一种高性能膜电极浆料的制备方法与流程

本发明属于燃料电池，具体涉及一种高性能膜电极浆料的制备方法。

背景技术：

1、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)。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种高性能膜电极浆料的制备方法，包括如下步骤：

4、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。

5、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。

6、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。

7、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%。

8、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。

9、进一步地，去离子水的电阻率≥18兆欧。

10、进一步地，研磨转速为1500r/min，研磨时间为30min。

11、本发明的有益效果：

12、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。

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：

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。

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：
技术公布日：2024/1/15