本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池電極的制備方法及制備裝置。

背景技術(shù)：

當(dāng)今社會對能源的需求日益增加，加之化石能源儲量有限且對環(huán)境污染較重，開發(fā)高效清潔的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)已成當(dāng)務(wù)之急。燃料電池是一種直接將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)轉(zhuǎn)換裝置，是21世紀(jì)最有競爭力的高效清潔發(fā)電方式之一。它具有理論比能量高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、效率高、噪音小等特點，在諸多發(fā)電領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

膜電極是燃料電池的“心臟”，為電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所。其性能的高低跟電極的制備工藝緊密相關(guān)。對于有磁性的催化劑，在制備電極的過程中施加磁場則有望使得電極中磁性催化劑顆粒磁極有一取向分布。此方法一可使催化層中孔結(jié)構(gòu)較為有序，二來形成的梯度磁場使得順磁性O(shè)₂受吸引而向磁場強度增加的方向移動，而逆磁性的N₂則向磁場強度降低的方向移動(O₂在梯度磁場所受磁場力約是N₂的200倍)，從而降低氧的傳質(zhì)損失，提升電池性能。

針對含磁性材料的催化劑漿液涂覆問題，本發(fā)明利用磁性材料在磁場作用下取向排列的特性，借助外加強磁場，實現(xiàn)了磁性催化劑在催化層中有序分布。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明的目的在于提供一種電極的制備方法及制備裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種電極制備方法，其步驟包括：1)磁性催化劑預(yù)處理，2)催化劑漿液配制，3)磁場環(huán)境下涂覆漿液，4)電極干燥，5)電極充磁；

所述的催化劑預(yù)處理步驟包括：a.將磁性催化劑顆粒烘干，b.將烘干后的磁性催化劑同電解液或離聚物溶液混合，c.將混合后的漿液置入真空環(huán)境中，d.過濾漿液并烘干催化劑。

所述的催化劑具有磁性，可以是催化劑活性物質(zhì)有磁性或是催化劑載體有磁性，亦或是二者皆有磁性；有磁性的催化劑活性物質(zhì)為PtCo、Fe_xO_y、Co_xO_y、Ni_xO_y、FeCo、NiCo、FeNC、CoNC中的一種或兩種以上，但并不限于以上所列；有磁性的催化劑載體為稀土永磁、金屬永磁、鐵氧體永磁材料。

所述的電解液或離聚物與所應(yīng)用燃料電池中的電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)能力一致，即所述催化劑應(yīng)用于酸性燃料電池時，所述電解液或離聚物能傳導(dǎo)質(zhì)子；所述催化劑應(yīng)用于堿性燃料電池時，所述電解液或離聚物能能傳導(dǎo)氫氧根離子。

所述電解液或離聚物對催化劑無毒化作用；所述的真空環(huán)境是指絕對壓力小于20kPa。

所述的催化劑漿液配制是將預(yù)處理過的催化劑同粘結(jié)劑(或離聚物)、溶劑等混合均勻。

所述的磁場環(huán)境下涂覆漿液是指涂覆漿液過程中外加磁場以使磁性顆粒磁疇取向；所述的漿液涂覆是指將配制好的催化劑漿液涂覆到基底材料上，涂覆方式可以是刮涂、刷涂、噴涂、絲網(wǎng)印刷、狹縫擠壓中的一種或多種。

所述的外加磁場可以是靜磁場，也可為脈沖強磁場，亦可以是二者相結(jié)合；所述磁場的磁場強度為0.1-100T。

所述的電極干燥是指將涂覆在基底層上的電極烘干以去除溶劑。

所述的充磁是指將干燥后的電極放置與充磁機上充磁，充磁方向與磁場環(huán)境下涂覆漿液時所施加磁場方向一致。

一種燃料電池電極制備裝置，包括催化劑預(yù)處理單元、漿液配制單元、涂覆單元、干燥單元和充磁單元。

催化劑預(yù)處理單元，用于預(yù)處理催化劑，可實現(xiàn)如下功能：1)催化劑顆粒烘干，2)催化劑同電解液(或離聚物溶液)混合攪拌，3)混合后的漿液置入真空環(huán)境中，4)過濾漿液并烘干催化劑；

漿液配制單元，用于配制催化劑漿液并將其混合均勻；

涂覆單元，用于將催化劑漿液涂覆于基底層上,能在涂覆同時施加磁場；

干燥單元，用于干燥涂覆完的電極；

充磁單元，用于施加脈沖磁場以將電極充磁。

本發(fā)明所述的電極的制備方法及裝置，具有如下優(yōu)點：

1.制備電極的有序化程度高

2.電極的傳質(zhì)損失小、性能好。

3.方法簡單、易實現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的制備工藝框圖；

圖2為本發(fā)明所述催化劑預(yù)處理步驟框圖；

圖3為本發(fā)明所述的在磁場環(huán)境下涂覆電極的示意圖，其中301和302為磁鐵，303為涂覆基底材料，304為磁場線；

圖4為采用本發(fā)明方法制備電極與普通電極性能對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作詳細(xì)的描述。當(dāng)然本發(fā)明并不僅限于下述具體的實施例。

實施例1：

催化劑預(yù)處理：所用磁性催化劑為TKK公司生產(chǎn)的PtCo/C。預(yù)處理步驟為：1)將其置入真空烘箱120℃干燥2h，2)在N₂氣氛中將其與質(zhì)量濃度5％Nafion溶液、乙醇(Nafion、PtCo/C、乙醇的質(zhì)量比為1：4：20)混合均勻，3)將混合均勻的漿液置入真空干燥箱，在絕對壓力10kPa，溫度為室溫條件下放置4h，4)取出漿液過濾并干燥；

催化劑漿液配制：將上布干燥后的PtCo/C同質(zhì)量濃度為5％的Nafion溶液及異丙醇混合均勻；其中Nafion、PtCo/C、異丙醇的質(zhì)量比為1：4：20。

磁場環(huán)境下涂覆：外加磁場及基底層放置如圖3所示，基底層為TGP-060，尺寸為20*20mm其上涂覆有0.6mg/cm²的碳粉、PTFE混合物，其中PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％。使用兩塊100*100*10mm的NdFeB永磁體作為外磁場源，采用刷涂方式將催化劑漿液刷于基底層上。

電極干燥：將電極置于充N₂烘箱中60℃干燥2h

電極充磁：將干燥后電極置于力田磁電充磁機上充磁。

實施例2：

催化劑預(yù)處理：所用磁性催化劑為TKK公司生產(chǎn)的PtCo/C。預(yù)處理步驟為：1)將其置入真空烘箱120℃干燥2h，2)在N₂氣氛中將其浸沒于質(zhì)量濃度5％H₃PO₄中，3)將漿液置入真空干燥箱，在絕對壓力5kPa，溫度為室溫條件下放置2h，4)取出漿液過濾并干燥。

催化劑漿液配制：將上布干燥后的PtCo/C同質(zhì)量濃度為2％的PBI溶液(溶劑為DMAc)及1％PVDF溶液(溶劑為DMAc)混合均勻；其中PtCoC、PBI、PVDF質(zhì)量比為158：9：2。

磁場環(huán)境下涂覆：外加磁場及基底層放置如圖3所示，基底層為TGP-060，尺寸為20*20mm其上涂覆有0.8mg/cm²的碳粉、PTFE混合物，其中PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25％。使用兩塊100*100*10mm的NdFeB永磁體作為外磁場源，采用刷涂方式將催化劑漿液刷于基底層上。

電極干燥：將電極置于充真空干燥箱130℃干燥4h。

電極充磁：將干燥后電極置于力田磁電充磁機上充磁。

對比例：

催化劑預(yù)處理：所用磁性催化劑為TKK公司生產(chǎn)的PtCo/C。預(yù)處理步驟為：1)將其置入真空烘箱120℃干燥2h，2)在N₂氣氛中將其與質(zhì)量濃度5％Nafion溶液、乙醇混合均勻(Nafion、PtCo/C、乙醇的質(zhì)量比為1：4：20)，3)將混合均勻的漿液置入真空干燥箱，在絕對壓力10kPa，溫度為室溫條件下放置4h，4)取出漿液過濾并干燥

催化劑漿液配制：將上布干燥后的PtCo/C同質(zhì)量濃度為5％的Nafion溶液及異丙醇混合均勻；其中Nafion、PtCo/C、異丙醇的質(zhì)量比為1：4：20。

催化劑涂覆：基底層為TGP-060，尺寸為20*20mm其上涂覆有0.6mg/cm²的碳粉、PTFE混合物，其中PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％。采用刷涂方式將催化劑漿液刷于基底層上。

電極干燥：將電極置于充N₂烘箱中60℃干燥2h；

圖4為實施例1和對比例所制備的電極在半電池中測試結(jié)果，電解液為0.5MH₂SO₄，從圖中看出在磁場環(huán)境下涂覆電極的極限電流密度近乎是對比例的2倍，由此可反映出在磁場環(huán)境下涂覆電極中的氧傳質(zhì)阻力大幅降低。