CN215496795U - 一种多层次的燃料电池催化剂层结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多层次的燃料电池催化剂层结构，包括全氟磺酸膜层(1)和催化剂层(2)，所述催化剂层(2)包括催化剂顶层(21)和至少一个催化剂中间层(22)，所述催化剂顶层(21)由多个柱状催化剂单元阵列式排布构成，所述催化剂中间层(22)与催化剂顶层(21)采用不同Pt载量铂碳催化剂材料。与现有技术相比，本实用新型通过催化剂顶层中多个柱状催化剂单元阵列式排布，Pt载体梯度化或亲疏水性梯度化的催化层结构，实现了催化层的性能提升，降低催化剂使用量和成本。

Description

一种多层次的燃料电池催化剂层结构

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种多层次的燃料电池催化剂层结构。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以将储存在H₂、O₂中的化学能直接转化成电能的能量转化装置。其转化过程不受卡诺循环过程限制，因此具有很高的能量转化效率。另外，燃料电池还具有工作无噪声、无振动、排放清洁、环境友好、可模块化布置的特点，使得燃料电池技术在新能源汽车及分布式电站等领域有具有广阔的应用前景。燃料电池催化层是氢氧发生电化学反应的核心区域，涉及复杂的气、电、热、水、力等的传输，任何过程出现短板，均会限制催化层发挥最大功效。

催化剂层是氢气燃料电池中氢气和氧气发生电化学反应产生电流的场所，可以说是氢气燃料电池的核心。由于有三种组分参加化学反应，即气体(氢气和氧气)、电子和质子，因此要求上述三种组分都能到达催化剂表面。

目前的燃料电池催化层的在层结构存在明显的技术瓶颈，使得催化层的性能无法进一步提升。

实用新型内容

本实用新型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多层次的燃料电池催化剂层结构，通过催化剂顶层中多个柱状催化剂单元阵列式排布，Pt载体梯度化或亲疏水性梯度化的催化层结构，实现了催化层的性能提升，降低催化剂使用量和成本。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

本实用新型的目的是保护一种多层次的燃料电池催化剂层结构，

进一步地，所述柱状催化剂单元为轴向变径结构，其直径由远离催化剂中间层的一侧向内梯度增加。

进一步地，所述柱状催化剂单元为锥形或锥台型。

进一步地，所述催化剂顶层由两种不同径向尺寸的催化剂单元构成。

作为本实用新型的一种实施方式，其中两种不同径向尺寸的催化剂单元均匀分布。

进一步地，所述催化剂顶层由多种不同径向尺寸的催化剂单元构成。

作为本实用新型的一种实施方式，所述催化剂单元在水平面上呈梯度聚集型分布，催化剂单元的径向尺寸由聚集中心向四周梯度递减。

厚度方向的结构上，所述催化剂中间层由多层不同Pt载量的铂碳催化剂单元层在厚度方向叠加构成。

进一步地，在叠加方向上，相邻铂碳催化剂单元层的厚度不同，并呈周期性排布。

进一步地，在叠加方向上，铂碳催化剂单元层疏水性梯度变化。

与现有技术相比，本实用新型具有以下技术优势：

1)本技术方案中催化剂顶层由多个柱状催化剂单元阵列式排布构成，减少了催化层水和气体传输的阻力，即靠近质子膜的一侧催化剂含量和树脂含量较靠近碳纸的一侧多，则靠近质子膜一侧的催化层可以满足质子和电子的传导要求，同时，靠近碳纸一侧的催化层又能为气体和水的排出提供足够的空间，这种催化层排布方式不仅可以降低催化剂用量，且能缩短气体和水的传输路径，降低了气体和水的传输阻力，尤其在高电流密度时，由于生成的水和流通的气量更大，相比于传统的均一型催化层，本专利实用新型的阵列式催化层结构优势会更明显，提高了燃料电池的性能，降低了催化层的对Pt载量的需求，达到了降低催化剂使用量和成本的目的。

2)催化剂中间层中，依次使用不同Pt载量的催化剂或不同固含量或不同亲疏水性的催化剂浆料进行喷涂制备，得到Pt载体梯度化或亲疏水性梯度化的催化层结构，即通过提高Pt载量可以增大ECSA从而加快ORR，但同时也导致催化层孔隙率降低从而使催化层内气体的传输速率减小，故可以通过设置不同的铂载量梯度使二者达到一个平衡，兼顾ORR速率和气体传输速率；亲水性的内催化层可以满足大电密下对质子传输位点的需求，而疏水性的外催化层可以降低催化层和气体扩散层之间的界面电阻和传质极化，并提供了足够的水传输通道从而减缓了水淹，故通过对催化层的梯度设计可以使催化层到气体扩散层之间的传质有一个平稳的过渡。

附图说明

图1为本技术方案中燃料电池催化剂层结构示意图；

图2为本技术方案中锥台型催化剂顶层的结构示意图；

图3为本技术方案中锥型催化剂顶层的结构示意图；

图4为催化剂顶层不同径向尺寸催化剂单元均匀分布的示意图；

图5为催化剂顶层不同径向尺寸催化剂单元梯度聚集型分布的示意图；

图6至图8为催化剂中间层中不同厚度的铂碳催化剂单元层的分布示意图。

图9至图12为对比例及实施例对应的V-I趋势图。

图中：1、全氟磺酸膜层，2、催化剂层，21、催化剂顶层，22、催化剂中间层，221、铂碳催化剂单元层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例1

本实施例中的多层次的燃料电池催化剂层结构，包括全氟磺酸膜层1和催化剂层2，所述催化剂层2包括催化剂顶层21和至少一个催化剂中间层22，所述催化剂顶层21由多个柱状催化剂单元阵列式排布构成，参见图1，所述催化剂中间层22与催化剂顶层21采用不同Pt载量铂碳催化剂材料。

柱状催化剂单元为轴向变径结构，其直径由远离催化剂中间层22的一侧向内梯度增加。所述柱状催化剂单元为锥形或锥台型，参见图2和图3。

在本实用新型中的多层次的燃料电池催化剂层结构的制备过程中，包括以下步骤：

催化剂浆料的配制，催化剂使用Pt载量为20～60wt％的铂碳催化剂，使用时在此梯度内选取至少一种载量，使用电导率小于6μS/cm的去离子水，使用5wt％的全氟磺酸树脂溶液，异丙醇(或乙醇、乙二醇、正丙醇)和去离子水按照3～9:1～7的质量比，树脂溶液和碳按照0.4～1.3:1的质量比，其中20～60wt％的铂碳催化剂为庄信万丰、田中贵金属等公司的产品。

将全氟磺酸树脂溶液滴加至称量好的催化剂中，同时进行超声处理，超声时间为5～30min，再分别加入异丙醇(或乙醇、乙二醇、正丙醇)和去离子水，同时使用高速剪切分散机进行剪切分散，分散时间设置在20～90min之间，本次选取90min，转速设置在3000～20000r/min，本次选取5000r/min。

对于催化剂顶层21使用特制的模板，实现锥形或锥台型等独特结构形状的催化层，如图2和图3所示。

在喷涂过程中依次使用不同Pt载量的催化剂或不同固含量或不同亲疏水性的催化剂浆料，Pt载体梯度化或亲疏水性梯度化的催化层结构，如图2和3所示，Pt载量为20～60wt％中间选取的多个梯度划分，如20wt％、40wt％，固含量把控至0.05至8wt％之间，本实施例为3wt％，亲水或疏水添加剂为SiO₂、PTFE/PET/FEP等材料；控制喷涂机喷嘴的喷涂位置和各个位置的喷涂流量或使用特制的模板，实现错落有致或Pt载量不同的催化层结构。喷涂过程中，所使用的全氟磺酸膜为戈尔或科慕等公司的产品，真空加热吸附台的压力控制在0.1～1MPa，本次实施选取0.5MPa，温度设定在60～90℃，本实施过程选取90℃，引起流的压力设置在0.01～0.3MPa之间，本次选取0.3MPa，喷涂高度设置在20～80mm之间，本次选取50mm。一面喷涂完成后，将全氟磺酸膜翻转，进行另一面的喷涂。最后制备得到的膜电极测试结果如图9所示，测试过程按照使用特定企标(选取常规计量比，增湿，温度，气压)，需要说明的是在多个企标下的V-I图趋势一样，因此本实用新型中仅采用其中一个企标进行测试，得到V-I趋势图(因为采用趋势图进行展示，所以每张图的V、I单位均不需体现)，由图9～12中与对照的对比均可体现出制备的催化剂层结构在高电流密度时均能表现出较对照组优异的性能。

本实施例以及下方实施例中均选取锥形的催化剂顶层21结构进行测试得到V-I趋势图，本实施例中的对照为采用块体(与锥形同等高度的板体)进行测试，参见图9。

实施例2

区别于实施例1，本实施例中催化剂顶层21由两种不同径向尺寸的催化剂单元构成，其中两种不同径向尺寸的催化剂单元均匀分布，参见图4。具体制备过程中先逐层完成催化剂中间层22的叠加，之后使用双单元均匀分散型模具置于催化剂中间层22上，之后向模具中注入配制好的催化剂浆料。最后制备得到的膜电极测试结果如图10所示。其中对照组为单一的尺寸的催化剂单元(选取图4中小径催化剂单元，选大径进行对照时性能与小径相差不多)。

实施例3

区别于实施例1，本实施例中催化剂顶层21由多种不同径向(锥底部尺寸)尺寸的催化剂单元构成，参见图5。催化剂单元在水平面上呈梯度聚集型分布，催化剂单元的径向尺寸由聚集中心向四周梯度递减。具体制备过程中先逐层完成催化剂中间层22的叠加，之后使用与图5匹配的多单元聚集型模具置于催化剂中间层22上，之后向模具中注入配制好的催化剂浆料。最后制备得到的膜电极测试结果如图11所示。其中对照组为单一的尺寸的催化剂单元(选取图5中外围催化剂单元)。

实施例4

区别于实施例1，在本实施例中，厚度方向的结构上，所述催化剂中间层22由多层不同Pt载量(20wt％、40wt％)的铂碳催化剂单元层221在厚度方向叠加构成。

在叠加方向上，相邻铂碳催化剂单元层221的厚度不同，并呈周期性排布，参见图6至图8，图中为各层的分解图，可清楚的看出厚度周期性分布规律。最后制备得到的膜电极测试结果如图12所示。其中对照组为单一的40wt％的铂碳催化剂层。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多层次的燃料电池催化剂层结构，其特征在于，包括全氟磺酸膜层(1)和催化剂层(2)，所述催化剂层(2)包括催化剂顶层(21)和至少一个催化剂中间层(22)，所述催化剂顶层(21)由多个柱状催化剂单元阵列式排布构成，所述催化剂中间层(22)与催化剂顶层(21)采用不同Pt载量铂碳催化剂材料。

2.根据权利要求1所述的一种多层次的燃料电池催化剂层结构，其特征在于，所述柱状催化剂单元为轴向变径结构，其直径由远离催化剂中间层(22)的一侧向内梯度增加。

3.根据权利要求1所述的一种多层次的燃料电池催化剂层结构，其特征在于，所述柱状催化剂单元为锥形或锥台型。

4.根据权利要求3所述的一种多层次的燃料电池催化剂层结构，其特征在于，所述催化剂顶层(21)由两种不同径向尺寸的催化剂单元构成。

5.根据权利要求4所述的一种多层次的燃料电池催化剂层结构，其特征在于，两种不同径向尺寸的催化剂单元均匀分布。

6.根据权利要求3所述的一种多层次的燃料电池催化剂层结构，其特征在于，所述催化剂顶层(21)由多种不同径向尺寸的催化剂单元构成。

7.根据权利要求3所述的一种多层次的燃料电池催化剂层结构，其特征在于，所述催化剂单元在水平面上呈梯度聚集型分布，催化剂单元的径向尺寸由聚集中心向四周梯度递减。

8.根据权利要求1所述的一种多层次的燃料电池催化剂层结构，其特征在于，所述催化剂中间层(22)由多层不同Pt载量的铂碳催化剂单元层(221)在厚度方向叠加构成。

9.根据权利要求8所述的一种多层次的燃料电池催化剂层结构，其特征在于，在叠加方向上，相邻铂碳催化剂单元层(221)的厚度不同，并呈周期性排布。

10.根据权利要求8所述的一种多层次的燃料电池催化剂层结构，其特征在于，在叠加方向上，铂碳催化剂单元层(221)疏水性梯度变化。

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