[发明专利]一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极及其制备方法

权利要求书

1.一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极，其特征在于，所述燃料电池膜电极由质子交换膜、第一催化层、第二催化层和碳纤维纸组成，所述第一催化层通过超声雾化均匀喷涂在所述质子交换膜的表面，所述第二催化层通过超声雾化均匀喷涂在所述第一催化层的表面，所述碳纤维纸热压贴合在所述第二催化层的表面；

所述第一催化层原料由如下重量份组成：微粒催化剂15~20份，水5~8份，全氟磺酸型聚合物溶液5~8份，异丙醇10~15份；

所述第二催化层原料由如下重量份组成：大颗粒复合催化剂25~30份，水5~8份，全氟磺酸型聚合物溶液8~12份，异丙醇15~20份; 所述大颗粒复合催化剂的制备方法为：将铂/碳催化剂、氧化石墨烯水溶液、全氟磺酸型聚合物溶液和纳米锡依次按照5~8重量份、8~12重量份、15~20重量份、3~5重量份混合，将混合液在温度为30~40℃、超声频率为25~28 kHz的超声仪中超声分散至少30min，再加入重量份为15~20的水合肼，升温至120~140℃后进行水热处理，使氧化石墨烯还原形成石墨烯水凝胶，在温度为-20~-10℃下冷冻干燥，研磨得到5~10μm颗粒，再放入微波中加热至少10min使纳米锡熔化，将铂/碳催化剂固定在石墨烯气凝胶微孔，得到大颗粒复合催化剂，其中铂/碳催化剂的粒径为5~10nm。

2.根据权利要求1所述的一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极，其特征在于，所述第一催化层由如下重量份组成：微粒催化剂16~18份，水5~6份，全氟磺酸型聚合物溶液7~8份，异丙醇12~15份；

所述第二催化层由如下重量份组成：大颗粒复合催化剂27~29份，水5~6份，全氟磺酸型聚合物溶液10~12份，异丙醇18~20份。

3.根据权利要求1所述的一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极，其特征在于，所述微粒催化剂为粒径为5~10nm的铂/碳催化剂；所述质子交换膜为全氟磺酸型质子交换膜。

4.根据权利要求3所述的一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极，其特征在于，所述全氟磺酸型质子交换膜为全氟磺酸型质子交换膜117、全氟磺酸型质子交换膜 115、全氟磺酸型质子交换膜112、全氟磺酸型质子交换膜 1135 或全氟磺酸型质子交换膜105中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极，其特征在于，所述碳纤维纸的厚度为0.25mm，孔隙率≥70%。

6.权利要求1-5任一项所述的一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、制备第一催化剂浆料：将微粒催化剂、水、全氟磺酸型聚合物溶液和异丙醇依次按照15~20重量份、5~8重量份、5~8重量份、10~15重量份进行混合，再将混合液在温度为30~40℃、超声频率为25~28 kHz的超声仪中超声分散至少30min，得到第一催化剂浆料待用；

步骤二、制备第二催化剂浆料：将大颗粒复合催化剂、水、全氟磺酸型聚合物溶液和异丙醇依次按照25~30重量份、5~8重量份、5~8重量份、10~15重量份进行混合，再将混合液在温度为30~40℃、超声频率为25~28 kHz的超声仪中超声分散至少30min，得到第二催化剂浆料待用；

步骤三、将步骤一中制备得到的第一催化剂浆料通过超声雾化均匀喷涂在质子交换膜的表面，在温度为30~40℃的干燥室内定型形成第一催化层，再将步骤二中制备得到的第二催化剂浆料通过超声雾化均匀喷涂在第一催化层，在温度为30~40℃的干燥室内定型形成第二催化层，再热压贴合碳纤维纸，得到一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极。

7.根据权利要求6所述的一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述超声雾化的雾化流率为 20~25kg/ h，所述超声雾化的超声频率为1.7~2.4MHz。