一种膜电极中催化层一致性的检测方法及其应用与流程

本发明属于燃料电池，具体涉及一种膜电极中催化层一致性的检测方法及其应用。

背景技术：

1、众所周知，催化层是膜电极中气体发生反应的主要场所，主要由催化剂与离聚物组成，在膜电极工作过程中，反应气体穿过气体扩散层到达催化层在催化剂的作用下发生电化学反应，同时离聚物将气体反应后生成的离子定向移动到质子膜的另一侧，完成质子传递，实现整个反应过程。因此催化层中催化剂与离聚物的分散均匀性影响膜电极产品的一致性。

2、专利cn116256384a提供了一种燃料电池中催化剂层的i/c测试方法。该测试方法包括以下步骤：1)提供至少3组催化剂层标准样品；2)分别建立高分子聚合物、碳载铂催化剂及每组催化剂层标准样品的tga标线；3)将每组催化剂层标准样品的i/c值记为i1/c1，i1/c1＝w1/w2；4)获取每组催化剂层标准样品的xrf标线中氟信号和铂信号的峰面积，分别记为sf和spt；5)将每组催化剂层标准样品的sf/spt作为横坐标，每组催化剂层标准样品的i1/c1作为纵坐标，获取α；6)获取待测样品的氟信号和铂信号的峰面积之比，即可计算得到待测样品的i/c值。该专利中选择f元素含量作为离聚物的特征含量，在膜电极中，催化层通常覆盖在质子交换膜或者转印膜上，且质子膜及转印膜中均存在大量的f元素的存在，该部分f原子对催化层中离聚物中f元素的信号有干扰作用，无法准确分辨出催化层中离聚物的具体含量。

3、因此，如何准确无误地检测出催化层中催化剂和离聚物的含量，以判断催化层中催化剂和离聚物的分布一致性，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种膜电极中催化层一致性的检测方法及其应用。本发明通过对催化层的不同位置进行无损的实时检测，在测试过程中选用pt元素得到催化层中催化剂的含量，选用s元素得到催化层中离聚物的含量，同时计算得到不同位置催化剂与离聚物比值，并进一步计算得到不同位置下各自的相对偏差，从而准确无误地表征得到膜电极中催化层的一致性。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种膜电极中催化层一致性的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

4、(1)将催化剂、离聚物和溶剂混合，得到催化层浆料，然后将所述催化层浆料涂覆在载体上，干燥后形成催化层；

5、(2)对所述催化层的不同位置中的pt含量和s含量进行检测，得到不同位置下的pt含量、s含量以及α，所述α为s含量和pt含量的比值；

6、(3)计算不同位置下所述pt含量的相对偏差δpt、所述s含量的相对偏差δs以及所述α的相对偏差δα，用于表征膜电极中催化层的一致性。

7、本发明通过对催化层的不同位置进行无损的实时检测，在测试过程中选用pt元素得到催化层中催化剂的含量，选用s元素得到催化层中离聚物的含量，同时计算得到不同位置催化剂与离聚物比值，并进一步计算得到不同位置下各自的相对偏差，从而准确无误地表征得到膜电极中催化层的一致性。

8、需要说明的是，α＝ms/mpt。

9、作为本发明一种优选的技术方案，步骤(1)所述催化剂中的元素包括pt、c和o。

10、优选地，步骤(1)所述离聚物中的元素包括f、s、c和o。

11、作为本发明一种优选的技术方案，步骤(1)所述离聚物和催化剂的质量比为为(0.1-1):1，例如可以是0.1:1、0.3:1、0.35:1、0.4:1、0.45:1、0.5:1、0.6:1、0.7:1、0.8:1、0.9:1或1:1等，优选为(0.3-0.5):1。

12、优选地，所述催化剂中pt的质量分数为20-60％，例如可以是20％、30％、40％、50％或60％等，所述离聚物的ew(当量)值为690-1100，例如可以是690、700、800、900、1000或1100等。

13、作为本发明一种优选的技术方案，步骤(1)所述催化层的厚度为2-30μm，例如可以是2μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm或30μm等。催化层的厚度会影响催化剂和离聚物的分散均匀性，过厚或过薄均会降低膜电极产品一致性。

14、作为本发明一种优选的技术方案，步骤(2)所述催化层中进行检测的检测点为至少3个，例如可以是3个、4个、5个或6个等，优选为6个。

15、作为本发明一种优选的技术方案，步骤(2)所述催化层中进行检测的位置包括催化层的初始涂布位置、中间位置和收尾位置，每个位置平行方向至少测试1个点，例如可以是1个点、2个点或3个点等。

16、本发明中，优选上述位置进行检测，有利于检测结果更加准确和可靠。

17、作为本发明一种优选的技术方案，进行步骤(2)所述检测的仪器包括x射线荧光光谱仪。

18、需要说明的是，x射线荧光光谱仪(x-ray fluorescence spectrometer，简称：xrf光谱仪)，是一种快速的、非破坏式的物质测量方法。xrf光谱仪用x光或其他激发源照射待分析样品，样品中的元素之内层电子被击出后，造成核外电子的跃迁，在被激发的电子返回基态的时候，会放射出特征x光；不同的元素会放射出各自的特征x光，具有不同的能量或波长特性。检测器(detector)接受这些x光，仪器软件系统将其转为对应的信号。

19、需要说明的是，所述x射线荧光光谱仪能准确测试金属元素与非金属元素，金属元素包括pt、co、ni或cu等，非金属元素包括s或f等。

20、作为本发明一种优选的技术方案，所述δpt、所述δs和所述δα中的至少两个的绝对值≤阈值，表征所述膜电极中催化层的一致性良好。

21、需要说明的是，本发明对阈值的具体数值不进行限定，根据具体的实际情况可确定不同的阈值，例如阈值为3％、4％或5％等。示例性的，当阈值为5％时，若相对偏差小于5％，则表明对膜电极的发电性能影响较小，反之则影响膜电极的发电性能。

22、作为本发明一种优选的技术方案，所述检测方法包括以下步骤：

23、(1)将铂催化剂、含s离聚物和溶剂搅拌混合，得到溶质质量分数为1-15％(例如可以是1％、5％、10％或15％等)的催化层浆料，然后将所述催化层浆料涂布在转印膜上，干燥后形成厚度为2-30μm的催化层；

24、其中，溶剂包括水、乙醇、异丙醇或正丙醇中的任意一种或至少两种的组合，含s离聚物和铂催化剂的质量比为(0.3-0.5):1；

25、(2)采用x射线荧光光谱仪对所述催化层的6个检测点中的pt含量和s含量进行检测，得到6个检测点下的pt含量、s含量以及α，所述α为s含量和pt含量的比值；

26、(3)计算6个检测点下所述pt含量的相对偏差δpt、所述s含量的相对偏差δs以及所述α的相对偏差δα，若所述δpt、所述δs和所述δα中的至少2个的绝对值≤阈值，则表征所述膜电极中催化层的一致性良好，若所述δpt、所述δs和所述δα中的至少2个的绝对值＞阈值，则表征所述膜电极中催化层的一致性差。

27、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的检测方法在燃料电池中的应用。

28、本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

29、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

30、本发明通过对催化层的不同位置进行无损的实时检测，在测试过程中选用pt元素得到催化层中催化剂的含量，选用s元素得到催化层中离聚物的含量，同时计算得到不同位置催化剂与离聚物比值，并进一步计算得到不同位置下各自的相对偏差，从而准确无误地表征得到膜电极中催化层的一致性。