CN115295810A - 一种燃料电池膜电极浆料及其制备方法 - Google Patents

一种燃料电池膜电极浆料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于质子交换膜燃料电池领域,具体涉及一种燃料电池膜电极浆料及其制备方法。该方法包括以下步骤:将催化剂和电解质树脂溶液分散在水和醇的混合液中,得到分散浆料;将所述分散浆料倒入搅拌设备进行低速搅拌,同时分散浆料的温度在冷却水的作用下降低;所述低速搅拌的转速为20‑80rpm;待所述分散浆料的温度降至0‑20℃,提高搅拌转速继续搅拌,得到所述燃料电池膜电极浆料。本发明采用两段搅拌工艺,先低速下进行换热降温,然后再提高速度搅拌除泡,避免离心除泡导致浆料沉降不均匀和热团聚现象;浆料中未引入消泡剂,不会对膜电极性能产生影响。

Description

一种燃料电池膜电极浆料及其制备方法
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池领域,具体涉及一种燃料电池膜电极浆料及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC),也称为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池,是一种主要用于运输应用、固定式燃料电池应用和便携式燃料电池应用的燃料电池。它们的显着特点包括较低的温度/压力范围(50至100℃)和特殊的质子传导聚合物电解质膜。PEMFC发电并以与PEM电解相反的原理运行,后者消耗电力。质子交换膜燃料电池是替代航天飞机中使用的碱性燃料电池技术的主要候选者。
膜电极(MEA),又称膜电极“三合一”或“五合一”组件,是质子交换膜燃料电池的核心部件,是燃料电池内部能量转换的场所。膜电极承担燃料电池内的多相物质传输(液态水、氢气、氧气、质子和电子传输),通过电化学反应,负责将氢气的化学能转化为电能。膜电极的性能和成本影响甚者决定质子交换膜燃料电池的性能、寿命及成本。具备高效多相传输能力的膜电极,能极大提高燃料电池的性能。
现有技术中,燃料电池膜电极中阴极或者阳极涂布浆料的制备,在不添加消泡剂的情况下,会产生气泡,为提高生产质量,在后端会采用离心除泡的工序去除,在离心的作用下浆料会产生热量和浆料沉降,会导致浆料团聚和不均匀;而添入消泡剂,其他组分的引入会影响膜电极性能。如申请号为201110048293.7的发明专利公开了一种质子交换膜燃料电池催化剂涂层膜电极浆料,包括催化剂、质子交换树脂、分散剂和助剂,催化剂包括10~80%wt的Pt/C、Pt-Pd/C、Pt-Ru/C、Pt黑或PtPd黑及PtRu黑催化剂中的一种或几种的混合物;质子交换树脂是全氟或部分氟化磺酸树脂或非氟的磺酸树脂中的一种或几种的混合物;分散剂为去离子水、无水乙醇、异丙醇中的一种或几种的混合物;所述催化剂涂层膜电极浆料中还包括助剂,所述助剂为增稠剂或稳定剂,增稠剂是乙二醇、丙三醇和聚乙二醇中的一种,稳定剂为TritonX-100。
发明内容
本发明旨在解决上述问题,提供了一种燃料电池膜电极浆料及其制备方法,保证浆料均匀性的同时,不添加消泡剂,不需要进行离心除泡。
按照本发明的技术方案,所述燃料电池膜电极浆料的制备方法,包括以下步骤,
S1:将催化剂和电解质树脂溶液分散在混合溶剂中,得到分散浆料;所述混合溶剂为水和醇的混合液;
S2:将所述分散浆料倒入搅拌设备进行低速搅拌,同时分散浆料的温度在冷却水的作用下降低;所述低速搅拌的转速为20-80rpm;
S3:待所述分散浆料的温度降至0-20℃,提高搅拌转速继续搅拌,得到所述燃料电池膜电极浆料。
本发明中先采用转速为20-80rpm的低速搅拌,有效避免了浆料在高速高温下产生团聚。
进一步的,所述催化剂可以包括PtM/C催化剂或Pt/C催化剂等,优选的,所述催化剂为40-80wt%的PtM/C催化剂(Pt占PtM/C催化剂质量的40-80%)或30-75wt%的Pt/C催化剂(Pt占Pt/C催化剂质量的30-75%)。其中M指铜、钻、镍、钯或钌等。
进一步的,所述催化剂占分散浆料总质量的1-10%。
进一步的,所述电解质树脂溶液为AGC、Dupont(杜邦)、Sovlay(索尔维)、3M品牌的电解质树脂溶液。
进一步的,所述电解质树脂溶液中的固体质量占分散浆料总质量的1-5%。
进一步的,所述醇选自甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、乙二醇和丙三醇中的一种或多种。
进一步的,混合溶剂中水和醇的体积比为1-9:1。
进一步的,所述步骤S1中,分散方式为超声、剪切、球磨或均质。
进一步的,由于冷却水温度太低能耗高,温度太高达不到效果,所述步骤S2中,冷却水的温度为0-5℃。
进一步的,所述步骤S3中,提高搅拌转速至200-500rpm,用于尽快去除浆料中的气泡。
进一步的,所述步骤S3中,继续搅拌的时间为20-40min。
本发明的另一方面提供了上述制备方法制得的燃料电池膜电极浆料。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点:本发明采用两段搅拌工艺,先低速下进行换热降温,然后再提高速度搅拌除泡,有效避免了浆料在高速高温下产生团聚,以及离心除泡导致的浆料沉降不均匀和热团聚现象;浆料中未引入消泡剂,不会对膜电极性能产生影响。
附图说明
图1为不添加消泡剂所得浆料的形态图。
图2为实施例1中燃料电池膜电极浆料的形态图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
1、分散浆料制备
将25g 60wt%的Pt/C催化剂和40g的D2020(Dupont,固含量为20%)分散在320g水与130g乙醇的混合液中,得到分散浆料。
2、分散浆料除泡
提前开启搅拌设备的冷却水,等冷却水温度达到5℃时,将所制备得到的分散浆料倒入搅拌设备,先在转速70rpm的条件下进行低速搅拌;
分散浆料温度达到15℃时,增加搅拌速度至200rpm,继续搅拌30min,得到燃料电池膜电极浆料。
实施例2
1、分散浆料制备
将25g 60wt%的Pt/C催化剂和40g的D2020(Dupont,固含量为20%)分散在320g水与130g乙醇的混合液中,得到分散浆料。
2、分散浆料除泡
提前开启搅拌设备的冷却水,等冷却水温度达到5℃时,将所制备得到的分散浆料倒入搅拌设备,先在转速30rpm的条件下进行低速搅拌;
分散浆料温度达到10℃时,增加搅拌速度至300rpm,继续搅拌30min,得到燃料电池膜电极浆料。
实施例3
1、分散浆料制备
将25g 60wt%的Pt/C催化剂和40g的D2020(Dupont,固含量为20%)分散在320g水与130g乙醇的混合液中,得到分散浆料。
2、分散浆料除泡
提前开启搅拌设备的冷却水,等冷却水温度达到0℃时,将所制备得到的分散浆料倒入搅拌设备,先在转速30rpm的条件下进行低速搅拌;
分散浆料温度达到5℃时,增加搅拌速度至300rpm,继续搅拌30min,得到燃料电池膜电极浆料。
实施例4
1、分散浆料制备
将50g 60wt%的Pt/C催化剂和90g的D2020(Dupont,固含量为20%)分散在250g水与200g乙醇的混合液中,得到分散浆料。
2、分散浆料除泡
提前开启搅拌设备的冷却水,等冷却水温度达到5℃时,将所制备得到的分散浆料倒入搅拌设备,先在转速70rpm的条件下进行低速搅拌;
分散浆料温度达到15℃时,增加搅拌速度至200rpm,继续搅拌30min,得到燃料电池膜电极浆料。
实施例5
1、分散浆料制备
将12g 60wt%的Pt/C催化剂和28g的D2020(Dupont,固含量为20%)分散在400g水与50g乙醇的混合液中,得到分散浆料。
2、分散浆料除泡
提前开启搅拌设备的冷却水,等冷却水温度达到0℃时,将所制备得到的分散浆料倒入搅拌设备,先在转速70rpm的条件下进行低速搅拌;
分散浆料温度达到5℃时,增加搅拌速度至200rpm,继续搅拌30min,得到燃料电池膜电极浆料。
对比例1
1、分散浆料制备
将25g 60wt%的Pt/C催化剂和40g的D2020(Dupont,固含量为20%)分散在320g水与130g乙醇的混合液中,得到分散浆料。
2、分散浆料除泡
将所制备得到的分散浆料倒入离心设备,在转速2000rpm的条件下离心10min,得到燃料电池膜电极浆料。
对比例2
1、分散浆料制备
将25g 60wt%的Pt/C催化剂和40g的D2020(Dupont,固含量为20%)分散在320g水与130g乙醇的混合液中,得到分散浆料。
2、分散浆料除泡
将所制备得到的分散浆料倒入搅拌设备,在转速200rpm的条件下搅拌30min(浆料温度为30℃左右),得到燃料电池膜电极浆料。
对比例3
1、分散浆料制备
将25g 60wt%的Pt/C催化剂和40g的D2020(Dupont,固含量为20%)分散在320g水与130g乙醇的混合液中,得到分散浆料。
2、分散浆料除泡
提前开启搅拌设备的冷却水,等冷却水温度达到5℃时,将所制备得到的分散浆料倒入搅拌设备,先在转速30rpm的条件下进行低速搅拌;
分散浆料温度达到25℃时,增加搅拌速度至300rpm,继续搅拌30min,得到燃料电池膜电极浆料。
结果分析
取实施例1-5和对比例1-3中上层浆料和下层浆料分别测试粒径和固含量,其中粒径通过激光粒度仪器检测,固含量通过烘干后称重计算,测试结果如表1所示。
表1实施例1-5和对比例1-3中上层浆料和下层浆料的粒径和固含量
Figure BDA0003825669370000061
由表1可以看出,本发明方法制得的燃料电池膜电极浆料上下层浆料固含量一致,且粒径较小、分布相对均匀;对比例1中直接离心导致下层浆料的固含量明显高于上层浆料,同时下层浆料粒径远高于上层浆料粒径,存在囤聚现象;对比例2中缺少低温低速搅拌,其上下层浆料固含量一致,粒径分布相对均匀,但是处于较大水平;对比例3中温度降至25℃提高搅拌速度,其上下层浆料固含量一致,粒径分布相对均匀,但是同样处于较大水平。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜电极浆料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤,
S1:将催化剂和电解质树脂溶液分散在混合溶剂中,得到分散浆料;所述混合溶剂为水和醇的混合液;
S2:将所述分散浆料倒入搅拌设备进行低速搅拌,同时分散浆料的温度在冷却水的作用下降低;所述低速搅拌的转速为20-80rpm;
S3:待所述分散浆料的温度降至0-20℃,提高搅拌转速继续搅拌,得到所述燃料电池膜电极浆料。
2.如权利要求1所述的燃料电池膜电极浆料的制备方法,其特征在于,所述催化剂包括40-80wt%的PtM/C催化剂或30-75wt%的Pt/C催化剂,其中M指铜、钻、镍、钯或钌。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池膜电极浆料的制备方法,其特征在于,所述催化剂占分散浆料总质量的1-10%;所述电解质树脂溶液中的固体质量占分散浆料总质量的1-5%。
4.如权利要求1所述的燃料电池膜电极浆料的制备方法,其特征在于,所述醇选自甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、乙二醇和丙三醇中的一种或多种。
5.如权利要求1或4所述的燃料电池膜电极浆料的制备方法,其特征在于,混合溶剂中水和醇的体积比为1-9:1。
6.如权利要求1所述的燃料电池膜电极浆料的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中,分散方式为超声、剪切、球磨或均质。
7.如权利要求1所述的燃料电池膜电极浆料的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中,冷却水的温度为0-5℃。
8.如权利要求1所述的燃料电池膜电极浆料的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中,提高搅拌转速至200-500rpm。
9.如权利要求1所述的燃料电池膜电极浆料的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中,继续搅拌的时间为20-40min。
10.一种权利要求1-9中任一项所述的制备方法制得的燃料电池膜电极浆料。
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