CN117747854A - 膜电极梯度催化剂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种膜电极梯度催化剂层的制备方法,属于燃料电池领域。制备方法包括采用多流道模头对基膜进行狭缝涂布;其中,多流道模头开设有输出催化剂浆料的多个流道、以及与流道连通用于向基膜涂布催化剂浆料的唇口,唇口呈狭缝状,每个流道输出的催化剂浆料不同;狭缝涂布包括:相邻的两个流道进行涂布切换时,唇口与基膜之间被配置为始终被催化剂浆料填满。其能够缓解制备梯度催化剂层的过程中存在相邻的两个涂层的融合处不平整,影响催化层涂布质量的问题。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池领域,具体而言,涉及一种膜电极梯度催化剂层的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量密度、高效率和环境友好等优点,因此在固定和运输应用中受到越来越多的关注。膜电极包括催化剂层、扩散层和质子交换膜,为质子交换膜燃料电池的电化学反应提供了质子、电子、反应气体和水连续通道。现有的研究表明可以通过在催化层中引入平面内梯度来改善PEMFC的性能,催化层平面内的梯度可以包括从反应气体入口侧到出口侧的Pt负载梯度、离聚物含量梯度以及离聚物与催化剂中的碳的比例梯度等各种面内梯度。
现有的制备具有面内梯度的梯度催化剂层时,通常采用多种不同的催化剂浆料进行涂布,通过涂层拼接以实现面内梯度,然而制备过程中存在相邻的两个涂层的融合处不平整(也即是两个涂层的融合处与非融合处厚度不一致),影响催化层涂布质量的问题。
发明内容
本申请提供了一种膜电极梯度催化剂层的制备方法,该制备方法能够缓解制备梯度催化剂层的过程中存在相邻的两个涂层的融合处不平整,影响催化层涂布质量的问题。
本申请的实施例是这样实现的:
本申请示例提供了一种膜电极梯度催化剂层的制备方法,制备方法包括以下步骤:采用多流道模头对基膜进行狭缝涂布。
其中,多流道模头开设有用于输出催化剂浆料的多个流道,以及与每个流道连通用于向基膜涂布催化剂浆料的唇口,每个唇口呈狭缝状,每个流道输出的催化剂浆料不同。
狭缝涂布包括:相邻的两个流道进行涂布切换时,唇口与基膜之间被配置为始终被催化剂浆料填满。
本申请提供的膜电极梯度催化剂层的制备方法,由于涂布过程中基膜和唇口之间的距离保持不变,因此通过相邻的两个流道进行涂布切换时,唇口与基膜之间被配置为始终被催化剂浆料填满,有利于使切换过程中形成的涂层的融合区平整,与涂层大面的厚度基本保持一致,提高催化层涂布质量。
在一些实施例中,唇口的数量为多个,多个唇口与流道一一对应且连通;
狭缝涂布包括:多个唇口沿涂布方向间隔布置,任意相邻的唇口按照涂布方向的下游至涂布方向的上游的顺序依次切换进行间歇涂布,其中相邻的两个唇口进行涂布切换时,位于涂布方向上游的唇口与基膜之间被配置为始终被催化剂浆料填满。
在一些实施例中,相邻的两个唇口进行涂布切换时,位于涂布方向下游的唇口在基膜的预设位置停止给料后,位于涂布方向上游的唇口开始给料。
在一些实施例中,多个流道平行布置,相邻的两个唇口之间的间隔距离为3-5mm。
在一些实施例中,流道的数量为两个。
在一些实施例中,涂布时唇口与基膜之间的间隔距离为100-300μm。
在一些实施例中,涂布的速度为2-6m/min,催化剂浆料的流速为40-120mL/min。
在一些实施例中,唇口具有互相垂直的宽度和长度,以进行狭缝涂布时唇口与涂布方向平行的方向作为唇口的宽度,唇口的宽度为125-625μm,唇口的长度为150-350mm。
在一些实施例中,制备方法包括:对基膜沿涂布方向周期性进行狭缝涂布,相邻的两个狭缝涂布的步骤之间对基膜进行留白处理,基膜在涂布方向的留白长度≥10mm。
在一些实施例中,基膜为质子交换膜或者转印膜。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本申请的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1提供的狭缝涂布示意图;
图2为本申请实施例1提供的梯度催化剂层的示意图。
图标:10-质子交换膜;20-双流道模头;21-第一流道;22-第二流道;30-梯度催化剂层;31-第一涂层;32-第二涂层;33-融合区。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本申请,而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
相邻的两个涂层的融合处不平整包括融合区凸出于涂层大面(非融合区)以及凹陷于涂层大面,影响催化层涂布质量,进而影响电池性能,当融合区凸出于涂层大面时,由于燃料电池采用多片膜电极装堆,叠加后累计厚度差过大,容易造成燃料电池装堆时膜电极破损,影响燃料电池气密性;当融合区凹陷于涂层大面,导致融合区载量下降,导致膜电极性能不达标。
以下针对本申请实施例的膜电极梯度催化剂层的制备方法进行具体说明:
本申请示例提供了一种膜电极梯度催化剂层的制备方法,其包括:采用多流道模头对基膜进行狭缝涂布。
其中,多流道模头开设有输出催化剂浆料的多个流道、以及与每个流道连通用于向基膜涂布催化剂浆料的唇口,唇口呈狭缝状,每个流道输出的催化剂浆料不同。
狭缝涂布包括:相邻的两个流道进行涂布切换时,唇口与基膜之间被配置为始终被催化剂浆料填满。
可以理解的是,每个流道输出的催化剂浆料不同,此处的不同可表现为成分的选择不同,或者成分相同含量不同,或者成分及含量均不同,从而在形成涂层后,各催化剂涂层、相邻的两个涂层的融合区形成面内梯度。
综上,本申请提供的膜电极梯度催化剂层的制备方法,由于涂布过程中基膜和唇口之间的距离保持不变,因此通过相邻的两个流道进行涂布切换时,唇口与基膜之间被配置为始终被催化剂浆料填满,有利于使切换过程中形成的涂层的融合区平整,与涂层大面的厚度基本保持一致,提高催化层涂布质量。
在一些实施例中,唇口的数量为多个,多个唇口与流道一一对应且连通。
狭缝涂布包括:多个唇口沿涂布方向间隔布置,任意相邻的唇口按照涂布方向的下游至涂布方向的上游的顺序依次切换进行间歇涂布,其中相邻的两个唇口进行涂布切换时,位于涂布方向上游的唇口与基膜之间被配置为始终被催化剂浆料填满。
也即是,多流道模头开设有用于输出催化剂浆料的多个流道,每个流道具有用于向基膜涂布催化剂浆料的唇口。
涂布方向的上游是指涂布过程中,靠近已经涂布的涂层的一侧,涂布方向的下游是指涂布过程中,背离涂层且即将进行涂布的一侧。
间歇涂布是指在前一唇口停止狭缝涂布时,后一唇口开启进行狭缝涂布。
任意相邻的两个唇口按照涂布方向的下游至涂布方向的上游的顺序依次切换进行间歇涂布是指:任意相邻的两个唇口中,位于涂布方向下游的唇口先开启进行狭缝涂布,完成涂布后关闭该唇口,开启位于涂布方向上游的唇口进行狭缝涂布,从而完成相邻的两个唇口的切换以进行间歇涂布。也即是,多个唇口按照涂布方向的下游至涂布方向的上游的顺序依次切换进行间歇涂布。
由于狭缝涂布的过程中,基膜和唇口之间的距离始终保持不变,由于任意相邻的两个唇口按照涂布方向的下游至涂布方向的上游的顺序依次切换进行间歇涂布,因此相邻的两个唇口进行涂布切换时,在位于涂布方向下游的唇口完成狭缝涂布并关闭后至开启位于上游的另一唇口时,利用位于涂布方向上游的唇口与基膜之间被催化剂浆料填满,可有效避免因切换过程中导致缺少浆料或浆料过多导致的最终形成的涂层的融合区过薄和/或过厚,影响催化层涂布质量的问题,导致膜电极性能具有缺陷,影响后续燃料电池性能。
除此以外,每个唇口对应输出不同的浆料,不仅多流道模头的制作难度较低,而且可避免不同的催化剂浆料互相干涉,影响梯度催化剂层的性能。
相邻的两个唇口进行涂布切换时可以为同时进行,也可以为延迟进行。
在一些实施例中,相邻的两个唇口进行涂布切换时,位于涂布方向下游的唇口在基膜的预设位置停止给料时,位于涂布方向上游的唇口开始给料。
在一些实施例中,相邻的两个唇口进行涂布切换时,位于涂布方向下游的唇口在基膜的预设位置停止给料后,位于涂布方向上游的唇口开始给料。
也即是,相邻的两个唇口进行涂布切换时采用的为延迟切换,可通过涂布速度和相邻的两个唇口之间的间隔,获得延迟的时间。
通过上述延迟切换,有利于进一步缓解融合区凸出的风险,使切换过程中形成的涂层的融合区与涂层大面的厚度保持一致,提高催化层涂布质量。
在一些实施例中,多个流道平行布置,相邻的两个唇口之间的间隔距离为3-5mm。
间隔距离是指两个唇口的侧壁之间的最短直线距离。
上述间隔范围内,涂布稳定性佳,有利于使切换过程中形成的涂层的融合区与涂层大面的厚度保持一致,若间隔距离过小导致两个唇口之间刚性不足,无法稳定输出浆料,涂布稳定性差,间隔距离过宽,很难实现位于涂布方向上游的唇口与基膜之间被配置为始终被催化剂浆料填满,存在的两个涂层的融合处不平整,影响催化层涂布质量。
在一些实施例中,流道的数量为两个。
两个流道的设置满足燃料电池用膜电极梯度催化剂层的制备,并且双流道模头制备难度低。
在一些实施例中,涂布时唇口与基膜之间的间隔距离为100-300μm。
上述范围内,形成的梯度催化剂层满足膜电极的使用要求。
示例性地,涂布时唇口与基膜之间的间隔距离为100μm、150μm、200μm、250μm、300μm中的任一值或介于任意两个值之间。
在一些实施例中,涂布的速度为2-6m/min,催化剂浆料的流速为40-120mL/min。
上述流速与涂布的速度配合,涂布获得的涂层厚度均一性佳。
示例性地,涂布的速度为2m/min、3m/min、4m/min、5m/min、6m/min中的任一值或介于任意两个值之间。
示例性地,催化剂浆料的流速为40mL/min、60mL/min、80mL/min、100mL/min、120mL/min中的任一值或介于任意两个值之间。
在一些实施例中,唇口具有互相垂直的宽度和长度,以进行狭缝涂布时唇口与涂布方向平行的方向作为唇口的宽度,唇口的宽度为125-625μm,唇口的长度为150-350mm。
上述范围内,狭缝涂布效果佳。
在一些实施例中,制备方法包括:对基膜沿涂布方向周期性进行狭缝涂布,相邻的两个狭缝涂布的步骤之间对基膜进行留白处理,基膜在涂布方向的留白长度≥10mm。
留白处理是指对基膜不进行狭缝涂布,使基膜表面没有任何催化剂涂层,从而实现连续制备间隔分布的梯度催化剂层,以便于在后续在留白处进行裁剪,获得目标膜电极,提高制备效率。
可选地,膜电极梯度催化剂层中催化剂的载量为0.05-0.5mg/cm2。
示例性地,膜电极梯度催化剂层中催化剂的载量为0.05、0.1mg/cm2、0.2mg/cm2、0.3mg/cm2、0.4mg/cm2、0.5mg/cm2中的任一值或介于任意两个值之间。
可选地,膜电极梯度催化剂层中由相邻的两个流道涂布的催化剂浆料形成的融合区在涂布方向上的宽度为5-10mm。
采用上述方法制备获得的膜电极梯度催化剂层,融合区的宽度较窄,有效提高催化层涂布质量。
可选地,狭缝涂布的过程中,形成的涂层在其宽度方向与基膜也进行留白处理,从而便于后续进行裁剪,涂层的宽度是涂层位于涂布方向两侧的两边缘之间的直线距离。
在一些实施例中,基膜为质子交换膜或者转印膜。以下结合实施例对本申请的膜电极梯度催化剂层的制备方法作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例制备一种梯度催化剂层,主要包括如下步骤:
【第一催化剂浆料的制备】
将5g铂/碳催化剂和14g的全氟磺酸树脂溶液(全氟磺酸树脂含量为15%)分散于70g混合溶剂中制得,混合溶剂为乙醇的水溶液,乙醇的质量分数为40%。
【第二催化剂浆料的制备】
将6g铂/碳催化剂和14g的全氟磺酸树脂溶液(全氟磺酸树脂含量为15%)分散于70g混合溶剂中制得,混合溶剂为乙醇的水溶液中,乙醇的质量分数为40%。
【狭缝涂布】
如图1所示,其中箭头方向表示涂布方向(涂布时质子交换膜10向涂布方向的反方向运动),采用双流道模头20进行涂布,双流道模头20开设有互相平行的第一流道21以及第二流道22,以及互相平行的第一唇口和第二唇口,第一流道21与第一唇口连通,第二流道22与第二唇口连通,第一唇口和第二唇口之间的间隔距离G为4mm,第一唇口和第二唇口的宽度为400μm,唇口的长度为200mm。
第一流道21用于输出第一催化剂浆料,第二流道22用于输出第二催化剂浆料,第一催化剂浆料和第二催化剂浆料的流速均为100mL/min。
各唇口与质子交换膜10的间隔距离为200μm,第一唇口和第二唇口沿涂布方向间隔布置,第一唇口位于第二唇口在涂布方向的下游。
制备梯度催化剂层30时,先采用第一唇口进行涂覆在涂覆方向上的长度为200mm的第一涂层31,由阀门控制停止第一催化剂浆料的供应的同时开始第二催化剂浆料的供应,使第一唇口停止涂布的同时第二唇口开始给料并涂覆长度为200mm的第二涂层32,第一唇口和第二唇口进行涂布切换时,第二唇口与基膜之间始终被催化剂浆料填满,涂布的速度为4m/min。将涂布后催化层烘干收卷。
制备获得的催化剂层如图2所示。
实施例2
其与实施例1的区别在于:
【狭缝涂布】的步骤中,第一唇口和第二唇口之间的间隔距离G为5mm。实施例3
其与实施例1的区别在于:
【狭缝涂布】的步骤中,第一唇口和第二唇口之间的间隔距离G为3mm。
对比例1
其与实施例1的区别仅在于:
第一流道21用于输出第二催化剂浆料,第二流道22用于输出第一催化剂浆料。
制备梯度催化剂层30时,先采用第二唇口进行涂覆在涂覆方向上的长度为200mm的第一涂层31,由阀门控制停止第一催化剂浆料的供应的同时开始第二催化剂浆料的供应,使第二唇口停止涂布的同时第一唇口开始给料并涂覆长度为200mm的第二涂层32,第一唇口和第二唇口进行涂布切换时,第一唇口与基膜之间存在未被催化剂浆料填满的情况。
试验例1
用测厚仪测量实施例1-3以及对比例1中第一涂层31、第二涂层32以及第一涂层31和第二涂层32的融合区33的厚度。结果如表1所示。
其中,平均厚度为随机选择第一涂层31、第二涂层32或融合区33中随机15个点位的厚度,所计算的平均值作为对应的第一涂层31、第二涂层32或融合区33的平均厚度。
表1实施例1-3和对比例1的催化层的厚度
根据表1可知,本申请实施例1-3中融合区平均厚度与第一涂层、第二涂层之间的偏差小,催化层涂布质量佳,对比例1由于涂覆过程中第一唇口和第二唇口涂布先后顺序更改,导致涂布切换时,第一唇口与基膜之间存在未被催化剂浆料填满的情况,导致融合区平均厚度显著低于第一涂层平均厚度、以及第二涂层平均厚度,导致催化层涂布质量差。
以上仅为本申请的具体实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种膜电极梯度催化剂层的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:采用多流道模头对基膜进行狭缝涂布;
其中,所述多流道模头开设有输出催化剂浆料的多个流道、以及与每个所述流道连通用于向所述基膜涂布所述催化剂浆料的唇口,所述唇口呈狭缝状,每个所述流道输出的所述催化剂浆料不同;
所述狭缝涂布包括:相邻的两个所述流道进行涂布切换时,所述唇口与所述基膜之间被配置为始终被所述催化剂浆料填满。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述唇口的数量为多个,多个所述唇口与所述流道一一对应且连通;
所述狭缝涂布包括:多个所述唇口沿涂布方向间隔布置,任意相邻的唇口按照涂布方向的下游至涂布方向的上游的顺序依次切换进行间歇涂布,其中相邻的两个所述唇口进行涂布切换时,位于所述涂布方向上游的所述唇口与所述基膜之间被配置为始终被所述催化剂浆料填满。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,相邻的两个所述唇口进行涂布切换时,位于所述涂布方向的下游的所述唇口在所述基膜的预设位置停止给料后,位于所述涂布方向上游的所述唇口开始给料。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,多个所述流道平行布置,相邻的两个所述唇口之间的间隔距离为3-5mm。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的制备方法,其特征在于,所述流道的数量为两个。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的制备方法,其特征在于,涂布时所述唇口与所述基膜之间的间隔距离为100-300μm。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的制备方法,其特征在于,所述涂布的速度为2-6m/min,所述催化剂浆料的流速为40-120mL/min。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的制备方法,其特征在于,所述唇口具有互相垂直的宽度和长度,以进行狭缝涂布时所述唇口与涂布方向平行的方向作为所述唇口的宽度,所述唇口的宽度为125-625μm,所述唇口的长度为150-350mm。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:对所述基膜沿涂布方向周期性进行所述狭缝涂布,相邻的两个所述狭缝涂布的步骤之间对所述基膜进行留白处理,所述基膜在涂布方向的留白长度≥10mm。
10.根据权利要求1-4所述的制备方法,其特征在于,所述基膜为质子交换膜或者转印膜。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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