CN116004050A - 燃料电池用高沸点催化层油墨及制备方法 - Google Patents

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朱维
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Abstract

本发明提出一种燃料电池用高沸点催化层油墨及其制备方法，包括称取一定质量比的全氟磺酸树脂与Nafion离聚物，溶解于有机醇溶剂中，并搅拌均匀；此后加入高沸点添加剂，最后加入催化剂搅拌均匀等步骤。本发明利用不同添加顺序、不同的搅拌方式，使Pt/C的分散更加均匀，避免出现Pt的颗粒团聚。并且在溶剂中添加高沸点的添加剂邻苯二甲酸酯，邻苯二甲酸酯的酯基与全氟磺酸中的磺酸基交联，使溶液的黏度增加，避免涂覆后的催化层开裂，同时全氟磺酸树脂与Nafion离聚物形成亲水与疏水通道，有利于保持膜电极的水平衡。

Description

燃料电池用高沸点催化层油墨及制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池用高沸点催化层油墨及制备方法。
背景技术
燃料电池是一种可以直接将化学能转换为电能的装置，其中膜电极是燃料电池最核心的零部件之一。膜电极由阴阳极催化层、质子交换膜、阴阳极扩散层组成，其中阴阳极催化层主要由催化剂、全氟磺酸树脂、Nafion离聚物和溶剂混合成催化剂浆料后，成膜并干燥制成。催化剂浆料的均匀性直接影响催化层的孔隙率、孔结构与亲憎水性能等，影响膜电极的性能。另外催化层在干燥过程中，随着小分子溶剂与水的蒸发，催化层易出现皲裂的现象，皲裂的催化层如果应用到膜电极中，会造成气体大量串漏，引起膜电极短路，造成膜电极失活。
发明内容
本发明针对催化层在干燥过程中容易皲裂的技术问题，提出一种含有高沸点添加剂，不易皲裂的高沸点催化层油墨及制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种燃料电池用高沸点催化层油墨，含有催化剂、全氟磺酸树脂、Nafion离聚物、高沸点添加剂、去离子水以及有机醇溶剂，上述成分质量比为：(0.01～0.8)：(1～10)：(0.5～2)：(0.1～1)：(0.01～0.8)：(5～10)。
作为优选，其粘度为200-400mpa.s。
本发明还提出一种燃料电池用高沸点催化层油墨的制备方法，包括如下步骤，
(1)称取一定质量比的全氟磺酸树脂与Nafion离聚物，溶解于有机醇溶剂中，并搅拌均匀；
(2)称取一定质量的高沸点添加剂，加入到步骤(1)的溶液中，超声分散；
(3)采用一定质量比的水洇湿催化剂后加入至步骤(3)所得溶液中并搅拌均匀；
作为优选，全氟磺酸树脂、Nafion离聚物和有机醇的质量比为(1～10)：(0.5～2):(5～10)。
作为优选，所述有机醇为乙二醇、丙三醇、异丙醇、丁二醇中的一种或多种。
作为优选，步骤(1)中采用磁力搅拌，搅拌速率设置为200～400rpm/min搅拌20～40min，然后搅拌速率设置为600～800rpm/min搅拌20～40min，然后搅拌速率设置为1000～1200rpm/min搅拌20～40min，搅拌温度为30～50℃。
作为优选，所述高沸点添加剂为邻苯二甲酸乙二酯、邻苯二甲酸二丙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种。
作为优选，步骤(3)中采用磁力搅拌，搅拌速率为1500～2000rpm/min，温度为30～50℃。
作为优选，所述催化剂为Pt/C、PtCo/C、PtNi/C催化剂中的一种或多种。
作为优选，所述高沸点添加剂的添加量为全氟磺酸树脂的0.1～10％。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明利用不同添加顺序、不同的搅拌方式，使Pt/C的分散更加均匀，避免出现Pt的颗粒团聚。并且在溶剂中添加高沸点的添加剂邻苯二甲酸酯，邻苯二甲酸酯的酯基与全氟磺酸中的磺酸基交联，使溶液的黏度增加，避免涂覆后的催化层开裂，同时全氟磺酸树脂与Nafion离聚物形成亲水与疏水通道，有利于保持膜电极的水平衡。
附图说明
图1为实施例1-4与对比例1-3的催化层干燥后照片；
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例做具体说明。
实施例：
一种燃料电池用高沸点催化层油墨，含有催化剂、全氟磺酸树脂、Nafion离聚物、高沸点添加剂、去离子水以及有机醇溶剂，上述成分质量比为：(0.01～0.8)：(1～10)：(0.5～2)：(0.1～1)：(0.01～0.8)：(5～10)，其粘度为200-400mpa.s。
一种燃料电池用高沸点催化层油墨的制备方法，包括如下步骤，
(1)称取一定质量比的全氟磺酸树脂与Nafion离聚物，溶解于有机醇溶剂中，磁力搅拌分散1～2h；
(2)称取一定质量的高沸点添加剂，加入到步骤(1)的溶液中，超声分散0.5～1h，超声功率为300～500W；
(3)采用一定质量比的水洇湿催化剂后加入至步骤(3)所得溶液中并磁力搅拌0.5～1h，搅拌速率为1500～2000rpm/min，温度为30～50℃，最终得到催化层油墨，添加的水洇湿量为催化剂质量的0.1～10％；
(4)将催化层油墨按照0.35～0.8mg/cm2的载量，涂敷于质子交换膜上，然后干燥并在一段时间内持续观察催化层的表观形貌并拍照记录。
其中，全氟磺酸树脂、Nafion离聚物和有机醇的质量比为(1～10)：(0.5～2):(5～10)。
其中，所述有机醇为乙二醇、丙三醇、异丙醇、丁二醇中的一种或多种。
其中，步骤(1)中采用磁力搅拌，搅拌速率设置为200～400rpm/min搅拌20～40min，然后搅拌速率设置为600～800rpm/min搅拌20～40min，然后搅拌速率设置为1000～1200rpm/min搅拌20～40min，搅拌温度为30～50℃。
其中，所述高沸点添加剂为邻苯二甲酸乙二酯、邻苯二甲酸二丙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种。
其中，所述催化剂为Pt/C、PtCo/C、PtNi/C催化剂中的一种或多种。
其中，所述高沸点添加剂的添加量为全氟磺酸树脂的0.1～10％。
下面通过具体的实际应用来说明本发明的制备方法以及该制备方法制备出来的催化层的表面情况。以下实施例和对比例中粘度的测量均使用brookfield粘度计，具体为在恒温25℃下，将粘度测试探针插入待测溶液中，测得粘度值。催化层负载质子膜的干燥条件为加热台温度90～120℃，干燥时间120～240s。
实施例1
称取8g全氟磺酸(PFSA)树脂与2g质量百分含量为3％的Nafion离聚物，溶解于100ml丙三醇中，采用磁力搅拌，300rpm/min搅拌30min，然后500rpm/min搅拌30min，最后1000rpm/min搅拌30min。称取0.8g邻苯二甲酸二丁酯(沸点340℃)，加入到上述溶液中，采用400W的功率超声分散，分散1h。
同时，称取500mg PtCo/C催化剂，用0.05g去离子水洇湿催化剂，将催化剂缓慢的加入到上述溶液中，采用1500rpm/min的分散速率，30℃下磁力搅拌1h，使催化剂分散均匀，并在搅拌结束后利用粘度计测试催化层浆料的黏度。再将催化层浆料涂敷于真空吸附的质子交换膜上，真空台温度为400℃，将涂覆后的催化层负载质子膜(催化剂载量0.35mg/cm2)干燥，并观察催化层开裂现象。
实施例2
称取10g全氟磺酸(PFSA)树脂与1g质量百分含量为5％的Nafion离聚物，溶解于80ml丁二醇中，采用磁力搅拌，400rpm/min搅拌30min，600rpm/min搅拌40min，1200rpm/min搅拌40min。称取0.1g邻苯二甲酸二丙酯(沸点317.5℃)，加入到上述溶液中，采用500W超声分散，分散0.5h。
同时，称取800mg PtNi/C催化剂，用0.08g去离子水洇湿催化剂，将催化剂缓慢的加入到上述溶液中，采用2000rpm/min的分散速率，50℃下磁力搅拌1h，使催化剂分散均匀，并在搅拌结束后利用粘度计测试催化层浆料的黏度。再将催化层浆料涂敷于真空吸附的质子交换膜上，真空台温度为400℃，将涂覆后的催化层负载质子膜(催化剂载量0.5mg/cm2)干燥，并观察催化层开裂现象。
实施例3
称取10g全氟磺酸(PFSA)树脂与1g质量百分含量为4％的Nafion离聚物，溶解于80ml异丙醇中，采用磁力搅拌，300rpm/min搅拌30min，600rpm/min搅拌30min，1000rpm/min搅拌30min。称取0.5g邻苯二甲酸二辛酯(沸点340℃)，加入到上述溶液中，采用500W超声分散，分散1h。
同时，称取400mg PtNi/C催化剂，用0.04g去离子水洇湿催化剂，将催化剂缓慢的加入到上述溶液中，采用1800rpm/min的分散速率，30℃下磁力搅拌40min，使催化剂分散均匀，并在搅拌结束后利用粘度计测试催化层浆料的黏度。再将催化层浆料涂敷于真空吸附的质子交换膜上，真空台温度为400℃，将涂覆后的催化层负载质子膜(催化剂载量0.35mg/cm2)干燥，并观察催化层开裂现象。
实施例4
称取10g全氟磺酸(PFSA)树脂与1g质量百分含量为4％的Nafion离聚物，溶解于80ml异丙醇中，采用磁力搅拌，300rpm/min搅拌30min，600rpm/min搅拌30min，1000rpm/min搅拌30min。称取2g邻苯二甲酸二丙酯(沸点317.5℃)，加入到上述溶液中，采用500W超声分散，分散1h。
同时，称取400mg PtCo/C催化剂，用0.05g去离子水洇湿催化剂，将催化剂缓慢的加入到上述溶液中，采用1500rpm/min的分散速率，30℃下磁力搅拌1h，使催化剂分散均匀，并在搅拌结束后利用粘度计测试催化层浆料的黏度。再将催化层浆料涂敷于真空吸附的质子交换膜上，真空台温度为400℃，将涂覆后的催化层负载质子膜(催化剂载量0.35mg/cm2)干燥，并观察催化层开裂现象。
对比例1
称取8g全氟磺酸(PFSA)树脂与2g质量百分含量为3％的Nafion离聚物，溶解于100ml丙三醇中，采用磁力搅拌，300rpm/min搅拌30min，500rpm/min搅拌30min，1000rpm/min搅拌30min。
同时，称取500mg PtCo/C催化剂，用0.05g去离子水洇湿催化剂，将催化剂缓慢的加入到上述溶液中，采用1500rpm/min的分散速率，30℃下磁力搅拌1h，使催化剂分散均匀，并在搅拌结束后利用粘度计测试催化层浆料的黏度。再将催化层浆料涂敷于真空吸附的质子交换膜上，真空台温度为400℃，将涂覆后的催化层负载质子膜(催化剂载量0.35mg/cm2)干燥，并观察催化层开裂现象。
对比例2
称取10g全氟磺酸(PFSA)树脂与1g质量百分含量为5％的Nafion离聚物，溶解于80ml丁二醇中，采用磁力搅拌，400rpm/min搅拌30min，600rpm/min搅拌40min，1200rpm/min搅拌40min。
同时，称取800mg PtNi/C催化剂，用0.08g去离子水洇湿催化剂，将催化剂缓慢的加入到上述溶液中，采用2000rpm/min的分散速率，50℃下磁力搅拌1h，使催化剂分散均匀，并在搅拌结束后利用粘度计测试催化层浆料的黏度。再将催化层浆料涂敷于真空吸附的质子交换膜上，真空台温度为400℃，将涂覆后的催化层负载质子膜(催化剂载量0.5mg/cm2)干燥，并观察催化层开裂现象。
对比例3
称取10g全氟磺酸(PFSA)树脂与1g质量百分含量为5％的Nafion离聚物，溶解于80ml丁二醇中，采用磁力搅拌，采用600rpm/min，搅拌1h，称取2g邻苯二甲酸二丙酯(沸点317.5℃)，加入到上述溶液中，采用400W超声分散，分散1h。
同时，称取800mg PtNi/C催化剂，用0.08g去离子水洇湿催化剂，将催化剂缓慢的加入到上述溶液中，采用2000rpm/min的分散速率，50℃下磁力搅拌1h，使催化剂分散均匀，并在搅拌结束后利用粘度计测试催化层浆料的黏度。再将催化层浆料涂敷于真空吸附的质子交换膜上，真空台温度为400℃，将涂覆后的催化层负载质子膜(催化剂载量0.5mg/cm2)干燥，并观察催化层开裂现象。
表1实施例1-4与对比例1-3的催化层油墨的粘度统计表
Figure BDA0004019738220000071
Figure BDA0004019738220000081
表1是实施例1-4与对比例1-3的催化层油墨的粘度统计表，通过对比可以看出，增加邻苯二甲酸酯类的浆料粘度增大，实施例1当添加量为10％时，粘度达到328mPa.s，实施例3当添加量达到5％时，粘度达到382mPa.s。实施例4而当添加量达到20％，粘度出现下降，团聚现象明显。对比例未加邻苯二甲酸酯类的浆料粘度很低。
图1为实施例1-4与对比例1-3的催化层干燥后照片，图中a-g分别对应实施例1-4、对比例1-3。从图中可以直观的观察到催化层的开裂情况。实施例1由于增加了PFSA质量10％的邻苯二甲酸二丁酯，浆料粘度较大，酯基与全氟磺酸中的磺酸基交联，因此催化层不会出现开裂现象，但均匀性不好。实施例2只添加PFSA质量1％的邻苯二甲酸二丙酯，催化层出现少量裂纹。实施例3当添加量为5％时，浆料粘度适宜，涂覆后的膜电极无开裂现象，均一性较高。实施例4中当添加量达到20％，团聚现象明显，涂覆后催化层均一性较差。对比例1-2未添加高沸点有机物，制备得到的催化层在低沸点醇类以及去离子水蒸干后，完全开裂，膜电极失效。对比例3中虽然添加了邻苯二甲酸二丙酯，但由于搅拌方式不同导致浆料均匀性不足，有一定的开裂。
本发明利用不同添加顺序、不同的搅拌方式，使Pt/C的分散更加均匀，避免出现Pt的颗粒团聚。并且在溶剂中添加高沸点的添加剂邻苯二甲酸酯，邻苯二甲酸酯的酯基与全氟磺酸中的磺酸基交联，使溶液的黏度增加，避免涂覆后的催化层开裂，同时全氟磺酸树脂与Nafion离聚物形成亲水与疏水通道，有利于保持膜电极的水平衡。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池用高沸点催化层油墨，其特征在于：含有催化剂、全氟磺酸树脂、Nafion离聚物、高沸点添加剂、去离子水以及有机醇溶剂，上述成分质量比为：(0.01～0.8)：(1～10)：(0.5～2)：(0.1～1)：(0.01～0.8)：(5～10)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用高沸点催化层油墨，其特征在于：其粘度为200-400mpa.s。
3.一种燃料电池用高沸点催化层油墨的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
(1)称取一定质量比的全氟磺酸树脂与Nafion离聚物，溶解于有机醇溶剂中，并搅拌均匀；
(2)称取一定质量的高沸点添加剂，加入到步骤(1)的溶液中，超声分散；
(3)采用一定质量比的水洇湿催化剂后加入至步骤(3)所得溶液中并搅拌均匀。
4.根据权利要求1所述的燃料电池用高沸点催化层油墨的制备方法，其特征在于：全氟磺酸树脂、Nafion离聚物和有机醇的质量比为(1～10)：(0.5～2):(5～10)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池用高沸点催化层油墨的制备方法，其特征在于：所述有机醇为乙二醇、丙三醇、异丙醇、丁二醇中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的燃料电池用高沸点催化层油墨的制备方法，其特征在于：步骤(1)中采用磁力搅拌，搅拌速率设置为200～400rpm/min搅拌20～40min，然后搅拌速率设置为600～800rpm/min搅拌20～40min，然后搅拌速率设置为1000～1200rpm/min搅拌20～40min，搅拌温度为30～50℃。
7.根据权利要求3所述的燃料电池用高沸点催化层油墨的制备方法，其特征在于：所述高沸点添加剂为邻苯二甲酸乙二酯、邻苯二甲酸二丙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种。
8.根据权利要求3所述的燃料电池用高沸点催化层油墨的制备方法，其特征在于：步骤(3)中采用磁力搅拌，搅拌速率为1500～2000rpm/min，温度为30～50℃。
9.根据权利要求3所述的燃料电池用高沸点催化层油墨的制备方法，其特征在于：所述催化剂为Pt/C、PtCo/C、PtNi/C催化剂中的一种或多种。
10.根据权利要求3所述的燃料电池用高沸点催化层油墨的制备方法，其特征在于：所述高沸点添加剂的添加量为全氟磺酸树脂的0.1～10％。
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