本發(fā)明涉及燃料電池領域，具體而言，涉及一種燃料電池雙催化層陰極、制備方法及燃料電池。

背景技術：

1、鉑鈷合金催化劑由于鉑和鈷的協(xié)同作用，具有優(yōu)異的催化活性，能夠加速燃料電池中關鍵反應的進行，從而有效提高燃料電池的功率密度和能量轉換效率。此外，鉑鈷催化劑還有助于減少貴金屬鉑的使用量，從而降低燃料電池成本，為燃料電池商業(yè)化應用提供有力支持。然而低濕度或是不加濕的運行條件會導致催化層和質子交換膜離子電導率的降低和歐姆損失的增加，進一步加劇性能損耗。一般情況下，需要對燃料電池進行加濕處理，但這又徒增燃料電池系統(tǒng)成本。此外，高電流密度下燃料電池內部的水管理尤為重要，水含量過高會導致液態(tài)水堵塞催化層孔隙結構，導致傳質能力大幅度下降，制約了燃料電池性能的提升。因此，兼顧燃料電池陰極催化層的傳質能力和保水能力具有重要意義。

2、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池雙催化層陰極、制備方法及燃料電池，以解決現(xiàn)有技術存在的無法兼顧燃料電池陰極催化層的傳質能力和保水能力的問題。

2、為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種燃料電池雙催化層陰極，包括用于設置在質子交換膜一側的第一催化層和用于設置在氣體擴散層一側的第二催化層；

4、所述第一催化層和所述第二催化層各自獨立地為基于碳載體的鉑鈷合金催化層；所述第一催化層比表面積為500~900?m2/g，二次孔隙尺寸為20~50nm；所述第二催化層比表面積為50~150?m2/g，二次孔隙尺寸為70~100nm。

5、作為進一步優(yōu)選的技術方案，所述碳載體包括乙炔黑、科琴黑或導電炭黑。

6、作為進一步優(yōu)選的技術方案，所述陰極中pt載量為0.1~0.3mg/cm2。

7、第二方面，本發(fā)明提供了一種上述燃料電池雙催化層陰極的制備方法，包括以下步驟：

8、將碳載體、水、鉑源、鈷源混合均勻，得到鉑鈷前驅水溶液；

9、將所述鉑鈷前驅水溶液轉移至旋蒸設備中進行蒸干處理；

10、將蒸干獲得的粉末在惰性氣氛下焙燒，再經酸洗和干燥后，得到基于碳載體的鉑鈷合金催化劑；

11、將所述基于碳載體的鉑鈷合金催化劑、水、有機溶劑、離聚物溶液混合均勻，分別得到第一催化層油墨和第二催化層油墨；

12、依次將所述第一催化層油墨和所述第二催化層油墨噴涂在質子交換膜上，得到燃料電池雙催化層陰極。

13、作為進一步優(yōu)選的技術方案，碳載體、水、鉑源、鈷源混合時在密封條件下進行，攪拌速度為300~500rpm，攪拌溫度為25~35℃，攪拌時間為12~36h；所述鉑鈷前驅水溶液的濃度為3~3.5?g/l。

14、作為進一步優(yōu)選的技術方案，所述旋蒸設備的旋轉速度為100~150rpm，蒸發(fā)溫度為50~60℃，真空條件為一個大氣壓。

15、作為進一步優(yōu)選的技術方案，所述焙燒的溫度為500~800℃，焙燒時間為2~6h，酸洗時依次采用0.5~1?m酸溶液和水洗滌。

16、作為進一步優(yōu)選的技術方案，所述基于碳載體的鉑鈷合金催化劑、水、有機溶劑、離聚物溶液混合時，混合溶液的濃度為4-8?mg/ml，混合方式為超聲分散，離聚物含量占固體材料總質量的10-30?wt%。

17、作為進一步優(yōu)選的技術方案，所述噴涂的溫度為70~90℃。

18、第三方面，本發(fā)明提供了一種燃料電池，包括上述燃料電池雙催化層陰極，或采用上述燃料電池雙催化層陰極的制備方法制備得到的燃料電池雙催化層陰極。

19、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

20、本發(fā)明提供的燃料電池雙催化層陰極具備從質子交換膜到氣體擴散層的二次孔隙梯度，高電流密度下有助于氣液兩相流動，優(yōu)化了高負荷下的水管理和傳質能力。其中，靠近質子交換膜側的第一催化層擁有較高的比表面積，在燃料電池運行過程中可以貯存部分反應生成的水，在陰極不加濕的情況下，有利于維持質子交換膜的水合作用和催化層的離子傳導率，削弱極端運行工況下燃料電池性能的衰減。

技術特征：

1.一種燃料電池雙催化層陰極，其特征在于，包括用于設置在質子交換膜一側的第一催化層和用于設置在氣體擴散層一側的第二催化層；

2.根據權利要求1所述的燃料電池雙催化層陰極，其特征在于，所述碳載體包括乙炔黑、科琴黑或導電炭黑。

3.根據權利要求1或2所述的燃料電池雙催化層陰極，其特征在于，所述陰極中pt載量為0.1~0.3mg/cm2。

4.權利要求1-3任一項所述的燃料電池雙催化層陰極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據權利要求4所述的燃料電池雙催化層陰極的制備方法，其特征在于，碳載體、水、鉑源、鈷源混合時在密封條件下進行，攪拌速度為300~500rpm，攪拌溫度為25~35℃，攪拌時間為12~36h；所述鉑鈷前驅水溶液的濃度為3~3.5?g/l。

6.根據權利要求4所述的燃料電池雙催化層陰極的制備方法，其特征在于，所述旋蒸設備的旋轉速度為100~150rpm，蒸發(fā)溫度為50~60℃，真空條件為一個大氣壓。

7.根據權利要求4所述的燃料電池雙催化層陰極的制備方法，其特征在于，所述焙燒的溫度為500~800℃，焙燒時間為2~6h，酸洗時依次采用0.5~1?m酸溶液和水洗滌。

8.根據權利要求4所述的燃料電池雙催化層陰極的制備方法，其特征在于，所述基于碳載體的鉑鈷合金催化劑、水、有機溶劑、離聚物溶液混合時，混合溶液的濃度為4-8?mg/ml，混合方式為超聲分散，離聚物含量占固體材料總質量的10-30?wt%。

9.根據權利要求4-8任一項所述的燃料電池雙催化層陰極的制備方法，其特征在于，所述噴涂的溫度為70~90℃。

10.一種燃料電池，其特征在于，包括權利要求1-3任一項所述的燃料電池雙催化層陰極，或采用權利要求4-9任一項所述的燃料電池雙催化層陰極的制備方法制備得到的燃料電池雙催化層陰極。

技術總結
本發(fā)明涉及燃料電池領域，具體而言，提供了一種燃料電池雙催化層陰極、制備方法及燃料電池。所述燃料電池雙催化層陰極包括用于設置在質子交換膜一側的第一催化層和用于設置在氣體擴散層一側的第二催化層；所述第一催化層和所述第二催化層各自獨立地為基于碳載體的鉑鈷合金催化層；所述第一催化層比表面積為500~900?m<supgt;2</supgt;/g，二次孔隙尺寸為20~50nm；所述第二催化層比表面積為50~150?m<supgt;2</supgt;/g，二次孔隙尺寸為70~100nm。本發(fā)明可兼顧燃料電池陰極催化層的傳質能力和保水能力。

技術研發(fā)人員：李振國,尹碩堯,邵元凱,周冰潔,祝偉康,任曉寧,李凱祥,吳撼明
受保護的技術使用者：中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21