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轉(zhuǎn)印催化層制備:催化劑漿料的表面張力多少合適
來源:上海清能合睿茲新能源科技有限公司 瀏覽 719 次 發(fā)布時間:2024-06-20
目前DTM制備催化層的最大問題是由于轉(zhuǎn)印介質(zhì)的自身特性,在往轉(zhuǎn)印膜涂覆催化層的過程中容易出現(xiàn)漿料流延,產(chǎn)生毛邊等問題,造成了催化劑的浪費;另一方面,熱壓轉(zhuǎn)印過程中由于轉(zhuǎn)印膜和催化層、質(zhì)子交換膜與催化層之間結(jié)合力的區(qū)分度不夠大,導致在轉(zhuǎn)印過程中轉(zhuǎn)印膜需慢慢撕下,效率過低。部分催化層被轉(zhuǎn)印膜帶走,在造成三相反應界面減少的同時,催化層表面的平整度被破壞,出現(xiàn)坑洼等缺陷。這些情形難以保障催化層轉(zhuǎn)印的效率和轉(zhuǎn)印后催化層完整度,造成了催化層在轉(zhuǎn)印過程中的損失和催化層缺陷,影響催化層生產(chǎn)的經(jīng)濟性和燃料電池的性能。
經(jīng)過處理劑處理+存在粘結(jié)層的催化劑涂覆膜
1、催化劑漿料的配制:按照催化劑的載量和狹縫涂布設(shè)備的參數(shù)要求,配制好催化劑漿料,并使用分散設(shè)備合理分散,得到流變性能合適的催化劑漿料。
其中,陽極催化劑漿料的配制步驟為:使用質(zhì)量比1:1的異丙醇和水作為溶劑,加入適量鉑碳催化劑(Pt/C,鉑占催化劑質(zhì)量的百分比為40%)和Nafion D2020溶液,保持Nafion溶液中離子聚合物的干重與鉑碳催化劑中碳的質(zhì)量比(I/C)為0.9。使用高剪切分散乳化機對陽極催化劑漿料進行充分的分散,分散時間為8 h、轉(zhuǎn)速為16000 rpm、采用冷卻循環(huán)水控制溫度小于50℃、固含量8%,制得的陽極催化劑漿料的表面張力為21.7 mN/m。
其中,陰極催化劑漿料的配制步驟為:使用質(zhì)量比1:1的異丙醇和水作為溶劑,加入適量鉑碳催化劑(Pt/C,鉑占催化劑質(zhì)量的百分比為40%)和Nafion D2020溶液,保持Nafion溶液中離子聚合物的干重與鉑碳催化劑中碳的質(zhì)量比(I/C)為1.0。使用高剪切分散乳化機對陰極催化劑漿料進行充分的分散,分散時間為8 h、轉(zhuǎn)速為16000 rpm、采用冷卻循環(huán)水控制溫度小于50℃、固含量10%,制得的陰極催化劑漿料的表面張力為20.4 mN/m。
2、轉(zhuǎn)印膜上陽極催化層的制備:在轉(zhuǎn)印膜1上放置不銹鋼限域邊框2,轉(zhuǎn)印膜1的厚度為100μm,限域邊框2厚度為20μm,尺寸為250 mm×150 mm長方形。
利用噴筆在轉(zhuǎn)印膜上預鋪設(shè)一層正丙醇(預鋪設(shè)量為0.6 mg/cm2);利用狹縫涂布方式在轉(zhuǎn)印膜1上涂覆陽極催化劑漿料,由于正丙醇的表面張力和限域邊框的共同作用,催化劑漿料不易外流漫延。
經(jīng)涂布平臺70℃加熱干燥20秒,制得陽極催化層31,如圖,厚度為20μm,鉑的載量為0.2 mg/cm2。
3、轉(zhuǎn)印膜上陰極催化層的制備:在另一轉(zhuǎn)印膜上放置不銹鋼限域邊框,轉(zhuǎn)印膜的厚度為100μm,限域邊框厚度為20μm。
利用噴筆在轉(zhuǎn)印膜上預鋪設(shè)一層正丙醇(預鋪設(shè)量為0.6 mg/cm2);利用狹縫涂布方式在轉(zhuǎn)印膜1上涂覆陰極催化劑漿料,由于正丙醇的表面張力和限域邊框的共同作用,催化劑漿料不易外流漫延。
經(jīng)涂布平臺70℃加熱干燥20秒,制得陰極催化層,厚度為20μm,鉑的載量為0.35mg/cm2。
4、含有粘結(jié)劑的質(zhì)子交換膜的制備:使用噴筆在質(zhì)子交換膜5兩側(cè)表面分別預鋪設(shè)一層離子聚合物Nafion D520,厚度為2μm,預鋪設(shè)的區(qū)域分別與陽極催化層31和陰極催化層覆蓋區(qū)域匹配,質(zhì)子交換膜的厚度為15μm。質(zhì)子交換膜的材質(zhì)為Gore Select®M820。
5、熱壓轉(zhuǎn)印:使用轉(zhuǎn)印機,將陽極催化層31和陰極催化層轉(zhuǎn)印至質(zhì)子交換膜5上,得到催化劑涂覆膜;熱壓轉(zhuǎn)印的溫度為150℃,時間為3 min,壓強為300 kPa。
由于陽極催化層31與質(zhì)子交換膜5之間的結(jié)合力大于陽極催化層31與轉(zhuǎn)印膜1之間的結(jié)合力,此時的轉(zhuǎn)印膜1很容易與催化層分離,方便撕離,陽極催化層31的轉(zhuǎn)印效率得以提高。
總結(jié):
(1)通過選用合適的處理劑對轉(zhuǎn)印膜進行處理,利用處理劑的表面張力與轉(zhuǎn)印膜表面張力的存在差異,干燥過程中可以減少催化層變形、開裂現(xiàn)象的出現(xiàn),從而提高催化層轉(zhuǎn)印的效率,保證催化層轉(zhuǎn)印的完整度,最小程度降低催化層轉(zhuǎn)印過程的損失和表面缺陷的出現(xiàn);同時,由于催化劑漿料的表面張力小于處理劑的表面張力,有助于催化劑漿料涂覆時不易流延;
(2)通過設(shè)置限域邊框,利用限域邊框的物理限域作用,有效減少催化劑漿料在轉(zhuǎn)印膜上的流延、流失,操作簡單,限域邊框可重復使用,具有更強的適用性;
(3)在質(zhì)子交換膜上施加合適的粘結(jié)劑,不僅可增加催化層和質(zhì)子交換膜之間的結(jié)合強度,還可建立起催化層和質(zhì)子交換膜之間的離子傳輸通道,有利于降低質(zhì)子傳輸阻抗,減小整個電池的歐姆阻抗,提升燃料電池的效率,還可避免由于長時間運行導致的催化層從質(zhì)子交換膜表面脫落的問題;
(4)將處理劑和粘結(jié)劑結(jié)合使用,使催化層與質(zhì)子交換膜之間的結(jié)合力大于催化層與轉(zhuǎn)印膜之間的結(jié)合力,從而提高燃料電池催化層的轉(zhuǎn)印效率與保證催化層轉(zhuǎn)印的完整度。