[发明专利]PEM水电解用质子膜与CCM一体化制备方法及装置

权利要求书

1.一种PEM水电解用CCM制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）配置浆料：所述浆料包括预处理浆料、催化剂浆料Ⅰ、催化剂浆料Ⅱ、粘结剂浆料Ⅰ、功能纳米粘结剂浆料、粘结剂浆料Ⅱ；

所述预处理浆料包括碳粉；所述粘结剂浆料Ⅰ的溶质为短侧链全氟磺酸树脂，质量浓度为0.1-2%；所述功能纳米粘结剂浆料包括短侧链全氟磺酸树脂和功能纳米粒子，其中，短侧链全氟磺酸树脂的质量浓度为2-10%；

所述功能纳米粒子为纳米级磷酸化二氧化铈、磺酸化二氧化铈、磺酸化二氧化锰的一种或多种混合；所述粘结剂浆料Ⅰ和功能纳米粘结剂浆料中的短侧链全氟磺酸树脂的侧链分子结构为-OCF₂CF₂SO₃H、-OCF₂CF₂CF₂SO₃H、-OCF₂SO₃H；

所述粘结剂浆料Ⅱ的溶质为长侧链全氟磺酸树脂，所述长侧链全氟磺酸树脂的侧链分子结构为-OCF₂CF(CF₃)OCF₂CF₂SO₃H；

（2）将预处理浆料喷涂于基底膜的正面，干燥后在基底膜上形成涂层A；将催化剂浆料Ⅰ和粘结剂浆料Ⅰ分开上料同时喷涂于涂层A上，干燥后形成涂层B；

（3）在涂层B上涂布一层功能纳米粘结剂浆料，初步干燥至未完全干燥的粘态后，将粘结剂浆料Ⅱ涂布于功能纳米粘结剂浆料的表面，初步干燥至未完全干燥的粘态后，在粘结剂浆料Ⅱ的表面平铺一层聚四氟乙烯微孔膜；然后在聚四氟乙烯微孔膜未涂布的一侧涂布一层粘结剂浆料Ⅱ，初步干燥至未完全干燥的粘态后，于粘结剂浆料Ⅱ上再涂布一层功能纳米粘结剂浆料，初步干燥至凝胶态后，得到一侧附有催化剂层的复合增强膜；所述未完全干燥的粘态指的是溶剂含量70-95wt%；所述凝胶态指的是溶剂含量1-30 wt%；

（4）将催化剂浆料Ⅱ和粘结剂浆料Ⅰ分开上料同时在功能纳米粘结剂浆料的表面进行喷涂，干燥后形成复合增强膜上另一侧的催化剂层，得到所述CCM。

2.根据权利要求1所述的一种PEM水电解用CCM制备方法，其特征在于，所述方法采用一体化装置，包括超声喷涂机，所述超声喷涂机包括吸附式加热台、安装在吸附式加热台上方的并由电气控制的第一驱动滑台、安装在第一驱动滑台上的喷头，所述喷头与供料系统管路连接，所述第一驱动滑台上的喷头数量不少于4个，并构成喷头组，所述超声喷涂机内位于吸附式加热台的上方设有由电气控制的第二驱动滑台，所述第二驱动滑台中设有与供料系统连通的狭缝式涂布头，所述狭缝式涂布头的供料系统中至少包括两个储料桶，分别与狭缝式涂布头连通，所述第一驱动滑台和第二驱动滑台均通过滑道组实现直线滑移运动，并可分别滑移至吸附式加热台的正上方；

采用上述一体化装置的制备工艺，包括以下步骤：

（1）配置浆料：所述浆料包括预处理浆料、催化剂浆料Ⅰ、催化剂浆料Ⅱ、粘结剂浆料Ⅰ、配置功能纳米粘结剂浆料、粘结剂浆料Ⅱ；

所述预处理浆料包括碳粉；所述粘结剂浆料Ⅰ的溶质为短侧链全氟磺酸树脂；所述功能纳米粘结剂浆料包括短侧链全氟磺酸树脂和功能纳米粒子；

所述功能纳米粘结剂浆料中短侧链全氟磺酸树脂的含量大于等于粘结剂浆料Ⅰ中短侧链全氟磺酸树脂的含量；

所述功能纳米粒子为纳米级磷酸化二氧化铈、磺酸化二氧化铈、磺酸化二氧化锰中的一种或多种混合；

所述粘结剂浆料Ⅰ和功能纳米粘结剂浆料中的短侧链全氟磺酸树脂的侧链分子结构为-OCF₂CF₂SO₃H、-OCF₂CF₂CF₂SO₃H、-OCF₂SO₃H；

所述粘结剂浆料Ⅱ的溶质为长侧链全氟磺酸树脂，所述长侧链全氟磺酸树脂的侧链分子结构为-OCF₂CF(CF₃)OCF₂CF₂SO₃H；

（2）将一张基底膜平铺于吸附式加热台上，将预处理浆料、催化剂浆料Ⅰ、催化剂浆料Ⅱ、粘结剂浆料Ⅰ分别注入喷头组的各喷头内，同时将功能纳米粘结剂浆料和粘结剂浆料Ⅱ分别注入与狭缝式涂布头连通的储料桶中；

首先，注入预处理浆料的喷头进行在基底膜正面的线性喷涂，多次喷涂并干燥后在基底膜上形成涂层A；

然后，注入催化剂浆料Ⅰ和粘结剂浆料Ⅰ的喷头同时进行在涂层A上的线性喷涂，多次喷涂并干燥后形成涂层B；

（3）采用狭缝涂布的方式在涂层B上涂布一层功能纳米粘结剂浆料，初步干燥至呈未完全干燥的粘态，同时狭缝式涂布模头内更换粘结剂浆料Ⅱ，将粘结剂浆料Ⅱ涂布于功能纳米粘结剂浆料表面，初步干燥至呈未完全干燥的粘态，再在粘结剂浆料Ⅱ表面平铺一层聚四氟乙烯微孔膜；然后在聚四氟乙烯微孔膜未涂布的一侧涂布一层粘结剂浆料Ⅱ，初步干燥至呈未完全干燥的粘态后，再涂布一层功能纳米粘结剂浆料，初步干燥至凝胶态后，即得到带有一侧催化剂层的复合增强膜；所述未完全干燥的粘态指的是溶剂含量70-95wt%；所述凝胶态指的是溶剂含量1-30 wt%；

（4）注入催化剂浆料Ⅱ和粘结剂浆料Ⅰ的两个喷头在步骤（3）中后涂布的功能纳米粘结剂浆料表面进行线性喷涂，多次喷涂并干燥后形成复合增强膜上另一侧催化剂层，最终得到所述CCM；

其中，喷涂或涂布任一浆料期间，吸附式加热台始终处于加热状态，热台温度为：25-75℃，真空度为-0.04至-0.2MPa。