本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺与所用设备，工艺包括如下步骤：A、将铂的有机化合物溶液搅拌均匀，经管道加压输送，再经外部均匀加热后雾化，喷射出液滴，在助燃气体燃烧产生的高温环境中气化燃烧；B、气化燃烧所得的产物经迅速冷却，形成纳米级低温催化剂颗粒；C、Nafion/C经雾化后喷出液滴，与步骤B所述的催化剂颗粒一起被溅射到质子交换膜基质板（17）上，形成催化层；D、重复以上步骤A至步骤C，以不同的催化载量，在质子交换膜基质板（17）的另一面喷涂，分别生成阳极和阴极的催化层，形成膜电极组件。设备主要包括催化剂喷射装置、冷却装置、Nafion/C喷射装置和接收装置。该工艺是一种环保、高效、低成本的工艺，并可实现连续化和规模化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺与所用设备，属于燃料电池
技术介绍
燃料电池由于具有高效、清洁、低噪音、可靠性高以及比功率高等优点，而愈来愈广泛地受到各国政府的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。在各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池(缩写PEMFC)以其独有的特性而最有希望成为未来汽车、便携 式电子设备和部队野外行动装备等的动力源工作电流大、比能量高、能量效率高、常温下起动时间短等，其研究和应用也是后来居上，在电池的成本和耐久性等方面都取得了突破性的进展。除各国政府的重视外，奔驰、尼桑、福特、巴拉德等大公司也都投入巨大的人力、物力和财力来进行PEMFC汽车动力系统的研究开发，不仅在公司内部成立专门的研发小组，并资助众多的国际知名高校和研究所进行相关的研究工作，目前世界上的许多样车都是由这些公司率先研发。国内的大连物化所、武汉理工、上海交大、西安交大、中山大学等也在各种资助开展了许多的基础研究工作。然而，目前我国的燃料电池技术水平与国际先进水平相比仍有一定的差距，特别是在自主知识产权的关键技术方面，我国投入的经费和公司参与等方面与美国、加拿大等相比有较大的不足。催化层(Catalyst Layer,缩写CL)是PEMFC的核心组件,其性能的优劣直接影响电池的性能和发展前景。目前的催化层主要问题是以Pt为催化剂导致成本的居高不下，更为重要的是该催化剂容易与反应物中可能存在的CO等杂质结合，产生毒化，体积分率百万分之几就可带来性能的急剧下降；此外，在工作过程中，催化层的内部微观结构等会产生不可逆变化(如聚合物溶涨导致气体通道的减少和Pt/C的团聚等)，引起电池的恶化，导致电池的工作寿命不长。基于上述两大主要问题成本高和使用寿命短，也是PEMFC目前尚没有很好商业化和规模生产的主要障碍。CL是电池发生反应的场所，且必须要有良好的立体反应空间和三相交界面(电解质、催化剂和反应物)，以及良好的组分和电荷传导网络。因此，其内部的构成和工作机理非常的复杂，不同的微结构和组成(聚合物、Pt/C等的含量和类型)都会带来性能的巨大差异。PEMFC中催化层的关键材料主要是贵金属Pt催化剂(研究人员已开发大量的Pt合金和非Pt催化剂)、全氟磺酸膜和碳载体等。催化层的性能除了与材料有关外，还与结构密切相关。因此，通过改进催化层的制备方法对其结构进行优化，是提高其性能的重要途径之一。为提高催化剂的利用率，在Pt/C的基础上研究人员先后开发出涂膏法、滚压法和电化学催化法等工艺，并取得了显著的成效。催化层制造一般都是和膜电极组件一起加工形成。根据MEA (即膜电极组件Membrane Electrode Assemblies的缩写)制备过程中CL的支撑基体不同，可以将目前众多MEA的制备方法归纳为两种制备模式以气体扩散层为CL支撑体的制备模式，即先把CL做到⑶L (Gas Diffusion Layer的缩写)上制得多孔气体扩散电极，再通过热压的方法把多孔气体扩散电极与PEM (即质子交换膜Proton Exchange Membrane的缩写)组合形成MEA ；以PEM为CL支撑体的制备模式，即直接把将CL做到PEM两侧并经一定工艺处理后形成薄层MEA。CCM (即Catalyst CoatedMembrane的缩写)是一种将催化剂直接涂覆于质子交换膜表面的三合一组件，在近几年的研究中得到了广泛的应用。CCM对PEMFC的输出功率、能量密度分布及工作寿命有着决定性的影响。材料选择、电极结构和制备工艺等决定了其基本性能，同时电池工作环境的选择与控制对气体扩散、质子传递以至CCM中电催化剂和质子交换膜的性能都有较大的影响。人们提出了多种制备CCM的方法，在降低Pt载量及提高PEMFC的性能等方面取得了进展。该技术是今后膜电极制备工艺的发展方向。对CCM的制备模式还有待于更深入地研究，如CCM结构并未达到最佳设计，结构对电极上的传递过程影响尚不明确，制备过程对PEM结构和性能的影响，催化层涂覆到PEM上的工艺优化等。Pt/C催化剂的电催化活性与其粒径关系密切，催化剂粒径的改变除了改变催化剂的电化学活性面积外，单位面积上的反应活性(称为表面积活性)也会发生改变，揭示催化剂的这种尺寸效应对于催化剂的合理设计、提高其利用率非常重要。虽然电池贵金属Pt用 量从最早时的超过10mg/cm2通过工艺的改进已减少到O. 05mg/cm2,甚至更低,但在实际应用中仍是O. 2mg/cm2居多，Pt的利用率仍不充分，到现在也只有20%，Pt利用率不高的原因主要有两点一是制备的Pt颗粒太大，当直径为12nm时利用率也要小于10%，而且工作中的直径会增大，进一步减小利用率；二是反应气体不易达到催化剂表面。且电池的使用时间因催化层在工作中的不稳定性能容易恶化，目前开发的电池可靠运行时间几千小时，应用于汽车动力的耐久性和后期维护成本都与现在的内燃机技术有较大差距。本项目将着重研究薄层(l-5Mm)低Pt载量(O. lmg/cm2)催化层的微观传递和毒化恶化机理、实验表征和性能优化，获得具有良好的稳定性、耐久性和低成本催化层的理论模型和制备方法。目前的许多专利技术(201210016286. 3,99112825. 7,00123086. 7,0313964. X,200510047723. 8)，大多存在工艺复杂或是催化剂利用率不高等问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺，该制备工艺简单，所制得的膜电极组件性能稳定，Pt载量有效下降。本专利技术的技术方案质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺，包括如下步骤 A、将钼的有机化合物溶液搅拌均匀，经管道加压输送，再经外部均匀加热后雾化，喷射出液滴，在助燃气体燃烧产生的高温环境中气化燃烧； B、气化燃烧所得的产物经迅速冷却，形成纳米级低温催化剂颗粒； C、Nafion/C经雾化后喷出液滴，与步骤B所述的催化剂颗粒一起被溅射到质子交换膜基质板上，形成催化层； D、重复以上步骤A至步骤C，以不同的催化载量，在质子交换膜基质板的另一面喷涂，分别生成阳极和阴极的催化层，形成膜电极组件。进一步地，步骤A所述钼的有机化合物溶液由钼金属化合物溶解在有机溶剂中，搅拌形成混合胶体状；所述钼的有机化合物溶液外部加热温度为140-160°C ;所述钼的有机化合物溶液雾化后喷射的液滴粒径为0. 3^0. 6mm,喷出速度为0. 8-3. 0m/s，流量为O. 6-1. Oml/min ;所述助燃气体流量为O. 2^0. 5L/min,与流量为O. 3^0. 6L/min的氧气预混后，I. (Tl. 5个大气压，20-25°C，再经喷射，燃烧形成稳定的中心火焰。进一步地，所述步骤B中燃烧所得产物经冷却空气冷却，冷却所得催化剂颗粒的温度为100-200°C，大小为3 7nm，冷却空气流量为30-40slpm (标准公升每分钟)/喷嘴，压力为 O. 55-0. 69MPa。进一步地,步骤C所述Naf ion/C液滴颗粒大小为100_500nm。 进一步地，所述质子交换膜基质板的温度为10(Γ140 ，经电脑控制左右和前后运动，运动速度20_30mm/s。为本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺，其特征在于该制备工艺包括如下步骤：A、将铂的有机化合物溶液搅拌均匀，经管道加压输送，再经外部均匀加热后雾化，喷射出液滴，在助燃气体燃烧产生的高温环境中气化燃烧；B、气化燃烧所得的产物经迅速冷却，形成纳米级低温催化剂颗粒；C、Nafion/C经雾化后喷出液滴，与步骤B所述的催化剂颗粒一起被溅射到质子交换膜基质板（17）上，形成催化层；D、重复以上步骤A至步骤C，以不同的催化载量，在质子交换膜基质板（17）的另一面喷涂，分别生成阳极和阴极的催化层，形成膜电极组件。
【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺，其特征在于该制备工艺包括如下步骤 A、将钼的有机化合物溶液搅拌均匀，经管道加压输送，再经外部均匀加热后雾化，喷射出液滴，在助燃气体燃烧产生的高温环境中气化燃烧； B、气化燃烧所得的产物经迅速冷却，形成纳米级低温催化剂颗粒； C、Nafion/C经雾化后喷出液滴，与步骤B所述的催化剂颗粒一起被溅射到质子交换膜基质板(17)上，形成催化层； D、重复以上步骤A至步骤C，以不同的催化载量，在质子交换膜基质板(17)的另一面喷涂，分别生成阳极和阴极的催化层，形成膜电极组件。2.根据权利要求I所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺，其特征在于步骤A所述钼的有机化合物溶液由钼金属化合物溶解在有机溶剂中，搅拌形成混合胶体状；所述钼的有机化合物溶液外部加热温度为140-160°C ;所述钼的有机化合物溶液雾化后喷射的液滴粒径为O. 3^0. 6mm,喷出速度为O. 8-3. Om/s，流量为O. 6-1. Oml/min ;所述助燃气体流量为O. 2 O. 5L/min,与流量为O. 3 O. 6L/min的氧气预混后，I. (Tl. 5个大气压，20-25°C，再经喷射，燃烧形成稳定的中心火焰。3.根据权利要求I所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺，其特征在于所述步骤B中燃烧所得产物经冷却空气冷却，冷却所得催化剂颗粒的温度为100-200°C，大小为3 7nm，冷却空气流量为30-40slpm/喷嘴，压力为O. 55-0. 69MPa。4.根据权利要求I所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺，其特征在于步骤C所述Naf ion/C液滴颗粒大小为100_500nm。5.根据权利要求I所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺，其特征在于所述质子交换膜基质板(17)的温度为10(Γ140 ，经电脑控制左右和前后运动，运动速度20-30mm/so6.一种按照权利要求1-5任意一项权利要求所述的质子交换膜燃料电池催化层制备所用的设备，其特征在于它包括沿竖向或横向中心轴(19)依次排列的催化剂喷射装置、冷却装...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡桂林，李国能，张治国，郑友取，泮国荣，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：
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