一种燃料电池催化层梯度化设计方法技术

本发明专利技术提供一种燃料电池催化层梯度化设计方法，所述催化层沿其厚度方向上具有多个催化单元层，多个所述催化单元层的厚度参数、多个所述催化单元层的催化剂颗粒浓度参数和多个所述催化单元层的孔隙率参数中，一个或两个参数在气体扩散层至质子交换膜的方向呈阶梯式分布，且呈阶梯式递增或递减。本发明专利技术提出的在CL中梯度化分布的孔隙率，在靠近GDL的一侧具有更大的孔隙率以增强反应物的运输，CL中厚度呈梯度化设计，在靠近膜的一侧增加反应面积，在阴极CL中减小欧姆损失，提高电池性能。催化剂颗粒浓度呈梯度化变化，催化剂颗粒在碳纤维上以合理的密度均匀分布，适当的催化剂浓度提高了催化剂的利用率，有效降低了用量，降低了催化剂成本。了催化剂成本。了催化剂成本。

A gradient design method for catalytic layer of fuel cell

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池催化层梯度化设计方法


[0001]本专利技术涉及高温质子交换膜燃料电池(HT
‑
PEMFC)
，具体而言是催化层的设计方法，尤其涉及一种燃料电池催化层梯度化设计方法。

技术介绍

[0002]随着能源危机和环境问题成为全球性问题，发展可持续清洁能源势在必行。氢能作为一种清洁高效的二次能源，在世界能源储备和生态环境危机的背景下，引起了国际社会的关注。燃料电池作为一种能源转化装置，与其他动力电池依靠储存在内部已有的电解质不同，只要有外部持续的燃料和氧气供应就可以持续的输出电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有功率密度高、工作温度低、快速启动以及对负载的快速响应等优势被认为是最有希望取代传统电源的发电设备之一。高温质子交换膜燃料电池(HT
‑
PEMFC)在120至200℃下工作，可以避免低温质子交换膜燃料电池(LT
‑
PEMFC)中的水淹现象。因此，对于HT
‑
PEMFC来说，除了简化水管理，更高的工作温度还带来了更高的CO耐受性和更高的反应动力学的优势。
[0003]HT
‑
PEMFC的关键组件膜电极组件主要是由气体扩散层(GDL)，催化层(CL)和质子交换膜组成。其中CL是膜电极组件中重要的部件，由于电化学反应发生在CL中，CL的厚度以及其微观结构会显著影响HT
‑
PEMFC的性能。CL通常由催化剂、载体以及提供质子传输通道的离子聚合物(如Nafion)组成，其位置处于GDL和质子交换膜之间。在整个电化学反应中CL涉及到三相的转化和传输过程，阴阳极反应气体传输到CL表面；质子经由质子交换膜从阳极传输到阴极CL；电子经由阳极和阴极的GDL传输到CL；阴阳极CL发生氢氧化和氧还原的电化学过程。
[0004]然而，HT
‑
PEMFC的商业化仍然受到一些挑战的阻碍。据美国能源部报道，虽然HT
‑
PEMFC显示出更好的电池性能，但它的电池组成本(840美元kW
‑1)比其他的发电成本高47％。
[0005]CL是燃料电池中氢气和氧气发生电化学反应产生电流的场所，是燃料电池的核心组件。其中氧气和氢气结合，以与电化学反应速率成正比的速率产生电流，反应速率主要取决于与CL材料的组成和CL的结构参数。有三种组分参加电化学反应，即气体(氢气和氧气)、电子和质子，电化学反应的进行要求以上三种组分都能到达催化剂表面。所以为保持较高的电化学反应速率和电池性能，对CL结构的研究是非常有必要的。针对CL的研究通常包括厚度、孔隙率和催化剂Pt负载量等。
[0006]目前对CL厚度的研究是有限的，有研究者通过改变CL厚度来提高电池性能，却忽略了CL厚度对燃料电池活化损失的影响；CL孔隙率对燃料电池性能有很大的影响，孔隙率可以直接影响电化学反应的面积。为了缓解性能退化并提高燃料电池寿命，需要综合考虑电化学表面积和孔隙率的分布，降低电化学表面积的损失，设计合适的孔隙率分布可以获得更均匀的Pt活性表面，以增加电化学表面积；有研究者研究催化剂负载和Pt/C对电池性能产生的影响，但是没有考虑催化剂负载量变化虽会使电池性能发生改变，但Pt负载量越高，聚集性越高，催化剂颗粒团聚，导致催化剂利用率低，使电池成本增加。
[0007]由于CL中使用的铂催化剂占总成本的很大一部分，因此预计可以通过减少催化剂负载或减少CL厚度来降低燃料电池成本，而不会牺牲电池性能。
[0008]为了在降低成本，减少催化剂负载的同时不牺牲电池性能，需要设计一种梯度化的燃料电池CL，将CL中的孔隙率、催化层厚度和催化剂Pt颗粒浓度进行合理的梯度化处理，使催化剂颗粒以合理的密度均匀分布，降低电池成本，提高了催化剂的利用率，增强反应物的运输，最终提高电池的性能。

技术实现思路

[0009]根据上述技术问题，而提供一种HT
‑
PEMFC的CL的设计方法。
[0010]本专利技术采用的技术手段如下：
[0011]一种燃料电池催化层梯度化设计方法，所述催化层沿其厚度方向上具有多个催化单元层，多个所述催化单元层的厚度参数、多个所述催化单元层的催化剂颗粒浓度参数和多个所述催化单元层的孔隙率参数中，一个或两个参数在气体扩散层至质子交换膜的方向呈阶梯式分布，且呈阶梯式递增或递减。所述催化单元层的数量为2～5层。
[0012]多个所述催化单元层厚度相等，且每个所述催化单元层的催化剂颗粒浓度相同，均为wt％＝30％时，所述催化单元层的孔隙率ε的梯度化设计方式如下：
[0013]不同孔隙率的所述催化单元层在厚度方向上叠加喷涂，多个所述催化单元层的所述孔隙率在气体扩散层至质子交换膜方向成阶梯式递减分布，梯度差为0.1～0.2。相邻催化单元层之间的孔隙率平滑变化。靠近所述质子交换膜的所述催化单元层的孔隙率ε为0.1或0.2。孔隙率ε范围为0.1
‑
0.9，优选为0.2
‑
0.6。
[0014]多个所述催化单元层厚度不同，且在气体扩散层至质子交换膜方向上厚度等差增大，梯度差为2.5μm或5μm或10μm，每个所述催化单元层内的催化剂颗粒浓度相同，均为wt％＝30％时，所述催化单元层的孔隙率ε的梯度化设计方式如下：
[0015]不同孔隙率的所述催化单元层在厚度方向上叠加喷涂，多个所述催化单元层的所述孔隙率在气体扩散层至质子交换膜方向成阶梯式递减分布，梯度差为0.1～0.2。相邻催化单元层之间的孔隙率平滑变化。靠近所述质子交换膜的所述催化单元层的孔隙率ε为0.1或0.2。孔隙率ε范围为0.1
‑
0.9，优选为0.2
‑
0.6。
[0016]多个所述催化单元层厚度相等，且每个所述催化单元层的孔隙率ε均为0.4时，所述催化单元层的催化剂颗粒浓度的梯度化设计方法如下：
[0017]不同催化剂颗粒浓度的所述催化单元层在气体扩散层至质子交换膜方向上叠加喷涂，所述催化单元层的催化剂颗粒浓度在气体扩散层至质子交换膜方向上呈梯度式递增，梯度差为5～15％。相邻催化单元层之间的催化剂颗粒浓度平滑变化。靠近所述气体扩散层的催化单元层的催化剂颗粒浓度为wt％＝20％。优选地，催化单元层的催化剂颗粒浓度wt％＝20％～60％，更优选的选取20～40％。
[0018]多个所述催化单元层厚度不同，且在气体扩散层至质子交换膜方向上厚度等差增大，梯度差为2.5μm或5μm或10μm，每个所述催化单元层的孔隙率ε均为0.4时，所述催化单元层的催化剂颗粒浓度的梯度化设计方法如下：
[0019]不同催化剂颗粒浓度的所述催化单元层在气体扩散层至质子交换膜方向上叠加喷涂，所述催化单元层的催化剂颗粒浓度在气体扩散层至质子交换膜方向上呈梯度式递
增，梯度差为5～15％，相邻催化单元层之间的催化剂颗粒浓度平滑变化。靠近所述气体扩散层的催化单元层的催化剂颗粒浓度为wt％＝20％。优选地，催化单元层的催化剂颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池催化层梯度化设计方法，其特征在于：所述催化层沿其厚度方向上具有多个催化单元层，多个所述催化单元层的厚度参数、多个所述催化单元层的催化剂颗粒浓度参数和多个所述催化单元层的孔隙率参数中，一个或两个参数在气体扩散层至质子交换膜的方向呈阶梯式分布，且呈阶梯式递增或递减。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池催化层梯度化设计方法，其特征在于，所述催化单元层的数量为2～5层。3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池催化层梯度化设计方法，其特征在于，多个所述催化单元层厚度相等，且每个所述催化单元层的催化剂颗粒浓度相同，均为wt％＝30％时，所述催化单元层的孔隙率ε的梯度化设计方式如下：不同孔隙率的所述催化单元层在厚度方向上叠加喷涂，多个所述催化单元层的所述孔隙率在气体扩散层至质子交换膜方向成阶梯式递减分布，梯度差为0.1～0.2。4.根据权利要求3所述的一种燃料电池催化层梯度化设计方法，其特征在于，靠近所述质子交换膜的所述催化单元层的孔隙率ε为0.1或0.2。5.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池催化层梯度化设计方法，其特征在于，多个所述催化单元层厚度不同，且在气体扩散层至质子交换膜方向上厚度等差增大，每个所述催化单元层内的催化剂颗粒浓度相同，均为wt％＝30％时，所述催化单元层的孔隙率ε的梯度化设计方式如下：不同孔隙率的所述催化单元层在厚度方向上叠加喷涂，多个所述催化单元层的所述孔隙率在气体扩散层至质子交换膜方向成阶梯式递减分布，梯度差为0.1～0.2。6.根据权利要求5所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈秋婉，董爽爽，李世安，杨国刚，黄乃宝，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：