[发明专利]一种离聚物梯度化膜电极及其制备方法、制备系统

说明书

本发明提供了一种离聚物梯度化膜电极及其制备方法、制备系统，所述制备方法包括：S1.将不同比例的催化剂、离聚物树脂溶液、低沸点溶剂和去离子水混合以制成不同比例的浆料，充分混合后将不同比例的浆料分别加入到第一浆料控制单元和第二浆料控制单元中；S2.按照计算好的比例分别向混合单元中加入不同比例的浆料，并在混合单元的作用下进行混合加强，以分别制成含有不同比例催化剂的喷料；S3.采用三次喷涂的方式直接将含有不同比例催化剂的喷料喷涂至质子交换膜上，从而制得离聚物梯度化膜电极。本发明在靠近质子交换膜的位置离聚物含量较高，有利于降低催化层与质子交换膜的接触阻力，降低了氧传输阻力，有利于提高膜电极性能。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，具体涉及一种离聚物梯度化膜电极及其制备方法、制备系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池在运行过程中，氢气在阳极反应生成质子，质子通过质子交换膜和催化层中的离聚物（如Nafion）传递至阴极的催化剂表面，和氧气结合生成水。所以需要在催化层中掺杂离聚物，但是离聚物会阻碍氧气扩散，导致催化剂表面的氧气浓度较小，反应变缓。根据质子传输规律，在靠近质子交换膜的位置，催化层中的离聚物需要传递质子的数量越多，而在靠近碳纸一侧的催化层则不需要过多的质子传导能力，根据此规律可优化催化层中不同位置的离聚物浓度，保障催化层质子传导能力的同时，提高氧传输能力，提高反应速度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，本发明提出了一种离聚物梯度化膜电极及其制备方法、制备系统，在靠近质子交换膜的位置，催化层中的离聚物需要传递质子的数量越多，而在靠近碳纸一侧的催化层则不需要过多的质子传导能力，根据此规律可优化催化层中不同位置的离聚物浓度，保障催化层质子传导能力的同时，提高氧传输能力，提高反应速度。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种离聚物梯度化膜电极的制备方法，包括以下步骤：

S1.浆料制备：将不同比例的催化剂、离聚物树脂溶液、低沸点溶剂和去离子水在混合容器中分别混合以制成不同比例的浆料，充分混合后将第一种比例的浆料和第二种比例的浆料分别加入到第一浆料控制单元和第二浆料控制单元中；

S2.浆料混合：利用第一浆料控制单元和第二浆料控制单元，按照计算好的比例分别向混合单元中加入第一种比例的浆料和第二种比例的浆料，并在混合单元的作用下进行混合加强，以分别制成含有不同比例催化剂的喷料；

S3.喷涂工艺：采用三次喷涂的方式直接将含有不同比例催化剂的喷料喷涂至质子交换膜上，从而制得离聚物梯度化膜电极。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中所述第一浆料控制单元中离聚物固体质量与催化剂碳组分质量的比为0.1-1：1；所述第二浆料控制单元中离聚物固体质量与催化剂碳组分质量的比为1-2：1。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中通过控制第一浆料控制单元和第二浆料控制单元中对应的阀门开度调控离聚物的含量。

作为本发明的进一步改进，步骤S3中第一次喷涂采用离聚物含量高的浆料，所述离聚物固体质量与催化剂碳组分质量的比在1-1.5：1之间，所述喷涂催化剂质量占总催化剂质量的10%-30%；第二次喷涂采用离聚物含量适中的浆料，所述离聚物固体质量与催化剂碳组分质量的比在0.7-1：1之间，所喷涂催化剂质量占总催化剂质量的20%-50%，第三次喷涂采用离聚物含量较低的浆料，所述离聚物固体质量与催化剂碳组分质量的比在0.4-0.7：1之间，所喷涂催化剂质量占总催化剂质量的20%-70%。

作为本发明的进一步改进，所述低沸点溶剂选自异丙醇、正丙醇中的至少一种。

作为本发明的进一步改进，所述催化剂为碳载铂基金属催化剂。

作为本发明的进一步改进，所述离聚物为可传导质子的树脂溶液。

作为本发明的进一步改进，所述可传导质子的树脂溶液为全氟磺酸树脂溶液。