燃料电池用全氟磺酸溶液分散体系及催化剂料浆制备方法与流程

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池用全氟磺酸溶液分散体系及催化剂料浆制备方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是将燃料和氧气通过电化学反应直接转换为电能的装置，其具有显著的高效和清洁的特点，但是目前却被成本和耐久性限制了进一步的商业化。膜电极是燃料电池发生电化学反应的场所，同时也是成本的主要贡献者。因此，如何高效地制备出性能优异的燃料电池的核心部件膜电极就显得尤为重要。

2、膜电极由离子交换膜、催化层、气体扩散层组成，其中根据催化层制备工艺的不同，膜电极结构又分为第一代的气体扩散电极、第二代的ccm型电极、和第三代的薄层有序结构电极等，目前最为广泛应用的仍然是第二代ccm型膜电极。ccm型电极的制备方法包括转印法和直接喷涂法，其中转印法是将浆料喷涂/印刷到其他介质上，然后转印到质子交换膜上形成催化层；直接喷涂法是将催化剂与离子交换树脂混合调制形成浆料，将其喷涂到质子交换膜上形成催化层。

3、在转印法制备ccm膜电极过程中，不同催化剂料浆体系所使用的全氟磺酸树脂的溶剂体系各有差异，使用传统低转速混料设备制备的催化剂料浆通常由于种种原因会导致催化剂料浆粒径过大，催化剂料浆粘度偏稀或者偏稠，导致催化剂料浆涂布过程中出现大颗粒、透光等种种问题，进而影响催化层结构，最终降低膜电极性能。

技术实现思路

1、本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种燃料电池用全氟磺酸溶液分散体系及催化剂料浆制备方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种燃料电池用全氟磺酸溶液分散体系，所述全氟磺酸溶液分散体系包括全氟磺酸树脂原液和溶剂，所述溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、异丁醇、叔戊醇或水中的任意一种或多种；

4、所述全氟磺酸树脂原液中全氟磺酸树脂的质量分数为10％～25％；

5、所述全氟磺酸溶液分散体系中全氟磺酸树脂的质量分数为1％～8％。

6、在上述技术方案中，所述氟磺酸溶液分散体系的介电常数高于60c2/nm2。

7、在上述技术方案中，所述氟磺酸溶液分散体系的zeta电位≤-30mv。

8、在上述技术方案中，所述全氟磺酸溶液分散体系的平均粒径≤400nm。

9、一种燃料电池用催化剂料浆，采用全氟磺酸溶液分散体系。

10、一种燃料电池用催化剂料浆的制备方法，包括以下步骤：

11、称取全氟磺酸树脂原液加入容器中，再向容器中加入分散体系溶剂，混合均匀获得用全氟磺酸溶液分散体系，在向分散体系中依次加入固体催化剂和料浆溶剂；

12、(ⅱ)研磨分散料浆

13、对步骤(ⅰ)所得料浆先采用低转速研磨设备进行预研磨，在采用高转速研磨设备进行研磨分散，即得燃料电池用催化剂料浆。

14、在上述技术方案中，所述低转速研磨设备转速为50rpm/min～500rpm/min，所述高转速研磨设备转速为1000rpm/min～5000rpm/min。

15、在上述技术方案中，所述高转速研磨设备为均质机或砂磨机，所述低转速研磨设备为球磨机或行星式搅拌机。

16、在上述技术方案中，所述分散体系溶剂和料浆溶剂均为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、异丁醇、叔戊醇或水中的任意一种或多种；所述料浆中固体催化剂的质量分数为0.1％～20％，全氟磺酸树脂为固体催化剂质量的10％～60％。

17、在上述技术方案中，所述分散体系溶剂和料浆溶剂为多种溶剂混合时，可采用先将组成分散体系溶剂或料浆溶剂的溶剂混合均匀在加入容器中，或者依次加入。

18、本发明的有益效果是：

19、本发明提供了一种燃料电池用全氟磺酸溶液分散体系及催化剂料浆制备方法，通过改变全氟磺酸树脂的溶剂体系，调整介电常数，减小全氟磺酸树脂粒径及zeta电位，同时优化催化剂料浆溶剂体系，采用高速研磨设备(包括但不限于均质机、砂磨机)进行催化剂料浆制备，从而减小催化剂料浆粒径，使催化剂料浆粘度适中，改进催化剂料浆涂布过程质量控制，进而优化催化层结构，最终提升膜电极性能。

技术特征：

1.一种燃料电池用全氟磺酸溶液分散体系，其特征在于：所述全氟磺酸溶液分散体系包括全氟磺酸树脂原液和溶剂，所述溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、异丁醇、叔戊醇或水中的任意一种或多种；

2.根据权利要求1所述的燃料电池用全氟磺酸溶液分散体系，其特征在于：所述氟磺酸溶液分散体系的介电常数高于60c2/nm2。

3.根据权利要求1所述的燃料电池用全氟磺酸溶液分散体系，其特征在于：所述全氟磺酸溶液分散体系的zeta电位≤-30mv。

4.根据权利要求1所述的燃料电池用全氟磺酸溶液分散体系，其特征在于：所述全氟磺酸溶液分散体系的平均粒径≤400nm。

5.一种燃料电池用催化剂料浆，其特征在于：采用权利要求1～4之一所述的全氟磺酸溶液分散体系。

6.一种权利要求5所述的燃料电池用催化剂料浆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的燃料电池用催化剂料浆的制备方法，其特征在于：所述低转速研磨设备转速为50rpm/min～500rpm/min，所述高转速研磨设备转速为1000rpm/min～5000rpm/min。

8.根据权利要求7所述的燃料电池用催化剂料浆的制备方法，其特征在于：所述高转速研磨设备为均质机或砂磨机，所述低转速研磨设备为球磨机或行星式搅拌机。

9.根据权利要求6所述的燃料电池用催化剂料浆的制备方法，其特征在于：所述分散体系溶剂和料浆溶剂均为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、异丁醇、叔戊醇或水中的任意一种或多种；所述料浆中固体催化剂的质量分数为0.1％～20％，全氟磺酸树脂为固体催化剂质量的10％～60％。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池用全氟磺酸溶液分散体系及催化剂料浆制备方法，分散体系包括全氟磺酸树脂原液和溶剂，介电常数高于60C<supgt;2</supgt;/NM<supgt;2</supgt;；催化剂料浆采用介电常数高于60C<supgt;2</supgt;/NM<supgt;2</supgt;的全氟磺酸树脂配制，并采用高速研磨设备进行研磨分散获得。本发明通过改变全氟磺酸树脂的溶剂体系，调整介电常数，减小全氟磺酸树脂粒径及Zeta电位，同时优化催化剂料浆分散方式，采用低速+高速研磨设备进行催化剂料浆制备，从而减小催化剂料浆粒径，使催化剂料浆粘度适中，改进催化剂料浆涂布过程质量控制，进而优化催化层结构，最终提升膜电极性能。

技术研发人员：田超,潘牧,田明星,段奔,郑伟倩,刘宇
受保护的技术使用者：武汉理工氢电科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13