CN113555565A - 一种催化层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种催化层制备方法，其技术方案要点是：包括：将粘度为45mPa·s‑50mPa·s的油墨涂敷至质子交换膜或气体扩散层；干燥得到催化层。本申请提供的一种催化层制备方法具有提高催化层性能的优点。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种催化层制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种高效、高功率密度、快速启动和清洁无污染的能量转换装置，近年来已成为新能源汽车的动力装置优选之一。膜电极（membrane electrodeassembly，膜电极）是质子交换膜核心组件，其包括气体扩散层GDL、催化剂层(catalystlayer，催化剂层)和质子交换膜(proton exchange membrane，质子交换膜)。燃料电池发电的最核心部分是电化学反应，它发生在燃料电池膜电极内的催化层，催化层在质子交换膜燃料电池的输出性能上起主导作用。
目前燃料电池膜电极的研发与制备工艺发展迅猛，但其制备工艺与油墨配方各个企业与研究机构仍然在努力不断探索，催化层的性能任然具有很大的发展空间。
因此，本申请提出了一种新的催化层制备方法用于获取性能更加优异的燃料电池催化层。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种催化层制备方法，具有提高催化层性能的优点。
第一方面，本申请实施例提供了一种催化层制备方法，用于制备燃料电池催化层，技术方案如下：
将粘度为45mPa·s至50mPa·s的油墨涂敷至质子交换膜或气体扩散层；
干燥得到催化层。
进一步地，在本申请实施例中，所述油墨的粘度为48mPa·s。
进一步地，在本申请实施例中，所述将粘度为45mPa·s至50mPa·s的油墨涂敷至质子交换膜或气体扩散层的步骤包括：
将粘度为45mPa·s-50mPa·s的油墨以50mm/s的涂布速率均匀涂布至质子交换膜或气体扩散层。
进一步地，在本申请实施例中，获得所述粘度为48mPa·s的油墨的步骤包括：
将油墨的原材料以球磨的方式进行混合；
球磨的时间为60分钟至150分钟。
进一步地，在本申请实施例中，所述油墨的原材料至少包括碳载铂、去离子水、异丙醇、Nafion 溶液，所述碳载铂、所述去离子水配置形成固含量为10.30%的混合体系。
进一步地，在本申请实施例中，所述球磨时间为120分钟。
进一步地，在本申请实施例中，混合所述碳载铂、所述去离子水配置形成固含量为10.30%的混合体系的步骤包括：
将所述去离子水加入至容器中；
将所述碳载铂加入至容器中；
将所述去离子水加入至容器中。
进一步地，在本申请实施例中，在混合所述异丙醇之前，对所述碳载铂以及所述去离子水做均匀化处理。
进一步地，在本申请实施例中，所述Nafion 溶液的重量含量百分数为5wt%。
进一步地，在本申请实施例中，所述碳载铂的重量含量百分数为60wt%。
由上可知，本申请实施例提供的一种催化层制备方法，通过考虑油墨粘度对催化层性能的影响，经过大量研究，选用了45mPa·s至50mPa·s粘度的油墨来制备催化层，研究结果表面，在同等条件下，使用45mPa·s至50mPa·s粘度的油墨制备出的催化层具有最优异的性能，而在传统的催化层的制备中，还没有将油墨粘度的影响考虑进去，本申请通过考虑油墨粘度的影响，提出了使用最佳粘度的油墨来制备催化层，不仅提升了催化层的稳定性，还可以提高独立自制率，降低燃料电池的生产成本，提高功率密度，延长燃料电池的使用寿命，具有非常多的有益效果，可以带来巨大的经济效益。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种催化层制备方法示意图。
图2为本申请实施例提供的采用粘度为48mPa·s的油墨制备出的催化层性能示意图。
图3为本申请实施例提供的采用粘度为48mPa·s的油墨制备出的催化层性能示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1至图3，一种催化层制备方法，用于制备燃料电池催化层，其技术方案具体包括：
S110、将粘度为45mPa·s-50mPa·s的油墨涂敷至质子交换膜或气体扩散层；
S120、干燥得到催化层。
通过上述技术方案，通过考虑油墨粘度对催化层性能的影响，经过大量研究，选用了45mPa·s至50mPa·s粘度的油墨来制备催化层，研究结果表明，在同等条件下，使用45mPa·s至50mPa·s粘度的油墨制备出的催化层具有最优异的性能，而在传统的催化层的制备中，并没有将油墨粘度的影响考虑进去，本申请通过考虑油墨粘度的影响，提出了使用最佳粘度的油墨来制备催化层，不仅提升了催化层的稳定性，还可以提高独立自制率，降低燃料电池的生产成本，提高功率密度，延长燃料电池的使用寿命，具有非常多的有益效果，可以带来巨大的经济效益。
具体的，油墨的粘度可以是45mPa·s、46mPa·s、47mPa·s、48mPa·s、49mPa·s、50mPa·s，其中，当油墨粘度为48mPa·s时，制备出来的催化层的效果最好，可以获得很好的催化层稳定性，这里的催化层稳定性指的是催化层的催化性能随时间的变化小。
进一步地，在其中一些实施例中，将粘度为45mPa·s至50mPa·s的油墨涂敷至质子交换膜或气体扩散层的步骤包括：
将粘度为45mPa·s至50mPa·s的油墨以50mm/s的涂布速率均匀涂布至质子交换膜或气体扩散层。
通过上述技术方案，将油墨以50mm/s的涂布速率均匀涂布，可以获得均匀稳定的催化层，如图2以及图3所示的极化曲线，以50mm/s的涂布速将粘度为48mPa·s的油墨均匀涂布在质子交换膜或气体扩散层形成的催化层，该催化层的性能可以使燃料电池在电流密度为3A/cm2时，电压0.5v，可以达到功率密度1.512w/cm2。
进一步地，在其中一些实施例中，获得粘度为48mPa·s的油墨的步骤包括：
将油墨的原材料以球磨的方式进行混合；
球磨的时间为60分钟至150分钟。
通过上述技术方案，使用球磨的方式对油墨原材料进行混合可以获得较好的混合效果，其中，在油墨原材料的混合过程中，可以使用球磨混合的方式以及超声波混合的方式，这两种方式对油墨的粘度会产生影响，其中，球磨的混合方式是将按照一定比例的油墨原材料混合放入球磨仪中，通过球磨仪震动使得其中的ZrO2球体滚动，利用球体之间的摩擦和碰撞使得油墨原材料的团聚物破碎，从而达到分散的效果。超声法则是利用超生波搅拌器，利用超声波的能量驱动浆料中的颗粒运动，从而达到对油墨原材料混合物进行颗粒分散的目的，避免聚集。油墨中颗粒的分散程度会影响粘度的大小，因此颗粒的分散方法的选取对催化层性能有一定的影响。
经过大量的实验数据分析，分析两种混合方法对油墨性能的影响。在保持别的参数一致的情况下，两种不同的分散方式制备得到的油墨中，使用球磨的方法得到油墨分散度较好，粘度比超声分散方法相对较高且平稳。在合适的一定范围内，油墨粘度升高，则涂覆得到的催化层越稳定。因此申请采用球磨方法对催化层油墨进行制备。
进一步地，在其中一些实施例中，油墨的原材料至少包括碳载铂、去离子水、异丙醇、Nafion 溶液，将碳载铂、去离子水配置形成固含量为10.30%的混合体系。其中，碳载铂的重量含量百分数为60wt%，Nafion 溶液的重量含量百分数为5wt%。
通过上述技术方案，油墨主要由去离子水、异丙醇、Nafion 溶液混合形成，碳载铂主要起到催化剂的作用，而碳载铂颗粒的含量会影响油墨的密度，进而影响油墨的粘度，油墨中的颗粒主要是指碳载铂颗粒，因此碳载铂颗粒的分散程度会影响粘度的大小，碳载铂颗粒含量越多，油墨的密度越大。流体的粘度随着流体密度的增加而增加。在本申请的方案中，将60wt%的碳载铂与去离子水、进行混合得到不同固体浓度的油墨组分，固含量分别为3.82%、8.54%和10.30%，然后对其进行球磨分散。将分散得到的油墨进行粘度分析。分析得到的结果表明，10.3%固体含量的油墨粘度更高，涂覆得到的催化层性能越好。基于这一结论，因此将碳载铂、去离子水配置形成固含量为10.30%的混合体系。
进一步地，在其中一些实施例中，球磨时间为120分钟。
通过上述技术方案，球磨时间是所需考虑的实验控制变量，这个因素能间接反映输入到油墨中的总能量。球磨时间，就是探究不同球磨所需时间，进而分析其对油墨粘度的影响。过去一般都是研究不同超声处理时间对油墨粘度和孔径的影响，本申请则通过大量的实验数据研究表明球磨的时间为60分钟至150分钟的效果较好，进一步地，研究60分钟，90分钟，120分钟，150分钟球磨分散效果，实验表明，在60分钟至150分钟内，随着时间的增长，分散体系中聚集块粒径更小，粘度逐渐增加。但是120分钟和150分钟有着近似的球磨效果，考虑到现实原因，基于节省资源的目的，选取120分钟作为最佳球磨时间，既可以获取较好的催化层性能，又可以节省时间和资源，因此可以获得最佳的实用性。
进一步地，在其中一些实施例中，混合碳载铂、去离子水配置形成固含量为10.30%的混合体系的步骤包括：
将去离子水加入至容器中；
将碳载铂加入至容器中；
将去离子水加入至容器中。
通过上述技术方案，先向容器中加入一部分的去离子水，然后加入碳载铂，再次加入去离子水，将去离子水分为两次加入的目的是为了防止碳载铂颗粒沉底，印象后续混合分散的效果。
进一步地，在其中一些实施例中，在混合异丙醇之前，对碳载铂以及去离子水做均匀化处理。
通过上述技术方案，先将碳载铂以及去离子水均匀化目的是为了避免碳载铂颗粒暴露在空气中直接与异丙醇接触，导致发生燃烧的情况。
具体的，在一些实施方式中，制备催化层的步骤包括：
用电子天平按油墨配方称量各组分，然后将催化剂碳载铂、去离子水、异丙醇、Nafion 溶液依次加入容积为 5ml 的烧杯或球磨罐中；其中碳载铂的重量含量百分数为60wt%，Nafion 溶液的重量含量百分数为5wt%；
首先向容器中加入0.82克去离子水，然后用小金属勺加入0.3克的碳载铂，最后再加入0.82克去离子水配置固含量10.30%的混合体系；
加入0.15克异丙醇；
加入了1.6克5wt%Nafion之后组成的油墨混合体系；
球磨分散120分钟得到粘度为48mPa·s油墨；
将粘度为48mPa·s油墨以50mm/s的涂布速率均匀涂布至质子交换膜或气体扩散层；
使油墨干燥，在组装/热压形成膜电极组件之前使油墨中的其它成分挥发，最终得到燃料电池的催化层。
获得的催化层的性能如图2与图3所示，当电流密度3A/cm2时，电压0.5v，功率密度1.512w/cm2。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种催化层制备方法，用于制备燃料电池催化层，其特征在于，包括：
将粘度为45mPa·s-50mPa·s的油墨涂敷至质子交换膜或气体扩散层；
干燥得到催化层。
2.根据权利要求1所述的一种催化层制备方法，其特征在于，所述油墨的粘度为48mPa·s。
3.根据权利要求1所述的一种催化层制备方法，其特征在于，所述将粘度为45mPa·s至50mPa·s的油墨涂敷至质子交换膜或气体扩散层的步骤包括：
将粘度为45mPa·s至50mPa·s的油墨以50mm/s的涂布速率均匀涂布至质子交换膜或气体扩散层。
4.根据权利要求2所述的一种催化层制备方法，其特征在于，获得所述粘度为48mPa·s的油墨的步骤包括：
将油墨的原材料以球磨的方式进行混合；
球磨的时间为60分钟至150分钟。
5. 根据权利要求4所述的一种催化层制备方法，其特征在于，所述油墨的原材料至少包括碳载铂、去离子水、异丙醇、Nafion 溶液，所述碳载铂、所述去离子水配置形成固含量为10.30%的混合体系。
6.根据权利要求5所述的一种催化层制备方法，其特征在于，所述球磨时间为120分钟。
7.根据权利要求6所述的一种催化层制备方法，其特征在于，混合所述碳载铂、所述去离子水配置形成固含量为10.30%的混合体系的步骤包括：
将所述去离子水加入至容器中；
将所述碳载铂加入至容器中；
将所述去离子水加入至容器中。
8.根据权利要求5所述的一种催化层制备方法，其特征在于，在混合所述异丙醇加入容器之前，对所述碳载铂以及所述去离子水做均匀化处理。
9. 根据权利要求5所述的一种催化层制备方法，其特征在于，所述Nafion 溶液的重量含量百分数为5wt%。
10.根据权利要求5所述的一种催化层制备方法，其特征在于，所述碳载铂的重量含量百分数为60wt%。
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