一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法，使用超声喷涂设备将配制好的阳极催化剂浆料、阴极催化剂浆料和离子液体喷涂于质子交换膜两边，然后通过控制超声喷涂次数，对需要喷涂的梯度分布区域进行不同次数喷涂，使离子液体沿着膜电极阳极面氢气和阴极面积氧气流动方向呈梯度分布，气体流进膜电极位置为入口方向，气体流出膜电极位置为出口方向，形成离子液体沿气体流动方向呈梯度分布的膜电极催化层。本发明专利技术提升膜电极质子传输性能、电子传输性能以及增加膜电极耐久性，最大化减小膜电极气体出口区域水淹缺气反极问题，有效提升膜电极的质子传输性能和氧气传输性能，有效降低膜电极的传质极化和欧姆极化。极化。极化。

【技术实现步骤摘要】
一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，尤其涉及一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法。

技术介绍

[0002]膜电极作为燃料电池电堆的关键核心组件，对燃料电池电堆能量输出起决定性作用，是能量转化的直接场所，其内部同时进行着电化学反应、物质传输和导电传热等多物理和多化学过程，膜电极内部必须同时具备高效的物质传输、高效的电化学反应和优异的导电传热等过程才能实现电化学能量高效地转化为电能。膜电极在实际运行过程中面临着水淹缺气现象，水淹会堵塞膜电极的气体传输通道，导致膜电极阳极缺气或者阴极缺气等问题，同时水淹导致缺气会带来一个严重问题：即膜电极会发生反极，在阳极产生高电位，高电位会严重腐蚀膜电极的碳载体，导致膜电极电化学性能和耐久性急剧下降。气体从膜电极入口沿着双极板流场均匀分配给膜电极反应区域，同时膜电极内部生成的多余水随着气体排出膜电极，这将导致膜电极在出口区域含有大量液态水，使膜电极出口区域很容易发生水淹反极现象，物质传输受阻，导致膜电极电化学均一性差和耐久性急剧下降等问题。
[0003]当前，有一些现有文献基于解决膜电极水淹缺气反极的问题提出了相关解决方案，例如：
[0004]1、专利申请CN202010448071.3，公开了一种用于燃料电池的抗反极膜电极及其制备方法，所述的抗反极膜电极由抗反极活性物质的悬浊液和催化剂墨水混合涂覆后烘干制备得到，所述的抗反极活性物质的悬浊液由抗反极活性物质和溶剂组成，所述的抗反极活性物质的悬浊液的pH为6
‑
7，所述的抗反极活性物质为含有铱或钌的单质、含有铱或钌的单质氧化物或含有铱或钌的单质氢氧化物的纳米材料催化剂，所述的抗反极膜电极中抗反极活性物质的质量分数为1％～15％。该方法在保证膜电极抗反极能力的同时，可进一步减少贵金属活性物质的添加量，降低成本，在制备过程中抗反极活性物质可与膜电极中其他添加剂一同加入，不额外增加涂覆过程，适合大面积膜电极的制备。但是，该方法是通过在阳极添加不导电、不能传输质子和不能传输气体物质组成的抗反极催化剂以求解决问题，过多添加会导致膜电极严重的欧姆极化和传质极化。
[0005]2、专利申请CN202111012268.3，公开了一种燃料电池电堆中膜电极抗反极的处理方法，在膜电极的铂碳催化剂中添加抗反极催化剂，得到混合催化剂，将该混合催化剂作为膜电极的氢气侧催化剂。该方法在铂碳催化剂中均匀混入抗反极催化剂，得到的混合催化剂作为膜电极氢气侧的催化剂层，可以在发生反极时，抗反极催化剂优先作用电解水，从而避免了铂碳催化剂上的碳载体或碳扩散材料发生氧化破坏，解决膜电极发生反极后性能不可恢复和衰减等问题，保证了燃料电池及燃料电池电堆的正常工作以及其工作效率和系统的可靠稳定性。但是，该方法是通过在膜电极的铂碳催化剂中添加抗反极催化剂，该抗反极催化剂为氧化铱或氧化钌中的一种或两种，氧化铱或氧化钌为不导电、不能传输质子和不能传输气体物质，过多添加会导致膜电极严重的欧姆极化和传质极化。
[0006]以上现有专利文献主要通过在阳极添加抗反极催化剂，使膜电极在发生反极时首先催化分解水，避免腐蚀膜电极碳载体。
[0007]然而，虽然抗反极催化剂的添加可以在一定程度上缓解膜电极在高电位条件下碳载体腐蚀的问题，有效提升膜电极的耐久性，对膜电极电化学综合性能起到重要作用，但是，抗反极催化剂主要由不导电的、不能传输质子和不能传输气体的物质组成，也不能缓解水淹问题，过多添加会导致膜电极严重的欧姆极化和传质极化，同时催化层中质子传导物质一般为不导电子的物质，也会增加膜电极欧姆极化。因此，以上在解决膜电极水淹缺气反极问题方面存在明显不足，需要进一步进行优化，使膜电极具备优异的电子、气体和质子传输性能，同时使膜电极具备优异的耐久性和电化学性能。

技术实现思路

[0008]本专利技术为解决上述技术问题，提供了一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法。本专利技术在现有技术基础之上，通过使用疏水性和亲氧性的质子型离子液体沿膜电极进出口方向呈梯度分布的设计，提升膜电极的综合性能，最大化减小膜电极气体出口区域水淹缺气反极问题，同时有效提升膜电极的质子传输性能和氧气传输性能，进一步提升膜电极的电化学性能和耐久性能，有效降低膜电极的传质极化和欧姆极化等问题。
[0009]为了能够达到上述所述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法，所述膜电极离子液体沿进出口方向呈梯度设计包括膜电极阳极面沿进出口方向的离子液体呈梯度设计、膜电极阴极面沿进出口方向的离子液体呈梯度设计；所述沿进出口方向呈梯度设计，是离子液体沿着膜电极阳极面氢气和阴极面积氧气流动方向呈梯度分布，气体流进膜电极位置为入口方向，气体流出膜电极位置为出口方向。
[0011]进一步地，所述离子液体在阳极催化层平面方向有3～5梯度，挨近气体入口为第一个梯度，挨近气体出口方向为最后一个梯度，第一个梯度质量分数为1wt％～5wt％，最后一个梯度质量分数分40wt％～50wt％，相邻两个梯度值差相等。
[0012]进一步地，所述离子液体在阴极催化层平面方向有3～5梯度，挨近气体入口为第一个梯度，挨近气体出口方向为最后一个梯度，第一个梯度质量分数为1wt％～5wt％，最后一个梯度质量分数分40wt％～50wt％，相邻两个梯度值差相等。
[0013]进一步地，所述离子液体是亲氧性和疏水性的质子型离子液体，为[MTBD][NTf2]、[MTBD][PF6]中的一种。
[0014]进一步地，所述离子液体通过超声喷涂设备均匀喷涂于阳极催化层和阴极催化层中。
[0015]进一步地，所述阳极催化层是由阳极Pt基催化剂、抗反极催化剂、离子液体组成，其中Pt基催化剂和抗反极催化剂在阳极催化层是均匀分布的。
[0016]进一步地，所述抗反极催化剂为析氧催化剂，选自IrO2、RuO2、Ir合金催化剂、Ru合金催化剂中的一种或者几种。
[0017]进一步地，所述阴极催化层是由阳极Pt基催化剂和离子液体组成，其中Pt基催化剂在阴极催化层是均匀分布的。
[0018]进一步地，所述阳极Pt基催化剂和阴极Pt基催化剂均选自Pt/C催化剂、Pt合金催化剂、非Pt基贵金属催化剂、非贵金属催化剂中一种或者几种，阳极Pt基催化剂均匀分布浓度为0.02～0.15mgPt/cm2阴极，阴极Pt基催化剂均匀分布浓度为0.1～0.4mgPt/cm2。
[0019]进一步地，一种如上述所述的离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法，具体包括以下步骤：
[0020](1)阳极催化剂浆料配制：将阳极Pt基催化剂、抗反极催化剂、异丙醇溶液置于玻璃瓶中，超声分散均匀，得到阳极催化剂浆料；
[0021](2)阴极催化剂浆料配制：将阴极Pt基催化剂和异丙醇溶液置于玻璃瓶中，超声分散均匀，得到阴极催化剂浆料；
[0022](3)离子液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法，其特征在于：所述膜电极离子液体沿进出口方向呈梯度设计包括膜电极阳极面沿进出口方向的离子液体呈梯度设计、膜电极阴极面沿进出口方向的离子液体呈梯度设计；所述沿进出口方向呈梯度设计，是离子液体沿着膜电极阳极面氢气和阴极面积氧气流动方向呈梯度分布，气体流进膜电极位置为入口方向，气体流出膜电极位置为出口方向。2.根据权利要求1所述的一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法，其特征在于：所述离子液体在阳极催化层平面方向有3～5梯度，挨近气体入口为第一个梯度，挨近气体出口方向为最后一个梯度，第一个梯度质量分数为1wt％～5wt％，最后一个梯度质量分数分40wt％～50wt％，相邻两个梯度值差相等。3.根据权利要求1所述的一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法，其特征在于：所述离子液体在阴极催化层平面方向有3～5梯度，挨近气体入口为第一个梯度，挨近气体出口方向为最后一个梯度，第一个梯度质量分数为1wt％～5wt％，最后一个梯度质量分数分40wt％～50wt％，相邻两个梯度值差相等。4.根据权利要求1所述的一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法，其特征在于：所述离子液体是亲氧性和疏水性的质子型离子液体，为[MTBD][NTf2]、[MTBD][PF6]中的一种。5.根据权利要求1所述的一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法，其特征在于：所述离子液体通过超声喷涂设备均匀喷涂于阳极催化层和阴极催化层中。6.根据权利要求2所述的一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法，其特征在于：所述阳极催化层是由阳极Pt基催化剂、抗反极催化剂、离子液体组成，其中Pt基催化剂和抗反极催化剂在阳极催化层是均匀分布的。7.根据权利要求6所述的一种离子液体沿进出口方向呈梯度分布的膜电极的制备方法，其特征在于：所述抗反极...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨代辉，冯勇，白亚峰，何苗苗，田合鑫，李宏健，黎方菊，
申请(专利权)人：贵州梅岭电源有限公司，
类型：发明
国别省市：