干货 | 实验室分散机在新能源方面的应用

2024-08-28 18:00:10 281阅读次数

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实验室分散机在新能源方面的应用

随着全球对可再生能源和清洁能源的需求不断增长，氢燃料电池作为一种高效、环保的能源解决方案，逐渐受到世界范围内的关注。

氢燃料电池是一种能够将氢气与氧气通过电化学反应产生电能的装置。其核心原理是在阳极处将氢气氧化成离子，并通过电解质传导离子到阴极，最终与氧气结合生成水，释放出电能的过程。氢燃料电池可被视为一种将氢气储能并以电能形式输出的设备。

在氢燃料电池的电堆中，电极上氢的氧化反应和氧的还原反应过程主要受催化剂控制。催化剂是影响氢燃料电池活化极化的主要因素，被视为氢燃料电池的关键材料，其工艺与质量是提升膜电极性能和质量的关键所在。催化剂浆料一般包含铂碳颗粒、离聚物、分散溶剂等，常用的是担载型催化剂Pt/C（Pt纳米颗粒分散到碳粉载体上）。

尽管氢燃料电池在许多方面具有优势，但目前还面临一些困境和挑战。催化剂Pt/ C随着使用时间的延长存在Pt颗粒溶解、迁移、团聚现象，活性比表面积降低，难以满足碳载体的负载强度要求。Pt是贵金属，从商业化的角度看不宜继续作为常用催化剂成分，如何减少铂基催化剂用量、提高功率密度（催化活性）及基于此目标的MEA优化制备，便是挑战之一。

膜电极（MEA）作为氢燃料电池或系统的核心八大件之一，以热转印法为例，其生产工艺流程为：催化剂浆料配置——催化剂涂布到承载体聚合物膜上——热转印到PEM上——去除承接催化剂的聚合膜——密封边框加工——形成MEA

其中，催化剂浆料配制是第一步，也是非常关键的一步，分散效果的好坏会影响后续涂布的均匀性及催化剂活性，比如多孔性、粘度、铂分布的均匀性。制备稳定、粒径小且粒径分布均匀的浆料才能够尽可能多的暴露出催化剂的活性位点，发挥出催化剂的催化能力。因此，催化剂浆料的分散工艺至关重要

配制流程如下

1.物料准备

阳极浆料：重量比约15%的Pt-C催化剂、重量比约40%的去离子水和40%的甲醇类有机溶剂、约5%的聚离体溶液做粘合剂。

阴极浆料：重量比约20%的Pt-C催化剂、重量比约35%的去离子水和35%的甲醇类有机溶剂、约10%的聚离体溶液做粘合剂。

2.浆料分散设备

在混合的过程中，涉及分散搅拌，一般需要【剪切分散】和【超声分散】循环1-2小时（分散搅拌时间：＞1h）
为了提高催化剂的分散性和活性，分散机通转子的线速度在不同的实验中要求（15m/s及以上），物料在强烈的剪切、摩擦、撞击等作用下被充分分散破碎。

线速度的计算公式：V=πnd/60
V：线速度（m/s） n：转速（rpm） d：转子直径（m）

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