CN114247402A - 一种连续微波反应装置、氢燃料电池催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种连续微波反应装置、氢燃料电池催化剂的制备方法，其中，连续微波反应装置包括反应系统、微波加热系统、浆料输送系统、测温系统及控制系统。反应系统包括依次连通的多段反应单元；微波加热系统包括多级微波加热单元；微波加热单元的级数与反应单元的段数一致且一一对应；测温系统用于检测反应浆料在每一段所述反应单元内的反应温度；控制系统用于控制所述浆料输送系统的浆料输送流量、控制反应浆料在每一段反应单元内的反应温度、控制每级所述微波加热单元的输出功率。采用上述的连续微波反应装置制备氢燃料电池催化剂，能很好地控制催化剂的合成进程，从而确保催化剂的均匀性及催化活性，并可实现高的生产效率，适于规模化生产。

Description

一种连续微波反应装置、氢燃料电池催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氢燃料电池催化剂技术领域，特别是涉及一种连续微波反应装置、氢燃料电池催化剂的制备方法。
背景技术
随着传统化石能源日趋紧张，且环境污染越发严重，寻求可持续发展的途径、保护自然资源和环境成为目前面临的严重挑战。氢能以其清洁、高效、环境友好等诸多优点被认为是21世纪的理想能源。近20年来，氢能在全球范围内迎来了快速的发展。氢燃料电池(又称质子交换膜燃料电池)作为一种氢能利用技术，受到了广泛的关注和重视。
氢燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学方式将化学能转变为电能的高效连续发电装置，其运转需要催化剂来使关键的氧化还原反应得以进行。至今，工业化的氢燃料电池所用的催化剂，均以铂为主要的催化剂组分。为提高利用率，铂需要以纳米级颗粒高分散的担载到导电、抗腐蚀的碳担体上。发展催化剂的制备工艺，实现催化剂产品的规模化连续生产，并不断提高产品的性能，是氢燃料电池生产及燃料电池汽车发展的关键。
催化剂制备工艺的关键不仅在于要制备纳米级的铂粒子并均匀的分散在耐腐蚀、高导电的碳载体上，还要防止铂纳米粒子脱落、团聚等。必须采用适当的制备工艺条件来减小铂金属颗粒尺寸，增大铂的分散性，以达到降低铂用量，降低成本，提高催化剂利用率及能量转换效率的目的。
微波作为一种非电离电磁能，能够快速加热目标样品，并具有特殊的电场以及磁场效应。利用微波技术可以很好地使一些金属、合金等负载于碳载体或复合载体上。与传统催化剂制备方法相比，微波技术具有催化活性组分分散度高、处理时间短、能源成本低的优点，还能够避免由于溶液混合、烘干及焙烧等而引起的催化剂污染。因此，微波法已成为催化剂制备和改性的重要方法，并具有相当诱人的工业应用前景。
但是，现有的微波制备工艺还存在一些缺陷：如间歇操作、反应时间长、生产效率低、不适合大规模工业化生产、产品质量不高、一致性不好等。要使微波介入制备催化剂能有工业应用价值，尚需要进一步开发温度和微波发射等易于测量、控制的专用微波反应器，尤其是连续化可控的大型反应器。
现有的微波制备工艺存在一些缺陷，如间歇操作，反应时间长，生产效率低，不适合大规模工业化生产，产品质量不高、一致性不好等。因此，要使微波制备催化剂工艺能有工业应用价值，尚需要进一步开发温度和微波发射等易于测量、控制的专用微波反应器，尤其是连续化可控的大型反应器。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种连续微波反应装置、氢燃料电池催化剂的制备方法，主要目的在于提供一种能对反应浆料的反应过程进行分段控制的连续微波反应装置。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明的实施例提供一种连续微波反应装置，其中，所述连续微波反应装置包括：
反应系统，所述反应系统包括依次连通的多段反应单元；
微波加热系统，所述微波加热系统包括多级微波加热单元；其中，所述微波加热单元的级数与所述反应单元的段数一致，且一一对应，以使所述微波加热单元用于加热与其对应的反应单元内的反应浆料；
浆料输送系统，所述浆料输送系统用于将反应浆料输送至所述反应系统，并使所述反应浆料依次进入每一段反应单元进行反应；
测温系统，所述测温系统用于检测反应浆料在每一段所述反应单元内的反应温度；
控制系统，所述控制系统与所述反应系统、微波加热系统及浆料输送系统连接，用于控制所述浆料输送系统的浆料输送流量、控制反应浆料在每一段反应单元内的反应温度、控制每级所述微波加热单元的输出功率。
优选的，所述微波加热单元包括微波加热腔，且多个微波加热反应单元的微波加热腔依次连接；其中，每一段反应单元的反应管路位于与其对应的微波加热单元的微波加热腔内。优选的，每一所述微波加热单元的输出功率范围为1-6000W。优选的，所述微波加热系统采用多模谐振腔加热模式或单模谐振腔加热模式。优选的，所述反应单元包括第一段反应单元、第二段反应单元及第三段反应单元；其中，所述第一段反应单元为快速升温区，其最高升温速率为150℃/min；第二段反应单元为缓冲升温区，其最高升温速率为50℃/min；第三段反应单元为恒温保温区，其最高升温速率为20℃/min。
优选的，所述反应系统包括多级管式反应器；其中，每一级管式反应器为一段反应单元。优选的，所述管式反应器的管径为0.05-5cm；优选的，所述多级管式反应器的材质为非金属材料。优选的，所述多级管式反应器通过夹具固定在支架上(保证反应器管路的形状和一定的管间距离，确保在微波场中的负载特性)。优选的，所述夹具的材质选用非金属材料。优选的，所述支架的材质选用非金属材料。优选的，上述提及的非金属材料为聚四氟乙烯、聚烯烃、陶瓷、玻璃材料中的任一种。
优选的，所述测温系统包括光纤测温器；其中，每一段反应单元的出口处均安装有光纤测温器，且所述光纤测温器与所述控制系统连接。具体地，每段反应单元均可根据其出口温度进行实时功率调整，确保被处理产品温度达到工艺要求的温度，使产品出口温度稳定。
优选的，所述浆料输送系统包括输送管路、浆料输送泵及阻尼器；其中，所述输送管路与所述反应系统连通；所述浆料输送泵安装在所述输送管路上，用于调节所述反应浆料的输送流量；所述阻尼器安装在所述输送管路上，且位于所述浆料输送泵的下游；优选的，所述浆料输送泵的额定输送流量为0.1-2000mL/min。
优选的，所述控制系统包括PLC控制器；优选的，所述控制系统包括触摸屏PLC控制器；优选的，所述控制系统还包括数据储存器。
另一方面，本发明的实施例提供一种氢燃料电池催化剂的制备方法，其中，采用上述任一项所述的连续微波反应装置制备氢燃料电池催化剂，包括如下步骤：
1)配制反应浆料；
2)通过浆料输送系统将所述反应浆料以设定流量输送至所述连续微波反应装置的反应系统中，使反应浆料依次进入多段反应单元进行反应，反应结束后，得到催化剂浆料；
3)调节所述催化剂浆料的pH值后，进行过滤、洗涤、干燥处理，得到氢燃料电池催化剂；
优选的，在所述步骤2)中：所述设定流量为150-350mL/min；
优选的，在所述步骤3)将所述催化剂浆料的pH值调至2-4。
优选的，在所述步骤2)中：所述反应系统包括三段反应单元，具体为第一段反应单元、第二段反应单元及第三段反应单元；其中，
所述第一段反应单元内的温度＜所述第二段反应单元内的温度＜第三段反应单元内的温度；
优选的，所述第一段反应单元内的温度控制为110-130℃；所述第二段反应单元内的温度控制为120-140℃；所述第三段反应单元内的温度控制为130-150℃；
优选的，所述第二段反应单元内的温度与第一段反应单元内的温度差为1-15℃，优选5-10℃；所述第三段反应单元内的温度与第二段反应单元内的温度差为1-15℃，优选5-10℃。
优选的，在所述步骤2)中：所述反应系统包括三段反应单元，具体为第一段反应单元、第二段反应单元及第三段反应单元；其中，
所述微波加热系统包括三级微波加热单元，具体为与所述第一段反应单元对应的一级微波加热单元、与所述第二段反应单元对应的二级微波加热单元、与所述第三段反应单元对应的三级微波加热单元；
所述一级微波加热单元的输出功率设定为600-6000W，优选为2500-4000W中的一功率值；所述二级微波加热单元的输出功率设定为200-4000W，优选为800-1000W中的一功率值；所述三级微波加热单元的输出功率设定为100-2000W，优选为400-600W中的一功率值；
优选的，所述一级微波加热单元的输出功率>所述二级微波加热单元的输出功率>所述三级微波加热单元的输出功率。
优选的，所述步骤1)包括：
将原料搅拌混合、再进行分散处理10-60min后，然后向其中加入氢氧化钠溶液调整pH值至8.5-11，继续分散10-50min后，得到反应浆料；
其中，所述原料包括：10-20份的氯铂酸、20-4000份的有机溶剂、1-30份的碳载体、5-2000份的还原剂；优选的，若所述氢燃料电池催化剂为多元合金催化剂，所述原料还包括：Co盐、Ni盐、Ru盐、Pd盐、Ir盐、Au盐、Ag盐、W盐、Cr盐、Fe盐、Mo盐中的一种或多种；
优选的，所述碳载体为碳黑、碳纳米管、碳纳米球、石墨烯、石墨微片、碳纳米角、高导电多孔碳、活性碳中的一种或多种；
优选的，所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、乙二醇、二甲基亚砜中的一种或几种；
优选的，还原剂为硼氢化钠、N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、乙二醇、甲酸、甲醛中的一种或几种。
与现有技术相比，本发明的一种连续微波反应装置、氢燃料电池催化剂的制备方法至少具有下列有益效果：
一方面，本发明实施例提供一种连续微波反应装置，其反应系统包括依次连通的多段反应单元，微波加热系统包括多级微波加热单元，微波加热单元的级数与反应单元的段数一致，且一一对应加热；这样将连续微波反应装置设置成多段连续式，在制备过程中根据工艺要求通过调节每段反应单元内反应浆料的反应温度、及每级微波加热单元的加热功率，能非常好的控制合成反应进程，进一步能控制产品的粒度，最终使制备的产品的结构均一，性能好，并且实现了催化剂制备全生产过程的连续化，有利于实现大规模工业化生产。另外，本发明实施例提供一种连续微波反应装置实现全工艺过程的自动化控制，使生产操作简便、安全、准确可靠，生产效率高，人工管理成本低。
另一方面，本发明实施例提供一种氢燃料电池催化剂的制备方法，主要采用上述的连续微波反应装置制备氢燃料电池催化剂，在制备过程中，分段控制反应浆料的反应温度或使反应浆料在不同段的反应单元内经历不同功率的微波辐射，从而可以非常好的控制催化剂的合成反应进程，进而控制催化剂的粒度，使制备的催化剂具有高的活性和性能均一性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的实施例提供的一种连续微波合成装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例1、实施例2、实施例3制备的催化剂在N2饱和的0.1mol/LHClO4溶液中的循环伏安曲线图；
图3是本发明的实施例4、实施例5、实施例6制备的催化剂喷涂的膜电极(阴阳极铂载量分别为0.1mg cm-2和0.3mg cm-2)测试的5×5电池性能曲线图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
一方面，本发明实施例提供一种连续微波反应装置，如图1所示，包括：反应系统2、微波加热系统1、浆料输送系统4、测温系统3、控制系统5。
微波加热系统1和反应系统2为多级多段式，便于对各级各段系统进行分别调节；每段反应系统都有测温装置；浆料输送系统流量可调；温度、微波功率及流量均可由控制系统设定及调节。
具体地，反应系统2包括依次连通的多段反应单元。微波加热系统1包括多级微波加热单元；其中，微波加热单元的级数与反应单元的段数一致，且一一对应，以使微波加热单元用于加热与其对应的反应单元内的反应浆料。浆料输送系统4用于将反应浆料输送至反应系统2，并使反应浆料依次进入每一段反应单元进行反应。测温系统3用于检测反应浆料在每一段反应单元内的反应温度。控制系统5与反应系统2、微波加热系统1及浆料输送系统4连接，用于控制浆料输送系统4的浆料输送流量、控制反应浆料在每一段反应单元内的反应温度、控制每级微波加热单元的输出功率。
微波加热系统1采用多模或单模谐振腔加热模式，优选多模谐振腔。每个微波加热单元的输出功率连续可调，每个微波加热单元的输出功率范围为1-6000W。微波加热单元可以根据反应单元的功能需求调整微波输出功率，使反应单元按照功能可划分为快速升温区(一区，温升可达到150℃min-1)，缓冲升温区(二区，温升可达到50℃min-1)，恒温保温区(三区，温升可达到20℃min-1)等。
反应系统2包括多级非金属材料管式反应器(每一级管式反应器为一段反应单元)，采用非金属材料制成的夹具62将管式反应器夹持固定在非金属材料制成的支架61上，并保证管式反应器的管路的形状和一定的管间距离，确保在微波场中的负载特性。管式反应器夹持在支架上，能够保证管式反应器的管路形状和一定的管间距离，确保在微波场中的负载特性。非金属材料为聚四氟乙烯、聚烯烃、陶瓷或玻璃材料。管式反应器的管径为0.05-5cm。
测温系统3采用多点光纤探测快速升温区、缓冲升温区和恒温保温区的出口处温度。每个区均可根据其出口处温度进行实时功率调整，确保被处理产品温度达到工艺要求的温度，使产品出口温度稳定。
浆料输送系统4包括浆料输送泵41、阻尼器42、浆料输送管路。浆料输送泵可以为蠕动泵、叶片泵、柱塞泵等，以实现流体定量泵送并达到一定的流量精度。浆料输送泵的额定流量范围在0.1-2000mL/min，泵的流量连续可调，或可实现外部控制流量、转向、启停。泵后配置阻尼器，以使流体压力和流量稳定，达到消除管道振动、保护下游仪表和设备的目的。
控制系统包括PLC控制器；优选的，所述控制系统包括触摸屏PLC控制器；优选的，所述控制系统还包括数据储存器。控制其能够集中调节每段反应温度、微波功率及流量，或可实现HMI(触摸屏)控制，工艺数据能够及时记录、存储并可通过U盘或其它存储设备导出。
另一方面，本发明实施例提供一种氢燃料电池催化剂的制备方法，主要是利用上述的连续微波反应装置，来制备氢燃料电池催化剂，具体步骤如下：
步骤1)按以下的重量份来配制反应浆料：氯铂酸(含量37.5％)10-20份、有机溶剂20-4000份、碳载体1-30份、还原剂5-2000份。若制备的是多元合金催化剂，在上述基础上可加入相应份数的金属Co、Ni、Ru、Pd、Ir、Au、Ag、W、Cr、Fe、Mo等的一种及以上的相应的盐。
将上述浆料进行充分的搅拌混合，再采用超声、剪切及均质机分散方法的一种或几种进行分散10-60min，再加入一定浓度的氢氧化钠溶液调整浆料的pH值在8.5-11之间的某一区间，再继续按上述分散10-50min，得到反应浆料。
步骤2)将上述配制的反应浆料以一定的流量经泵送或势能输送导入上述的连续微波反应装置的反应系统中，使反应浆料依次进入多段反应单元进行反应后，得到催化剂浆料；
具体地，根据反应需要在不同的区间(反应单元)设定不同的温度。例如，一区(第一段反应单元)设定为125±4℃，二区(第二段反应单元)设定为135±4℃，三区(第三段反应单元)设定为145±4℃)，使反应浆料在不同的区间以不同的反应温度进行制备合成，达到对某一种催化剂进行各段控制温度的连续化制备。或者
根据反应需要对不同的区间(反应单元)设定不同的微波输出功率进行加热。优选的，对一区(第一段反应单元)进行加热的一级微波加热单元的输出功率设定为600-5000W中的某一固定功率；对二区(第二段反应单元)进行加热的二级微波加热单元的输出功率设定为200-4000W中的某一固定功率；对三区(第三段反应单元)进行加热的三级微波加热单元的输出功率设定为100-2000W中的某一固定功率。上述设置，使反应浆料在不同的区间经历不同功率的微波辐射，但每一部分浆料在整个反应历程中经历同样的微波辐射，从而使制备的催化剂性能均匀一致。
步骤3)催化剂浆料冷却后加入盐酸并搅拌，调整浆料的pH值为2-4后，进行过滤、洗涤、干燥处理(导入过滤装置进行过滤及去离子水洗涤，得到的湿态的催化剂在真空烘箱中60-120℃真空干燥6-12h)，得到氢燃料电池催化剂。
下面通过具体实施例进一步说明如下：
以下实施例是利用图1所示的连续微波反应装置制备氢燃料电池催化剂。其中，图1所示的连续微波反应装置在上述已详细介绍，在此进一步说明如下：一种连续微波合成装置，包括微波加热系统1、反应系统2、测温系统3、浆料输送系统4、控制系统5。微波加热系统包括三级微波加热单元，一级微波加热单元的输出功率为0-6000W，优选0-5000W连续可调，二级微波加热单元的输出功率为0-2000W连续可调，三级微波加热单元的输出功率为0-2000W连续可调，每级微波加热单元由腔体隔开。反应系统包括三段反应单元，分别对应于三级的微波加热单元(每一级微波加热单元加热与其对应段的反应单元，一级微波加热单元加热第一段反应单元、二级微波加热单元加热第二段反应单元、三级微波加热单元加热第三段反应单元)。反应系统还包括反应器固定装置6。反应器的管路为玻璃材质或聚四氟乙烯材质，管径为0.7或0.8cm。反应器的管路为连续管路，管路穿过每一级微波加热单元的腔体后接温度探测器，用于测量每一段反应单元内浆液的温度。测温系统3采用多点光纤探测各段反应浆液温度，并传输温度探测信号至控制系统。浆料输送系统包括浆料输送泵41及泵后配置的阻尼器42，以及浆料输送管路，浆料输送泵为蠕动泵，流量为0-1000mL/min可调。浆料输送管路为硅胶软管，一根软管的一端接浆料存放的容器，另一端经过蠕动泵、连接在阻尼器上，阻尼器的出口连接另外一根软管并接入第一段反应器管路的入口。控制系统PLC能够集中设定调节每级微波功率、每段反应浆液的温度及浆料的输送流量(蠕动泵流量)，能够HMI(触摸屏)控制，工艺数据能够及时记录、存储并可通过U盘导出。
实施例1
实施例1制备一种氢燃料电池催化剂，具体步骤如下：
1)将氯铂酸(含量37.5％)10份、有机溶剂乙二醇900份、碳载体锋源#1碳黑3.75份、还原剂异丙醇600份先进行充分的搅拌混合，再进行搅拌剪切50min后，向其中加入1mol/L的氢氧化钠水溶液调整浆料的pH值至9-10之间，然后继续搅拌剪切分散30min，完成反应浆料的配制。
2)将连续微波反应装置的第一段反应单元的温度设定为115±4℃、第二段反应单元的温度设定为125±4℃、第三段反应单元的温度设定为135±4℃。
将步骤1)配制好的反应浆料以200mL/min的流量经蠕动泵导入微波连续反应装置的反应系统中进行微波加热反应(反应浆料依次进入第一段反应单元、第二段反应单元、第三段反应单元进行连续反应)，反应结束后得到催化剂浆料。
3)催化剂浆料经冷却后加入盐酸并搅拌，调整催化剂浆料的pH值为3后，对催化剂浆料依次进行正压过滤器过滤处理、洗涤处理、在80℃的温度下进行真空干燥处理后，得到铂碳催化剂。
用电化学工作站及旋转圆盘电极测试其在N2饱和的0.1mol/L的HClO4电解液下的循环伏安曲线，如图2所示，按曲线计算得到该催化剂的电化学活性比表面积(以Pt质量计)为70.3m2g-1。
实施例2
实施例2制备一种氢燃料电池催化剂，具体步骤如下：
1)将氯铂酸(含量37.5％)10份、有机溶剂N-甲基吡咯烷酮1000份、碳载体锋源#1碳黑2.5份、还原剂乙二醇500份先进行充分的搅拌混合后，再在均质机分散30min，然后向其中加入1mol/L的氢氧化钠水溶液调整浆料的pH值在9-11之间，再继续搅拌剪切分散30min，完成反应浆料的配制。
2)将连续微波反应装置的第一段反应单元的温度设定为120±4℃、第二段反应单元的温度设定为125±4℃、第三段反应单元的温度设定为130±4℃。
将步骤1)配制好的反应浆料以300mL/min的流量经蠕动泵导入微波连续反应装置的反应系统中进行微波加热反应(反应浆料依次进入第一段反应单元、第二段反应单元、第三段反应单元进行连续反应)，反应结束后得到催化剂浆料。
3)催化剂浆料经冷却后加入盐酸并搅拌，调整催化剂浆料的pH值为3，然后对催化剂浆料依次进行正压过滤器过滤处理、洗涤处理、100℃真空干燥处理，得到铂碳催化剂。
用电化学工作站及旋转圆盘电极测试其在N2饱和的0.1mol/L HClO4电解液下的循环伏安曲线，如图2所示，按曲线计算得到该催化剂的电化学活性比表面积(以Pt质量计)为64.9m2g-1。
实施例3
实施例3制备一种氢燃料电池催化剂，具体步骤如下：
1)将氯铂酸(含量37.5％)10份、氯化钴3份、有机溶剂兼还原剂乙二醇1500份、碳载体锋源#2碳黑3.75份先进行充分的搅拌混合，再进行搅拌剪切60min后，向其中加入1mol/L的氢氧化钠水溶液调整浆料的pH值在9-11之间，再继续搅拌剪切分散30min，完成反应浆料的配制。
2)将连续微波反应装置的第一段反应单元的温度设定为125±4℃、第二段反应单元的温度设定为135±4℃、第三段反应单元的温度设定为145±4℃。
将步骤1)配制好的反应浆料以200mL/min的流量经蠕动泵导入微波连续反应装置的反应系统中进行微波加热反应(反应浆料依次进入第一段反应单元、第二段反应单元、第三段反应单元进行连续反应)，反应结束后得到催化剂浆料。
3)催化剂浆料经冷却后加入盐酸并搅拌，调整催化剂浆料的pH值为2，然后对催化剂浆料依次进行正压过滤器过滤处理、洗涤处理、100℃真空干燥处理，制得铂钴碳催化剂。
用电化学工作站及旋转圆盘电极测试其在N2饱和的0.1mol/LHClO4电解液下的循环伏安曲线，如图2所示，按曲线计算得到该催化剂的电化学活性比表面积(以Pt质量计)为71.4m2g-1。
实施例4
实施例4制备一种氢燃料电池催化剂，具体步骤如下：
1)将氯铂酸(含量37.5％)10份、有机溶剂乙二醇800份、碳载体锋源#1碳黑1.6份、还原剂异丙醇800份先进行充分的搅拌混合，再进行搅拌剪切50min，然后向其中加入1mol/L的氢氧化钠水溶液调整浆料的pH值在9-10之间，再继续搅拌剪切分散30min，完成反应浆料的制备。
2)将连续微波反应装置的与第一段反应单元对应的一级微波加热功率设定为4000W、与第二段反应单元对应的二级微波加热功率设定为1000W、与第三段反应单元对应的三级微波加热功率设定为500W。
将步骤1)配制好的反应浆料以300mL/min的流量经蠕动泵导入微波连续反应装置的反应系统中进行微波加热反应(反应浆料依次进入第一段反应单元、第二段反应单元、第三段反应单元进行连续反应)，反应后得到催化剂浆料。
3)反应后得到的催化剂浆料经冷却后加入盐酸并搅拌，调整催化剂浆料的pH值为3，然后对催化剂浆料进行正压过滤器过滤处理、洗涤处理、80℃真空干燥处理后，得到铂碳催化剂。
将该催化剂以阴阳极铂载量分别为0.1mg cm-2和0.3mg cm-2喷涂为膜电极进行5×5电池性能的测试，结果如图3所示，在电流密度为2.4A cm-2的条件下，输出比功率为1.44W cm-2。
实施例5
1)将氯铂酸(含量37.5％)10份、有机溶剂N-甲基吡咯烷酮1000份、碳载体锋源#1碳黑2.5份、还原剂乙二醇500份先进行充分的搅拌混合，再进行搅拌剪切60min后，然后向其中加入1mol/L的氢氧化钠水溶液调整浆料的PH值在9-11之间，再继续搅拌剪切分散30min，完成反应浆料的制备。
2)将连续微波反应装置的与第一段反应单元对应的一级微波加热功率设定为2800W、与第二段反应单元对应的二级微波加热功率设定为800W、与第三段反应单元对应的三级微波加热功率设定为500W。
将步骤1)配制好的反应浆料以200mL/min的流量经蠕动泵导入微波连续反应装置的反应系统中进行微波加热反应(反应浆料依次进入第一段反应单元、第二段反应单元、第三段反应单元进行连续反应)，反应结束后得到催化剂浆料。
3)催化剂浆料经冷却后加入盐酸并搅拌，调整催化剂浆料的PH值为3，然后对催化剂浆料依次进行正压过滤器过滤处理、洗涤处理、100℃真空干燥处理，制得铂碳催化剂。
将该催化剂以阴阳极铂载量分别为0.1mg cm-2和0.3mg cm-2喷涂为膜电极进行5×5电池性能的测试，结果如图3所示，在电流密度为2.4A cm-2的条件下，输出比功率为1.38W cm-2。
实施例6
1)将氯铂酸(含量37.5％)10份、氯化钴3份、有机溶剂兼还原剂乙二醇1500份、碳载体锋源#2碳黑3.75份先进行充分的搅拌混合，再进行搅拌剪切60min后，然后向其中加入1mol/L的氢氧化钠水溶液调整浆料的PH值在9-11之间，再继续搅拌剪切分散30min后，完成催化剂浆料的配制。
2)将连续微波反应装置的与第一段反应单元对应的一级微波加热功率设定为2600W、与第二段反应单元对应的二级微波加热功率设定为1000W、与第三段反应单元对应的三级微波加热功率设定为500W。
将步骤1)配制好的反应浆料以200mL/min的流量经蠕动泵导入微波连续反应装置的反应系统中进行微波加热反应(反应浆料依次进入第一段反应单元、第二段反应单元、第三段反应单元进行连续反应)，反应结束后得到催化剂浆料。
3)催化剂浆料经冷却后加入盐酸并搅拌，调整催化剂浆料的pH值为2-3，然后对催化剂浆料依次进行正压过滤器过滤处理、洗涤处理、100℃真空干燥处理，制得铂钴碳催化剂。
将该催化剂以阴阳极铂载量分别为0.1mg cm-2和0.3mg cm-2喷涂为膜电极进行5×5电池性能的测试，结果如图3所示，在电流密度为2.4A cm-2的条件下，输出比功率为1.45W cm-2。
从实施例1-实施例6可以明显看出，本发明实施例利用连续微波反应装置制备的氢燃料电池催化剂的活性好，且由其制备的电池的性能优异。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种连续微波反应装置，其特征在于，所述连续微波反应装置包括：
反应系统，所述反应系统包括依次连通的多段反应单元；
微波加热系统，所述微波加热系统包括多级微波加热单元；其中，所述微波加热单元的级数与所述反应单元的段数一致，且一一对应，以使所述微波加热单元用于加热与其对应的反应单元内的反应浆料；
浆料输送系统，所述浆料输送系统用于将反应浆料输送至所述反应系统，并使所述反应浆料依次进入每一段反应单元进行反应；
测温系统，所述测温系统用于检测反应浆料在每一段所述反应单元内的反应温度；
控制系统，所述控制系统与所述反应系统、微波加热系统及浆料输送系统连接，用于控制所述浆料输送系统的浆料输送流量、控制反应浆料在每一段反应单元内的反应温度、控制每级所述微波加热单元的输出功率。
2.根据权利要求1所述的连续微波反应装置，其特征在于，所述微波加热单元包括微波加热腔，且多个微波加热单元的微波加热腔依次连接；其中，每一段反应单元的反应管路位于与其对应的微波加热单元的微波加热腔内；
优选的，每一所述微波加热单元的输出功率为1-6000W；
优选的，所述微波加热系统采用多模谐振腔加热模式或单模谐振腔加热模式；
优选的，所述反应单元包括第一段反应单元、第二段反应单元及第三段反应单元；其中，所述第一段反应单元为快速升温区，其最高升温速率为150℃/min；第二段反应单元为缓冲升温区，其最高升温速率为50℃/min；第三段反应单元为恒温保温区，其最高升温速率为20℃/min。
3.根据权利要求1或2所述的连续微波反应装置，其特征在于，所述反应系统包括多级管式反应器；其中，每一级管式反应器为一段反应单元；
优选的，所述管式反应器的管径为0.05-5cm；
优选的，所述多级管式反应器的材质为非金属材料；
优选的，所述多级管式反应器通过夹具固定在支架上；优选的，所述夹具的材质选用非金属材料；优选的，所述支架的材质选用非金属材料；
优选的，所述非金属材料选用聚四氟乙烯、聚烯烃、陶瓷、玻璃材料中的任一种。
4.根据权利要求3所述的连续微波反应装置，其特征在于，所述测温系统包括光纤测温器；其中，
每一段反应单元的出口处均安装有光纤测温器，且所述光纤测温器与所述控制系统连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的连续微波反应装置，其特征在于，所述浆料输送系统包括输送管路、浆料输送泵及阻尼器；其中，
所述输送管路与所述反应系统连通；
所述浆料输送泵安装在所述输送管路上，用于调节所述反应浆料的输送流量；
所述阻尼器安装在所述输送管路上，且位于所述浆料输送泵的下游；
优选的，所述浆料输送泵的额定输送流量为0.1-2000mL/min。
6.根据权利要求1-5任一项所述的连续微波反应装置，其特征在于，所述控制系统包括PLC控制器；
优选的，所述控制系统包括触摸屏PLC控制器；
优选的，所述控制系统还包括数据储存器。
7.一种氢燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的连续微波反应装置制备氢燃料电池催化剂，包括如下步骤：
1)配制反应浆料；
2)通过浆料输送系统将所述反应浆料以设定流量输送至所述连续微波反应装置的反应系统中，使反应浆料依次进入多段反应单元进行反应，反应结束后，得到催化剂浆料；
3)调节所述催化剂浆料的pH值后，进行过滤、洗涤、干燥处理，得到氢燃料电池催化剂；
优选的，在所述步骤2)中：所述设定流量为150-350mL/min；
优选的，在所述步骤3)将所述催化剂浆料的pH值调至2-4。
8.根据权利要求7所述的氢燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中：所述反应系统包括三段反应单元，具体为第一段反应单元、第二段反应单元及第三段反应单元；其中，
所述第一段反应单元内的温度＜所述第二段反应单元内的温度＜第三段反应单元内的温度；
优选的，所述第一段反应单元内的温度控制为110-130℃；所述第二段反应单元内的温度控制为120-140℃；所述第三段反应单元内的温度控制为130-150℃；
优选的，所述第二段反应单元内的温度与第一段反应单元内的温度差为1-15℃，优选5-10℃；所述第三段反应单元内的温度与第二段反应单元内的温度差为1-15℃，优选5-10℃。
9.根据权利要求7所述的氢燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：在所述步骤2)中：所述反应系统包括三段反应单元，具体为第一段反应单元、第二段反应单元及第三段反应单元；其中，
所述微波加热系统包括三级微波加热单元，具体为与所述第一段反应单元对应的一级微波加热单元、与所述第二段反应单元对应的二级微波加热单元、与所述第三段反应单元对应的三级微波加热单元；
所述一级微波加热单元的输出功率设定为600-6000W，优选为2500-4000W中的一功率值；所述二级微波加热单元的输出功率设定为200-4000W，优选为800-1000W中的一功率值；所述三级微波加热单元的输出功率设定为100-2000W，优选为400-600W中的一功率值；
优选的，所述一级微波加热单元的输出功率>所述二级微波加热单元的输出功率>所述三级微波加热单元的输出功率。
10.根据权利要求8或9所述的氢燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1)包括：
将原料搅拌混合、再进行分散处理10-60min后，然后向其中加入氢氧化钠溶液调整pH值至8.5-11，继续分散10-50min后，得到反应浆料；
其中，所述原料包括：10-20份的氯铂酸、20-4000份的有机溶剂、1-30份的碳载体、5-2000份的还原剂；优选的，若所述氢燃料电池催化剂为多元合金催化剂，所述原料还包括：Co盐、Ni盐、Ru盐、Pd盐、Ir盐、Au盐、Ag盐、W盐、Cr盐、Fe盐、Mo盐中的一种或多种；
优选的，所述碳载体为碳黑、碳纳米管、碳纳米球、石墨烯、石墨微片、碳纳米角、高导电多孔碳、活性碳中的一种或多种；
优选的，所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、乙二醇、二甲基亚砜中的一种或几种；
优选的，还原剂为硼氢化钠、N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、乙二醇、甲酸、甲醛中的一种或几种。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116314873A (zh) * 2023-05-19 2023-06-23 江苏源氢新能源科技股份有限公司 燃料电池催化剂的连续批量生产系统以及燃料电池催化剂的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107029645A (zh) * 2017-05-12 2017-08-11 武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司 一种连续微波合成装置及用其制备铂碳催化剂的方法
CN112423418A (zh) * 2020-08-25 2021-02-26 昆明理工大学 一种微波加热流体物料的装置及其智能控制方法
CN213747853U (zh) * 2020-10-12 2021-07-20 武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司 一种管道式连续加热装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107029645A (zh) * 2017-05-12 2017-08-11 武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司 一种连续微波合成装置及用其制备铂碳催化剂的方法
CN112423418A (zh) * 2020-08-25 2021-02-26 昆明理工大学 一种微波加热流体物料的装置及其智能控制方法
CN213747853U (zh) * 2020-10-12 2021-07-20 武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司 一种管道式连续加热装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116314873A (zh) * 2023-05-19 2023-06-23 江苏源氢新能源科技股份有限公司 燃料电池催化剂的连续批量生产系统以及燃料电池催化剂的制备方法

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