阴极催化层的制备方法、膜电极的制备方法及膜电极与流程

本技术涉及燃料电池膜电极，特别是涉及一种阴极催化层的制备方法、膜电极的制备方法及膜电极。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的新型能源装置，具有能量转化率高、工作温度较低、绿色清洁等优点。质子交换膜燃料电池的关键部件即产生电能的部件是膜电极。膜电极主要由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层和气体扩散层组成。其中，阳极催化层主要将氢气分解成氢离子和电子，阴极催化层则是质子、电子与氧气在催化作用下产生水的场所。阴极催化层作为电化学反应的场所，其制备工艺对膜电极性能至关重要。

2、目前，在燃料电池膜电极的制备工艺中，常使用催化剂浆液涂布到质子交换膜两侧形成阴阳极催化层。但在使用传统的制备方法制备的阴极催化层中，质子在阴极催化层的传输速率较低，而且离子聚合物极易大面积覆盖活性位点，使催化剂无法有效发挥其本身的性能。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对相关技术中阴极催化层无法有效发挥催化性能的问题提供一种阴极催化层的制备方法、膜电极的制备方法及膜电极。

2、为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种阴极催化层的制备方法，所述阴极催化层形成在膜电极的质子交换膜上，所述方法包括：

3、分别提供第一催化剂浆液、第二催化剂浆液和第三催化剂浆液；其中，所述第一催化剂浆液、所述第二催化剂浆液和所述第三催化剂浆液中的至少部分包括的离子聚合物溶液的类型不同，所述第一催化剂浆液、所述第二催化剂浆液和所述第三催化剂浆液分别包括的溶剂的介电常数不同；

4、于所述质子交换膜的上表面涂覆所述第一催化剂浆液形成第一子催化层；

5、于所述第一子催化层的上表面涂覆所述第二催化剂浆液形成第二子催化层；

6、于所述第二子催化层的上表面涂覆所述第三催化剂浆液形成第三子催化层。

7、在其中一个实施例中，所述分别提供第一催化剂浆液、第二催化剂浆液和第三催化剂浆液，包括：

8、提供第一溶剂和第一离子聚合物溶液混合形成的所述第一催化剂浆液；其中，所述第一溶剂包括正丁醇和水的混合溶剂；

9、提供催化剂、第二溶剂和第二离子聚合物溶液混合形成的所述第二催化剂浆液；其中，所述第二溶剂包括二甲基亚砜和水的混合溶剂；

10、提供所述催化剂、第三溶剂和第三离子聚合物溶液混合形成的所述第二催化剂浆液；其中，所述第三溶剂包括异丙醇和水的混合溶剂，所述第一离子聚合物溶液和所述第二离子聚合物溶液的类型相同，所述第二离子聚合物溶液和所述第三离子聚合物溶液的类型不同。

11、在其中一个实施例中，所述第一离子聚合物溶液和所述第二离子聚合物溶液的类型为长侧链类型，所述第三离子聚合物溶液的类型为短侧链类型。

12、在其中一个实施例中，所述第一溶剂中所述正丁醇和所述水的质量分数比例范围为(6～9):(4～1)；

13、所述第二溶剂中所述二甲基亚砜和所述水的质量分数比例范围为(5～9):(5～1)；

14、所述第三溶剂中所述异丙醇和所述水的质量分数比例范围为(5～9):(5～1)。

15、在其中一个实施例中，所述第二催化剂浆液中，所述第二离子聚合物与催化剂载体的质量比例范围为0.7～1.1；所述第三催化剂浆液中，所述第三离子聚合物与催化剂载体的质量比例范围为0.7～1.1。

16、在其中一个实施例中，所述于所述质子交换膜的上表面涂覆所述第一催化剂浆液形成第一子催化层，包括：

17、于所述质子交换膜的上表面涂覆所述第一催化剂浆液，对涂覆的所述第一催化剂浆液进行干燥处理；

18、所述于所述第一子催化层的上表面涂覆所述第二催化剂浆液形成第二子催化层，包括：

19、于所述第一子催化层的上表面涂覆所述第二催化剂浆液，对涂覆的所述第二催化剂浆液进行干燥处理；

20、所述于所述第二子催化层的上表面涂覆所述第三催化剂浆液形成第三子催化层，包括：

21、于所述第二子催化层的上表面涂覆所述第三催化剂浆液，对涂覆的所述第三催化剂浆液进行干燥处理。

22、上述阴极催化层的制备方法中，分别提供第一催化剂浆液、第二催化剂浆液和第三催化剂浆液，于所述质子交换膜的上表面涂覆所述第一催化剂浆液形成第一子催化层；于所述第一子催化层的上表面涂覆所述第二催化剂浆液形成第二子催化层；于所述第二子催化层的上表面涂覆所述第三催化剂浆液形成第三子催化层，可以采用不同的离子聚合物溶液、不同介电常数的溶剂混合形成的不同催化剂浆液，通过涂覆的方式分别一一对应形成第一子催化层、第二子催化层、第三子催化层，进而形成包括三层子催化层的阴极催化层。阴极催化层的每一子催化层选用合适的离子聚合物溶液和溶剂，能增强与质子交换膜以及其他子催化层的交联作用，有效降低阴极催化层中的质子电阻，提高质子的传输速率，并减弱对活性位点的覆盖，提高催化效率。

23、第二方面，本发明还提供了一种膜电极的制备方法，所述方法包括：

24、提供质子交换膜；

25、于所述质子交换膜的上表面形成阴极催化层，其中，所述阴极催化层包括依次层叠的第一子催化层、第二子催化层和第三子催化层，所述第一子催化层位于所述质子交换膜的上表面，所述第一子催化层、所述第二子催化层和所述第三子催化层分别一一对应采用第一催化剂浆液、第二催化剂浆液和第三催化剂浆液涂覆形成而成，且所述第一催化剂浆液、所述第二催化剂浆液和所述第三催化剂浆液中的至少部分包括的离子聚合物溶液的类型不同，所述第一催化剂浆液、所述第二催化剂浆液和所述第三催化剂浆液分别包括的溶剂的介电常数不同；

26、于所述质子交换膜背离所述阴极催化层的一侧表面形成阳极催化层。

27、在一个实施例中，所述于所述质子交换膜背离所述阴极催化层的一侧表面涂覆形成阳极催化层，包括：

28、于所述质子交换膜背离所述阴极催化层的一侧表面涂覆所述第三催化剂浆液，对涂覆的所述第三催化剂浆液进行干燥处理形成所述阳极催化层。

29、上述膜电极的制备方法中，提供质子交换膜，在质子交换膜的上表面形成阴极催化层，在质子交换膜背离阴极催化层的一侧表面形成阳极催化层，从而制备膜电极；其中，阴极催化层包括依次层叠的第一子催化层、第二子催化层和第三子催化层，第一子催化层位于质子交换膜的上表面，可以采用不同类型的离子聚合物溶液、不同介电常数的溶剂混合而成的催化剂浆液，通过涂覆的方式一一对应涂覆第一子催化层、第二子催化层和第三子催化层形成阴极催化层。采用这种方法制备的膜电极由于采用的阴极催化层包括多层，且每一层使用合适的催化剂浆液涂覆，使阴极催化层的催化效率得到提升，从而使膜电极在电池放电过程中的电压损耗和功率损耗降低，膜电极性能得到提升。

30、第三方面，本发明还提供了一种膜电极，包括：

31、质子交换膜，

32、位于所述质子交换膜上表面的阴极催化层；其中，所述阴极催化层包括依次层叠的第一子催化层、第二子催化层和第三子催化层，所述第一子催化层位于所述质子交换膜的上表面，所述第一子催化层、所述第二子催化层和所述第三子催化层分别一一对应采用第一催化剂浆液、第二催化剂浆液和第三催化剂浆液涂覆形成而成，且所述第一催化剂浆液、所述第二催化剂浆液和所述第三催化剂浆液中的至少部分包括的离子聚合物溶液的类型不同，所述第一催化剂浆液、所述第二催化剂浆液和所述第三催化剂浆液分别包括的溶剂的介电常数不同；

33、位于所述质子交换膜背离所述阴极催化层的一侧表面的阳极催化层。

34、在其中一个实施例中，所述第二子催化层和所述第三子催化层的固含量范围为0.8％～2％。

35、上述膜电极包括质子交换膜、位于质子交换膜的上表面的阴极催化层，位于质子交换膜背离阴极催化层的一侧表面的阳极催化层，其中，阴极催化层阴极催化层包括依次层叠的第一子催化层、第二子催化层和第三子催化层，所述第一子催化层位于所述质子交换膜的上表面。可以采用不同类型的离子聚合物溶液、不同介电常数的溶剂混合而成的催化剂浆液，通过涂覆的方式一一对应涂覆第一子催化层、第二子催化层和第三子催化层形成阴极催化层，提高阴极催化层的催化反应效率，从而降低膜电极在电池放电过程中的电压损耗和功率损耗，提升膜电极性能。