CN116779882A - 一种高性能膜电极浆料的制备方法 - Google Patents
一种高性能膜电极浆料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116779882A CN116779882A CN202311040081.3A CN202311040081A CN116779882A CN 116779882 A CN116779882 A CN 116779882A CN 202311040081 A CN202311040081 A CN 202311040081A CN 116779882 A CN116779882 A CN 116779882A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- membrane electrode
- grinding
- electrode slurry
- dispersing
- homogenizer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 239000011267 electrode slurry Substances 0.000 title claims abstract description 17
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 30
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract description 21
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 16
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 16
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 4
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical group OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 229910001339 C alloy Inorganic materials 0.000 claims description 7
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N Tert-Butanol Chemical compound CC(C)(C)O DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 abstract description 16
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 9
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 7
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 5
- 238000011056 performance test Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 3
- 230000004927 fusion Effects 0.000 abstract description 3
- 150000003460 sulfonic acids Chemical class 0.000 abstract description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000306 component Substances 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000034964 establishment of cell polarity Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011268 mixed slurry Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高性能膜电极浆料的制备方法，属于燃料电池技术领域，包括如下步骤：将合金催化剂、去离子水、高分子聚合物质子导体和溶剂混合，加入均质机中进行预分散，均质机参数设置分为5段，每段5min，转速逐步增加；预分散后进行研磨，研磨温度为15‑25℃，研磨转速为1000r/min‑2000r/min，研磨时间为20‑60min。通过使用均质机分段变速法以及球磨机分散法使浆料体系分散效果得到提升，同时有利于全氟磺酸树脂在浆料中的充分融合，而离子和水分子通过离子簇之间的通道进行传递，则CCM性能测试时质子与水分子传递更加流畅，降低了传质极化损失，提高了单电池性能。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种高性能膜电极浆料的制备方法。
背景技术
燃料电池的核心组件是膜电极，其主要由阴阳极气体扩散层，质子交换膜和阴阳极催化层组成。由质子交换膜和两侧的阴阳极催化剂层构成的三合一组件为催化剂涂覆质子膜，简称为CCM(CatalystCoated Membrane)。
目前多数企业采用传统的高速剪切分散和超声波震荡法分散膜电极浆料的制备工艺，容易导致浆料发生团聚和沉降的现象，极大程度影响了催化剂浆料的分散性和喷涂效果，进而影响膜电极的电化学性能。如果在浆料中加入表面活性剂等材料，不易挥发残留在浆料体系中可能会影响膜电极的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能膜电极浆料的制备方法，以解决采用传统的高速剪切分散和超声波震荡法分散膜电极浆料的制备工艺，容易导致浆料发生团聚和沉降的现象的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高性能膜电极浆料的制备方法，包括如下步骤：
将合金催化剂、去离子水、高分子聚合物质子导体和溶剂混合，加入均质机中进行预分散，均质机参数设置分为5段，每段5min，转速逐步增加，分别为1000r/min、1200 r/min、1400 r/min、1600 r/min、1800r/min，整个过程25min；预分散后放入球磨机中进行研磨，研磨温度为15-25℃，研磨转速为1000r/min-2000r/min，研磨时间为20-60min。
进一步地，合金催化剂、去离子水、高分子聚合物质子导体和溶剂的用量质量比为1：4.5：7.42：7.2。
进一步地，高分子聚合物质子导体为全氟磺酸树脂溶液，全氟磺酸树脂溶液包括全氟磺酸树脂、水和溶剂，其中，全氟磺酸树脂固体含量约5-5.5wt%、溶剂含量为49-50wt%，余量为水。
进一步地，合金催化剂包括Pt/C催化剂和PtM/C合金催化剂，Pt/C催化剂Pt含量为40-80wt%，PtM/C合金催化剂中M为Co、Ir、Ru中的一种，其中Pt含量为30-50wt%，M含量为10-30wt%。
进一步地，溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和叔丁醇的一种或多种。
进一步地，去离子水的电阻率≥18兆欧。
进一步地，研磨转速为1500r/min，研磨时间为30min。
本发明的有益效果：
为保证催化剂得到充分浸润，本发明向催化剂中加入高分子聚合物质子导体以及溶剂，得到混合浆料，先使用均质机进行预分散，不同阶段的变速剪切让催化剂粒径实现减小的同时，催化剂颗粒与全氟磺酸树脂溶液得到充分混合，然后再进行球磨过程。
球磨过程是利用摩擦挤压将催化剂颗粒二次分散，同时在此过程中摩擦带来的升温有热处理的作用，加快了树脂中的高分子聚合物质子导体在溶液中充分扩散，促使其链状结构展开并与催化剂颗粒接触，形成高效的三相界面，提高了膜电极的传质能力，有利于膜电极的电化学性能，同时浆料体系得到充分分散，无大颗粒存在，改善了催化剂颗粒沉降团聚严重的问题。最后在超声震荡机中储存，此过程也促进了浆料体系的分散，颗粒移动减弱沉降。
本发明CCM的传质过程得到了极大的改善，本发明中通过使用均质机分段变速法以及球磨机分散法使浆料体系分散效果得到提升，同时有利于全氟磺酸树脂在浆料中的充分融合，而离子和水分子通过离子簇之间的通道进行传递，则CCM性能测试时质子与水分子传递更加流畅，降低了传质极化损失，提高了单电池性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明实施例1和对比例1制备的CCM，小电池性能的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高性能膜电极浆料的制备方法，包括如下步骤：
将合金催化剂、去离子水、高分子聚合物质子导体和乙醇混合，加入均质机中进行预分散，均质机参数设置分为5段，每段5min，转速逐步增加，分别为1000r/min、1200 r/min、1400 r/min、1600 r/min、1800r/min，整个过程25min；预分散后放入球磨机中进行研磨，研磨温度为15-25℃，研磨转速为1500r/min，研磨时间30min。合金催化剂、去离子水、高分子聚合物质子导体和乙醇的用量质量比为1：4.5：7.42：7.2。
高分子聚合物质子导体为全氟磺酸树脂溶液，全氟磺酸树脂溶液包括全氟磺酸树脂、水和乙醇，其中，全氟磺酸树脂固体含量约5wt%、乙醇含量为49wt%，余量为水。合金催化剂包括Pt/C催化剂和PtM/C合金催化剂，Pt/C催化剂Pt含量为40wt%；去离子水的电阻率≥18兆欧。
实施例2
一种高性能膜电极浆料的制备方法，包括如下步骤：
将合金催化剂、去离子水、高分子聚合物质子导体和正丙醇混合，加入均质机中进行预分散，均质机参数设置分为5段，每段5min，转速逐步增加，分别为1000r/min、1200 r/min、1400 r/min、1600 r/min、1800r/min，整个过程25min；预分散后放入球磨机中进行研磨，研磨温度为15-25℃，研磨转速为1000r/min，研磨时间为60min。合金催化剂、去离子水、高分子聚合物质子导体和正丙醇的用量质量比为1：4.5：7.42：7.2。
高分子聚合物质子导体为全氟磺酸树脂溶液，全氟磺酸树脂溶液包括全氟磺酸树脂、水和正丙醇，其中，全氟磺酸树脂固体含量约5.5wt%、正丙醇含量为50wt%，余量为水；合金催化剂为PtM/C合金催化剂，PtM/C合金催化剂中M为Co其中Pt含量为30wt%，Co含量为10wt%；去离子水的电阻率≥18兆欧。
对比例1
设置高速剪切机转速1.4W rpm，搅拌温度维持在15-25℃，剪切时间与本实施例1的分散时间保持一致25min，在分散时间结束后，同样放入超声震荡机进行储存待用。
对实施例1和对比例1制备的样品进行测试，使用以上两种方法制备的浆料分别进行CCM制备，探究其小电池性能。先使用喷涂或涂布方法将浆料喷涂到质子交换膜两侧，质子交换膜的厚度在8-18μm，质子膜两侧涂上阴阳极催化层，厚度约16-30μm，载量约0.25-0.45mg/cm2。在CCM制备完成后，裁剪面积25cm2的碳纸两张，碳纸厚度约150-230μm，裁剪中间镂空25cm2的回字形边框两张进行小电池MEA制作，边框厚度40-100μm。通过热压方法得到密封的小膜电极，在单电池测试台上进行测试。实施例1制备的为样品1，对比例1制备的样品为对比样。
燃料电池性能测试条件按照《GBT 20042.5-2009 质子交换膜燃料电池 第5部分：膜电极测试方法》。需要设置的参数有电池运行温度，阴阳极气体为H2 /Air，阴阳极气体加湿条件，阴阳极流量以及阴阳极计量比，阴阳极出气口背压值。
样品1为本发明所制备的CCM，对比样为高速剪切机方法制备的CCM。从图中可以看到，在特殊电密条件下，样品1比对比样电压高出约15-20mV，本发明的CCM性能更加优异。单电池极化损失主要为三部分，活化极化损失、欧姆极化损失、传质极化损失。参阅图1所示，可以看到在第三段传质极化区段差异较大。通过本发明CCM的传质过程得到了极大的改善，使用均质机分段变速法以及球磨机分散法使浆料体系分散效果得到提升，同时有利于全氟磺酸树脂在浆料中的充分融合，而离子和水分子通过离子簇之间的通道进行传递，则CCM性能测试时质子与水分子传递更加流畅，降低了传质极化损失，提高了单电池性能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种高性能膜电极浆料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将合金催化剂、去离子水、高分子聚合物质子导体和溶剂混合，加入均质机中进行预分散，均质机参数设置分为5段，每段5min，转速逐步增加，分别为1000r/min、1200 r/min、1400 r/min、1600 r/min、1800r/min，整个过程25min；预分散后放入球磨机中进行研磨，研磨温度为15-25℃，研磨转速为1000r/min-2000r/min，研磨时间为20-60min。
2.根据权利要求1所述的一种高性能膜电极浆料的制备方法，其特征在于，合金催化剂、去离子水、高分子聚合物质子导体和溶剂的用量质量比为1：4.5：7.42：7.2。
3.根据权利要求1所述的一种高性能膜电极浆料的制备方法，其特征在于，高分子聚合物质子导体为全氟磺酸树脂溶液，全氟磺酸树脂溶液包括全氟磺酸树脂、水和溶剂，其中，全氟磺酸树脂固体含量约5-5.5wt%、溶剂含量为49-50wt%，余量为水。
4.根据权利要求1所述的一种高性能膜电极浆料的制备方法，其特征在于，合金催化剂包括Pt/C催化剂和PtM/C合金催化剂，Pt/C催化剂Pt含量为40-80wt%，PtM/C合金催化剂中M为Co、Ir、Ru中的一种，其中Pt含量为30-50wt%，M含量为10-30wt%。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种高性能膜电极浆料的制备方法，其特征在于，溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和叔丁醇的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种高性能膜电极浆料的制备方法，其特征在于，去离子水的电阻率≥18兆欧。
7.根据权利要求1所述的一种高性能膜电极浆料的制备方法，其特征在于，研磨转速为1500r/min，研磨时间为30min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311040081.3A CN116779882A (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | 一种高性能膜电极浆料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311040081.3A CN116779882A (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | 一种高性能膜电极浆料的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116779882A true CN116779882A (zh) | 2023-09-19 |
Family
ID=88011885
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311040081.3A Pending CN116779882A (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | 一种高性能膜电极浆料的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116779882A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103782429A (zh) * | 2011-08-31 | 2014-05-07 | 丰田自动车株式会社 | 催化剂油墨的制造方法、以及燃料电池的制造方法、燃料电池 |
| JP2016115455A (ja) * | 2014-12-12 | 2016-06-23 | トヨタ自動車株式会社 | 触媒インクの製造方法 |
| CN112563518A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-03-26 | 鸿基创能科技(广州)有限公司 | 制备高稳定性燃料电池催化剂涂布浆料的方法 |
| CN114146622A (zh) * | 2021-07-13 | 2022-03-08 | 南方科技大学 | 一种膜电极浆料及其制备方法 |
| CN115101756A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-09-23 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 一种微孔层浆料及其制备方法和微孔层、气体扩散层 |
-
2023
- 2023-08-18 CN CN202311040081.3A patent/CN116779882A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103782429A (zh) * | 2011-08-31 | 2014-05-07 | 丰田自动车株式会社 | 催化剂油墨的制造方法、以及燃料电池的制造方法、燃料电池 |
| JP2016115455A (ja) * | 2014-12-12 | 2016-06-23 | トヨタ自動車株式会社 | 触媒インクの製造方法 |
| CN112563518A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-03-26 | 鸿基创能科技(广州)有限公司 | 制备高稳定性燃料电池催化剂涂布浆料的方法 |
| CN114146622A (zh) * | 2021-07-13 | 2022-03-08 | 南方科技大学 | 一种膜电极浆料及其制备方法 |
| CN115101756A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-09-23 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 一种微孔层浆料及其制备方法和微孔层、气体扩散层 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112133928B (zh) | 一种稳定且高性能的质子交换膜燃料电池催化剂浆料及其制备方法 | |
| CN113488668B (zh) | 一种改善离聚物在催化剂浆料中分散性的质子交换膜燃料电池浆料及其制备方法 | |
| CN111135761A (zh) | 一种抗沉降的燃料电池催化剂浆料的制备方法 | |
| CN110400953B (zh) | 一种固体电解质水电解膜电极及其制备方法 | |
| CN114171748A (zh) | 一种形成离聚物网络的燃料电池催化剂浆料及其制备方法 | |
| CN114204049B (zh) | 一种低铂载量质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 | |
| CN114243034B (zh) | 一种抗沉淀催化剂浆料及其制备方法 | |
| CN111261879A (zh) | 含分散助剂的催化剂浆料及制得的催化层和燃料电池电极 | |
| CN115188972A (zh) | 一种催化剂浆料及其制备方法和应用及膜电极和燃料电池 | |
| CN116779882A (zh) | 一种高性能膜电极浆料的制备方法 | |
| CN114204053B (zh) | 一种燃料电池膜电极浆料制备方法 | |
| Liu et al. | One simple design to improve the mass transfer of low Pt-loaded membrane electrode assembly to realize operation under low humidity | |
| CN115566200A (zh) | 催化剂浆料及制备、ccm及制备和膜电极 | |
| CN100375320C (zh) | 质子交换膜燃料电池多层膜电极结构及其制备方法 | |
| CN112310421B (zh) | 燃料电池用电极、膜电极组件、芯片、催化剂层、催化剂分散体及其制备方法 | |
| CN114959765B (zh) | 一种膜电极用胶粘剂及膜电极料浆制备方法、膜电极及质子交换膜水电解槽 | |
| CN114188582B (zh) | 一种燃料电池膜电极离聚物预处理方法 | |
| US20220190353A1 (en) | Method for Preparing Highly Stable Catalyst Coating Slurry for Fuel Cells | |
| CN116314881B (zh) | 一种阳极催化剂层及其制备方法、膜电极和燃料电池 | |
| CN115799545B (zh) | 催化层及其制备方法、膜电极、燃料电池和用电装置 | |
| CN113629264B (zh) | 一种燃料电池用催化剂浆料及其制备方法和应用 | |
| US20240339629A1 (en) | Preparation of a catalyst ink for manufacturing a catalyst coated membrane (ccm) | |
| CN116799228A (zh) | 一种催化剂浆料及其制备方法、应用 | |
| EP4060776A1 (en) | Electrode assembly for proton exchange membrane-free fuel cell and preparation method therefor, and fuel cell | |
| CN115911413A (zh) | 催化剂浆料及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230919 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |