【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及燃料電池，尤其涉及一種多孔催化劑漿料和多層次微孔催化劑層的制備方法及其在膜電極中的應用。
技術介紹
1、膜電極是燃料電池或電解裝置進行電化學反應的場所。傳統(tǒng)上，膜電極通常采用催化劑涂層氣體擴散層電極(ccs)法或催化劑涂層膜(ccm)電極法進行制備。即將含有催化劑、高分子離聚物和溶劑的均質(zhì)墨水涂覆在導電基板或涂在導電基板膜上，而催化劑顆粒是由高分子離聚物相互包裹連接固定，并形成迂回曲折的孔隙結構，且固定于氣體擴散層或離子交換膜上。
2、催化劑涂層氣體擴散層電極(ccs)法由于離子交換膜之間會存在歐姆電阻較大和催化劑易脫落的問題，故目前最受研究關注的膜電極制備方式是催化劑涂層膜(ccm)電極法。
3、目前，采用cmm制備催化劑的過程中，會受到催化劑漿體狀態(tài)的影響，只能形成堆疊結構的催化劑。這種結構的催化效率不佳、液體或氣體的傳質(zhì)路徑較長，且容易受到孔壁和其他顆粒的阻礙。此外，催化劑堆疊容易被用作膠水的離聚物包裹減少暴露的活性位點，堆疊的結構會產(chǎn)生的迂回曲折的孔隙結構。在高電流密度下，對氣泡傳質(zhì)產(chǎn)生不可忽略的影響，會快速大量產(chǎn)生的氣泡，并阻塞大部分催化活性位點，從而降低產(chǎn)氫速率。同時，氣泡的存在也會導致歐姆電阻顯著增大，而這會限制大電流密度下的能量轉(zhuǎn)換效率。
4、為使膜電極上的催化劑具有豐富的活性位點暴露和高效的氣體或液體的傳質(zhì)途徑，可以采用多孔催化劑層。這種結構有利于氣體、水、電子和離子的傳輸。現(xiàn)有技術中，由大量的研究致力于提高催化劑層的孔隙率，如現(xiàn)有技術公開了用于燃料電池膜電極催
5、另一現(xiàn)有技術公開了一種多孔催化層ccm及其制備方法和應用，該技術在制漿過程中加入不溶于水的納米級金屬氧化物(造孔劑)，并在催化層成型后通過酸洗的方法將氧化物去除形成“孔”，實現(xiàn)催化層造孔，從而獲得多孔催化層。
6、另一現(xiàn)有技術公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的多孔催化層及其制備方法和應用，通過在催化層中加入疏水性氣相二氧化硅，能夠在催化劑漿體內(nèi)部造孔的同時，穩(wěn)定存在于催化層中，具有較好透氣性和疏水性，且不易形變，有效地改善了催化層受到擠壓后，造成孔隙率減小的現(xiàn)象，進而提升膜電極的性能。
7、另一現(xiàn)有技術公開了一種制備燃料電池膜電極多孔催化層的超聲噴涂方法，采用超聲噴涂的方式，把造孔劑溶液黏附在質(zhì)子交換膜表面，通過分立的流量控制器來控制不同噴涂時間時各組分的量以及混合狀態(tài)，從而完成多孔催化層孔隙率和高聚物添加劑溶液組分含量沿著催化層厚度方向的梯度化配置。
8、上述第一方案，即電沉積方案，雖然能夠獲得多孔催化層，但是耗能較大，且操作繁瑣，不適用于大規(guī)模的生產(chǎn)制備。而第二方案能夠改善孔隙率減少的現(xiàn)象，但會存在造孔劑分散不均勻的問題，需要后續(xù)對造孔劑進行溶解的過程。而第三方案在實際操作中，造孔劑溶液在離子交換膜上不能很好地控制厚度及孔隙率，且對可噴涂漿體的要求較高。
技術實現(xiàn)思路
1、基于
技術介紹
存在的技術問題，本專利技術提出了一種多孔催化劑漿料和多層次微孔催化劑層的制備方法及其在膜電極中的應用。
2、本專利技術提出的一種多孔催化劑漿料的制備方法，由以下成分及重量百分含量組成：
3、固體催化劑顆粒：5-30wt％；
4、高分子離聚物：10-20wt％；
5、水醇溶液：25-50wt％；
6、疏水改性物質(zhì)：1-5wt％；
7、緩沖溶液1-5wt％。
8、進一步地，所述固體催化劑顆粒包括陰極催化劑和陽極催化劑，其中，所述陰極催化劑包括但不限于是負載鉑碳顆粒和負載鈀碳顆粒，所述陽極催化劑包括但不限于是含銥貴金屬氧化物催化劑、含釕貴金屬氧化物催化劑和含鐵鈷鎳過渡金屬層狀雙氫氧化物催化劑。
9、進一步地，所述水醇溶液包括超純水與甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇和異丙醇中的一種或多種，且體積混合比為5：1。
10、進一步地，所述疏水改性物質(zhì)包括但不限于是丁酸、正己胺、沒食子酸丙酯和丁基沒食子酸。
11、進一步地，所述緩沖溶液包括鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液。
12、進一步地，包括以下步驟：
13、s1，將所述固體催化劑顆粒逐步添加至含有所述緩沖溶液和所述疏水改性物質(zhì)的水中，得到漿體懸浮液；
14、s2，將所述漿體懸浮液置于預設的球磨機中均勻化處理至預設時間，得到改性懸浮液；
15、s3，將所述高分子離聚物置于所述水醇溶液中溶解，得到高分子離聚物溶液；
16、s4，將所述改性懸浮液置于預設的容器中攪拌，同時加入所述高分子離聚物溶液；
17、s5，加入所述緩沖溶液，直至達到預設的ph值；
18、s6，調(diào)整所述高分子離聚物溶液的量，直至固體顆粒含量位于15-25wt％，得到催化劑顆粒漿體；
19、s7，將所述催化劑顆粒漿體置于預設的打蛋器中進行首次攪拌和二次攪拌，以進行發(fā)泡，得到多孔催化劑漿料。
20、進一步地，所述漿體懸浮液的固體含量為50vol％，ph值為4.9。
21、進一步地，所述預設時間大于或等于18h，所述預設的ph值為4.75。
22、進一步地，所述首次攪拌的轉(zhuǎn)速為900rpm，攪拌時間為5min；所述二次攪拌的轉(zhuǎn)速為1500rpm，攪拌時間為10min。
23、一種多層次微孔催化劑層，包括s1-s7，并在預設的離子交換膜上進行多次狹縫涂布制得。
24、本專利技術具有以下有益效果：本申請將固體催化劑顆粒添加至含有緩沖溶液和疏水改性物質(zhì)的水中，得到疏水改性后的催化劑顆粒漿體，并通過機械攪拌的方式發(fā)泡，在漿體內(nèi)部造孔。這種制備方式過程簡單，能夠進行大規(guī)模批量生產(chǎn)，所形成的漿體流變性能較好，能夠很好地適用于擠壓涂布制備膜電極的方式。所形成的漿體內(nèi)部氣孔均勻，尺寸較小，能夠適用于涂覆超薄催化劑涂層。通過在催化劑層內(nèi)部造孔的方式，能夠在不影響催化效率的情況下大幅度減少催化劑的用量，尤其是需要貴金屬作為催化劑的催化劑材料，能夠節(jié)省成本。通過多次涂布不同孔徑大小的多孔催化劑漿料，且微孔結構為最下層孔徑最小，最上層孔徑最大，有利于在電解水裝置中快速產(chǎn)生氣體分子，并快速進行擴散，避免對催化活性位點造成堵塞。
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1.一種多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，由以下成分及重量百分含量組成：
2.根據(jù)權利要求1所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，所述固體催化劑顆粒包括陰極催化劑和陽極催化劑，其中，所述陰極催化劑包括但不限于是負載鉑碳顆粒和負載鈀碳顆粒，所述陽極催化劑包括但不限于是含銥貴金屬氧化物催化劑、含釕貴金屬氧化物催化劑和含鐵鈷鎳過渡金屬層狀雙氫氧化物催化劑。
3.根據(jù)權利要求1所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，所述水醇溶液包括超純水與甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇和異丙醇中的一種或多種，且體積混合比為5：1。
4.根據(jù)權利要求1所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，所述疏水改性物質(zhì)包括但不限于是丁酸、正己胺、沒食子酸丙酯和丁基沒食子酸。
5.根據(jù)權利要求1所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，所述緩沖溶液包括鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液。
6.根據(jù)權利要求1所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
7.根據(jù)權利要求6所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，所述漿體懸浮液的固體
8.根據(jù)權利要求6所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，所述預設時間大于或等于18h，所述預設的PH值為4.75。
9.根據(jù)權利要求6所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，所述首次攪拌的轉(zhuǎn)速為900rpm，攪拌時間為5min；所述二次攪拌的轉(zhuǎn)速為1500rpm，攪拌時間為10min。
10.一種多孔催化劑漿料，其特征在于，由權利要求1-9任一項所述多孔催化劑漿料的制備方法制得。
11.一種多層次微孔催化劑層，其特征在于，由所述權利要求10在預設的離子交換膜上進行多次狹縫涂布制得。
12.根據(jù)權利要求11所述的多層次微孔催化劑層，其特征在于，應用于燃料電池膜電極或電解水制氫裝置膜電極中。
...【技術特征摘要】
1.一種多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，由以下成分及重量百分含量組成：
2.根據(jù)權利要求1所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，所述固體催化劑顆粒包括陰極催化劑和陽極催化劑，其中，所述陰極催化劑包括但不限于是負載鉑碳顆粒和負載鈀碳顆粒，所述陽極催化劑包括但不限于是含銥貴金屬氧化物催化劑、含釕貴金屬氧化物催化劑和含鐵鈷鎳過渡金屬層狀雙氫氧化物催化劑。
3.根據(jù)權利要求1所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，所述水醇溶液包括超純水與甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇和異丙醇中的一種或多種，且體積混合比為5：1。
4.根據(jù)權利要求1所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，所述疏水改性物質(zhì)包括但不限于是丁酸、正己胺、沒食子酸丙酯和丁基沒食子酸。
5.根據(jù)權利要求1所述的多孔催化劑漿料的制備方法，其特征在于，所述緩沖溶液包括鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液。
6.根據(jù)權利要求1所述的多...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：朱成添，張寶春，朱紅嬌，程浩，
申請(專利權)人：深圳穩(wěn)石氫能科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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