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CN106898782A - 一种燃料电池电极的制备和采用该方法制备电极的装置 - Google Patents

一种燃料电池电极的制备和采用该方法制备电极的装置 Download PDF

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杨林林
王素力
李焕巧
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Abstract

一种燃料电池电极的制备方法，包括1)磁性催化剂预处理；2)催化剂浆液配制；3)磁场环境下涂覆浆液；4)电极干燥和5)电极充磁。所述的外加磁场为静磁场、脉冲强磁场中的一种或两种以上。采用本发明所述方法制备电极具有有序化程度高、电极的传质损失小、性能好等优点，同时本发明所述方法简单、易实现。

Description

一种燃料电池电极的制备和采用该方法制备电极的装置
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电极的制备方法及制备装置。
背景技术
当今社会对能源的需求日益增加，加之化石能源储量有限且对环境污染较重，开发高效清洁的能量转化系统已成当务之急。燃料电池是一种直接将燃料化学能转化为电能的电化学转换装置，是21世纪最有竞争力的高效清洁发电方式之一。它具有理论比能量高、系统结构简单、效率高、噪音小等特点，在诸多发电领域有广阔的应用前景。
膜电极是燃料电池的“心脏”，为电化学反应发生的场所。其性能的高低跟电极的制备工艺紧密相关。对于有磁性的催化剂，在制备电极的过程中施加磁场则有望使得电极中磁性催化剂颗粒磁极有一取向分布。此方法一可使催化层中孔结构较为有序，二来形成的梯度磁场使得顺磁性O2受吸引而向磁场强度增加的方向移动，而逆磁性的N2则向磁场强度降低的方向移动(O2在梯度磁场所受磁场力约是N2的200倍)，从而降低氧的传质损失，提升电池性能。
针对含磁性材料的催化剂浆液涂覆问题，本发明利用磁性材料在磁场作用下取向排列的特性，借助外加强磁场，实现了磁性催化剂在催化层中有序分布。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种电极的制备方法及制备装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种电极制备方法，其步骤包括：1)磁性催化剂预处理，2)催化剂浆液配制，3)磁场环境下涂覆浆液，4)电极干燥，5)电极充磁；
所述的催化剂预处理步骤包括：a.将磁性催化剂颗粒烘干，b.将烘干后的磁性催化剂同电解液或离聚物溶液混合，c.将混合后的浆液置入真空环境中，d.过滤浆液并烘干催化剂。
所述的催化剂具有磁性，可以是催化剂活性物质有磁性或是催化剂载体有磁性，亦或是二者皆有磁性；有磁性的催化剂活性物质为PtCo、FexOy、CoxOy、NixOy、FeCo、NiCo、FeNC、CoNC中的一种或两种以上，但并不限于以上所列；有磁性的催化剂载体为稀土永磁、金属永磁、铁氧体永磁材料。
所述的电解液或离聚物与所应用燃料电池中的电解质的离子传导能力一致，即所述催化剂应用于酸性燃料电池时，所述电解液或离聚物能传导质子；所述催化剂应用于碱性燃料电池时，所述电解液或离聚物能能传导氢氧根离子。
所述电解液或离聚物对催化剂无毒化作用；所述的真空环境是指绝对压力小于20kPa。
所述的催化剂浆液配制是将预处理过的催化剂同粘结剂(或离聚物)、溶剂等混合均匀。
所述的磁场环境下涂覆浆液是指涂覆浆液过程中外加磁场以使磁性颗粒磁畴取向；所述的浆液涂覆是指将配制好的催化剂浆液涂覆到基底材料上，涂覆方式可以是刮涂、刷涂、喷涂、丝网印刷、狭缝挤压中的一种或多种。
所述的外加磁场可以是静磁场，也可为脉冲强磁场，亦可以是二者相结合；所述磁场的磁场强度为0.1-100T。
所述的电极干燥是指将涂覆在基底层上的电极烘干以去除溶剂。
所述的充磁是指将干燥后的电极放置与充磁机上充磁，充磁方向与磁场环境下涂覆浆液时所施加磁场方向一致。
一种燃料电池电极制备装置，包括催化剂预处理单元、浆液配制单元、涂覆单元、干燥单元和充磁单元。
催化剂预处理单元，用于预处理催化剂，可实现如下功能：1)催化剂颗粒烘干，2)催化剂同电解液(或离聚物溶液)混合搅拌，3)混合后的浆液置入真空环境中，4)过滤浆液并烘干催化剂；
浆液配制单元，用于配制催化剂浆液并将其混合均匀；
涂覆单元，用于将催化剂浆液涂覆于基底层上,能在涂覆同时施加磁场；
干燥单元，用于干燥涂覆完的电极；
充磁单元，用于施加脉冲磁场以将电极充磁。
本发明所述的电极的制备方法及装置，具有如下优点：
1.制备电极的有序化程度高
2.电极的传质损失小、性能好。
3.方法简单、易实现。
附图说明
图1为本发明的制备工艺框图；
图2为本发明所述催化剂预处理步骤框图；
图3为本发明所述的在磁场环境下涂覆电极的示意图，其中301和302为磁铁，303为涂覆基底材料，304为磁场线；
图4为采用本发明方法制备电极与普通电极性能对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细的描述。当然本发明并不仅限于下述具体的实施例。
实施例1：
催化剂预处理：所用磁性催化剂为TKK公司生产的PtCo/C。预处理步骤为：1)将其置入真空烘箱120℃干燥2h，2)在N2气氛中将其与质量浓度5％Nafion溶液、乙醇(Nafion、PtCo/C、乙醇的质量比为1：4：20)混合均匀，3)将混合均匀的浆液置入真空干燥箱，在绝对压力10kPa，温度为室温条件下放置4h，4)取出浆液过滤并干燥；
催化剂浆液配制：将上布干燥后的PtCo/C同质量浓度为5％的Nafion溶液及异丙醇混合均匀；其中Nafion、PtCo/C、异丙醇的质量比为1：4：20。
磁场环境下涂覆：外加磁场及基底层放置如图3所示，基底层为TGP-060，尺寸为20*20mm其上涂覆有0.6mg/cm2的碳粉、PTFE混合物，其中PTFE的质量分数为30％。使用两块100*100*10mm的NdFeB永磁体作为外磁场源，采用刷涂方式将催化剂浆液刷于基底层上。
电极干燥：将电极置于充N2烘箱中60℃干燥2h
电极充磁：将干燥后电极置于力田磁电充磁机上充磁。
实施例2：
催化剂预处理：所用磁性催化剂为TKK公司生产的PtCo/C。预处理步骤为：1)将其置入真空烘箱120℃干燥2h，2)在N2气氛中将其浸没于质量浓度5％H3PO4中，3)将浆液置入真空干燥箱，在绝对压力5kPa，温度为室温条件下放置2h，4)取出浆液过滤并干燥。
催化剂浆液配制：将上布干燥后的PtCo/C同质量浓度为2％的PBI溶液(溶剂为DMAc)及1％PVDF溶液(溶剂为DMAc)混合均匀；其中PtCoC、PBI、PVDF质量比为158：9：2。
磁场环境下涂覆：外加磁场及基底层放置如图3所示，基底层为TGP-060，尺寸为20*20mm其上涂覆有0.8mg/cm2的碳粉、PTFE混合物，其中PTFE的质量分数为25％。使用两块100*100*10mm的NdFeB永磁体作为外磁场源，采用刷涂方式将催化剂浆液刷于基底层上。
电极干燥：将电极置于充真空干燥箱130℃干燥4h。
电极充磁：将干燥后电极置于力田磁电充磁机上充磁。
对比例：
催化剂预处理：所用磁性催化剂为TKK公司生产的PtCo/C。预处理步骤为：1)将其置入真空烘箱120℃干燥2h，2)在N2气氛中将其与质量浓度5％Nafion溶液、乙醇混合均匀(Nafion、PtCo/C、乙醇的质量比为1：4：20)，3)将混合均匀的浆液置入真空干燥箱，在绝对压力10kPa，温度为室温条件下放置4h，4)取出浆液过滤并干燥
催化剂浆液配制：将上布干燥后的PtCo/C同质量浓度为5％的Nafion溶液及异丙醇混合均匀；其中Nafion、PtCo/C、异丙醇的质量比为1：4：20。
催化剂涂覆：基底层为TGP-060，尺寸为20*20mm其上涂覆有0.6mg/cm2的碳粉、PTFE混合物，其中PTFE的质量分数为30％。采用刷涂方式将催化剂浆液刷于基底层上。
电极干燥：将电极置于充N2烘箱中60℃干燥2h；
图4为实施例1和对比例所制备的电极在半电池中测试结果，电解液为0.5MH2SO4，从图中看出在磁场环境下涂覆电极的极限电流密度近乎是对比例的2倍，由此可反映出在磁场环境下涂覆电极中的氧传质阻力大幅降低。

Claims (10)

1.一种燃料电池电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
1)磁性催化剂预处理；2)催化剂浆液配制；3)磁场环境下涂覆浆液；4)电极干燥；5)电极充磁。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述磁场环境采用的外加磁场为静磁场、脉冲强磁场中的一种或两种以上；其中所述磁场中的磁场感应强度为0.1-100T。
3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的电极干燥是指将涂覆在基底层上的电极烘干以去除溶剂。
4.按照权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述的充磁是指将干燥后的电极放置于充磁机上充磁，充磁方向与磁场环境下涂覆浆液时所施加磁场方向一致。
5.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述的催化剂预处理步骤包括：1)将磁性催化剂颗粒烘干，2)将烘干后的磁性催化剂同电解液或离聚物溶液混合，3)将混合后的浆液置入真空环境中，4)过滤浆液并烘干催化剂。
6.按照权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于：
所述磁性催化剂是指催化剂具有磁性，负载型催化剂可以是催化剂活性物质有磁性或是催化剂载体有磁性，亦或是二者皆有磁性；非负载型催化剂是催化剂活性物质有磁性；
有磁性的催化剂活性物质为PtCo、FexOy、CoxOy、NixOy、FeCo、NiCo、FeNC、CoNC中的一种或两种以上；
有磁性的催化剂载体为稀土永磁、金属永磁、铁氧体永磁材料中的一种或两种以上。
7.按照权利要求5所述的制备方法，其特征在于：
所述的电解液或离聚物与所应用燃料电池中的电解质的离子传导能力一致，即所述催化剂应用于酸性燃料电池时，所述电解液或离聚物能传导质子；所述催化剂应用于碱性燃料电池时，所述电解液或离聚物能能传导氢氧根离子。
8.按照权利要求5所述的制备方法，其特征在于：
所述的真空环境是指绝对压力小于20kPa。
9.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述的催化剂浆液配制是将预处理过的催化剂同粘结剂或离聚物、溶剂混合均匀；所述的浆液涂覆是指将配制好的催化剂浆液涂覆到基底材料上，涂覆方式可以是刮涂、刷涂、喷涂、丝网印刷或狭缝挤压中的一种或二种以上。
10.一种采用权利要求1-9任一所述方法制备燃料电池电极的装置，其特征在于：包括催化剂预处理单元、浆液配制单元、涂覆单元、干燥单元和充磁单元；
所述催化剂预处理单元，用于预处理催化剂，可实现如下功能：1)催化剂颗粒烘干，2)催化剂同电解液(或离聚物溶液)混合搅拌，3)混合后的浆液置入真空环境中，4)过滤浆液并烘干催化剂；
所述浆液配制单元，用于配制催化剂浆液并将其混合均匀；
所述涂覆单元，用于将催化剂浆液涂覆于基底层上,能在涂覆同时施加磁场；
所述干燥单元，用于干燥涂覆完的电极；
所述充磁单元，用于施加脉冲磁场以将电极充磁。
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