[发明专利]可自支撑且具有梯度分布结构燃料电池催化层

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池催化层，尤其是涉及一种可自支撑、具有梯度分布结构燃料电池催化层。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFCs)能直接将化学能转化为电能，是一种高效、环境友好的能量转化装置，在交通动力、固定电站和移动电源等方面应用前景广阔。催化层是质子交换膜燃料电池的核心部件，它不仅要为燃料电池的电化学反应提供催化活性中心，还要为反应提供电子通道、质子通道和传质(反应气体和产物水)通道。其组成和结构不但直接决定燃料电池的活性和输出功率，还在很大程度上影响燃料电池的稳定性、可靠性和耐久性，并在燃料电池系统中占很高的成本份额。

常规的催化层一般由Pt/C等催化剂(提供催化活性中心)和Nafion(作为粘结剂和质子通道)采用墨水化方法制备而成。该方法一般先将催化剂和Nafion制成墨水化溶液，再涂覆到质子交换膜(Catalyst Coated Membrane,CCM)或者扩散层(Catalyst Coated Substrate,CCS)上。传统方法制备的催化层不能自我支撑，其结构易受墨水化过程中催化剂分散不均而导致催化剂分散不均等情况的影响，从而造成活性组分利用率低，催化活性层的耐久性也较差。

事实上，质子交换膜燃料电池的反应和传质过程对催化层的结构要求极为特殊。理想的催化层需要提供尽可能多的活性中心、尽可能大的“气-液-固”三相反应界面，也需要具有畅通的质子通道和产物/反应物的传质通道。而催化层内(尤其是在与电极垂直方向)发生的电化学反应和传质过程极不均匀，需要有相应的催化层结构与之匹配。催化层内非均相化学反应的特征要求在靠近质子交换膜处比另一端具有相对较高的催化活性中心密度。而利用传统方法制备的催化层中贵金属纳米颗粒呈均匀分布，使得靠近质子交换膜处贵金属利用率较高，而远离质子交换膜处贵金属的利用率较低，造成了贵金属的浪费。

为了能在保持燃料电池性能的基础上降低催化活性中心使用量，同时简化催化层的制作方法，达到降低燃料电池的制作成本的目的，需要在最大化地利用催化活性中心的同时，尽可能地促进电化学反应和传质过程，因此需要在催化层内实现催化活性中心、质子通道和传质通道的梯度分布。

公开号为CN 103326032A的专利公开了一种质子交换膜燃料电池Pt梯度分布的催化层结构的方法，该方法中采用了以质子交换膜作为基底进行了梯度分布的铂催化层的构建，提高了膜电极的功率密度。该催化层不能自我支撑，其催化剂含量在靠近扩散层处具有最高浓度，在靠近质子交换膜处具有最低浓度，且该专利未能解决传质通道梯度分布和质子通道梯度分布的问题，反应物和产物不能有效地进出催化层。

公开号为CN 103165915A的专利公开了一种有效降低燃料电池Pt担载量的催化层结构。该催化层结构中具有多层不同组成的单一催化层，每一层所采用的催化剂Pt载量，离子导体型号以及制备方法均有所不同，用以提高中低电流密度下的反应效率。但该催化层需要依附在质子交换膜上，不具有自我支撑的特性；由于每层的催化剂含量，离子导体型号，制备方法等均不同，导致了制备过程复杂，制作过程要求高的缺点。

公开号为CN 102104155A的专利公开了一种燃料电池用低铂阴极催化层及其应用。该催化层制备采用喷涂的方法，第一层由比表面积为800～1200m²/g的碳载体制备的催化剂和质子导体构成；第二层为比表面积50～300m²/g的碳载体制备的催化剂和憎水物质构成。这种方法得到的催化出具有贵金属用量少，厚度薄等特点，主要解决了催化层内排水和催化剂利用率的问题，但催化层的结构有待进一步改善，同时制备方法有待优化。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可自支撑、具有梯度分布结构燃料电池催化层，不仅能使催化活性中心实现梯度分布，催化层内的质子通道和传质通道也实现了梯度分布，从而实现了催化层内“活性中心-质子通道-传质通道”的合理架构和有效利用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

可自支撑且具有梯度分布结构燃料电池催化层，该催化层可实现催化活性中心、质子通道和传质通道的梯度分布。这种催化层能提供尽可能多的活性中心、尽可能大的“气-液-固”三相反应界面，同时具有畅通的质子通道和反应物、产物的传质通道的特点。