一种制备燃料电池催化剂涂布浆料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种制备燃料电池催化剂涂布浆料的制备方法,将催化剂、表面活性剂和研磨珠按照质量比1：(0.005～0.1)：(10～100)的比例加入研磨罐进行一次研磨混合，然后，按照催化剂、去离子水和质子交换膜溶液的质量比1：(0.5～2.25)：(1～20)加入去离子水和质子交换膜溶液，进行二次研磨混合，用醇和质子交换膜溶液转移上述浆料后，进行一次高速剪切混合，然后再加入消沫剂降低表面张力，二次高速剪切混合后得到涂布浆料，与现有技术相比，本发明专利技术具有如下的有益效果：通过表面活性剂溶液和催化剂颗粒的预球磨，可以对催化剂的表面进行修饰改性。饰改性。饰改性。

【技术实现步骤摘要】
一种制备燃料电池催化剂涂布浆料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于膜电极领域，特别涉及一种制备燃料电池催化剂涂布浆料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]能源和环境是人类一直研究的重要课题，也是人类可持续发展的重要保证。氢能作为一种清洁高效的燃料，氧化放出能量后，只产生洁净的水，有望取代化石能源，使人类进入氢能时代。质子交换膜燃料电池(Proton
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exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)可以高效地利用氢能，被认为是蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统，其不受热机卡诺循环的限制，可以零排放地将氢气和氧气中的化学能转化为电能。由于质子交换膜燃料电池主要产物是水，无污染，且运行噪声低、可靠性高，能够适应不同功率要求，其在机动车电源、便携式电源、小型发电站和军事领域有着巨大的应用前景。
[0003]质子交换膜燃料电池包括膜电极、双极板和其它密封件。其中，膜电极由CCM (Catalyst Coated Membrane)和气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL) 组合而成，作为质子交换膜燃料电池的核心部件，为电化学反应过程提供了反应场所和多相物质传递的微通道。CCM由阴阳极的催化层和质子交换膜组成的三明治结构，是燃料电池中发生能量转换的直接场所，其结构的优劣直接决定了膜电极的电化学性能，所以对CCM催化层的构筑和研究十分重要。众所周知，通过涂布—热转印得到的CCM催化层具有稳定的结构和性能，该工艺简单，制备周期短，并且避免了溶剂与质子交换膜的直接接触，没有溶胀问题，适合规模生产膜电极。在整个制备过程中，催化剂浆料的状态对CCM的性能有很大的影响，既要形成均一稳定的类胶体浆料，也要易于在转印膜上均匀铺展不开裂，热压后又要易于从转印膜上剥离而转移到质子交换膜上，从而形成稳定有效的质子、电子和气液传输通道。
[0004]现有的涂布浆料在制备过程中，会加入表面活性剂来提升浆料的分散均一性。例如公布号CN 113745550A公开了一种在燃料电池浆料中加入低沸点的全氟表面活性剂，显著增强了浆料中各体系的混合程度，延长浆料的稳定时间。但是，在搅拌混匀的过程中，加入表面活性剂的浆料容易产生细小的泡沫，并长时间稳定存在。这对浆料的涂布不利，易产生裂纹或空洞。
[0005]除了表面活性剂，还有研究通过加入高沸点溶剂提升浆料的粘度来稳定浆料和消除涂布裂纹。例如日本专利No.2011
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238438A.和No.Hei07
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13085A等通过加入高沸点溶剂如乙二醇或丙二醇等可有效改善催化剂层的光洁度，并减少裂纹。浆料中加入高沸点溶剂虽然能解决开裂的问题，但是也存在很多问题，高沸点溶剂在烘干时需要更高的温度或更长的时间，甚至有部分高沸点溶剂无法通过加热干燥除去而残留在催化层中，吸附在催化剂表面甚至造成对催化剂的毒害。另外，高沸点溶剂的加入，会很大程度地提升浆料的粘度，不利于高固含量涂布浆料的制备。
[0006]所以对于涂布浆料的制备过程，以及影响浆料状态的关键因素，还需要进一步探究。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的不足，本专利技术目的是提供一种制备燃料电池催化剂涂布浆料的制备方法，解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0008]本专利技术通过以下的技术方案实现：一种燃料电池催化剂涂布浆料的制备，向容器中依次加入催化剂颗粒和一定比例的表面活性剂溶液，催化剂浸润后，设定程序进行真空低速球磨。然后加入一定量的去离子水和质子交换膜溶液研磨，再加入醇溶剂和全氟磺酸树脂溶液进行高速剪切混合，最后加入消沫剂再进行高速剪切混合，分散均匀后制得涂布用均一稳定的催化剂浆料。涂布烘干后得到了均匀稳定且不开裂的催化层，热转印后得到的膜电极经过测试表现出了优良的电化学性能。所述催化剂浆料的固含量控制为8％～20％，所述催化剂浆料的粘度控制为50～200mPa.s。
[0009]作为一优选的实施方式，所述催化剂为铂系催化剂，铂系催化剂包括Pt/C、 Pt
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M/C中的一种或多种，其中Pt含量为20～60％，M为Fe、Co、Mo、Ni和Pd 中的一种或多种，在浆料中所述催化剂颗粒的质量占比优选为6％～15％。
[0010]作为一优选的实施方式，所述表面活性剂可以为十二烷基苯磺酸钠、烯基磺酸钠、仲烷基磺酸钠、脂肪酸甲酯磺酸盐、季铵盐型阳离子聚硅氧烷、醇胺盐型阴离子氟碳、丙烯酸酯非离子氟碳等的任一种或者多种组合，所述催化剂颗粒与表面活性剂的质量比优选为10：(0.01～0.2)。
[0011]作为一优选的实施方式，所述催化剂颗粒与去离子水的质量比优选为1： (1～20)。
[0012]作为一优选的实施方式，所述质子交换膜溶液为Nafion溶液，质量浓度优选为5～20％，所述催化剂颗粒与质子交换膜溶液中全氟磺酸树脂的质量比优选为(1～4.5)：1。
[0013]作为一优选的实施方式，所述醇优选为甲醇、无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和异丁醇中的一种或多种，所述催化剂颗粒与的醇质量比优选为(0.1～ 0.2)：1。
[0014]作为一优选的实施方式，所述消沫剂优选为聚氧丙烯甘油醚、乙二醇硅氧烷、二异丁基甲醇、聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇醚、磷酸三丁酯、失水山梨醇脂肪酸酯等中的一种或多种，所述消沫剂与表面活性剂的摩尔比优选为(0.01～ 0.5)：1。
[0015]作为一优选的实施方式，将各物质混合分散的工艺为：研磨时的温度控制在5～15℃，使用行星低速真空球磨15～60min，其自转转速为500～1000rpm、公转转速为250～800rpm研磨；使用高速剪切机分散，冰浴条件下剪切，分散速度为5000～15000rpm，时间10～30min。
[0016]采用了上述技术方案后，本专利技术的有益效果是：通过表面活性剂溶液和催化剂颗粒的预球磨，可以对催化剂的表面进行修饰改性。再通过分批次的加入 Nafion溶液，可以调节催化剂Pt的表面与Nafion的结合效果。并且浆料在配制过程中加入消沫剂，能够降低表面的张力，增加混合体系中各组分的相容性，可以明显的改善浆料的分散状态，使浆料在转印膜上的铺展更为均匀，得到均一无裂纹的涂布效果。该工艺简便直接，所需技术难度小，可大规模制备浆料，适合工业生产。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1中(a)为实施例1制备的燃料电池催化剂浆料在转印底膜表面刮涂后的预制催化层数码照片；(b)为实施例1转印底膜上的预制催化层烘干后的显微镜图片；
[0019]图2中(a)为对比例1制备的燃料电池催化剂浆料在转印底膜表面刮涂后的预制催化层数码照片；(b)为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备燃料电池催化剂涂布浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将催化剂、表面活性剂和研磨珠按照质量比1：(0.005～0.1)：(10～100)的比例加入研磨罐进行一次研磨混合，然后，按照催化剂、去离子水和质子交换膜溶液的质量比1：(0.5～2.25)：(1～20)加入去离子水和质子交换膜溶液，进行二次研磨混合，用醇和质子交换膜溶液转移上述浆料后，进行一次高速剪切混合，然后再加入消沫剂降低表面张力，二次高速剪切混合后得到涂布浆料。2.如权利要求1所述的一种制备燃料电池催化剂涂布浆料的制备方法，其特征在于：所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、烯基磺酸钠、仲烷基磺酸钠、脂肪酸甲酯磺酸盐、季铵盐型阳离子聚硅氧烷、醇胺盐型阴离子氟碳、丙烯酸酯非离子氟碳等的任一种或者多种组合，所述催化剂颗粒与表面活性剂的质量比为10：(0.01～0.2)。3.如权利要求1所述的一种制备燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新磊，张显，
申请(专利权)人：安徽枡水新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：