[发明专利]一种通过介电常数来调控离聚物分散状态的方法

说明书

本发明涉及一种通过介电常数来调控离聚物分散状态的方法，包括以下步骤：计算溶剂的介电常数；通过对离聚物溶液进行的pH计算有效质子分数；测试离聚物团聚颗粒的Zeta电位强度；测定离聚物溶液的粘度；建立不同介电常数与有效质子分数、离聚物溶液Zeta电位和离聚物溶液的粘度的对应关系，得到有效质子分数曲线、离聚物溶液Zeta电位曲线、离聚物溶液的粘度曲线，实现对离聚物的分散状态进行评价和通过介电常数来调控离聚物分散状态。与现有技术相比，本发明可以利用介电常数快速、准确的控制浆料中离聚物的分散状态，保障催化剂浆料在涂布之后形成的催化层具有良好的孔道结构和反应三相界面，为质子交换膜燃料电池提供更优良性能。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂浆料制备技术领域，尤其是涉及一种通过介电常数来调控离聚物分散状态的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)由于其效率高、排放低、稳定性好、启动快、运行温度低等优点，有望成为未来的主要汽车动力装置。PEMFCs的核心是膜电极组件(MEA)，它由一个质子交换膜夹在阳极和阴极之间和两个催化剂层之间组成。催化剂层由碳载体、离聚物和孔隙空间组成，其都是质子、电子和氧的质量传输路径，为了发生反应，反应物必须相交到铂(Pt)催化剂表面的一个点，通常称为三相边界，因此局部结构对燃料电池的性能具有重要意义。在制浆、涂层和干燥的过程中，离聚物的状态对三相界面有着重要的影响。

离聚体是由具有电离侧链的聚合物骨架组成的。通常骨架是疏水的，而侧链是亲水性的。一种常用的离聚物是Nafion它由附着在四氟乙烯骨架上的磺酸盐侧链组成。在浆料配置过程中，其在溶剂中的状态影响着自身的分散，同时也影响着浆料的中催化剂的分散、浆料的粘度和离聚物在催化剂颗粒上的吸附。当在良溶剂中，离聚物的构型被看成没有发生溶胀也没有坍缩，溶剂可以自由在离聚物间穿梭。当溶剂的与离聚物链段的相互作用强于链段与链段之间的相互作用时，离聚物发生溶胀，溶液的粘度增高，形成的结构变强；反之则坍缩，粘度下降，易团聚沉降。在介电常数较大的溶剂中，侧链上的带电集团容易发生解离，使离聚物颗粒带有大量的电荷，当离聚物吸附在催化剂颗粒上后，使催化剂颗粒带有负电荷，静电作用使催化剂颗粒相互排斥，能够更有效的分散催化剂颗粒。浆料涂布后形成催化层，催化层的孔隙率和催化剂颗粒表面离聚物分布都与浆料中的离聚物分散状态有关，调控好分散状态合适的离聚物，是制备出优质浆料的关键。

发明内容

本发明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通过介电常数来调控离聚物分散状态的方法。本发明通过控制质子交换膜燃料电池催化剂浆料中溶剂的介电常数，来调控离聚物在溶剂中的分散状态，用于催化剂浆料生产时，能够通过调整介电常数，快速准确选择合适分散状态的离聚物。

本发明的方法提供了一种通过调节溶剂中水和醇的含量来控制溶液中离聚物的分散状态的方法，可以根据此方法对各种类型、和浓度的离聚物溶液进行调控。调控范围(离聚物质量分数1.02wt％～2.5wt％)

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种通过介电常数来调控离聚物分散状态的方法，包括以下步骤：

S1：根据目标离聚物溶液的质量分数ω和配置的质量M，通过调节溶剂中的组分来控制溶剂的介电常数ε_IPAεε_H2O(介电常速的调控范围受加入的溶剂的介电常数限制，满足醇溶剂的介电常数溶剂的介电常数水的介电常数)，配置离聚物溶液；

S2：使配置好的离聚物溶液达到热力学稳定；

S3：对离聚物溶液pH和Zeta电位进行测试，并根据离聚物溶液pH计算有效质子分数；

S4：对不同介电常数的离聚物分散液的密度进行测试；

S5：对离聚物溶液的粘度进行测试；