[发明专利]用于燃料电池的具有梯度孔隙率及催化剂密度的催化电极

权利要求书

1.一种用于燃料电池(100)的膜电极组件(310)，包括：

质子交换膜(130)；以及

梯度催化剂结构(120或140)，其包含布置在多层巴克纸上的复数个催化剂纳米粒子，

其中多层巴克纸至少包括第一层和第二层，

其中第一层具有低于第二层的孔隙率，并且

其中第一重量百分率的复数个催化剂纳米粒子布置在第一层上，且第二重量百分率的复数个催化剂纳米粒子布置在第二层上，其中第一重量百分率比第二重量百分率至少大5wt％。

2.根据权利要求1所述的膜电极组件(110)，其中所述复数个催化剂纳米粒子的催化剂利用率为≤0.35g_cat/kW。

3.根据权利要求1所述的膜电极组件(110)，其中第一层具有比第二层的孔隙率至少低5％的孔隙率。

4.根据权利要求1所述的膜电极组件(110)，其中第一层包含(i)和(ii)的混合物：(i)单壁碳纳米管、小直径多壁纳米管中的至少一种或两者与(ii)碳纳米纤维、大直径多壁纳米管或两者；并且其中第二层包含碳纳米纤维、大直径多壁纳米管或两者。

5.根据权利要求1所述的膜电极组件(110)，其中所述复数个催化剂纳米粒子包含选自下组的元素：铂、铁、氮、镍、碳、钴、铜、钯、钌、铑及其组合。

6.根据权利要求1所述的膜电极组件(110)，其中所述梯度催化剂结构(120或140)进一步包含全氟磺酸树脂。

7.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中梯度催化剂结构(120或140)是阴极催化剂层(140)。

8.一种质子交换膜燃料电池(100)，包括：

权利要求1的膜交换组件(110)，其中梯度催化剂结构(120或140)是阴极催化剂层(140)；以及

阳极催化剂层(120)；

其中质子交换膜(130)设置在阴极催化剂层(140)与阳极催化剂层(120)之间。

9.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池(100)，其中所述复数个催化剂纳米粒子的催化剂利用率为≤0.35g_cat/kW。

10.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池(100)，其中多层巴克纸的第一层的孔隙率比多层巴克纸的第二层的孔隙率至少低5％。

11.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池(100)，其中通过在已形成多层巴克纸之后将复数个催化剂纳米粒子沉积在多层巴克纸上，来形成阴极催化剂层(140)。

12.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池(100)，其中阴极催化剂层(140)进一步包含全氟磺酸树脂，其中在已形成多层巴克纸之后涂布全氟磺酸树脂。

13.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池(100)，进一步包括阴极气体扩散层(160)，其中将阴极催化剂层(140)定向成使得多层巴克纸的第一层与质子交换膜(130)接触并且多层巴克纸的第二层与阴极气体扩散层(160)接触。

14.一种制造燃料电池的催化剂层(120或140)的方法，该方法包括：

制备梯度催化剂结构，该制备步骤包括：

形成多层巴克纸，其中该多层巴克纸至少包括第一层和第二层，并且其中第一层具有低于第二层的孔隙率；以及

将复数个催化剂纳米粒子沉积在多层巴克纸上。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述复数个催化剂纳米粒子的催化剂利用率为≤0.35g_cat/kW。

16.根据权利要求14所述的方法，其中多层巴克纸的第一层的孔隙率比多层巴克纸的的第二层的孔隙率至少低5％。

17.根据权利要求14所述的方法，其中第一层包含(i)和(ii)的混合物：(i)单壁碳纳米管、小直径多壁纳米管中的至少一种或两者与(ii)碳纳米纤维、大直径多壁纳米管或两者；并且其中第二层包含碳纳米纤维、大直径多壁纳米管或两者。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述形成步骤发生在所述沉积步骤之前。