CN114628701B - 多层催化剂层、其制备方法和应用 - Google Patents

多层催化剂层、其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114628701B
CN114628701B CN202011456214.1A CN202011456214A CN114628701B CN 114628701 B CN114628701 B CN 114628701B CN 202011456214 A CN202011456214 A CN 202011456214A CN 114628701 B CN114628701 B CN 114628701B
Authority
CN
China
Prior art keywords
catalyst layer
layer
electrocatalyst
water vapor
shift reaction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011456214.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114628701A (zh
Inventor
王素力
夏章讯
孙公权
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN202011456214.1A priority Critical patent/CN114628701B/zh
Publication of CN114628701A publication Critical patent/CN114628701A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114628701B publication Critical patent/CN114628701B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828—Coating with slurry or ink
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9041—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/9083—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本申请公开了一种多层催化剂层，该催化剂层附着至支撑基底，其中，所述催化剂层包括水汽变换反应催化剂层和电催化剂层，所述水汽变换反应催化剂层附着至所述支撑基底的表面，所述电催化剂层附着至所述水汽变换反应催化剂层的的表面。本申请还公开了一种该催化剂层的制备方法以及该催化剂层在高温聚合物电解质膜燃料电池中的应用。本申请所制备的多层催化剂层具有优异的耐CO性能。

Description

多层催化剂层、其制备方法和应用
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体而言涉及一种多层催化剂层、其制备方法及其在高温聚合物电解质膜燃料电池中的应用。
背景技术
高温(150-200℃)聚合物电解质膜燃料电池，可对甲醇、乙醇、汽油、柴油、甲烷等生物质、化石衍生燃料经过重整之后的富氢燃料直接利用，在油机替代领域具有广阔的应用前景。高温聚合物电解质膜燃料电池技术的应用场景均为与重整制氢装置联用，重整气组分多为甲醇重整气、乙醇重整气等醇类重整混合气，以及汽油、柴油重整气、甲烷重整气等化石燃料重整混合气，重整气中氢气含量通常为30-70％之间，而CO含量通常为1-10％之间。本申请发明人意识到由于CO对贵金属电催化剂的优势吸附作用，该浓度的CO可导致阳极催化层毒化进而引发性能的降低。传统基于碳载铂的电催化剂材料，是目前较有优势的氢氧化反应(HOR)电催化剂，其阳极过电位仅为数毫伏至数十毫伏数量级，但耐CO能力较为不足，极易受CO毒化而丧失氢氧化催化反应；其他基于Ru、Ir等金属的电催化剂，具有较高的CO耐受特性，但氢氧化反应催化活性却较为不足。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请从电极结构的扩散层优化入手，结合目前膜电极批量制备工艺，通过对催化剂层进行优化，制备了高耐CO能力的多层催化剂层，该多层催化剂层预期在基于重整气组分进料的高温电解质膜燃料电池中能够实现广泛的应用。
一方面，本申请提供了一种多层催化剂层，其特征在于，所述催化剂层附着至支撑基底，其中，所述催化剂层包括水汽变换反应催化剂层和电催化剂层，所述水汽变换反应催化剂层附着至所述支撑基底的表面，所述电催化剂层附着至所述水汽变换反应催化剂层的的表面。
可选地，所述支撑基底包括燃料电池的气体扩散层。
可选地，所述电催化剂层的层数为1层或2层。
可选地，所述水汽变换反应催化剂层中的水汽变换反应催化剂包括载体和由载体负载的铂、铜、锌、金、镍中的至少一种金属。
可选地，所述载体选自分子筛和多孔陶瓷中的至少一种。
可选地，所述分子筛选自硅铝型分子筛、铝磷型分子筛、杂原子骨架型分子筛中中的至少一种，所述多孔陶瓷选自多孔氧化铝、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、羟基磷灰石陶瓷中的至少一种。
可选地，所述金属选自铂、金、铜锌合金中的至少一种。
可选地，在所述水汽变换反应催化剂中，所述金属的质量含量为3％～25％；
可选地，在所述水汽变换反应催化剂中，所述金属的质量含量为5％～20％。
可选地，所述电催化剂层中的电催化剂包括碳负载的铂和/或碳负载的金属合金，所述金属合金包括铂以及选自金、钯、钌、镍、钴、铁、铜中的至少一种金属。
可选地，当所述电催化剂层的层数为2层时，两层电催化剂层包括不同种类的电催化剂。
可选地，所述碳负载的金属合金包括碳负载的铂钌合金、碳负载的铂镍合金、碳负载的铂钴合金、碳负载的铂钯合金中的至少一种。
可选地，所述碳选自活性炭、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
可选地，当所述电催化剂层的层数为2层时，两层电催化剂层包括不同种类的电催化剂，即第一层电催化剂层和第二层电催化剂层中的催化剂的具体种类是不同的。
可选地，所述催化剂层包括1层水汽变换反应催化剂层以及1层或2层电催化剂层，所述催化剂层的每一层均包括疏水剂与粘结剂。
可选地，所述每一层催化剂层中的疏水剂独立地包括聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)中的至少一种。
可选地，所述每一层催化剂层中的粘结剂独立地包括聚苯并咪唑(PBI)、全氟磺酸聚合物(PFSA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)中的至少一种。
可选地，在所述催化剂层中的每一层中，所述疏水剂的质量含量独立地为1％～30％；更优选地为5％～20％。
可选地，在所述催化剂层中的每一层中，所述疏水剂的质量含量独立地为1％、5％、10％、15％、20％、30％中的任意值，或者为所述任意两值限定的范围值，或者任意两值限定的范围值内的任意值。
可选地，在所述催化剂层中的每一层中，所述粘结剂的质量含量独立地为1％～15％、优选地为1％～10％；更优选地为1％～5％。
可选地，在所述催化剂层中的每一层中，所述粘结剂的质量含量独立地为1％、2％、5％、10％、15％中的任意值，或者为所述任意两值限定的范围值，或者任意两值限定的范围值内的任意值。
可选地，在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂的质量载量范围为0.1～2mg/cm2；优选地为0.5～1mg/cm2。
可选地，在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂的质量载量为0.1、0.5、1、2mg/cm2中的任意值，或者为所述任意两值限定的范围值，或者任意两值限定的范围值内的任意值。
可选地，在每层电催化剂层中，电催化剂的质量载量范围独立地为0.1～5mg/cm2；更优选地为0.5～2mg/cm2。
可选地，在每层电催化剂层中，电催化剂的质量载量独立地为0.1、0.3、0.5、1、2、5mg/cm2中的任意值，或者为所述任意两值限定的范围值，或者任意两值限定的范围值内的任意值。
可选地，所述催化剂层的总厚度为4～150μm，优选地为5～100μm。
可选地，每层催化剂层的厚度为2～50μm，优选地为15～50μm。
可选地，每层催化剂层的孔隙率为20％～80％，优选地为50％～70％。
另一方面，本申请提供了一种上述多层催化剂层的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)制备催化剂层浆液：
将含有水汽变换反应催化剂层的原料均匀分散在包含乙醇的溶剂中，以获得水汽变换反应催化剂层浆液；
将含有电催化剂层的原料均匀分散在包含乙醇的溶剂中，以获得电催化剂层浆液；
(2)制备多层催化剂层：
先将所述水汽变换反应催化剂层浆液涂覆至支撑基底的表面，待干燥后获得所述水汽变换反应催化剂层；
将所述电催化剂层浆液涂覆至所述水汽变换反应催化剂层的表面，待干燥后获得所述电催化剂层。
可选地，所述方法包括如下步骤：
(a)制备催化剂层浆液：
将含有水汽变换反应催化剂层的原料均匀分散在包含乙醇的溶剂中，以获得水汽变换反应催化剂层浆液；
将含有第一电催化剂层的原料均匀分散在包含乙醇的溶剂中，以获得第一电催化剂层浆液；
将含有第二电催化剂层的原料均匀分散在包含乙醇的溶剂中，以获得第二电催化剂层浆液；
(b)制备多层催化剂层：
先将所述水汽变换反应催化剂层浆液涂覆至气体扩散层的表面，待干燥后获得所述水汽变换反应催化剂层；
将所述第一电催化剂层浆液涂覆至所述水汽变换反应催化剂层的表面，待干燥后获得第一电催化剂层；和/或
将所述第二电催化剂层浆液涂覆至所述水汽变换反应催化剂层的表面，待干燥后获得第二电催化剂层。
可选地，含有水汽变换反应催化剂层的原料以及含有电催化剂层的原料均包括疏水剂和粘结剂。
可选地，所述步骤(1)中制备水汽变换反应催化剂层浆液和制备电催化剂层浆液所用的包含乙醇的溶剂独立地为乙醇和异丙醇、水、乙二醇中的任意一种混合溶剂。
可选地，在所述混合溶剂中，乙醇和异丙醇、水、乙二醇中的任意一种的体积比为5:1～1:5。
可选地，在所述混合溶剂中，乙醇和异丙醇、水、乙二醇中的任意一种的体积比为5:1、1:1、1:2、1:5中的任意值，或者为所述任意两值限定的范围值，或者任意两值限定的范围值内的任意值。
可选地，所述方法还包括步骤(3)：将通过涂覆以附着至所述气体扩散层的催化剂层在氮气气氛中，在200～400℃条件为，进行热处理0.5～3小时，以获得所述多层催化剂层。
可选地，方法包括以下制备步骤：
1)催化层浆液制备：
将一定质量水汽变换反应催化剂材料置于容器中，加入疏水剂，再加入粘结剂，最后溶剂，溶剂为体积比例为5:1～1:5的乙醇与异丙醇、水、乙二醇中的任意一种的混合溶剂，超声5～30分钟至分散均匀；
将一定质量铂合金电催化剂材料置于容器中，加入质量比例为1～30％的疏水剂，再加入粘结剂，最后加入催化剂质量5～20倍的溶剂，溶剂为体积比例为5:1～1:5的乙醇与异丙醇、水、乙二醇中的任意一种的混合溶剂，超声5-30分钟至分散均匀；
将一定质量碳载铂电催化剂材料置于容器中，加入疏水剂，再加入粘结剂，最后加入催化剂质量5～20倍的溶剂，溶剂为体积比例为5:1～1:5的乙醇与异丙醇、水、乙二醇中的任意一种混合溶剂，超声5-30分钟至分散均匀。
2)复合催化层的制备
采用超声喷涂或刮涂或刷涂的方式分别将上述水汽变换反应催化剂浆液、铂合金电催化剂浆液及碳载铂电催化剂浆液涂覆于气体扩散层表面，经充分干燥后称重，其中水汽变换反应催化剂载量范围为0.1～2mg/cm2之间，电催化剂载量范围为0.1～5mg/cm2之间；
将上述负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中热处理，温度为200～400℃，处理时间为0.5～3小时，充分冷却后取出即得所制备的新型催化层。
对于上述方法中所用到的与描述所述多层催化剂层的相同的成分，在此不再赘述，均参见上文描述。
再一方面，本申请提供了一种上述多层催化剂层和/或根据上述方法制备的多层催化剂层在高温聚合物电解质膜燃料电池中的应用。
在本申请中，“水汽变换反应催化剂层”指的是含有水汽变换反应催化剂的层，“电催化剂层”指的是含有电催化剂的层。“水汽变换反应催化剂”指的是对水汽变换反应(CO与水蒸气反应生成氢气与CO2)具有催化活性的材料；“电催化剂”指的是“使得电极、电解质界面上的电荷转移加速反应的催化剂”。
在本申请中，“多孔陶瓷”指的是以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料、经过成型和特殊高温烧结工艺制备的一种具有开孔孔径、高开口气孔率的一种多孔性陶瓷材料。
本申请能产生的有益效果包括：
1)采用本发明的方法制备的方法制备的多层催化剂层的结构是可控的，具体而言，采用本发明的方法制备的多层催化剂层的厚度、孔隙率、亲疏水性是可调控的。
2)采用本发明的方法制备的多层催化剂层具有优异的耐CO性能，具体而言，所制备的多层催化剂层用于高温电解质膜燃料电池电极时，引入的水汽变换反应催化剂层和电催化剂层大幅促进了CO的原位氧化脱除，提高了电极CO耐受特性。
3)本发明的多层催化剂层的制备方法可控性强，减少了其他方法带来的不可控因素，实用性强。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例制备多层催化剂层的流程示意图。
图2a示出了根据本发明实施例1制备的多层催化剂层的3层结构的扫描电镜照片。
图2b示出了根据本发明实施例1制备的多层催化剂层的碳负载的铂催化剂层的表面扫描电镜照片。
图3示出了根据本发明实施例1所制备的多层催化剂层与根据对比例1和对比例2所制备的催化剂层在用于高温聚合物电解质膜燃料电池电极时，在氢气进料条件下的电化学性能的曲线。
图4示出了根据本发明实施例1所制备的多层催化剂层与根据对比例1和对比例2所制备的催化剂层在用于高温聚合物电解质膜燃料电池电极时，在在重整气进料条件下的耐CO性能的曲线。
图5示出了根据本发明实施例2至4所制备的多层催化剂层与根据对比例1所制备的催化剂层在用于高温聚合物电解质膜燃料电池电极时，在氢气进料条件下的电化学性能的曲线。
图6示出了根据本发明实施例2至4所制备的多层催化剂层与根据对比例1所制备的催化剂层在用于高温聚合物电解质膜燃料电池电极时，在在重整气进料条件下的耐CO性能的曲线。
图7示出了根据本发明实施例1制备的多层催化剂层的稳定性测试曲线。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
在本申请中所公开的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解包括接近这些范围或值。对于数值范围而言，各个范围的端点值和单独的点值之间，可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买或者通过已知的方法制备得到。多孔氧化铝负载铂催化剂购自默克公司，型号为205974。分子筛负载金属催化剂购自默克公司。
本申请实施例所用的气体扩散层型号为科德宝公司生产的H24。
如无特别说明，实施例中的分析方法均采用仪器的常规设置和常规分析方法。
在氢气条件下的高温聚合物电解质膜燃料电池电极的电化学性能的测试设备和测试条件：燃料电池测试台架，温度：160摄氏度，阳极：氢气(2倍计量比)，阴极：空气(3倍计量比)。
在重整气进料条件下的耐CO性能的测试设备和测试条件：燃料电池测试台架，温度：160摄氏度，阳极：重整气(按氢气计算2倍计量比)，阴极：空气(3倍计量比)，其中，重整气包括含量为40％(体积分数)的氢气，含量为3％(体积分数)的CO。
多层催化剂层的稳定性的测试设备和条件：燃料电池测试台架，温度：160摄氏度，阳极：氢气(2倍计量比)，阴极：空气(3倍计量比)。
实施例1
1)催化层浆液制备：
将0.2g氧化铝负载5wt％Pt水汽变换反应催化剂置于容器中，加入0.03g质量浓度为60％的PTFE(分子量为5000000)水分散液，再加入0.03g质量浓度为20％的PVDF(分子量为200000)二甲基甲酰胺溶液，最后加入催化剂质量20倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:1的乙醇与水的混合溶剂，超声30分钟至分散均匀得到水汽变换反应催化剂浆液；
将0.4g75wt％PtRu/C(C的形式为无定形碳)电催化剂置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.01g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到铂合金电催化剂浆液；
将0.4g60wt％碳载铂电催化剂材料(碳的形式为无定形碳)置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.01g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物(分子量为100000)的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到碳载铂电催化剂浆液。
2)多层催化层的制备
采用超声喷涂的方式先将上述水汽变换反应催化剂浆液涂覆于面积为20厘米×20厘米的气体扩散层表面，经充分干燥后得到水汽变换反应催化剂层，然后在水汽变换反应催化剂层的表面上涂覆铂合金电催化剂浆液，干燥后得到铂合金电催化剂层，然后在铂合金电催化剂层上涂覆碳载铂电催化剂浆液，经干燥后得到碳载铂电催化剂层。水汽变换反应催化
将上述负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中热处理，温度为400℃，处理时间为2小时，充分冷却后取出即得所制备的多层催化剂层。其中，在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂载量为1mg/cm2，铂合金电催化剂与碳载铂催化剂在各自的电催化剂层中的载量均分别为0.5mg/cm2；
水汽变换反应催化剂层的厚度为10μm，铂合金电催化剂层的厚度20μm，碳载铂电催化剂层的厚度为20μm，多层催化剂层的总厚度为50μm；
水汽变换反应催化剂层的孔隙率为40％，铂合金电催化剂层的孔隙率为60％，碳载铂电催化剂层的孔隙率为60％。
在水汽变换反应催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PVDF与PTFE的质量含量为15％。
在铂合金电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
在碳载铂电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
对比例1
1)催化层浆液制备：
该对比例中的步骤1)与实施例1的步骤1)的区别在于该对比例1仅仅制备碳载铂电催化剂浆液，制备碳载铂电催化剂浆液步骤与实施例1相同。具体而言，将0.4g60wt％碳载铂电催化剂材料(碳的形式为无定形碳)置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.01g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物(分子量为100000)水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到碳载铂电催化剂浆液。。
2)催化层的制备
采用超声喷涂的方式将上述碳载铂电催化剂浆液涂覆于面积为20厘米×20厘米的气体扩散层表面，经充分干燥后得到碳载铂电催化剂层。
将上述负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中热处理，温度为400℃，处理时间为2小时，充分冷却后取出即得所制备的新型催化层。其中，电催化剂载量为1mg/cm2。
对比例2
1)催化层浆液制备：
将0.2g氧化铝负载5wt％Pt水汽变换反应催化剂置于容器中，加入0.03g质量浓度为60％的PTFE(分子量为5000000)水分散液，再加入0.03g质量浓度为20％的PVDF(分子量为200000)二甲基甲酰胺溶液，最后加入催化剂质量20倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:1的乙醇与水的混合溶剂，超声30分钟至分散均匀得到水汽变换反应催化剂浆液；
将0.4g75wt％PtRu/C(C的形式为无定形碳)电催化剂置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.01g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到铂合金电催化剂浆液；
将0.4g60wt％碳载铂电催化剂材料(碳的形式为无定形碳)置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.01g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物(分子量为100000)的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到碳载铂电催化剂浆液。
2)催化层的制备
将上述水汽变换反应催化剂浆液、铂合金电催化剂浆液及碳载铂电催化剂浆液物理混合，并超声分散均匀，采用超声喷涂的方式涂覆于面积为20厘米×20厘米的气体扩散层表面，经充分干燥后得到包含混合催化剂的催化剂层。
将上述负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中热处理，温度为400℃，处理时间为2小时，充分冷却后取出即得所制备的催化层。，其中，在催化剂层中，水汽变换反应催化剂载量为1mg/cm2，铂合金电催化剂与碳载铂催化剂载量均分别为0.5mg/cm2。
图2a示出了根据本发明实施例1制备的附着在气体扩散层(底层)的多层催化剂层的3层结构(位于气体扩散层上方的三层)的扫描电镜照片。
根据图3可知，采用本发明的实施例1所制备的多催化剂层在用于高温电解质膜燃料电池阳极，在氢气进料条件下体现出了与对比例1和2相似或比对比例1和2更好的电化学性能。由此说明，多层催化剂层的引入并不会影响其用作电极材料时的电化学性能。
根据图4可知，与对比例1和对比例2所示的方法制备的催化剂层相比较，采用本发明的实施例1所制备的多催化剂层在用于高温电解质膜燃料电池时，在重整气进料条件下的具有显著提高的耐CO性能。根据图7可知，采用本发明的实施例1所制备的多层催化剂层在用于高温电解质膜燃料电池阳极时，在氢气进料条件下体现出了优异的稳定性，例如，可在500小时左右能保持较好的稳定性。
实施例2
1)催化层浆液制备：
将0.2g、UOP3A硅铝型分子筛(Si/Al原子比为1:1)负载20wt％CuZn催化剂置于容器中，加入0.03g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.03g质量浓度为20％的PVDF二甲基甲酰胺溶液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为5:1的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声10分钟至分散均匀得到水汽变换反应催化剂浆液；
将0.4g、50％wtPtNi/C(C的形式为碳纳米管)电催化剂置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.02g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到铂合金电催化剂浆液；
将0.4g、60wt％碳载铂电催化剂材料(碳的形式为碳纳米管)置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％PTFE水分散液，再加入0.02g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到碳载铂电催化剂浆液。
2)多层催化层的制备
采用超声喷涂的方式先将上述水汽变换反应催化剂浆液涂覆于面积为20厘米×20厘米的气体扩散层表面，经充分干燥后得到水汽变换反应催化剂层，然后在水汽变换反应催化剂层的表面上涂覆铂合金电催化剂浆液，干燥后得到铂合金电催化剂层，然后在铂合金电催化剂层上涂覆碳载铂电催化剂浆液，经干燥后得到碳载铂电催化剂层。
将上述负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中热处理，温度为200℃，处理时间为1小时，充分冷却后取出即得所制备的多层催化层。其中，在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂载量为2mg/cm2，合金电催化剂与碳载铂催化剂在各自的电催化剂层中的载量均分别为0.3mg/cm2。
水汽变换反应催化剂层的厚度为10μm，铂合金电催化剂层的厚度20μm，碳载铂电催化剂层的厚度为20μm，多层催化剂层的总厚度为50μm；
水汽变换反应催化剂层的孔隙率为40％，铂合金电催化剂层的孔隙率为70％，碳载铂电催化剂层的孔隙率为60％。
在水汽变换反应催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PVDF与PTFE的质量含量为15％。
在铂合金电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
在碳载铂电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
实施例3
1)催化层浆液制备：
将0.5g氧化铝负载5wt％Au催化剂置于容器中，加入0.7g质量浓度为50％的PVDF二甲基甲酰胺溶液，最后加入催化剂质量20倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:1的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声30分钟至分散均匀得到水汽变换反应催化剂浆液；
将0.5g、50wt％PtCo/C(C的形式为石墨烯)电催化剂置于容器中，加入0.08g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.03g质量浓度为5％全氟磺酸聚合物水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到铂合金电催化剂浆液；
将0.4g、60％wt％碳载铂电催化剂材料(碳的形式为石墨烯)置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.03g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到碳载铂电催化剂浆液。
2)多层催化层的制备
采用超声喷涂的方式先将上述水汽变换反应催化剂浆液涂覆于面积为20厘米×20厘米的气体扩散层表面，经充分干燥后得到水汽变换反应催化剂层，然后在水汽变换反应催化剂层的表面上涂覆铂合金电催化剂浆液，干燥后得到铂合金电催化剂层，然后在铂合金电催化剂层上涂覆碳载铂电催化剂浆液，经干燥后得到碳载铂电催化剂层。
将上述负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中热处理，温度为400℃，处理时间为2小时，充分冷却后取出即得所制备的多层催化层。其中，在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂载量为1mg/cm2，合金电催化剂与碳载铂催化剂载量在各自的电催化剂层中的载量均分别为0.5mg/cm2。
水汽变换反应催化剂层的厚度为20μm，铂合金电催化剂层的厚度30μm，碳载铂电催化剂层的厚度为20μm，多层催化剂层的总厚度为70μm；
水汽变换反应催化剂层的孔隙率为60％，铂合金电催化剂层的孔隙率为60％，碳载铂电催化剂层的孔隙率为60％。
在水汽变换反应催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PVDF的质量含量为20％。
在铂合金电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
在碳载铂电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
实施例4
1)催化层浆液制备：
将0.2g、UOP3A硅铝型分子筛(Si/Al原子比为1:1)负载20wt％CuZn催化剂置于容器中，加入0.03g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.03g质量浓度为20％的PVDF二甲基甲酰胺溶液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为5:1的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声10分钟至分散均匀得到水汽变换反应催化剂浆液；
将0.6g、40wt％PtPd/C(C的形式为无定形碳)电催化剂置于容器中，加入0.08g质量浓度为60％的10％的PTFE水分散液，再加入0.04g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到铂合金电催化剂浆液；
将0.4g、60％wt％碳载铂电催化剂材料(碳的形式为无定形碳)置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.03g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到碳载铂电催化剂浆液。
2)多层催化层的制备
采用刷涂的方式先将上述水汽变换反应催化剂浆液涂覆于面积为20厘米×20厘米的气体扩散层表面，经充分干燥后得到水汽变换反应催化剂层，然后在水汽变换反应催化剂层的表面上涂覆铂合金电催化剂浆液，干燥后得到铂合金电催化剂层，然后在铂合金电催化剂层上涂覆碳载铂电催化剂浆液，经干燥后得到碳载铂电催化剂层。
将上述负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中热处理，温度为300℃，处理时间为2小时，充分冷却后取出即得所制备的多层催化层。
其中，在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂载量为0.5mg/cm2，合金电催化剂与碳载铂催化剂在各自的电催化剂层中的载量均分别为1mg/cm2。
水汽变换反应催化剂层的厚度为30μm，铂合金电催化剂层的厚度20μm，碳载铂电催化剂层的厚度为20μm，多层催化剂层的总厚度为70μm；
水汽变换反应催化剂层的孔隙率为40％，铂合金电催化剂层的孔隙率为70％，碳载铂电催化剂层的孔隙率为70％。
在水汽变换反应催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PVDF与PTFE的质量含量为15％。
在铂合金电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
在碳载铂电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
为了便于理解，图1示出了根据本发明的实施例1至4任一项所述的方法制备多层催化剂层的流程示意图。
根据图5可知，采用本发明的实施例2至4所制备的多催化剂层在用于高温电解质膜燃料电池阳极，在氢气进料条件下体现出了与对比例1相似或比对比例1更好的电化学性能。由此说明，多层催化剂层的引入并不会影响其用作电极材料时的电化学性能。
根据图6可知，与对比例1所示的方法制备的催化剂层相比较，采用本发明的实施例2至4所制备的多催化剂层在用于高温电解质膜燃料电池阳极时，在重整气进料条件下的具有显著提高的耐CO性能。
实施例5
1)催化层浆液制备：
将0.2g氧化铝负载5wt％Pt水汽变换反应催化剂置于容器中，加入0.03g质量浓度为60％的PTFE(分子量为5000000)水分散液，再加入0.03g质量浓度为20％的PVDF(分子量为200000)二甲基甲酰胺溶液，最后加入催化剂质量20倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:1的乙醇与水的混合溶剂，超声30分钟至分散均匀得到水汽变换反应催化剂浆液；
将0.4g60wt％碳载铂电催化剂材料(碳的形式为无定形碳)置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.01g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物(分子量为100000)的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到碳载铂电催化剂浆液。
2)多层催化层的制备
采用超声喷涂的方式先将上述水汽变换反应催化剂浆液涂覆于面积为20厘米×20厘米的气体扩散层表面，经充分干燥后得到水汽变换反应催化剂层，然后在水汽变换反应催化剂层的表面上涂覆碳载铂电催化剂浆液，经干燥后得到碳载铂电催化剂层。
将上述负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中热处理，温度为400℃，处理时间为2小时，充分冷却后取出即得所制备的多层催化剂层。其中，在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂载量为1mg/cm2，铂合金电催化剂与碳载铂催化剂在各自的电催化剂层中的载量均分别为0.5mg/cm2；
水汽变换反应催化剂层的厚度为10μm，碳载铂电催化剂层的厚度为20μm，多层催化剂层的总厚度为30μm；
水汽变换反应催化剂层的孔隙率为40％，碳载铂电催化剂层的孔隙率为60％。
在水汽变换反应催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PVDF与PTFE的质量含量为15％。
在碳载铂电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
实施例6
1)催化层浆液制备：
将0.2g氧化铝负载5wt％Pt水汽变换反应催化剂置于容器中，加入0.03g质量浓度为60％的PTFE(分子量为5000000)水分散液，再加入0.03g质量浓度为20％的PVDF(分子量为200000)二甲基甲酰胺溶液，最后加入催化剂质量20倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:1的乙醇与水的混合溶剂，超声30分钟至分散均匀得到水汽变换反应催化剂浆液；
将2g75wt％PtAu/C(C的形式为碳纳米管)电催化剂置于容器中，加入0.6g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.1g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到铂合金电催化剂浆液；
将0.4g60wt％碳载铂电催化剂材料(碳的形式为石墨烯)置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.02g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物(分子量为100000)的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到碳载铂电催化剂浆液。
2)多层催化层的制备
采用超声喷涂的方式先将上述水汽变换反应催化剂浆液涂覆于面积为20厘米×20厘米的气体扩散层表面，经充分干燥后得到水汽变换反应催化剂层，然后在水汽变换反应催化剂层的表面上涂覆铂合金电催化剂浆液，干燥后得到铂合金电催化剂层，然后在铂合金电催化剂层上涂覆碳载铂电催化剂浆液，经干燥后得到碳载铂电催化剂层。
将上述负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中热处理，温度为400℃，处理时间为2小时，充分冷却后取出即得所制备的多层催化剂层。其中，在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂载量为1mg/cm2，铂合金电催化剂与碳载铂催化剂在各自的电催化剂层中的载量均分别为5mg/cm2、0.5mg/cm2；
水汽变换反应催化剂层的厚度为10μm，铂合金电催化剂层的厚度50μm，碳载铂电催化剂层的厚度为20μm，多层催化剂层的总厚度为80μm；
水汽变换反应催化剂层的孔隙率为40％，铂合金电催化剂层的孔隙率为60％，碳载铂电催化剂层的孔隙率为60％。
在水汽变换反应催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PVDF与PTFE的质量含量为15％。
在铂合金电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
在碳载铂电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
实施例7
1)催化层浆液制备：
将0.2g氧化铝负载5wt％Pt水汽变换反应催化剂置于容器中，加入0.03g质量浓度为60％的PTFE(分子量为5000000)水分散液，再加入0.03g质量浓度为20％的PVDF(分子量为200000)二甲基甲酰胺溶液，最后加入催化剂质量20倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:1的乙醇与水的混合溶剂，超声30分钟至分散均匀得到水汽变换反应催化剂浆液；
将0.4g75wt％PtCu/C(C的形式为石墨烯)电催化剂置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.01g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到铂合金电催化剂浆液；
将0.4g60wt％碳纳米管载铂电催化剂材料(碳的形式为无定形碳)置于容器中，加入0.2g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.01g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物(分子量为100000)的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到碳载铂电催化剂浆液。
2)多层催化层的制备
采用超声喷涂的方式先将上述水汽变换反应催化剂浆液涂覆于面积为20厘米×20厘米的气体扩散层表面，经充分干燥后得到水汽变换反应催化剂层，然后在水汽变换反应催化剂层的表面上涂覆铂合金电催化剂浆液，干燥后得到铂合金电催化剂层，然后在铂合金电催化剂层上涂覆碳载铂电催化剂浆液，经干燥后得到碳载铂电催化剂层。
将上述负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中热处理，温度为400℃，处理时间为2小时，充分冷却后取出即得所制备的多层催化剂层。其中，在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂载量为1mg/cm2，铂合金电催化剂与碳载铂催化剂在各自的电催化剂层中的载量均分别为5mg/cm2、0.5mg/cm2；
水汽变换反应催化剂层的厚度为10μm，铂合金电催化剂层的厚度50μm，碳载铂电催化剂层的厚度为20μm，多层催化剂层的总厚度为80μm；
水汽变换反应催化剂层的孔隙率为40％，铂合金电催化剂层的孔隙率为60％，碳载铂电催化剂层的孔隙率为60％。
在水汽变换反应催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PVDF与PTFE的质量含量为15％。
在铂合金电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
在碳载铂电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为30％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
实施例8
1)催化层浆液制备：
将0.2g氧化铝负载5wt％Pt水汽变换反应催化剂置于容器中，加入0.03g质量浓度为60％的PTFE(分子量为5000000)水分散液，再加入0.03g质量浓度为20％的PVDF(分子量为200000)二甲基甲酰胺溶液，最后加入催化剂质量20倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:1的乙醇与水的混合溶剂，超声30分钟至分散均匀得到水汽变换反应催化剂浆液；
将0.4g75wt％PtFe/C(C的形式为石墨烯)电催化剂置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.01g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到铂合金电催化剂浆液；
将0.4g60wt％碳载铂电催化剂材料(碳的形式为碳纳米管)置于容器中，加入0.06g质量浓度为60％的PTFE水分散液，再加入0.01g质量浓度为5％的全氟磺酸聚合物(分子量为100000)的水分散液，最后加入催化剂质量10倍的溶剂，溶剂为体积比例为1:2的乙醇与异丙醇混合溶剂，超声20分钟至分散均匀得到碳载铂电催化剂浆液。
2)多层催化层的制备
采用超声喷涂的方式先将上述水汽变换反应催化剂浆液涂覆于面积为20厘米×20厘米的气体扩散层表面，经充分干燥后得到水汽变换反应催化剂层，然后在水汽变换反应催化剂层的表面上涂覆铂合金电催化剂浆液，干燥后得到铂合金电催化剂层，然后在铂合金电催化剂层上涂覆碳载铂电催化剂浆液，经干燥后得到碳载铂电催化剂层。水汽变换反应催化
将上述负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中热处理，温度为400℃，处理时间为2小时，充分冷却后取出即得所制备的多层催化剂层。其中，在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂载量为1mg/cm2，铂合金电催化剂与碳载铂催化剂在各自的电催化剂层中的载量均分别为0.5mg/cm2；
水汽变换反应催化剂层的厚度为10μm，铂合金电催化剂层的厚度20μm，碳载铂电催化剂层的厚度为20μm，多层催化剂层的总厚度为50μm；
水汽变换反应催化剂层的孔隙率为40％，铂合金电催化剂层的孔隙率为60％，碳载铂电催化剂层的孔隙率为60％。
在水汽变换反应催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PVDF与PTFE的质量含量为15％。
在铂合金电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
在碳载铂电催化剂层中，同时作为粘结剂和疏水剂的PTFE的质量含量为10％，作为粘结剂的全氟磺酸聚合物的质量含量为2％。
采用本发明的实施例5至8所制备的多层催化剂层在用于高温电解质膜燃料电池阳极时，在氢气进料条件下体现出了与实施例1相似的电化学性能、在重整气进料条件下表现出优异的耐CO性能，以及稳定性。实施例5至8的曲线与实施例1类似，为了简便起见，在此不再一一绘制。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (33)

1.一种多层催化剂层，其特征在于，所述催化剂层附着至支撑基底，
其中，所述催化剂层包括水汽变换反应催化剂层和电催化剂层，所述水汽变换反应催化剂层附着至所述支撑基底的表面，所述电催化剂层附着至所述水汽变换反应催化剂层的表面；
所述水汽变换反应催化剂层中的水汽变换反应催化剂包括载体和由载体负载的铂、铜、锌、金、镍中的至少一种金属；
所述载体选自分子筛和多孔陶瓷中的至少一种；
所述电催化剂层中的电催化剂包括碳负载的铂和/或碳负载的金属合金，所述金属合金包括铂以及选自金、钯、钌、镍、钴、铁、铜中的至少一种金属；
所述碳选自活性炭、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述支撑基底包括燃料电池的气体扩散层；
所述电催化剂层的层数为1层或2层。
3.根据权利要求1所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述分子筛选自硅铝型分子筛、铝磷型分子筛、杂原子骨架型分子筛中的至少一种，所述多孔陶瓷选自多孔氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、羟基磷灰石陶瓷中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述金属选自铂、金、铜锌合金中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的多层催化剂层，其特征在于，
在所述水汽变换反应催化剂中，所述金属的质量含量为3%~25%。
6.根据权利要求1所述的多层催化剂层，其特征在于，
在所述水汽变换反应催化剂中，所述金属的质量含量为5%~20%。
7.根据权利要求1所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述碳负载的金属合金包括碳负载的铂钌合金、碳负载的铂镍合金、碳负载的铂钴合金、碳负载的铂钯合金中的至少一种。
8.根据权利要求2所述的多层催化剂层，其特征在于，
当所述电催化剂层的层数为2层时，两层电催化剂层包括不同种类的电催化剂。
9.根据权利要求1所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述催化剂层包括1层水汽变换反应催化剂层以及1层或2层电催化剂层，所述催化剂层的每一层均包括疏水剂与粘结剂。
10.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述每一层催化剂层中的疏水剂独立地包括聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯中的至少一种。
11.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述每一层催化剂层中的粘结剂独立地包括聚苯并咪唑、全氟磺酸聚合物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的至少一种。
12.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
在所述催化剂层中的每一层中，所述疏水剂的质量含量独立地为1%~30%。
13.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
在所述催化剂层中的每一层中，所述疏水剂的质量含量独立地为5%~20%。
14.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
在所述催化剂层中的每一层中，所述粘结剂的质量含量独立地为1%~15%。
15.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
在所述催化剂层中的每一层中，所述粘结剂的质量含量独立地为1%~10%。
16.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
在所述催化剂层中的每一层中，所述粘结剂的质量含量独立地为1%~5%。
17.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂的质量载量范围为0.1~2mg/cm2。
18.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
在水汽变换反应催化剂层中，水汽变换反应催化剂的质量载量范围为0.5~1mg/cm2。
19.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
在每层电催化剂层中，电催化剂的质量载量范围独立地为0.1~5mg/cm2。
20.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
在每层电催化剂层中，电催化剂的质量载量范围独立地为0.5~2mg/cm2。
21.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述催化剂层的总厚度为4~150μm。
22.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述催化剂层的总厚度为5~100μm。
23.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述每层催化剂层的厚度独立地为2~50μm。
24.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述每层催化剂层的厚度独立地为15~50μm。
25.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述每层催化剂层的孔隙率独立地为20%~80%。
26.根据权利要求9所述的多层催化剂层，其特征在于，
所述每层催化剂层的孔隙率独立地为50%~70%。
27.一种权利要求1至26中任一项所述的多层催化剂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）制备催化剂层浆液：
将含有水汽变换反应催化剂层的原料均匀分散在包含乙醇的溶剂中，以获得水汽变换反应催化剂层浆液；
将含有电催化剂层的原料均匀分散在包含乙醇的溶剂中，以获得电催化剂层浆液；
（2）制备多层催化剂层：
先将所述水汽变换反应催化剂层浆液涂覆至支撑基底的表面，待干燥后获得所述水汽变换反应催化剂层；
将所述电催化剂层浆液涂覆至所述水汽变换反应催化剂层的表面，待干燥后获得所述电催化剂层。
28.根据权利要求27所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（a）制备催化剂层浆液：
将含有水汽变换反应催化剂层的原料均匀分散在包含乙醇的溶剂中，以获得水汽变换反应催化剂层浆液；
将含有第一电催化剂层的原料均匀分散在包含乙醇的溶剂中，以获得第一电催化剂层浆液；
将含有第二电催化剂层的原料均匀分散在包含乙醇的溶剂中，以获得第二电催化剂层浆液；
（b）制备多层催化剂层：
先将所述水汽变换反应催化剂层浆液涂覆至气体扩散层的表面，待干燥后获得所述水汽变换反应催化剂层；
将所述第一电催化剂层浆液涂覆至所述水汽变换反应催化剂层的表面，待干燥后获得第一电催化剂层；和/或
将所述第二电催化剂层浆液涂覆至所述水汽变换反应催化剂层的表面，待干燥后获得第二电催化剂层。
29.根据权利要求27所述的制备方法，其特征在于，
所述支撑基底包括气体扩散层；
含有水汽变换反应催化剂层的原料以及含有电催化剂层的原料均还包括疏水剂和粘结剂。
30.根据权利要求27所述的制备方法，其特征在于，
所述步骤（1）中制备水汽变换反应催化剂层浆液和制备电催化剂层浆液所用的包含乙醇的溶剂独立地为乙醇和异丙醇、水、乙二醇中的任意一种混合溶剂。
31.根据权利要求30所述的制备方法，其特征在于，
在所述混合溶剂中，乙醇和异丙醇、水、乙二醇中的任意一种的体积比为5:1~1:5。
32.根据权利要求27所述的制备方法，其特征在于，
所述方法还包括步骤（3）：将通过涂覆以附着至所述气体扩散层的催化剂层在氮气气氛中，在200~400℃条件为，进行热处理0.5~3小时，以获得所述多层催化剂层。
33.权利要求1至26中任一项所述的多层催化剂层和/或根据权利要求27至32任一项所述的方法制备的多层催化剂层在高温聚合物电解质膜燃料电池中的应用。
CN202011456214.1A 2020-12-11 2020-12-11 多层催化剂层、其制备方法和应用 Active CN114628701B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011456214.1A CN114628701B (zh) 2020-12-11 2020-12-11 多层催化剂层、其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011456214.1A CN114628701B (zh) 2020-12-11 2020-12-11 多层催化剂层、其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114628701A CN114628701A (zh) 2022-06-14
CN114628701B true CN114628701B (zh) 2024-02-09

Family

ID=81896153

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011456214.1A Active CN114628701B (zh) 2020-12-11 2020-12-11 多层催化剂层、其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114628701B (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1744360A (zh) * 2004-09-01 2006-03-08 中国科学院大连化学物理研究所 复合催化层质子交换膜燃料电池电极及其制造方法
KR20070014621A (ko) * 2005-07-29 2007-02-01 삼성에스디아이 주식회사 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템
KR20090009643A (ko) * 2007-07-20 2009-01-23 주식회사 엘지화학 복층 촉매층을 포함하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극및 그 제조방법
CN101771158A (zh) * 2010-01-22 2010-07-07 武汉理工大学 一种长寿命燃料电池膜电极及其制备方法
CN101800321A (zh) * 2010-03-31 2010-08-11 武汉理工新能源有限公司 基于催化剂/膜技术的亲疏水可调的质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法
CN102005582A (zh) * 2010-09-28 2011-04-06 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种直接醇类燃料电池膜电极集合体的结构及制备方法
CN105449229A (zh) * 2014-09-22 2016-03-30 株式会社东芝 催化剂层、其制备方法、膜电极组件以及电化学电池
CN106861740A (zh) * 2015-12-13 2017-06-20 中国科学院大连化学物理研究所 氮掺杂有序分级介孔碳催化剂的制备及其碳催化剂和应用
WO2018113485A1 (zh) * 2016-12-19 2018-06-28 华南理工大学 一种高功率密度的质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法
CN110364743A (zh) * 2019-06-17 2019-10-22 江苏大学 一种双催化层结构电极及制备方法和其在高温膜燃料电池中的应用

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1744360A (zh) * 2004-09-01 2006-03-08 中国科学院大连化学物理研究所 复合催化层质子交换膜燃料电池电极及其制造方法
KR20070014621A (ko) * 2005-07-29 2007-02-01 삼성에스디아이 주식회사 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템
KR20090009643A (ko) * 2007-07-20 2009-01-23 주식회사 엘지화학 복층 촉매층을 포함하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극및 그 제조방법
CN101771158A (zh) * 2010-01-22 2010-07-07 武汉理工大学 一种长寿命燃料电池膜电极及其制备方法
CN101800321A (zh) * 2010-03-31 2010-08-11 武汉理工新能源有限公司 基于催化剂/膜技术的亲疏水可调的质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法
CN102005582A (zh) * 2010-09-28 2011-04-06 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种直接醇类燃料电池膜电极集合体的结构及制备方法
CN105449229A (zh) * 2014-09-22 2016-03-30 株式会社东芝 催化剂层、其制备方法、膜电极组件以及电化学电池
CN106861740A (zh) * 2015-12-13 2017-06-20 中国科学院大连化学物理研究所 氮掺杂有序分级介孔碳催化剂的制备及其碳催化剂和应用
WO2018113485A1 (zh) * 2016-12-19 2018-06-28 华南理工大学 一种高功率密度的质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法
CN110364743A (zh) * 2019-06-17 2019-10-22 江苏大学 一种双催化层结构电极及制备方法和其在高温膜燃料电池中的应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN114628701A (zh) 2022-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW586250B (en) Anode electrocatalysts for coated substrates used in fuel cells
EP2396844B1 (en) Ternary platinum alloy catalyst
JP5134744B2 (ja) ポリマー電解質−燃料電池用の膜−電極ユニット並びにその製造方法及びその製造のためのインキ
JP4185064B2 (ja) 液体燃料型固体高分子燃料電池用カソード電極及び液体燃料型固体高分子燃料電池
JP7101119B2 (ja) 触媒
JP2017199656A (ja) カーボン担持触媒
US11264624B2 (en) Electrocatalyst
EP3734728A1 (en) Catalyst, preparation method therefor, electrode comprising same, membrane-electrode assembly, and fuel cell
EP2990109A1 (en) Electrode and fuel cell electrode catalyst layer containing same
KR100868756B1 (ko) 백금/루테늄 합금 담지 촉매, 그 제조방법 및 이를 이용한연료전지
JP2010033759A (ja) 触媒層担持基板の製造方法、触媒層担持基板、膜電極複合体、および燃料電池
EP1652251A1 (en) Nano-structured metal-carbon composite for electrode catalyst of fuel cell and process for preparation thereof
JP5085576B2 (ja) 燃料電池用触媒シート、燃料電池用電極及び燃料電池
CN108539206B (zh) 一种催化层全有序燃料电池电极和膜电极
JP2006228745A (ja) 燃料電池用触媒材料及び燃料電池用触媒材料の製造方法
JP4337406B2 (ja) 固体高分子型燃料電池用電極およびこれを用いた固体高分子型燃料電池
US20090068546A1 (en) Particle containing carbon particle, platinum and ruthenium oxide, and method for producing same
JP4875266B2 (ja) 燃料電池用カソード電極触媒およびその製造方法
CN114628701B (zh) 多层催化剂层、其制备方法和应用
JP4037814B2 (ja) 燃料電池用膜−電極接合体及び燃料電池
CN114628718B (zh) 用于燃料电池电极的气体扩散层、其制备方法和应用
CN112952165A (zh) 一种直接甲醇燃料电池膜电极及制备和应用
WO2023008147A1 (ja) 燃料電池用電極材料、燃料電池用膜電極接合体および燃料電池
JP2012178360A (ja) 固体高分子型燃料電池の触媒層、および固体高分子型燃料電池
JP2009048826A (ja) 燃料電池用電極材料及びその製造方法、並びに燃料電池用電極及び燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant