電池行業(yè)應用專題 | 燃料電池催化劑油墨的狀態(tài)和穩(wěn)定性

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摘要：催化劑層作為催化劑包覆膜的活性成分，形成了聚合物電解質膜燃料電池的核心。為了獲得燃料電池的最佳性能，獲得合適催化劑層的結構和功能性是至關重要的。因此催化劑層前體需要被調整，然后將其應用在膜上形成包覆膜。良好的分散特性是催化劑油墨可以大規(guī)模生產(chǎn)的重要前提。

目的：文中涉及的催化劑油墨制備采取了攪拌以及超聲法，采用分析離心法研究了油墨的狀態(tài)和穩(wěn)定性。方法：油墨制備分別采用磁力攪拌以及超聲波的不同放散制備方式，采用分析離心法研究了油墨的狀態(tài)和穩(wěn)定性。

結論：通過Lum穩(wěn)定性分析儀可分析油墨樣品的沉降以及穩(wěn)定性。

關鍵詞：催化劑；燃料電池；穩(wěn)定性分析；油墨

在能源研究的歷史中，燃料電池具有高能效、高功率密度、低工作溫度和強大的耐久性。而可以直接將氫燃料轉化為電能的聚合物電解質膜燃料電池在內(nèi)燃機的替代品種具有很高的優(yōu)勢。催化劑作為包覆膜的活性成分，形成了聚合物電解質膜燃料電池的核心。為了獲得燃料電池的最佳性能，獲得合適催化劑層的結構和功能性是至關重要的。因此催化劑層前體需要被調整，然后將其應用在膜上形成包覆膜。良好的分散特性是催化劑油墨可以大規(guī)模生產(chǎn)的重要前提。

膜電極組件構成了燃料電池的核心，通常由陽極和陰極催化劑層、聚合物電解質膜和氣體擴散層組成。催化劑層是臨界氧化還原和氫氧化反應的所在地。特別是有利于氧化還原反應的陰極催化層是一個瓶頸，這使得陰極催化層成為燃料電池的重要性能和成本控制組件。作為一種解決方案，增加鉑催化劑的負載可以加速反應，但是其可擴展性和經(jīng)濟可行性的問題限制了高鉑的負載。因此，許多關于燃料電池的研究都集中在開發(fā)優(yōu)化的催化劑涂層和膜電極組件布局上。

高功率密度的燃料電池陰極通常是炭黑組成的催化劑油墨制成，形成一個骨架。這個高表面積的框架由鉑粒子作為電催化劑裝飾。燃料電池催化劑油墨通常是分散在液體中的，但是這只是過渡狀態(tài)，在操作中，催化劑油墨最終作為涂層敷在基底或者膜上。陰極催化層中的Pt/C催化劑粉末分散在含有溶劑（混合物）和離聚物的連續(xù)相中。

噴墨打印相對于傳統(tǒng)的超聲波噴涂、刮涂、對滾卷涂層等方式具有一定的技術優(yōu)勢，被成功地應用于制造燃料電池。所以在這個過程中油墨的性能變得至關重要，碳材料本身有很高的團聚傾向，分散不良的油墨會導致聚集和團聚體的形成，在快速干燥過程中導致無序的、控制不良的層。同時團聚體往往會導致噴嘴的堵塞。

• 第一種油墨使用磁力攪拌器在500rpm的24小時內(nèi)混合(油墨樣品MS)。

• 第二種油墨使用超聲波浴混合30min(油墨樣品UB)。

• 第三組油墨由30min超聲浴，然后10min探針超聲，振幅為20%(UB+S20）。

• 第四種油墨通過30min超聲浴，然后10min探針超聲，振幅為70%(UB+S70）。

圖一 ：檢測結果

采用波長為870nm的光源。轉子轉速為4000rpm(底部為2300g)。每次測量包括333個剖面圖，每175秒記錄一次。總離心時間為16h。為了檢驗重現(xiàn)性，每種分散方法在不同的天數(shù)內(nèi)制備了3種不同的油墨樣品(共12個樣本)，并重復測量三次。第一個輪廓是紫色，最后一個輪廓為黃色。

由于所有剖面都被繪制出來，除了快速沉積的不分散的樣品，所以譜線彼此非常接近。在所有情況下，在沉積實驗的早期開始和接近尾聲時，后續(xù)剖面之間的距離都非常窄。這就導致了線條形成了緊湊的紫色和靛藍的片段（實驗的開始階段）， 以及綠色和黃色的片段（實驗的結束階段）。彎月面位置表現(xiàn)為在距離轉子中心110mm的徑向位置之前有一個小谷。半月板前的傳輸值表示通過空比色管的傳輸，所有樣品的透過率為80%。樣品MS、UB、UB+S20和UB+S70的測量單元的中間部分(從115mm到120mm)的傳輸分別增加。我們看到樣品在比色管填充高度上的透過率85%，表明已經(jīng)發(fā)生了明顯沉積。

• 原理：

使用STEP(Space-Time Extinction Profiles)技術，將裝好樣品的樣品管置于平行的單色短脈沖光束中，通過CCD檢測器實時監(jiān)測穿過樣品后透光率變化。得到不同時間，不同位置下樣品透光率譜圖，從而分析樣品在分離過程中的變化。采用加速離心的方式能夠物理加速樣品，直接且有效測試樣品穩(wěn)定性。最快可實現(xiàn)2300倍重力加速度。無需稀釋或知道樣品成份，只需要放入樣品就可觀察整個樣品的指紋圖譜，可分析樣品不穩(wěn)定的原因(如:分層、沉降或絮凝)加以分類和理解，并得知穩(wěn)定性排序。同一時間可最多測試12個樣品，此外，可實現(xiàn)4~60℃范圍內(nèi)溫控，適用范圍廣且省時省力。

• 應用：

用于分析整體穩(wěn)定性（包括不穩(wěn)定性指數(shù)、指紋圖譜、遷移速率、界面追蹤，預估有效期等等），判斷配方及工藝制備后體系穩(wěn)定性是否符合預期要求。不同改性的多壁碳納米管的穩(wěn)定性對原油采收率（EOR）尤為重要。在研發(fā)階段，快速分析不同配方穩(wěn)定性，可加速篩選及優(yōu)化配方體系，加快研發(fā)進度。而在生產(chǎn)階段，成品穩(wěn)定性則與量產(chǎn)直接關聯(lián)，如穩(wěn)定性差，對大規(guī)模量產(chǎn)而言是非常大的挑戰(zhàn)。此外，物理加速及溫控可有效預估長期穩(wěn)定性。

圖三：STEP計數(shù)原理圖

圖四：儀器外觀