CN109755595B - 一种燃料电池膜电极的喷涂方法 - Google Patents

一种燃料电池膜电极的喷涂方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池膜电极的喷涂方法,包括以下步骤:S1.配制催化剂浆料,将配置好的催化剂浆料进行真空乳化剪切、搅拌和超声分散;S2.将质子交换膜吸附贴接于超声喷涂仪的喷涂基台上,喷涂治具置于所述质子交换膜上方,将喷涂基台加热至100~120℃,将分散后的所述催化剂浆料喷涂至所述膜电极上,喷头气压设定为30~40psi;S3.将质子交换膜进行翻面,重复步骤S2对其另一面进行喷涂得到所述膜电极。本发明的喷涂方法使膜电极上催化剂分散均匀、附着均匀,且不存在龟裂情况,提高了膜电极的计划新能和不同区域性能一致性。

Description

一种燃料电池膜电极的喷涂方法
技术领域
本发明涉及燃料电池膜电极的制备领域,具体涉及一种燃料电池膜电极的喷涂方法。
背景技术
随着我国国民经济的持续增长,人民生活水平的不断提高,汽车已经成为人们出行的必备工具,同时经济的发展也伴随着环境的污染,国家和人们意识到发展清洁新能源已经刻不容缓,新能源汽车被认为是能源转型的重要环节,而质子交换膜燃料电池汽车被认为是目前新能源汽车最为成熟的代表。它是以氢气与空气中的氧气发生化学反应产生电能,从而推动汽车前进,它具有结构简单、无污染、节能高效等一系列优点,而质子交换膜电极在氢燃料电池系统中起到了最为关键的作用。膜电极作为氢燃料电池的核心部件,其制备工艺就显得尤为重要,目前膜电极制备方法主要有转印法、涂布法和超声喷涂法,在超声喷涂法制备膜电极的过程中,存在膜电极中催化剂粒径分散不均匀,喷涂过程中催化剂干燥不及时以及催化剂附着不均匀,不同区域厚度不一致的问题,极大的影响了膜电极的整体性能。
发明内容
本发明为解决上述问题,提供了一种催化剂粒径分散均匀以及附着均匀的干燥良好的燃料电池膜电极的喷涂方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种燃料电池膜电极的喷涂方法,包括以下步骤:
S1.配制催化剂浆料,将配制好的催化剂浆料进行真空乳化剪切、搅拌和超声分散;
S2.将质子交换膜吸附贴接于超声喷涂仪的喷涂基台上,喷涂治具置于所述质子交换膜上方,将喷涂基台加热至100~120℃,将分散后的所述催化剂浆料喷涂至所述膜电极上,喷头气压设定为30~40psi;
S3.将质子交换膜进行翻面,重复步骤S2对其另一面进行喷涂得到所述膜电极。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。
进一步,所述催化剂浆料中的催化剂为铂碳催化剂。
进一步,所述催化剂中还含有Nafion全氟磺酸,所述催化剂浆料的溶剂为水、乙醇、异丙醇中的一种或多种。
进一步,所述步骤S1中分散的具体步骤为:
S11.将配制好的催化剂浆料进行真空乳化剪切,真空乳化剪切的同时进行高速搅拌;
S12.将真空乳化剪切之后的催化剂浆料再次进行搅拌;
S13.将步骤S12处理后的催化剂浆料进行超声分散。
进一步,所述步骤S11中真空乳化剪切的转速为10000~25000r/min,时间为10~60min,温度为20~35℃,高速搅拌的搅拌速度为300~1500r/min,步骤S12中搅拌时间为10~30min,搅拌速度为200~1000r/min,所述步骤S13中超声分散的温度为25~35℃,超声分散的时间为20~60min,超声功率设置在600~1200W之间,超声频率设置在20~40KHz之间。
进一步,所述喷涂治具为框体,其水平设置,所述框体围成的空腔包括上下连通的棱台形上腔体和长方体形下腔体,所述棱台形上腔体的顶面面积大于底面面积,所述长方体形下腔体的顶面与所述棱台形上腔体的底面面积相等且重合,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角为25~65°。
进一步,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角为40~65°。
进一步,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角为60°。
本发明的有益效果是:
在原有搅拌加超声分散的基础上增加了真空乳化剪切技术能够使催化剂浆料得到充分分散,到纳米级别,极大的改善了现有技术中催化剂分散不充分、不均匀的问题,分散效果大大加强,有效提高了膜电极极化性能,单电池的工作电压从原工艺的0.58~0.62V提高到了现在的0.63~0.67V;
通过喷涂基台温度的设定以及喷头气压的设定,使得喷涂的膜电极催化剂层干燥情况良好,不存在龟裂的情况;
现有喷涂技术中膜电极边缘厚度平均值比中间部分厚度平均值小2~5μm,采用本发明的喷涂治具使膜电极边缘厚度平均值与中间部分厚度平均值的差值缩小了1~2μm,有效提高了单张膜电极不同区域厚度的一致性,进而提高了单张膜电极不同区域性能一致性,大大改善了燃料电池整堆性能一致性。
附图说明
图1为本发明对比例1的分散后的催化剂浆料滴定的高清影像测量仪成像图;
图2为本发明实施例1分散后的催化剂浆料滴定的高清影像测量仪成像图;
图3为本发明对比例2喷涂后膜电极的高清影像测量仪成像图;
图4为本发明实施例1喷涂后膜电极的高清影像测量仪成像图;
图5为本发明喷涂治具的结构示意图;
图6为本发明喷涂治具的俯视图;
图7为图6中A-A方向的剖视图;
图8为图7中B处的放大图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
本发明提供了一种染料电池膜电极的喷涂方法,包括以下步骤:
S1.配制催化剂浆料,将配制好的催化剂浆料进行真空乳化剪切、搅拌和超声分散;
S2.将质子交换膜吸附贴接于超声喷涂仪的喷涂基台上,喷涂治具置于所述质子交换膜上方,将喷涂基台加热至100~120℃,将分散后的所述催化剂浆料喷涂至所述膜电极上,喷头气压设定为30~40psi;
S3.将质子交换膜进行翻面,重复步骤S2对其另一面进行喷涂得到所述膜电极。
优选的,所述催化剂浆料中的催化剂为铂碳催化剂。
优选的,所述催化剂中还含有Nafion全氟磺酸,所述催化剂浆料的溶剂为水、乙醇、异丙醇中的一种或多种。
优选的,所述步骤S1中分散的具体步骤为:
S11.将配制好的催化剂浆料进行真空乳化剪切,真空乳化剪切的同时进行高速搅拌;
S12.将真空乳化剪切之后的催化剂浆料再次进行搅拌;
S13.将步骤S12处理后的催化剂浆料进行超声分散。
优选的,所述步骤S11中真空乳化剪切的转速为10000~25000r/min,时间为10~60min,温度为20~35℃,高速搅拌的搅拌速度为300~1500r/min,步骤S12中搅拌时间为10~30min,搅拌速度为200~1000r/min,所述步骤S13中超声分散的温度为25~35℃,超声分散的时间为20~60min,超声功率设置在600~1200W之间,超声频率设置在20~40KHz之间。
优选的,所述喷涂治具为框体,所述框体围成的空腔包括上下连通的棱台形上腔体和长方体形下腔体,所述棱台形上腔体的顶面面积大于底面面积,所述长方体形下腔体的顶面与所述棱台形上腔体的底面面积相等且重合,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角为25~65°。
优选的,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角为40~65°。
优选的,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角为60°。
实施例1一种燃料电池膜电极的喷涂方法
1、配制催化剂浆料,按照70%的铂碳催化剂、去离子水、5%的Nafion全氟磺酸溶液和异丙醇(或乙醇)按照1:2~6:2~6.8:70.2~150.2的体积比配制催化剂浆料,其中70%铂碳催化剂为本公司自产,货号为EP7001800A。
2、将配制好的浆料进行10~60min真空乳化剪切,真空乳化剪切的转速在10000~25000r/min之间,同时分散釜体进行恒温冷循环,控温范围在20~35℃之间,中间结合高速搅拌,高速搅拌的速度为300~1500r/min之间,搅拌时间与乳化剪切时间同步;将完成真空乳化剪切后的催化剂浆料放置于磁力搅拌器上进行搅拌10~30min,转速控制在200~1000r/min之间;将完成搅拌后的催化剂浆料放入超声清洗设备中进行再一次超声分散,水温控制在20~35°之间,超声时间设置在20~60min之间,超声功率设置在600~1200W之间,超声频率设置在20~40KHz之间。
3、将分散好的催化剂浆料进行超声雾化喷涂,使其均匀的附着于质子交换膜上,质子交换膜采用全氟磺酸质子交换膜,采用阴阳极双面喷涂,阴阳极铂担载量分别为0.4mg/cm2和0.2mg/cm2,先进行其中一面喷涂,喷涂完成后,翻面,进行另一面喷涂,使用USI超声喷涂仪进行催化剂浆料的喷涂,该喷涂仪通过超声雾化喷头配合定向吹气将催化剂喷涂于质子交换膜上,将质子交换膜吸附贴接于超声喷涂仪的喷涂基台上,喷涂治具置于全氟磺酸质子交换膜上方,设定喷涂基台的温度为100~120℃,喷头气压设定为30~40psi,同时调节喷涂基台的真空吸附力。
步骤3中的喷涂治具如图5-8所示,其为水平设置的框体,所述框体围成的空腔包括上下连通的棱台形上腔体和长方体形下腔体,所述棱台形上腔体的顶面面积大于底面面积,所述长方体形下腔体的顶面与所述棱台形上腔体的底面面积相等且重合,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角α为25~65°。
优选地,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角α为40~65°。
优选地,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角α为60°。
对比例1对催化剂浆料进行分散
配制催化剂浆料,按照70%的铂碳催化剂、去离子水、5%的Nafion全氟磺酸溶液和异丙醇(或乙醇)按照1:2~6:2~6.8:70.2~150.2的体积比配制催化剂浆料。将配制好的催化剂浆料放置于磁力搅拌器上进行搅拌10~30min,转速控制在200~1000r/min之间;将完成搅拌后的催化剂浆料放入超声清洗设备中进行再一次超声分散,水温控制在20~35°之间,超声时间设置在20~60min之间,超声功率设置在600~1200W之间,超声频率设置在20~40KHz之间。后续分散后的催化剂浆料的喷涂步骤同实施例1.
对比例1和实施例1中分散后的浆料分别滴定后经高清影像测量仪成像,对比例1和实施例1的照片分别如图1和图2所示,对比例1的铂碳催化剂颗粒分散不均匀,存在较大颗粒,而实施例1中由于在分散过程中增加了真空乳化剪切技术,使得铂碳催化剂得到了充分分散,达到了纳米级别,其中的铂碳催化剂分散均匀,没有较大颗粒。相比对比例1喷涂得到的膜电极的单电池的工作电压0.58~0.62V,实施例1中的催化剂浆料喷涂得到的膜电极的单电池的工作电压为0.63~0.67V,有效提高了膜电极的极化性能。
对比例2
该对比例中在使用USI超声喷涂仪进行喷涂的过程中,设定喷涂基台的温度为85~95℃,喷头气压50~55psi,其他步骤同实施例1。
对比例2和实施例1喷涂后的膜电极经高清影像测量仪成像,对比例2和实施例1的照片分别如图3和图4所示,对比例2中的膜电极由于催化剂干燥不及时导致催化剂层出现龟裂现象,而实施例1中的膜电极的催化剂层干燥情况良好,不存在龟裂现象。
对比例3
该对比例中的喷涂治具的棱台形上腔体的腔体壁与对应的长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角为10~20°,其他步骤同实施例1。
原有喷涂治具的α角度较小,阻碍了膜电极边缘部分催化剂的有效附着,喷涂得到的膜电极边缘部分厚度平均值比中间部分厚度平均值小2~5μm,严重影响了单张膜电极不同区域性能一致性,采用实施例1中的喷涂治具时,喷涂得到的膜电极边缘部分厚度平均值与中间部分厚度平均值的差值缩小了1~2μm,当α为60°时,喷涂效果最佳,此时膜电极边缘部分厚度平均值与中间部分厚度平均值的差值缩小1.8~2μm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃料电池膜电极的喷涂方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.配制催化剂浆料,将配制好的催化剂浆料进行真空乳化剪切、搅拌和超声分散;
S2.将质子交换膜吸附贴接于超声喷涂仪的喷涂基台上,喷涂治具置于所述质子交换膜上方,将喷涂基台加热至100~120℃,将分散后的所述催化剂浆料喷涂至所述膜电极上,喷头气压设定为30~40psi,所述喷涂治具为框体,其水平设置,所述框体围成的空腔包括上下连通的棱台形上腔体和长方体形下腔体,所述棱台形上腔体的顶面面积大于底面面积,所述长方体形下腔体的顶面与所述棱台形上腔体的底面面积相等且重合,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角为25~65°;
S3.将质子交换膜进行翻面,重复步骤S2对其另一面进行喷涂得到所述膜电极。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极的喷涂方法,其特征在于,所述催化剂浆料中的催化剂为铂碳催化剂。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池膜电极的喷涂方法,其特征在于,所述催化剂浆料中还含有Nafion全氟磺酸,所述催化剂浆料的溶剂为水、乙醇、异丙醇中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极的喷涂方法,其特征在于,所述步骤S1中分散的具体方法为:
S11.将配制好的催化剂浆料进行真空乳化剪切,真空乳化剪切的同时进行高速搅拌;
S12.将真空乳化剪切之后的催化剂浆料再次进行搅拌;
S13.将步骤S12处理后的催化剂浆料进行超声分散。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池膜电极的喷涂方法,其特征在于,所述步骤S11中真空乳化剪切的转速为10000~25000r/min,时间为10~60min,温度为20~35℃,高速搅拌的搅拌速度为300~1500r/min,步骤S12中搅拌时间为10~30min,搅拌速度为200~1000r/min,所述步骤S13中超声分散的温度为25~35℃,超声分散的时间为20~60min,超声功率设置在600~1200W之间,超声频率设置在20~40KHz之间。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极的喷涂方法,其特征在于,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角为40~65°。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池膜电极的喷涂方法,其特征在于,所述棱台形上腔体的腔体壁与对应的所述长方体形下腔体的腔体壁所在的平面形成的夹角为60°。
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