CN115939420A - 一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，包括以下步骤：S1取催化剂和水混合预分散形成预分散液一，将预分散液一再分散，得到分散液一；S2取醇溶液、全氟磺酸聚合物溶液混合预分散形成预分散液二，将预分散液二再分散，得到分散液二；S3将分散液一与分散液二混合，并继续分散，得到高稳定的催化剂浆料。与现有技术相比较，本发明能够极大程度降低催化剂大颗粒，从而使浆料更加稳定，同时能够使全氟磺酸聚合物在催化层上分散更均匀，提高燃料电池性能。而且该方法具有操作简单，适用于浆料的规模化制备等优势。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池催化剂浆料制备技术领域，具体涉及一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的能量转化装置。质子交换膜燃料电池有着能量转化率高、清洁无污染等特点，在移动式交通运输工具、固定式发电等领域极具应用前景。
膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，催化层是膜电极的重要组成部分，是电极发生反应的重要场所。形成催化层的催化剂浆料是由催化剂、溶剂、离子聚合物等组成，催化剂浆料的稳定性直接影响燃料电池的性能，如一致性、耐久性以及安全性等。因此提高催化剂浆料的稳定性极为重要。
目前，高铂载量催化剂、高温热处理的催化剂或高度石墨化的催化剂配制催化剂浆料的过程，多使用传统的分散方法，存在难分散、不稳定、易沉降等问题，直接导致燃料电池的性能差、一致性低。
申请号为201811175737.1的中国发明专利公开了一种燃料电池膜电极浆料的制备方法，该方法的特点是在浆料中加入聚丙烯酰胺、乙酸和增稠剂以降低催化剂颗粒的团聚，提高催化剂的分散性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，该方法不需要添加其他助剂，并可有效解决在使用高铂载量催化剂、高温热处理催化剂或高度石墨化碳载体催化剂时浆料颗粒团聚、性质不稳定、易沉降进而导致燃料电池的性能低、一致性差的问题。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，包括以下步骤：
S1取催化剂和水混合预分散形成预分散液一，将预分散液一再分散，得到分散液一；
S2取醇溶液、全氟磺酸聚合物溶液混合预分散形成预分散液二，将预分散液二再分散，得到分散液二；
S3将分散液一与分散液二混合，并继续分散，得到高稳定的催化剂浆料。
优选的，步骤S1中：所述催化剂为高铂负载量催化剂、高温热处理催化剂或高度石墨化碳载体的催化剂；催化剂和水的重量份配比为(1～20)∶(10～70)。
优选的，步骤S1中：预分散方式为磁力搅拌、机械搅拌或超声分散，预分散时间为5～100min。
优选的，步骤S1中：再分散的分散方式为高速剪切分散，高速剪切分散的转速为10000～19000rpm，时间为0.5～3h；高速剪切分散在1～15℃的循环水浴环境下进行；或者，再分散的分散方式采用球磨分散、高压均质分散、超声分散中的一种。
优选的，步骤S2中：所述醇溶液为乙醇、异丙醇或正丙醇。
优选的，步骤S2中：所述全氟磺酸聚合物溶液的EW值大于700，小于1100；所述全氟磺酸聚合物溶液的固含量为1％～25％。
优选的，步骤S2中：所述醇溶液和全氟磺酸聚合物溶液的重量份配比为(10～70)∶(2～50)。
优选的，步骤S2中：预分散方式为磁力搅拌、机械搅拌或超声分散，预分散时间为5～100min。
优选的，步骤S2中：再分散的分散方式为高速剪切分散，高速剪切分散的转速为10000～19000rpm，时间为0.5～3h；高速剪切分散在1～15℃的循环水浴环境下进行；或者，再分散的分散方式采用球磨分散、高压均质分散、超声分散中的一种。
优选的，步骤S3中：分散方式为高速剪切分散，高速剪切分散的转速为10000～19000rpm，时间为0.5～3h；高速剪切分散在1～15℃的循环水浴环境下进行；或者，分散方式采用球磨分散、高压均质分散、超声分散中的一种。
本发明的有益技术效果及原理如下：
本申请的发明人在长期的研发过程中发现，催化剂颗粒与水、醇溶液、全氟磺酸聚合物混合后，全氟磺酸聚合物会将催化剂包裹起来，导致催化剂颗粒团聚，浆料不稳定，同时在有醇溶液的情况下，也会导致催化剂颗粒的团聚，醇占比越高，分散后得到的催化剂浆料颗粒越大。
本发明先将催化剂仅与水混合分散，在没有醇溶液和全氟磺酸聚合物时催化剂的大颗粒可以分散的更小，保证后期催化剂浆料的稳定性；同时，本发明在催化剂和水混合过程中，以及醇溶液和全氟磺酸聚合物溶液混合过程中，采用先预分散，然后进行高速剪切再分散的方式，分散效果更好，催化剂浆料更稳定。
与现有技术相比较，本发明能够极大程度降低催化剂大颗粒，从而使浆料更加稳定，同时能够使全氟磺酸聚合物在催化层上分散更均匀，提高燃料电池性能。而且该方法具有操作简单，适用于浆料的规模化制备等优势。
附图说明
图1为本发明催化剂浆料的制备方法流程示意图；
图2为本发明实施例1所制得催化剂浆料涂布形成催化层的扫描电子显微镜图；
图3为对比例1所制得催化剂浆料涂布形成催化层的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料制备方法，包括以下步骤：
(1)在分散器中依次加入Pt含量50％碳载体高度石墨化的TKK型号TEC10EA50E催化剂、水，催化剂和水的添加比例为10∶40，以重量份计。使用磁力搅拌预分散100min，得到预分散液一。
(2)将预分散液一再进行高速剪切分散30min，剪切速度16000rpm，剪切分散在10℃水浴环境下进行，得到分散液一，密封备用。
(3)在分散器中依次加入异丙醇、20％nafion D2021全氟化树脂溶液，异丙醇与树脂溶液的用量比例为25∶25，以重量份计。使用磁力搅拌预分散100min，得到预分散液二。
(4)将预分散液二高速剪切分散30min，剪切速度19000rpm，剪切分散在10℃水浴环境下进行，得到分散液二，密封备用。
(5)将分散液一与分散液二混合，分散液一与分散液二的重量份比为50∶50，高速剪切分散30min，剪切速度16000rpm，剪切分散在10℃水浴环境下进行，得到分散完成的催化剂浆料。
上述预分散时，磁力搅拌的转速为200rpm。
实施例2
一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，具体实施步骤与实施例1相同，区别是将催化剂换成Pt含量50％高温热处理TKK TEC10EA50E-HT2催化剂。
对比例1
一种质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在分散器中依次加入Pt含量50％碳载体高度石墨化的TKK型号TEC10EA50E催化剂、水、异丙醇、20％nafion D2021全氟化树脂溶液，加入比例为10∶40∶25∶25，以重量份计。使用磁力搅拌预分散100min，得到预分散液。
(2)将预分散液高速剪切分散30min，剪切速度16000rpm，剪切分散在10℃水浴环境下进行，得到分散完成的催化剂浆料。
对比例2
一种质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，具体实施步骤与对比例1相同，区别是将催化剂换成Pt含量50％高温热处理TKK TEC10EA50E-HT2催化剂。
上述实施例1与实施例2均采用本发明高稳定性的质子交换膜燃料电池催化剂浆料制备方法，对比例1与对比例2均采用常规的分散方法。实施例和对比例中浆料分散完成后使用激光粒度分析仪测试浆料粒径分布，主要参数为D50和D97，D97小于7nm时浆料稳定不易沉降。浆料密封静置24h后从浆料底部取样，再次测试浆料粒径。结果如下表1所示。
表1
表1为实施例与对比例所制得催化剂浆料的粒径比较，实施例1、实施例2的D50均在1um左右，D97均小于7um，24h后再次测量浆料粒径，发现实施例的粒径没有较大变化，浆料稳定性很好。对比例1、对比例2的D50相对较大，D97均大于7um，24h后再次测量浆料粒径，发现对比例的粒径明显增大，浆料稳定性差。
分散完成的浆料使用狭缝涂布制备催化层，并使用扫描显微镜观察催化层表面。图2为实施例1所制得催化剂浆料涂布形成催化层的扫描电镜图，从图中可看出催化层表面结构平整没有较大团聚现象，且孔结构明显。图3为对比例1所制得催化剂浆料涂布形成催化层的扫描电镜图，从图中可看出催化层表面结构不平整，有较大团聚现象，且全氟磺酸聚合物没有分散完全。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
以上仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，熟悉本领域的技术人员显然可以很容易地对实施例做出修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1取催化剂和水混合预分散形成预分散液一，将预分散液一再分散，得到分散液一；
S2取醇溶液、全氟磺酸聚合物溶液混合预分散形成预分散液二，将预分散液二再分散，得到分散液二；
S3将分散液一与分散液二混合，并继续分散，得到高稳定的催化剂浆料。
2.根据权利要求1所述的一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，其特征在于，步骤S1中：所述催化剂为高铂负载量催化剂、高温热处理催化剂或高度石墨化碳载体的催化剂；催化剂和水的重量份配比为(1～20)∶(10～70)。
3.根据权利要求1所述的一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，其特征在于，步骤S1中：预分散方式为磁力搅拌、机械搅拌或超声分散，预分散时间为5～100min。
4.根据权利要求1所述的一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，其特征在于，步骤S1中：再分散的分散方式为高速剪切分散，高速剪切分散的转速为10000～19000rpm，时间为0.5～3h；高速剪切分散在1～15℃的循环水浴环境下进行；或者，再分散的分散方式采用球磨分散、高压均质分散、超声分散中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，其特征在于，步骤S2中：所述醇溶液为乙醇、异丙醇或正丙醇。
6.根据权利要求1所述的一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，其特征在于，步骤S2中：所述全氟磺酸聚合物溶液的EW值大于700，小于1100；所述全氟磺酸聚合物溶液的固含量为1％～25％。
7.根据权利要求1所述的一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，其特征在于，步骤S2中：所述醇溶液和全氟磺酸聚合物溶液的重量份配比为(10～70)∶(2～50)。
8.根据权利要求1所述的一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，其特征在于，步骤S2中：预分散方式为磁力搅拌、机械搅拌或超声分散，预分散时间为5～100min。
9.根据权利要求1所述的一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，其特征在于，步骤S2中：再分散的分散方式为高速剪切分散，高速剪切分散的转速为10000～19000rpm，时间为0.5～3h；高速剪切分散在1～15℃的循环水浴环境下进行；或者，再分散的分散方式采用球磨分散、高压均质分散、超声分散中的一种。
10.根据权利要求1所述的一种高稳定的质子交换膜燃料电池催化剂浆料的制备方法，其特征在于，步骤S3中：分散方式为高速剪切分散，高速剪切分散的转速为10000～19000rpm，时间为0.5～3h；高速剪切分散在1～15℃的循环水浴环境下进行；或者，分散方式采用球磨分散、高压均质分散、超声分散中的一种。
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|---|---|---|---|---|
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