[发明专利]一种阳极催化剂层、膜电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种阳极催化剂层、膜电极及其制备方法，属于燃料电池技术领域。阳极催化剂层包括阳极催化剂和阳极离子交换树脂，其特征在于：所述的阳极催化剂层包括多个部分，所述多个部分的铂载量和离子交换容量呈梯度化分布；阳极催化剂层中的铂载量为0.075 mg/cmsupgt;2/supgt;‑0.091 mg/cmsupgt;2/supgt;，所述阳极气体的出气口附近的催化剂层中的铂载量大于进气口的铂载量；阳极离子交换树脂的离子交换容量范围为0.84‑1.15meq/g，所述阳极气体的出气口附近的催化剂层中的离子交换容量高于进气口的离子交换容量。本发明可以提供更多的催化位点；随着反应的进行，催化剂层中的水比较多，后端使用排水性好的配方可以减小传质阻力。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种阳极催化剂层、膜电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种电化学电池，其主要原理是将燃料和氧化剂中的化学能经氧化还原反应直接转化为电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为燃料电池领域的重要分支，除了拥有燃料电池一般性特点如能量转换效率高、环境友好之外，还具有室温下启动速度快、体积小、无电解液损失、容易排水、寿命长、比功率和比能量高等突出优点。它不仅适用于分散式电站的建设，而且适用于移动供电。它是一种新型的军用和民用移动电源。因此，质子交换膜燃料电池具有非常广阔的应用前景。

膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)是燃料电池的核心组件，是燃料电池进行氧化还原反应的场所，主要由气体扩散层(Gas diffusion layer,GDL)、催化剂层(Catalyst layer,CL)、质子交换膜(Proton ExchangeMembrane,PEM)以及密封层组成。催化剂层催化氢气和氧气的电化学反应，分为阴极催化层(氧气还原反应)和阳极催化层(氢气氧化反应)。阳极催化层将氢气分解成质子，并释放出电子，电子通过外电路到达阴极。阴极催化层催化质子和氧气发生电化学反应，得到电子产生水。

现有技术中，膜催化剂层组件是在质子交换膜(Proton ExchangeMembrane,PEM)的两面形成催化剂层，该催化剂层包含在碳粉末上负载铂系的金属催化剂而得到的催化剂负载碳，以及具有氢离子传导性的高分子电解质。一般情况下，采用全氟磺酸质子交换膜构成高分子电解质，例如美国杜邦公司生产的Nafion（商品名）等。

现有技术中，膜电极组件是在催化剂层的外面使用碳纸，形成同时具有通气性及电子传导性的气体扩散层。通过催化剂层与气体扩散层的组合而构成阳极和阴极。

催化剂层主要有4个功能。第一个功能，将从气体扩散层供给的反应气体供到催化剂层的反应位点的功能；第二个功能，传导电极催化剂上的反应所必要的氢离子或生成的氢离子的功能；第三个功能，传导反应所必要的电子或生成的电子的功能；第四个功能，利用高的催化剂性能与其大反应面积来加速电极反应的功能。总之，催化剂层需要具有高的反应气体透过性、氢离子传导性、电子传导性及催化剂性能。

现有的MEA的阳极催化剂层的配方是一样的，单电池发电的过程中，从进气口和出气口的反应条件是不同的，进气口的湿度相对低一些，氢气的含量相对来说比较充裕，接近出气口的地方湿度相对比较高，氢气的浓度相对低一些，这就要求后端的催化剂层排水性更好一些，并且催化的活性位点更多一些，目前催化剂的配方是相同的，无法根据不同区域的满足不同的需求。

发明内容

本发明提供了一种膜电极及其制备方法，该膜电极催化剂层的设计方案是一种全新的设计方案，靠近进气口的铂载量适当低一些，靠近出气口的地方铂载量适当高一些，提供更多的催化位点；随着反应的进行，催化剂层中的水比较多，后端使用排水性好的配方可以减小传质阻力。