CN109888302A - 一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新能源电池技术领域，具体提出一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，所述催化层是由纳米催化剂改性聚四氟乙烯纤维，然后与全氟磺酸树脂、碳纤维混合熔融挤出并压延制成催化剂膜胚，最后进行加热并纵向拉伸而制得。本发明提供的方法制得的膜电极催化层，不仅韧性、强度优异，而且碳纤维、催化剂以纤维状有序化排列，为电子、质子传输提供了通道，同时贴于质子交换膜后保留了利于气体和水传输的微通道，提高了催化活性和耐久性，并且制备方法简单易控，易于规模化连续生产。
Description
技术领域
本发明涉及新能源电池技术领域，特别涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法。
背景技术
氢燃料电池是一种能够将储存在燃料（氢气）和氧化剂（空气中的氧气）中的化学能直接转换为电能的能量转换装置，其基本工作原理就是电解水的逆过程。其中，质子交换膜燃料电池也称为聚合物电解质膜燃料电池，是一种新兴、高效、环境友好的能源转换应用电池，在运输、固定以及可移动电源领域应用广泛。
质子交换膜燃料中，膜电极是决定质子交换膜燃料电池性能的关键因素之一，膜电极由质子交换膜和电极组成。质子交换膜起着传递质子与分隔燃料气和氧化剂的作用，是一种具有选择性的高聚合物膜。电极通常分为两层，即催化剂层和气体扩散层。
膜电极的性能除了对质子交换膜、气体扩散层、催化剂要求高以外，如何进行结构组装以及建立良好的界面效果对膜电极的电化学性能起到了很重要的作用。根据已有报道，在膜电极的载体结构中引入有序化的界面，对膜电极中的电荷和物质传输有着重要的作用，在质子交换膜界面有序化的催化剂、质子传导体、导电体对提高质子交换、透气性、排水性、催化效率均有作用。然而现有催化剂有序化技术有限，工艺复杂，规模化稳定生产存在瓶颈。
中国发明专利申请号201710438811.3公开了一种有序化纳米纤维膜电极及其制备方法，该膜电极是由离子交换膜以及位于该离子交换膜两侧的催化层组成；位于离子交换膜两侧的催化层均为有序化纳米纤维催化层或者一侧为传统催化层、另一侧为有序化纳米纤维催化层；该膜电极的制备方法包括：先通过静电纺丝制备含催化剂、离子聚合物以及高分子有机物的纳米纤维；然后通过高速取向收集装置收集纳米纤维，制备得到分层有序化纳米纤维催化层；最后利用制得的催化层进行膜电极的组装。中国发明专利申请号201810279389.6公开了一种催化层全有序燃料电池电极和膜电极，该电极催化层由有序的碳纳米管载体和在载体上有序生长的铂基催化剂纳米线组成；将离子导体均匀分布在所述催化层中形成有序的离子传输通道，载体和催化剂纳米线的有序阵列结构确定了气液传输通道的有序性；将催化层组分和结构全有序的电极与聚电极质膜压合即成为基于催化层组分和结构全有序的膜电极。
为了实现工艺简捷且高质量实现燃料电池膜电极催化剂层的有序化，提升膜电极乃至燃料电池性能，有必要提出一种新型燃料电池膜电极催化剂的制备方法，进而促进燃料电池的应用和发展。
发明内容
针对目前用于燃料电池的膜电极中在构建质子交换膜界面结构时，实现催化层有序化的制备工艺复杂，存在规模化制备稳定性差的缺陷，本发明提出一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，从而提高陶瓷基底导电性和运输水性能，提高气体扩散层材料使用寿命。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，所述催化层是由纳米催化剂改性聚四氟乙烯纤维，然后与全氟磺酸树脂、碳纤维混合熔融挤出并压延制成催化剂膜胚，最后进行加热并纵向拉伸而制得，具体制备方法如下：
（1）将纳米催化剂加入Nafion溶液中，超声分散均匀，然后加入聚四氟乙烯纤维，充分搅拌，使催化剂完全粘附在聚四氟乙烯纤维上，接着利用流化床干燥，得到改性聚四氟乙烯纤维；
（2）将改性聚四氟乙烯纤维与全氟磺酸树脂、碳纤维混合均匀，然后送入密炼机进行混炼，接着经螺杆熔融挤出、压延成膜，得到催化剂膜胚；
（3）将催化剂膜胚先进行预热，再沿纵向进行拉伸，使催化剂膜胚薄层化，同时粘附催化剂的聚四氟乙烯纤维、碳纤维在拉伸作用下定向排例，收集，即得燃料电池膜电极有序化催化层。
流化床干燥过程是散状物料被置于孔板上，并由其下部输送气体，引起物料颗粒在气体分布板上运动，在气流中呈悬浮状态，产生物料颗粒与气体的混合底层，犹如液体沸腾一样。在流化床干燥器中物料颗粒在此混合底层中与气体充分接触，进行物料与气体之间的热传递与水分传递，达到干燥的目的。本发明流化干燥时进风温度为150℃～200℃，时间为10～200s。
优选的，步骤（1）中所述纳米催化剂为粒径为5-10nm的Pt/C催化剂微粒。
优选的，步骤（1）中所述Nafion溶液为常用杜邦公司生产的Nafion溶液，型号可为D117、D520、D1020、D2020中的一种，质量浓度为5%或10%。
优选的，步骤（1）中所述改性聚四氟乙烯纤维制备中，Nafion溶液、纳米催化剂、聚四氟乙烯纤维的质量比例为100:2-5:30-50。
优选的，步骤（2）中所述混炼的温度为120-140℃，混炼40-50min。
优选的，步骤（2）中所述熔融挤出中，第一段温度为140-155℃，第二段温度为160-175℃，第三段温度为190-205℃，第四段温度为185-195℃，口模温度为180-190℃。
优选的，步骤（2）中所述催化剂膜胚制备中，全氟磺酸树脂、改性聚四氟乙烯纤维、碳纤维的质量比例为100:20-30:10-20。
优选的，步骤（3）中所述预热温度为110-120℃。
优选的，步骤（3）中所述拉伸的倍数10-20倍。
优选的，步骤（3）中所述催化层的厚度为50-100μm。
现有的燃料电池膜电极中构建质子交换膜界面结构时，对催化层有序化的实现技术，存在制备工艺复杂、规模化制备稳定性差的缺陷，限制了其应用。鉴于此，本发明提出一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，将纳米催化剂、Nafion溶液超声分散均匀，然后加入聚四氟乙烯纤维，充分搅拌，使催化剂完全粘附聚四氟乙烯纤维，流化床干燥；然后与全氟磺酸树脂、碳纤维混合均匀，送入密炼机混炼，进一步经螺杆熔融挤出、压延得到催化剂膜胚；将催化剂膜胚预热，沿纵向拉伸，使催化剂膜胚薄层化，同时粘附催化剂的聚四氟乙烯纤维、碳纤维在拉伸作用下定向排例，得到燃料电池膜电极有序化催化层。本发明提供的方法制得的膜电极催化层，催化剂、碳纤维定向排列，不仅韧性、强度优异，而且碳纤维、催化剂以纤维状有序化排列，为电子、质子传输提供了通道，同时贴于质子交换膜后保留了利于气体和水传输的微通道，提高了催化活性和耐久性，并且制备方法简单易控，易于规模化连续生产。
本发明提出一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明通过将纳米催化剂预粘附于聚四氟乙烯纤维，并进一步辅助全氟磺酸树脂、碳纤维制备膜胚，通过定向拉伸使催化剂、碳纤维定向排列，实现了催化剂层的有序化。
2、本发明制得的催化层膜，不仅韧性、强度优异，而且碳纤维、催化剂以纤维状有序化排列，为电子、质子传输提供了通道，同时贴于质子交换膜后保留了利于气体和水传输的微通道，使催化层具有微流道，便于气体的疏输送和水的排除，提高催化活性和耐久性。
3、本发明的制备方法简单易控，易于规模化连续生产。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）将纳米催化剂加入Nafion溶液中，超声分散均匀，然后加入聚四氟乙烯纤维，充分搅拌，使催化剂完全粘附聚四氟乙烯纤维，接着利用流化床干燥，得到改性聚四氟乙烯纤维；纳米催化剂为平均粒径为8nm的Pt/C催化剂微粒；Nafion溶液的型号为D117，质量浓度为5%；改性聚四氟乙烯纤维制备中，Nafion溶液、纳米催化剂、聚四氟乙烯纤维的质量比例为100:4:4；
（2）将改性聚四氟乙烯纤维与全氟磺酸树脂、碳纤维混合均匀，然后送入密炼机进行混炼，接着经螺杆熔融挤出、压延成膜，得到催化剂膜胚；混炼的温度为130℃，混炼45min；熔融挤出中，第一段温度为150℃，第二段温度为170℃，第三段温度为200℃，第四段温度为190℃，模口温度为185℃；催化剂膜胚制备中，全氟磺酸树脂、改性聚四氟乙烯纤维、碳纤维的质量比例为100:25:15；
（3）将催化剂膜胚先进行预热，再沿纵向进行拉伸，使催化剂膜胚薄层化，同时粘附催化剂的聚四氟乙烯纤维、碳纤维在拉伸作用下定向排例，收集，即得燃料电池膜电极有序化催化层；预热温度为115℃；拉伸的倍数15倍；催化层的平均厚度为80μm。
实施例2
（1）将纳米催化剂加入Nafion溶液中，超声分散均匀，然后加入聚四氟乙烯纤维，充分搅拌，使催化剂完全粘附聚四氟乙烯纤维，接着利用流化床干燥，得到改性聚四氟乙烯纤维；纳米催化剂为平均粒径为5nm的Pt/C催化剂微粒；Nafion溶液的型号为D520，质量浓度为10%；改性聚四氟乙烯纤维制备中，Nafion溶液、纳米催化剂、聚四氟乙烯纤维的质量比例为100:2:30；
（2）将改性聚四氟乙烯纤维与全氟磺酸树脂、碳纤维混合均匀，然后送入密炼机进行混炼，接着经螺杆熔融挤出、压延成膜，得到催化剂膜胚；混炼的温度为120℃，混炼50min；熔融挤出中，第一段温度为140℃，第二段温度为160℃，第三段温度为190℃，第四段温度为185℃，口模温度为180℃；催化剂膜胚制备中，全氟磺酸树脂、改性聚四氟乙烯纤维、碳纤维的质量比例为100:20:10；
（3）将催化剂膜胚先进行预热，再沿纵向进行拉伸，使催化剂膜胚薄层化，同时粘附催化剂的聚四氟乙烯纤维、碳纤维在拉伸作用下定向排例，收集，即得燃料电池膜电极有序化催化层；预热温度为110℃；拉伸的倍数10倍；催化层的平均厚度为50μm。
实施例3
（1）将纳米催化剂加入Nafion溶液中，超声分散均匀，然后加入聚四氟乙烯纤维，充分搅拌，使催化剂完全粘附聚四氟乙烯纤维，接着利用流化床干燥，得到改性聚四氟乙烯纤维；纳米催化剂为平均粒径为10nm的Pt/C催化剂微粒；Nafion溶液的型号为D1020，质量浓度为5%；改性聚四氟乙烯纤维制备中，Nafion溶液、纳米催化剂、聚四氟乙烯纤维的质量比例为100: 5: 50；
（2）将改性聚四氟乙烯纤维与全氟磺酸树脂、碳纤维混合均匀，然后送入密炼机进行混炼，接着经螺杆熔融挤出、压延成膜，得到催化剂膜胚；混炼的温度为140℃，混炼40min；熔融挤出中，第一段温度为155℃，第二段温度为175℃，第三段温度为205℃，第四段温度为195℃，口模温度为190℃；催化剂膜胚制备中，全氟磺酸树脂、改性聚四氟乙烯纤维、碳纤维的质量比例为100: 30: 20；
（3）将催化剂膜胚先进行预热，再沿纵向进行拉伸，使催化剂膜胚薄层化，同时粘附催化剂的聚四氟乙烯纤维、碳纤维在拉伸作用下定向排例，收集，即得燃料电池膜电极有序化催化层；预热温度为120℃；拉伸的倍数20倍；催化层的平均厚度为100μm。
实施例4
（1）将纳米催化剂加入Nafion溶液中，超声分散均匀，然后加入聚四氟乙烯纤维，充分搅拌，使催化剂完全粘附聚四氟乙烯纤维，接着利用流化床干燥，得到改性聚四氟乙烯纤维；纳米催化剂为平均粒径为7nm的Pt/C催化剂微粒；Nafion溶液的型号为D2020，浓度为10%；改性聚四氟乙烯纤维制备中，Nafion溶液、纳米催化剂、聚四氟乙烯纤维的质量比例为100:3:38；
（2）将改性聚四氟乙烯纤维与全氟磺酸树脂、碳纤维混合均匀，然后送入密炼机进行混炼，接着经螺杆熔融挤出、压延成膜，得到催化剂膜胚；混炼的温度为128℃，混炼46min；熔融挤出中，第一段温度为145℃，第二段温度为165℃，第三段温度为195℃，第四段温度为190℃，口模温度为185℃；催化剂膜胚制备中，全氟磺酸树脂、改性聚四氟乙烯纤维、碳纤维的质量比例为100:26:16；
（3）将催化剂膜胚先进行预热，再沿纵向进行拉伸，使催化剂膜胚薄层化，同时粘附催化剂的聚四氟乙烯纤维、碳纤维在拉伸作用下定向排例，收集，即得燃料电池膜电极有序化催化层；预热温度为114℃；拉伸的倍数16倍；催化层的平均厚度为70μm。
Claims (10)
1.一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，其特征在于，所述催化层是由纳米催化剂改性聚四氟乙烯纤维，然后与全氟磺酸树脂、碳纤维混合熔融挤出并压延制成催化剂膜胚，最后进行加热并纵向拉伸而制得，具体制备方法如下：
（1）将纳米催化剂加入Nafion溶液中，超声分散均匀，然后加入聚四氟乙烯纤维，充分搅拌，使催化剂完全粘附在聚四氟乙烯纤维上，接着利用流化床干燥，得到改性聚四氟乙烯纤维；
（2）将改性聚四氟乙烯纤维与全氟磺酸树脂、碳纤维混合均匀，然后送入密炼机进行混炼，接着经螺杆熔融挤出、压延成膜，得到催化剂膜胚；
（3）将催化剂膜胚先进行预热，再沿纵向进行拉伸，使催化剂膜胚薄层化，同时粘附催化剂的聚四氟乙烯纤维、碳纤维在拉伸作用下定向排例，收集，即得燃料电池膜电极有序化催化层。
2.根据权利要求1所述的一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，其特征在于，步骤（1）中所述纳米催化剂为粒径为5-10nm的Pt/C催化剂微粒。
3.根据权利要求1所述的一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，其特征在于，步骤（1）中所述Nafion溶液为常用杜邦公司生产的Nafion溶液，型号为D117、D520、D1020、D2020中的一种，质量浓度为5%或10%。
4.根据权利要求1所述的一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，其特征在于，步骤（1）中所述改性聚四氟乙烯纤维制备中，Nafion溶液、纳米催化剂、聚四氟乙烯纤维的质量比例为100:2-5:30-50。
5.根据权利要求1所述的一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，其特征在于，步骤（2）中所述混炼的温度为120-140℃，混炼40-50min。
6.根据权利要求1所述的一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，其特征在于，步骤（2）中所述熔融挤出中，第一段温度为140-155℃，第二段温度为160-175℃，第三段温度为190-205℃，第四段温度为185-195℃，模口温度为180-190℃。
7.根据权利要求1所述的一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，其特征在于，步骤（2）中所述催化剂膜胚制备中，全氟磺酸树脂、改性聚四氟乙烯纤维、碳纤维的质量比例为100:20-30:10-20。
8.根据权利要求1所述的一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，其特征在于，步骤（3）中所述预热温度为110-120℃。
9.根据权利要求1所述的一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，其特征在于，步骤（3）中所述拉伸的倍数10-20倍。
10.根据权利要求1所述的一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，其特征在于，步骤（3）中所述催化层的厚度为50-100μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190614 |