一种高性能膜电极浆料的制备方法与流程

1.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：

2.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)。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.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%。
9.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。
10.进一步地，去离子水的电阻率≥18兆欧。
11.进一步地，研磨转速为1500r/min，研磨时间为30min。
12.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。
13.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。
14.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
15.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
16.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
17.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
18.一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。
19.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
20.一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。
21.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。
22.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。
23.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。
24.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h
2 /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。
25.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。
26.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。
27.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。

技术特征：
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。

技术总结
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。提高了单电池性能。提高了单电池性能。


技术研发人员：王文焕 张林松 郑子涛 孙铭君 郑汉玉 余静怡 张文亮
受保护的技术使用者：安徽明天新能源科技有限公司
技术研发日：2023.08.18
技术公布日：2023/9/20