铂炭催化剂浆料均一性的一体化解决方案

发布：
上海奥法美嘉生物科技有限公司
时间：
2023-02-23
行业：
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铂炭催化剂浆料的一体化解决方案

均一性与稳定性控制

PEMFC（Proton Exchange Membrance Fuel Cells质子交换膜型燃料电池）在氢燃料电池中占有重要地位，超过80%的市场份额由此贡献[1] 。PEMFC主要由膜电极组件（Membrane Electrode Assembly，MEA）和双极板（Bipolar Plate，BPP）组成，MEA是质子交换膜燃料电池的Z核心组件，其主要构成是质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM），催化剂层（Catalyst Layer，CL）、气体扩散层（Gas Diffusion Layer，GDL）其中，处于“心脏”地位的是催化剂，也称为“催化剂墨水”，占据45%以上的成本。

PEMFC催化剂在工艺生产中，主要经历石墨化载体制备、铂基催化剂制备、催化剂浆料制备和催化剂浆料涂覆四个步骤。活性炭作为铂炭催化剂的载体，其孔径大小与孔径数量影响着铂粒子的分布与催化剂的催化效率。在铂炭催化剂制备时，除了需要控制铂纳米颗粒粒径在3-5nm、粒径分布窄、在炭上分散均匀外，还需对铂炭催化剂整体粒径与粒径分布进行控制和分析。催化剂层由催化剂浆料经过涂覆工艺形成，催化剂浆料的均一性和分散性将直接影响催化剂层的均匀性。

PEMFC催化剂流程概述

PEMFC催化剂在工艺生产中，主要经历石墨化载体制备、铂基催化剂制备、催化剂浆料制备和催化剂浆料涂覆四个步骤。高压微射流均质机均质分散催化剂浆料后经过过滤通过PSS的Nicomp粒度分析仪测试平均粒径、AccuSizer颗粒计数器测试过大颗粒浓度、Lum稳定性分析仪快速筛选催化剂浆料配方稳定性。

图1 铂炭催化剂浆料均一性解决方案

铂炭催化剂浆料粒度控制

铂炭催化剂是MEA的关键材料之一，可以显著降低化学反应的活化能。其活性直接影响到电池的性能。铂炭催化剂的粒径大小、粒径分布、均一性等因素对铂炭催化剂性能以及后续工艺起着重要作用。在对铂炭催化剂浆料进行考察时，主要评估其平均粒径大小，大颗粒浓度、稳定性等指标。

高压微射流均质机

PSI-20高压微射流均质机（小试兼中试型）采用固定结构的均质腔，通过电液传动的增压器使物料在高压作用下以极大的速度流经交互容腔的微管通道，物料流在此过程中受到高剪切力、高碰撞力、空穴效应等物理作用，使得平均粒径降低、体系均一稳定，由此获得理想的均质、分散或乳化结果。

l Z稿2069 bar的均质压力，Z稿处理量20L/h （PSI-20）

l 采用特殊设计Y型腔，去除尾端大颗粒效果佳，物料的混合更均一，处理效率高。

l 屏显界面，数据可溯源：支持数据导出设定压力及实时压力、监测点温度、实时流量、时间等。

l 配置K型热电偶：可用于实施监测料液温度。

l 低噪音：运行音量低于70分贝，工作环境友好型。

平均粒径检测

催化剂浆料的粒径对其催化活性影响较大，降低催化剂的颗粒大小能有效地提高催化剂的催化活性，但催化剂颗粒在未经分散时容易产生大团聚物，催化剂颗粒大小增加，比表面积减小，催化活性减小。适当的分散能增加催化剂的活性，进而影响MEA的性能。

Nicomp纳米激光粒度仪系列

Nicomp系列纳米激光粒度仪采用动态光散射原理检测分析样品的粒度分布，基于多普勒电泳光散射原理检测ZETA电位。

图2 Nicomp 3000系列（实验室）

l 粒径检测范围0.3nm-10μm，ZETA电位检测范围为+/-500mV

l 搭载Nicomp多峰算法，可以实时切换成多峰分布观察各部分的粒径。

l 高分辨率的纳米检测，Nicomp纳米激光粒度仪对于小于10nm的粒子仍然现实较好的分辨率和准确度。


图4∶高斯粒径分布图	图5∶Nicomp多峰粒径分布图

尾端大粒子浓度检测

CL（催化剂层）一直面临着阴极氧还原反应(ORR)反应动力学缓慢以及质量传输过电位过高的问题，造成这些问题的一个重要原因就是CL上催化剂团聚体中离聚物对Pt的覆盖，离聚物覆盖在Pt会减少催化活性位点造成 ORR活性损失，而Pt表面高密度过厚离聚物层会导致质量传输过电位增加。对催化剂进行团聚体（尾端大粒子）监控，可筛选并优化催化剂浆料配方，提高催化剂的活性。

AccuSizer颗粒计数器系列

AccuSizer系列在检测液体中颗粒数量的同时精确检测颗粒的粒度及粒度分布，通过搭配不同传感器、进样器，适配不同的样本的测试需求，能快速而准确地测量颗粒粒径以及颗粒数量/浓度。