本發(fā)明屬于燃料電池，尤其是涉及一種梯度陰極催化層、膜電極和質(zhì)子交換膜燃料電池。

背景技術(shù)：

1、質(zhì)子交換膜燃料電池是一種利用氫作為燃料的電化學(xué)裝置，在陰極和陽(yáng)極的催化層分別進(jìn)行氧氣還原反應(yīng)和氫氣氧化反應(yīng)，其將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生空氣污染物質(zhì)，因此展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。目前，商用燃料電池堆每節(jié)電池通常設(shè)計(jì)為100～500cm2的有效活性面積以滿足高功率的應(yīng)用需求。然而大面積的膜電極會(huì)帶來(lái)顯著的水-熱-電等物理場(chǎng)分布不均勻的問(wèn)題，進(jìn)而影響燃料電池的使用壽命。

2、梯度設(shè)計(jì)陰極催化層可以有效改善上述物理場(chǎng)的分布特性，從而延長(zhǎng)電池壽命。cn117438596a公開了一種梯度催化層膜電極制備方法，通過(guò)在質(zhì)子交換膜上依次噴涂不同配比的催化劑漿料，形成從質(zhì)子交換膜至氣體擴(kuò)散層的厚度方向上逐步減低的鉑載量梯度、全氟磺酸含量梯度、石墨碳含量梯度和逐步增加的碳納米纖維含量梯度，以分別提升氧氣還原反應(yīng)速率、質(zhì)子傳導(dǎo)速率、液態(tài)水排出速率和氧氣擴(kuò)散速率，進(jìn)而提高膜電極性能。cn113991126a公開了一種梯度質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法和應(yīng)用。設(shè)置陰極和陽(yáng)極第一催化層分布在質(zhì)子交換膜兩側(cè)，其離聚物含量最高，鉑含量較低，減小了膜電極的界面效應(yīng)；第二催化層中鉑含量最高，離聚物含量和ew值最低；陰極另設(shè)第三層催化層，其鉑含量較第二催化層降低，并降低離聚物含量，提高離聚物ew值，防止反應(yīng)氣體濃度過(guò)高反應(yīng)過(guò)快引起水淹。由此形成一個(gè)陰極三段陽(yáng)極兩段梯度的催化層，提高了氣體分布均勻性和鉑利用率。

3、然而，上述現(xiàn)有技術(shù)僅考慮了催化層厚度方向上的梯度設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮面內(nèi)方向。針對(duì)大面積質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用場(chǎng)景，比如固定式發(fā)電站等，對(duì)燃料電池的壽命要求更高。由于在大面積流場(chǎng)內(nèi)，沿著流道方向，氧氣濃度變低，水蒸氣濃度變大導(dǎo)致膜含水量升高，導(dǎo)致催化劑吸附氧氣速率和質(zhì)子傳導(dǎo)速率在平面內(nèi)呈現(xiàn)非常大的差異性。因此，氣體在大面積燃料電池面內(nèi)方向的流動(dòng)和分布更加不均勻，進(jìn)而帶來(lái)更不均勻的水-熱-電等物理場(chǎng)分布。

4、因此，亟待開發(fā)一種新型的燃料電池陰極催化層，能有效改善燃料電池平面內(nèi)的物理場(chǎng)分布，以應(yīng)用于大面積質(zhì)子交換膜燃料電池中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的無(wú)法改善大面積燃料電池平面內(nèi)物理場(chǎng)分布的缺陷而提供一種梯度陰極催化層、膜電極和質(zhì)子交換膜燃料電池。

2、本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供一種梯度陰極催化層，包括依次并列設(shè)置的三個(gè)等分的催化區(qū)，三個(gè)等分的催化區(qū)沿氣體流動(dòng)方向依次定義為第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)；

4、所述第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)內(nèi)均包括pt/c催化劑和離聚物，第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)中的pt載量依次遞增，離聚物與碳載體的質(zhì)量比(即i/c比)依次遞減。

5、進(jìn)一步地，所述第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)的平均pt載量為0.15-0.25mg/cm2，優(yōu)選為0.2mg/cm2；三個(gè)催化區(qū)的pt載量在0.1-0.3mg/cm2的范圍中依次遞增。

6、進(jìn)一步地，所述第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)中離聚物與碳載體的平均質(zhì)量比為0.5-0.7，優(yōu)選為0.6；三個(gè)催化區(qū)中離聚物與碳載體的質(zhì)量比在0.4-0.8的范圍中依次遞減。

7、進(jìn)一步地，所述梯度陰極催化層采用以下方法制得：

8、將質(zhì)子交換膜的活性區(qū)域面積進(jìn)行三等分設(shè)置，依次形成第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)；分別配制c1、c2、c3三份催化劑漿料，三份催化劑漿料中的pt載量依次遞增，離聚物與碳載體的質(zhì)量比依次遞減；將三份催化劑漿料分別噴涂至第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)，即得到所述梯度陰極催化層。

9、進(jìn)一步地，步驟s1中，所述質(zhì)子交換膜的活性區(qū)域面積為100-500cm2。

10、進(jìn)一步地，步驟s2中，所述催化劑漿料均包括pt/c催化劑和離聚物。

11、更進(jìn)一步地，所述pt/c催化劑中pt的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20-60％且在c1、c2、c3三份催化劑漿料中依次遞增。

12、更進(jìn)一步地，所述離聚物與碳載體的質(zhì)量比為0.4-0.8且在c1、c2、c3三份催化劑漿料中依次遞減。

13、進(jìn)一步地，所述催化劑漿料的制備方法包括以下步驟：按比例稱取pt/c催化劑和離聚物溶液，加入乙醇水溶液混合均勻，隨后進(jìn)行球磨、分散，即得到所述催化劑漿料。

14、更進(jìn)一步地，所述球磨的時(shí)間為6-24h，優(yōu)選為12-18h。

15、更進(jìn)一步地，所述球磨的轉(zhuǎn)速為100-300rpm，優(yōu)選為150rpm。

16、更進(jìn)一步地，所述分散采用超聲分散，超聲分散的時(shí)間為10-60min，優(yōu)選為20-30min。

17、本發(fā)明還提供一種膜電極，其包括質(zhì)子交換膜和分別設(shè)于質(zhì)子交換膜兩側(cè)的陽(yáng)極催化層和陰極催化層；其中所述陰極催化層采用上述的梯度陰極催化層。

18、進(jìn)一步地，所述陽(yáng)極催化層的pt載量為0.1mg/cm2，質(zhì)子交換膜的厚度為18-50μm。

19、本發(fā)明還提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其包括上述的膜電極。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

21、(1)本發(fā)明針對(duì)氣體在大面積流場(chǎng)中流動(dòng)和分布不均勻的特點(diǎn)，在陰極催化層面內(nèi)方向做出了相應(yīng)梯度的pt載量和i/c比設(shè)計(jì)，平衡了氣體出口反應(yīng)氣體濃度低、水蒸氣濃度高造成電流密度分布的不均勻性。

22、(2)本發(fā)明為解決沿著流動(dòng)方向氧氣濃度明顯降低造成催化劑吸附氧氣速度明顯降低的問(wèn)題，對(duì)陰極催化層面內(nèi)方向的pt載量進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，三個(gè)催化區(qū)的pt載量遞增。

23、(3)本發(fā)明為解決沿著流動(dòng)方向水蒸氣濃度明顯升高造成膜含水量過(guò)高，從而質(zhì)子傳導(dǎo)速率相比氣體進(jìn)口區(qū)域明顯加快的問(wèn)題，對(duì)陰極催化層面內(nèi)方向的i/c比進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，三個(gè)催化區(qū)的的i/c比遞減。

24、(4)本發(fā)明將陰極催化層分為3個(gè)區(qū)域，相比均勻分布(即只有一個(gè)催化區(qū))和2個(gè)等分催化區(qū)域噴涂的催化層電流密度分布均勻性更好；而3個(gè)以上區(qū)域的分區(qū)設(shè)計(jì)將增加催化層的制備難度，因此本發(fā)明兼具了提高物理場(chǎng)分布均勻性與降低制備難度的優(yōu)點(diǎn)。

25、(5)本發(fā)明通過(guò)在面內(nèi)方向上進(jìn)行pt載量和i/c比的梯度化設(shè)計(jì)，可以大大提升氣體在大于100cm2的大面積流場(chǎng)內(nèi)的流動(dòng)均勻性，因此可廣泛應(yīng)用于如固定式發(fā)電站等大面積質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用場(chǎng)景，以延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命。

技術(shù)特征：

1.一種梯度陰極催化層，其特征在于，包括依次并列設(shè)置的三個(gè)等分的催化區(qū)，三個(gè)等分的催化區(qū)沿氣體流動(dòng)方向依次定義為第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度陰極催化層，其特征在于，所述第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)的平均pt載量為0.15-0.25mg/cm2，三個(gè)催化區(qū)的pt載量在0.1-0.3mg/cm2的范圍中依次遞增。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度陰極催化層，其特征在于，所述第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)中離聚物與碳載體的平均質(zhì)量比為0.5-0.7，三個(gè)催化區(qū)中離聚物與碳載體的質(zhì)量比在0.4-0.8的范圍中依次遞減。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度陰極催化層，其特征在于，所述梯度陰極催化層采用以下方法制得：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種梯度陰極催化層，其特征在于，所述催化劑漿料均包括pt/c催化劑和離聚物；

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種梯度陰極催化層，其特征在于，所述催化劑漿料的制備方法包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種梯度陰極催化層，其特征在于，所述球磨的時(shí)間為6-24h，球磨的轉(zhuǎn)速為100-300rpm。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種梯度陰極催化層，其特征在于，所述分散采用超聲分散，超聲分散的時(shí)間為10-60min。

9.一種膜電極，其特征在于，包括質(zhì)子交換膜和分別設(shè)于質(zhì)子交換膜兩側(cè)的陽(yáng)極催化層和陰極催化層；

10.一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征在于，包括權(quán)利要求9所述的膜電極。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種梯度陰極催化層、膜電極和質(zhì)子交換膜燃料電池，所述梯度陰極催化層包括依次并列設(shè)置的三個(gè)等分的催化區(qū)，三個(gè)等分的催化區(qū)沿氣體流動(dòng)方向依次定義為第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)；所述第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)內(nèi)均包括Pt/C催化劑和離聚物，第一催化區(qū)、第二催化區(qū)和第三催化區(qū)中的Pt載量依次遞增，離聚物與碳載體的質(zhì)量比依次遞減。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明針對(duì)氣體在大面積流場(chǎng)中流動(dòng)和分布不均勻的特點(diǎn)，在陰極催化層面內(nèi)方向進(jìn)行相應(yīng)梯度的Pt載量和I/C比設(shè)計(jì)，平衡了氣體出口反應(yīng)氣體濃度低、水蒸氣濃度高造成電流密度分布的不均勻性。

技術(shù)研發(fā)人員：章俊良,程明,馮齊龍,郭楊格,沈水云,閆曉暉,殷潔煒,程曉靜,羅柳軒,李慧媛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6