電池行業應用專題 | 燃料電池催化劑油墨的狀態和穩定性

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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模生產的重要前提。

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和穩定性。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和穩定性。

結論：通過Lum穩定性分析儀可分析油墨樣品的沉降以及穩定性。

關鍵詞：催化劑；燃料電池；穩定性分析；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燃機的替代品種具有很高的優勢。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模生產的重要前提。

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優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，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）和離聚物的連續相中。

噴墨打印相對于傳統的超聲波噴涂、刮涂、對滾卷涂層等方式具有一定的技術優勢，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。為了檢驗重現性，每種分散方法在不同的天數內制備了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%，表明已經發生了明顯沉積。

• 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定性。最快可實現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，可分析樣品不穩定的原因(如:分層、沉降或絮凝)加以分類和理解，并得知穩定性排序。同一時間可最多測試12個樣品，此外，可實現4~60℃范圍內溫控，適用范圍廣且省時省力。

• 應用：

用于分析整體穩定性（包括不穩定性指數、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定性是否符合預期要求。不同改性的多壁碳納米管的穩定性對原油采收率（EOR）尤為重要。在研發階段，快速分析不同配方穩定性，可加速篩選及優化配方體系，加快研發進度。而在生產階段，成品穩定性則與量產直接關聯，如穩定性差，對大規模量產而言是非常大的挑戰。此外，物理加速及溫控可有效預估長期穩定性。

圖三：STEP計數原理圖

圖四：儀器外觀