催化剂油墨、膜电极组件及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种催化剂油墨及其制备方法和应用，涉及燃料电池技术领域。所述催化剂油墨的制备方法首先通过预处理工艺将催化剂和粘合剂溶解于溶剂中制得催化剂溶液和粘合剂溶液；随后将催化剂溶液和粘合剂溶液混合分散后干燥，使粘结剂在干燥过程中固定包覆于催化剂表面制得中间体粉末；最后将中间体粉末溶解于醇中，分散搅拌，得到催化剂油墨。上述制备方法能够有效降低催化层墨水的触变性能，使墨水能够长时间保持均匀稳定；此外，上述方法还可以将粘合剂均匀覆盖到催化剂上，进而有效提高膜电极催化层质子的传导速率，从而为获得具有更高输出性能的燃料电池提供了基础。有更高输出性能的燃料电池提供了基础。

【技术实现步骤摘要】
催化剂油墨、膜电极组件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及膜电极组件(MEA)
，尤其是涉及一种催化剂油墨、膜电极组件及其制备方法。

技术介绍

[0002]膜电极组件(MEA)由质子交换膜，阴阳极催化层和阴阳极气体扩散层组成，其中催化层的设计直接关系到膜电极的电化学催化性能。膜电极组件(MEA)的催化层由表面负载有活性金属的多孔结构碳基载体，聚合物粘合剂以及溶剂配制而成，不同的墨水配方和制备工艺对催化层的性能具有非常大的影响。此外，在实际生产过程中，墨水的稳定性是非常重要的影响参数，它涉及到粘合剂以及被粘合剂覆盖的催化剂分散在溶剂中的方法。
[0003]当前催化剂油墨制备结束后，由于存在设备，场地等原因不能立即进行涂布，需要一定的等待时间。传统制备方法的墨水稳定性差，易沉降，其粘度会随时间发生变化，最终导致墨水团聚不均匀，无法得到优异的催化剂涂层。
[0004]墨水制备包括催化剂，粘结剂，溶剂的混合，搅拌，纳米分散，搅拌，直至形成均匀的催化剂墨水。在搅拌器中加入催化剂粉末，水，醇，粘结剂进行搅拌，待混合均匀后，进行分散，对分散后的墨水继续搅拌形成均匀的催化剂墨水。
[0005]由于涂布过程时间较长，需要墨水保持长时间的均匀稳定，而传统方案中由于粘结剂的高触变性，墨水随时间会出现粘度变化和沉降，无法得到均匀无缺陷的催化剂涂层。
[0006]因此，对现有的催化剂油墨的制备加工工艺进行改进，研究开发出一种具有很好的催化性能、能够长时间保持均匀稳定的催化剂油墨，变得十分必要和迫切。<br/>[0007]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0008]本专利技术的第一目的在于提供一种催化剂油墨的制备方法，所述制备方法能够有效降低催化层墨水的触变性能，使墨水能够长时间保持均匀稳定；此外，上述方法还可以将粘合剂均匀覆盖到催化剂上，粘结剂的均匀覆盖能够有效提高膜电极催化层质子的传导速率，提高催化剂的利用率，从而为获得具有更高输出性能的燃料电池提供了基础。
[0009]本专利技术的第二目的在于提供一种催化剂油墨，所述催化剂油墨主要由上述催化剂油墨的制备方法制备得到。上述催化剂油墨具有良好的触变性能，能够使墨水长时间保持均匀稳定。。
[0010]本专利技术的第三目的在于提供一种催化剂油墨的应用，所述催化剂油墨可以广泛应用于燃料电池的制备过程中。
[0011]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0012]本专利技术提供的一种催化剂油墨的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0013](a)、预处理：将催化剂和粘合剂分别溶解于溶剂中，得到催化剂溶液和粘合剂溶液；
[0014]其中，所述催化剂溶液的溶剂为水；所述粘合剂溶液的溶剂为醇水混合液；
[0015](b)、中间体制备：将步骤(a)得到的催化剂溶液和粘合剂溶液混匀后分散，得到混悬液A；随后将混悬液A进行干燥，得到中间体粉末；
[0016](c)、将步骤(b)得到的中间体粉末溶解于醇中，随后依次进行分散、搅拌，得到催化剂油墨。
[0017]进一步的，所述步骤(a)中醇水混合液中的醇包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇以及结构同分异构体和立体异构体中的至少一种；
[0018]优选地，所述醇水混合液中的醇与水的质量比为0.2～1.5：1。
[0019]进一步的，所述步骤(a)中催化剂包括表面负载有活性金属的多孔结构碳基载体，优选为碳载铂催化剂；
[0020]优选地，所述碳载铂催化剂的铂载量为20～60％；
[0021]优选地，所述催化剂溶液中催化剂与水的质量比为0.1～0.5：1；
[0022]优选地，所述步骤(a)中粘结剂包括全氟磺酸树脂、聚四氯乙烯、聚偏二氟乙烯或聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；
[0023]更优选地，所述粘结剂溶液中粘结剂与醇水混合液的质量比为0.05～0.2：1。
[0024]进一步的，所述步骤(b)中催化剂溶液和粘合剂溶液混匀的质量比为0.3～2：1；
[0025]优选地，所述混匀在搅拌条件下进行，所述搅拌的速度为300～2000rpm/min；
[0026]更优选地，所述混匀的时间为2～24h。
[0027]进一步的，所述步骤(b)和步骤(c)中的分散使用高压分散设备或超声波细胞破碎仪进行；
[0028]更优选地，所述高压分散设备的压力为50～150Mpa，温度为8～12℃。
[0029]更优选地，所述超声波细胞破碎仪的超声时间为1～10min，超声能量为10～70％，占空比0.5～2。
[0030]进一步的，所述步骤(b)中干燥在真空干燥箱或氮气保护下的管式炉中进行；
[0031]更优选地，所述干燥的温度为60～110℃，时间为2～48h。
[0032]进一步的，所述步骤(b)中间体粉末的粒径为0.2～2um。
[0033]进一步的，所述步骤(c)中的醇包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇以及结构同分异构体和立体异构体中的至少一种；
[0034]优选地，所述中间体粉末与醇的质量比为0.05～0.3：1；
[0035]优选地，所述步骤(c)中搅拌的速度为300～2000rpm/min，时间为5～72h。
[0036]本专利技术提供的一种催化剂油墨，所述催化剂油墨主要由上述催化剂油墨的制备方法制备得到。
[0037]本专利技术提供的一种上述催化剂油墨在制备燃料电池中的应用；
[0038]优选地，所述燃料电池的膜电极催化层基于上述催化剂油墨的制备方法而获得。
[0039]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0040]本专利技术提供的催化剂油墨的制备方法，所述方法首先通过预处理工艺将催化剂和粘合剂溶解于溶剂中制得催化剂溶液和粘合剂溶液，进而可以有效避免两者直接共混合的团聚，以及催化剂受热燃烧的问题；随后将催化剂溶液和粘合剂溶液混合分散后干燥，可以使粘结剂在干燥过程中固定包覆于催化剂表面制得中间体粉末，从而在最终墨水制备时降
低粘结剂带来的触变性，使墨水稳定；最后将中间体粉末溶解于醇中，分散搅拌，得到催化剂油墨。上述制备方法能够有效降低催化层墨水的触变性能，使墨水能够长时间保持均匀稳定；此外，上述方法还可以将粘合剂均匀覆盖到催化剂上，粘结剂的均匀覆盖能够有效提高膜电极催化层质子的传导速率，燃料电池可以充分利用催化剂的活性位点，提高催化剂的利用率，从而为获得具有更高输出性能的燃料电池提供了基础。
[0041]本专利技术提供的催化剂油墨，所述催化剂油墨主要由上述催化剂油墨的制备方法制备得到。上述催化剂油墨具有良好的触变性能，能够使墨水长时间保持均匀稳定。
[0042]本专利技术提供的上述催化剂油墨可以广泛应用于燃料电池的制备过程中。由于本申请催化剂油墨的制备方法所决定，本申请可以将粘合剂均匀覆盖到催化剂上，粘结剂的均匀覆盖能够有效提高膜电极催化层质子的传导速率，燃料电池可以充分利用催化剂的活性位点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化剂油墨的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(a)、预处理：将催化剂和粘合剂分别溶解于溶剂中，得到催化剂溶液和粘合剂溶液；其中，所述催化剂溶液的溶剂为水；所述粘合剂溶液的溶剂为醇水混合液；(b)、中间体制备：将步骤(a)得到的催化剂溶液和粘合剂溶液混匀后分散，得到混悬液A；随后将混悬液A进行干燥，得到中间体粉末；(c)、将步骤(b)得到的中间体粉末溶解于醇中，随后依次进行分散、搅拌，得到催化剂油墨。2.根据权利要求1所述的催化剂油墨的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中醇水混合液中的醇包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇中的至少一种。3.根据权利要求1所述的催化剂油墨的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)醇水混合液中的醇与水的质量比为0.2～1.5：1。4.根据权利要求1所述的催化剂油墨的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中催化剂包括表面负载有活性金属的多孔结构碳基载体。5.根据权利要求4所述的催化剂油墨的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中催化剂为碳载铂催化剂。6.根据权利要求4所述的催化剂油墨的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中催化剂为铂载量为20～60％的碳载铂催化剂。7.根据权利要求1所述的催化剂油墨的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)催化剂溶液中催化剂与水的质量比为0.1～0.5：1。8.根据权利要求1所述的催化剂油墨的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)粘结剂包括全氟磺酸树脂、聚四氯乙烯、聚偏二氟乙烯或聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；和/或，所述粘结剂溶液中粘结剂与醇水混合液的质量比为0.05～0.2：1。9.根据权利要求1所述的催化剂油墨的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中催化剂溶液和粘合剂溶液混匀的质量比为0.3～2：1。10.根据权利要求9所...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鹏鹃，吴欣欣，晁威，
申请(专利权)人：未势能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：