[发明专利]一种贵金属催化剂颗粒呈梯度分布的MEA制备方法

说明书

本发明涉及一种贵金属催化剂颗粒呈梯度分布的MEA制备方法，具体包括以下步骤：根据需要裁切质子交换膜或碳纸；配制不同浓度的贵金属催化剂颗粒浆料，并充分搅拌；将不同浓度的贵金属催化剂颗粒浆料逐层涂布在质子交换膜或碳纸上，实现贵金属催化剂颗粒在厚度方向上梯度分布。与现有技术相比，本发明有利于降低贵金属的载量，有利于催化剂利用率的提高，依据氧气浓度梯度分布特征，构建梯度分布的活性金属催化层，减少贵金属的用量，即在氧气浓度高的地方采用少的贵金属，在氧气浓度不足的地方，为了使氧气能够充分发生还原反应，采用高含量的贵金属来促进电化学反应，与喷涂法相比，有效避免浪费，降低成本。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种贵金属催化剂颗粒呈梯度分布的MEA制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(以下称为燃料电池)，是一种不经卡诺循环，利用燃料(氢气)与氧化剂(一般采用空气)的电化学反应，将化学能直接转化为电能的发电装置。由质子交换膜与贵金属催化剂构成的膜电极组件(MEA)是燃料电池的核心部件，在燃料电池的工作过程中，膜电极需要有效地将燃料与氧化剂阻隔开，防止燃料与氧化剂混合直接发生化学反应，极端情况下甚至可能引起爆炸，或者燃料与氧化剂的互相渗漏引起的电池发电效率下降和寿命的衰减。

在质子交换膜燃料电池中，阴阳极催化层一般都采用碳载纳米Pt、Pd贵金属或其合金作为催化剂。由于采用价格昂贵的贵金属作为催化剂，这就造成了燃料电池的成本高居不下，严重影响了其商业化。而且，阴极催化层中的贵金属含量往往是阳极的2至3倍。这是由于氧气的还原反应(ORR)比氢气的氧化反应速度慢，氧气在催化层中的传递也比氢气慢。因此，为了降低燃料电池成本，就需要提高贵金属的利用率或活性，减少贵金属的损失；而且针对阴极的措施会更加奏效。

如图1所示在阴极发生电化学的过程中，空气中的氧气从气体扩散层(GDL)向质子交换膜扩散，而阳极电化学反应产生的氢质子则透过质子交换膜往阴极传递。质子和氧气在贵金属催化剂表面活性位相遇后，发生ORR反应生成水，两种反应物质均消亡。反应式方程式如下：

由于在阴极催化层中，由GDL扩散而来的氧气的浓度和由质子交换膜传递而来的质子的浓度均呈现梯度变化——即靠催化层外侧(近GDL侧)的贵金属得到的氧气浓度较高，而越往内侧氧气浓度越低，质子的浓度正相反。不均衡的物质反应浓度对于反应场所——贵金属的数量的要求也是不一致的。如此看来，采用传统的、均匀分布的活性金属浓度的催化层构建方式，并不利于降低贵金属的载量和利用率的提高。反之，如果依据氧气的浓度梯度分布特征，构建梯度分布的活性金属催化层，必然可以减少贵金属的用量。即在氧气浓度高的地方采用少的贵金属，而在氧气浓度不足的地方，为了使氧气能够充分发生还原反应，则采用高含量的贵金属来促进电化学反应。此外，燃料电池所使用的膜电极组件成本较高，如果采用喷涂法，在生产过程中由于雾化的催化剂颗粒会飞出有效喷涂区域，从而产生一定的浪费。

膜电极组件制备，如专利CN 200480016800.7所述，可解决贵金属颗粒浓度分布问题，但采用喷墨设备沉积催化剂层，由于雾化的催化剂颗粒会飞出有效喷涂区域，从而产生一定的浪费；如专利CN03133536.5，催化层分为两层结构，采用喷涂或刮涂工艺，实现了导电离子聚合物的浓度由外向内梯度递增，憎水剂的浓度由内向外梯度递减，但并没有实现贵金属催化剂颗粒的梯度分布。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种贵金属催化剂颗粒呈梯度分布的MEA制备方法，将贵金属催化剂颗粒在厚度方向上按照设计的浓度梯度直接涂布于质子交换膜上或气体扩散层上。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种贵金属催化剂颗粒呈梯度分布的MEA制备方法，具体包括以下步骤：

(1)根据需要裁切质子交换膜或碳纸；

(2)配制不同浓度的贵金属催化剂颗粒浆料，并充分搅拌；