本發明專利技術公開了一種質子交換膜燃料電池催化層的制備工藝與所用設備，工藝包括如下步驟：A、將鉑的有機化合物溶液攪拌均勻，經管道加壓輸送，再經外部均勻加熱后霧化，噴射出液滴，在助燃氣體燃燒產生的高溫環境中氣化燃燒；B、氣化燃燒所得的產物經迅速冷卻，形成納米級低溫催化劑顆粒；C、Nafion/C經霧化后噴出液滴，與步驟B所述的催化劑顆粒一起被濺射到質子交換膜基質板（17）上，形成催化層；D、重復以上步驟A至步驟C，以不同的催化載量，在質子交換膜基質板（17）的另一面噴涂，分別生成陽極和陰極的催化層，形成膜電極組件。設備主要包括催化劑噴射裝置、冷卻裝置、Nafion/C噴射裝置和接收裝置。該工藝是一種環保、高效、低成本的工藝，并可實現連續化和規模化生產。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種質子交換膜燃料電池催化層的制備工藝與所用設備，屬于燃料電池
技術介紹
燃料電池由于具有高效、清潔、低噪音、可靠性高以及比功率高等優點，而愈來愈廣泛地受到各國政府的重視，被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發電技術。在各類燃料電池中，質子交換膜燃料電池(縮寫PEMFC)以其獨有的特性而最有希望成為未來汽車、便攜 式電子設備和部隊野外行動裝備等的動力源工作電流大、比能量高、能量效率高、常溫下起動時間短等，其研究和應用也是后來居上，在電池的成本和耐久性等方面都取得了突破性的進展。除各國政府的重視外，奔馳、尼桑、福特、巴拉德等大公司也都投入巨大的人力、物力和財力來進行PEMFC汽車動力系統的研究開發，不僅在公司內部成立專門的研發小組，并資助眾多的國際知名高校和研究所進行相關的研究工作，目前世界上的許多樣車都是由這些公司率先研發。國內的大連物化所、武漢理工、上海交大、西安交大、中山大學等也在各種資助開展了許多的基礎研究工作。然而，目前我國的燃料電池技術水平與國際先進水平相比仍有一定的差距，特別是在自主知識產權的關鍵技術方面，我國投入的經費和公司參與等方面與美國、加拿大等相比有較大的不足。催化層(Catalyst Layer,縮寫CL)是PEMFC的核心組件,其性能的優劣直接影響電池的性能和發展前景。目前的催化層主要問題是以Pt為催化劑導致成本的居高不下，更為重要的是該催化劑容易與反應物中可能存在的CO等雜質結合，產生毒化，體積分率百萬分之幾就可帶來性能的急劇下降；此外，在工作過程中，催化層的內部微觀結構等會產生不可逆變化(如聚合物溶漲導致氣體通道的減少和Pt/C的團聚等)，引起電池的惡化，導致電池的工作壽命不長。基于上述兩大主要問題成本高和使用壽命短，也是PEMFC目前尚沒有很好商業化和規模生產的主要障礙。CL是電池發生反應的場所，且必須要有良好的立體反應空間和三相交界面(電解質、催化劑和反應物)，以及良好的組分和電荷傳導網絡。因此，其內部的構成和工作機理非常的復雜，不同的微結構和組成(聚合物、Pt/C等的含量和類型)都會帶來性能的巨大差異。PEMFC中催化層的關鍵材料主要是貴金屬Pt催化劑(研究人員已開發大量的Pt合金和非Pt催化劑)、全氟磺酸膜和碳載體等。催化層的性能除了與材料有關外，還與結構密切相關。因此，通過改進催化層的制備方法對其結構進行優化，是提高其性能的重要途徑之一。為提高催化劑的利用率，在Pt/C的基礎上研究人員先后開發出涂膏法、滾壓法和電化學催化法等工藝，并取得了顯著的成效。催化層制造一般都是和膜電極組件一起加工形成。根據MEA (即膜電極組件Membrane Electrode Assemblies的縮寫)制備過程中CL的支撐基體不同，可以將目前眾多MEA的制備方法歸納為兩種制備模式以氣體擴散層為CL支撐體的制備模式，即先把CL做到⑶L (Gas Diffusion Layer的縮寫)上制得多孔氣體擴散電極，再通過熱壓的方法把多孔氣體擴散電極與PEM (即質子交換膜Proton Exchange Membrane的縮寫)組合形成MEA ；以PEM為CL支撐體的制備模式，即直接把將CL做到PEM兩側并經一定工藝處理后形成薄層MEA。CCM (即Catalyst CoatedMembrane的縮寫)是一種將催化劑直接涂覆于質子交換膜表面的三合一組件，在近幾年的研究中得到了廣泛的應用。CCM對PEMFC的輸出功率、能量密度分布及工作壽命有著決定性的影響。材料選擇、電極結構和制備工藝等決定了其基本性能，同時電池工作環境的選擇與控制對氣體擴散、質子傳遞以至CCM中電催化劑和質子交換膜的性能都有較大的影響。人們提出了多種制備CCM的方法，在降低Pt載量及提高PEMFC的性能等方面取得了進展。該技術是今后膜電極制備工藝的發展方向。對CCM的制備模式還有待于更深入地研究，如CCM結構并未達到最佳設計，結構對電極上的傳遞過程影響尚不明確，制備過程對PEM結構和性能的影響，催化層涂覆到PEM上的工藝優化等。Pt/C催化劑的電催化活性與其粒徑關系密切，催化劑粒徑的改變除了改變催化劑的電化學活性面積外，單位面積上的反應活性(稱為表面積活性)也會發生改變，揭示催化劑的這種尺寸效應對于催化劑的合理設計、提高其利用率非常重要。雖然電池貴金屬Pt用 量從最早時的超過10mg/cm2通過工藝的改進已減少到O. 05mg/cm2,甚至更低,但在實際應用中仍是O. 2mg/cm2居多，Pt的利用率仍不充分，到現在也只有20%，Pt利用率不高的原因主要有兩點一是制備的Pt顆粒太大，當直徑為12nm時利用率也要小于10%，而且工作中的直徑會增大，進一步減小利用率；二是反應氣體不易達到催化劑表面。且電池的使用時間因催化層在工作中的不穩定性能容易惡化，目前開發的電池可靠運行時間幾千小時，應用于汽車動力的耐久性和后期維護成本都與現在的內燃機技術有較大差距。本項目將著重研究薄層(l-5Mm)低Pt載量(O. lmg/cm2)催化層的微觀傳遞和毒化惡化機理、實驗表征和性能優化，獲得具有良好的穩定性、耐久性和低成本催化層的理論模型和制備方法。目前的許多專利技術(201210016286. 3,99112825. 7,00123086. 7,0313964. X,200510047723. 8)，大多存在工藝復雜或是催化劑利用率不高等問題。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是，提供一種質子交換膜燃料電池催化層的制備工藝，該制備工藝簡單，所制得的膜電極組件性能穩定，Pt載量有效下降。本專利技術的技術方案質子交換膜燃料電池催化層的制備工藝，包括如下步驟 A、將鉬的有機化合物溶液攪拌均勻，經管道加壓輸送，再經外部均勻加熱后霧化，噴射出液滴，在助燃氣體燃燒產生的高溫環境中氣化燃燒； B、氣化燃燒所得的產物經迅速冷卻，形成納米級低溫催化劑顆粒； C、Nafion/C經霧化后噴出液滴，與步驟B所述的催化劑顆粒一起被濺射到質子交換膜基質板上，形成催化層； D、重復以上步驟A至步驟C，以不同的催化載量，在質子交換膜基質板的另一面噴涂，分別生成陽極和陰極的催化層，形成膜電極組件。進一步地，步驟A所述鉬的有機化合物溶液由鉬金屬化合物溶解在有機溶劑中，攪拌形成混合膠體狀；所述鉬的有機化合物溶液外部加熱溫度為140-160°C ;所述鉬的有機化合物溶液霧化后噴射的液滴粒徑為0. 3^0. 6mm,噴出速度為0. 8-3. 0m/s，流量為O. 6-1. Oml/min ;所述助燃氣體流量為O. 2^0. 5L/min,與流量為O. 3^0. 6L/min的氧氣預混后，I. (Tl. 5個大氣壓，20-25°C，再經噴射，燃燒形成穩定的中心火焰。進一步地，所述步驟B中燃燒所得產物經冷卻空氣冷卻，冷卻所得催化劑顆粒的溫度為100-200°C，大小為3 7nm，冷卻空氣流量為30-40slpm (標準公升每分鐘)/噴嘴，壓力為 O. 55-0. 69MPa。進一步地,步驟C所述Naf ion/C液滴顆粒大小為100_500nm。 進一步地，所述質子交換膜基質板的溫度為10(Γ140 ，經電腦控制左右和前后運動，運動速度20_30mm/s。為本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種質子交換膜燃料電池催化層的制備工藝，其特征在于該制備工藝包括如下步驟：A、將鉑的有機化合物溶液攪拌均勻，經管道加壓輸送，再經外部均勻加熱后霧化，噴射出液滴，在助燃氣體燃燒產生的高溫環境中氣化燃燒；B、氣化燃燒所得的產物經迅速冷卻，形成納米級低溫催化劑顆粒；C、Nafion/C經霧化后噴出液滴，與步驟B所述的催化劑顆粒一起被濺射到質子交換膜基質板（17）上，形成催化層；D、重復以上步驟A至步驟C，以不同的催化載量，在質子交換膜基質板（17）的另一面噴涂，分別生成陽極和陰極的催化層，形成膜電極組件。
【技術特征摘要】
1.一種質子交換膜燃料電池催化層的制備工藝，其特征在于該制備工藝包括如下步驟 A、將鉬的有機化合物溶液攪拌均勻，經管道加壓輸送，再經外部均勻加熱后霧化，噴射出液滴，在助燃氣體燃燒產生的高溫環境中氣化燃燒； B、氣化燃燒所得的產物經迅速冷卻，形成納米級低溫催化劑顆粒； C、Nafion/C經霧化后噴出液滴，與步驟B所述的催化劑顆粒一起被濺射到質子交換膜基質板(17)上，形成催化層； D、重復以上步驟A至步驟C，以不同的催化載量，在質子交換膜基質板(17)的另一面噴涂，分別生成陽極和陰極的催化層，形成膜電極組件。2.根據權利要求I所述的質子交換膜燃料電池催化層的制備工藝，其特征在于步驟A所述鉬的有機化合物溶液由鉬金屬化合物溶解在有機溶劑中，攪拌形成混合膠體狀；所述鉬的有機化合物溶液外部加熱溫度為140-160°C ;所述鉬的有機化合物溶液霧化后噴射的液滴粒徑為O. 3^0. 6mm,噴出速度為O. 8-3. Om/s，流量為O. 6-1. Oml/min ;所述助燃氣體流量為O. 2 O. 5L/min,與流量為O. 3 O. 6L/min的氧氣預混后，I. (Tl. 5個大氣壓，20-25°C，再經噴射，燃燒形成穩定的中心火焰。3.根據權利要求I所述的質子交換膜燃料電池催化層的制備工藝，其特征在于所述步驟B中燃燒所得產物經冷卻空氣冷卻，冷卻所得催化劑顆粒的溫度為100-200°C，大小為3 7nm，冷卻空氣流量為30-40slpm/噴嘴，壓力為O. 55-0. 69MPa。4.根據權利要求I所述的質子交換膜燃料電池催化層的制備工藝，其特征在于步驟C所述Naf ion/C液滴顆粒大小為100_500nm。5.根據權利要求I所述的質子交換膜燃料電池催化層的制備工藝，其特征在于所述質子交換膜基質板(17)的溫度為10(Γ140 ，經電腦控制左右和前后運動，運動速度20-30mm/so6.一種按照權利要求1-5任意一項權利要求所述的質子交換膜燃料電池催化層制備所用的設備，其特征在于它包括沿豎向或橫向中心軸(19)依次排列的催化劑噴射裝置、冷卻裝...
【專利技術屬性】
技術研發人員：胡桂林，李國能，張治國，鄭友取，泮國榮，
申請(專利權)人：浙江科技學院，
類型：發明
國別省市：
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