋微, 俞紅梅, 邵志剛, 衣寶廉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所