PEMFC燃料電池用催化劑制備及粒度表征方案

摘要

碳中和、碳達(dá)峰“雙碳”目標(biāo)，成為2021年高頻詞匯。相較于起步較早的發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，時(shí)間緊，任務(wù)重。在此背景下，氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了發(fā)展機(jī)遇?！盃恳话l(fā)而動(dòng)全身”，從前端制氫到關(guān)鍵技術(shù)，從終端應(yīng)用場(chǎng)景到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，氫能與燃料電池的產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)、覆蓋面廣。隨著近幾年的快速發(fā)展，中國(guó)氫燃料電池汽車(chē)呈現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)空間，吸引了眾多國(guó)際車(chē)企及核心材料、零部件企業(yè)投身布局。

關(guān)鍵詞：

燃料電池|鉑炭催化劑墨水|催化劑墨水粒徑控制|催化劑墨水穩(wěn)定性

燃料電池(Fuel Cell)是一種非燃燒過(guò)程的電能轉(zhuǎn)換裝置，利用燃料氣和氧氣以電化學(xué)反應(yīng)方式，將化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換為電能。

目前全 球主流的氫燃料電池包含PEMFC、PAFC、SOFC等。根據(jù)E4tech的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年全 球氫燃料電池中PEMFC（Proton Exchange Membrance Fuel Cells質(zhì)子交換膜型燃料電池）系列產(chǎn)品占據(jù)著絕 對(duì)統(tǒng)治地位，超過(guò)80%的市場(chǎng)份額由此貢獻(xiàn)；PEMFC以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，鉑/炭或鉑-釕/炭為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動(dòng)通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板。其中，處于“心臟”地位的是催化劑，也稱(chēng)為“催化劑墨水”，占據(jù)60%左右的成本。

常規(guī)的鉑炭催化劑墨水示意圖如下所示：催化劑墨水是一種高度復(fù)雜的的材料，以炭黑作為支撐載體，在其上負(fù)載鉑催化劑，并由聚合物（導(dǎo)電膠）粘合劑穩(wěn)定。由于鉑價(jià)格昂貴，所以在制備過(guò)程中需維持鉑的均一有效負(fù)載，降低成本；同時(shí)又要避免制備過(guò)程中給到的能量過(guò)大或穩(wěn)定性差從而破壞支撐結(jié)構(gòu)；另外，催化劑墨水分散體系的隨時(shí)間推移的穩(wěn)定性對(duì)催化劑墨水的處理工藝及隨之而來(lái)的大規(guī)模燃料電池制造顯得尤為重要。而分散體系中的顆粒大小、濃度及顆粒間相互作用會(huì)影響宏觀穩(wěn)定性、聚集、流變學(xué)和電化學(xué)性能。因此，對(duì)于催化劑墨水的穩(wěn)定性及粒度評(píng)估一直是重 點(diǎn)表征項(xiàng)。

圖一 燃料電池催化劑墨水結(jié)構(gòu)

為了獲得穩(wěn)定的漿料體系，碳材料的制備及表征至關(guān)重要。不同工藝針對(duì)漿料通過(guò)珠磨機(jī)的處理工藝有差異，但無(wú)論是針對(duì)漿料本身還是針對(duì)碳材本身，常規(guī)工藝需要經(jīng)過(guò)珠磨機(jī)、均質(zhì)機(jī)進(jìn)行粒徑控制。

圖二 活性炭/鉑碳催化劑處理工藝

砂磨機(jī)/珠磨機(jī)

品牌：

日本HMM，APEX系列（實(shí)驗(yàn)室型或生產(chǎn)型）

原理：

珠磨機(jī)的研磨作業(yè)是送料泵將經(jīng)過(guò)預(yù)分散、濕潤(rùn)處理的漿液由研磨缸下方往上送進(jìn)研磨缸內(nèi)，研磨珠比重較重會(huì)往下掉，使原料在具有壓力的研磨缸內(nèi)產(chǎn)生上下對(duì)流，原料在研磨珠間隙中經(jīng)加壓及高速旋轉(zhuǎn)交亙沖擊中，產(chǎn)生乳化、分散、搓揉、研磨等功能，從而快速達(dá)到要求的粒徑。

制備關(guān)鍵點(diǎn)：

珠子粒徑、轉(zhuǎn)速、填充率。

應(yīng)用：

用于將炭顆粒研磨至亞微米級(jí)別，獲得更均一的粒徑分布。

圖三 珠磨原理圖

圖四 珠磨機(jī)儀器外觀

微射流均質(zhì)機(jī)

品牌：

意大利PSI，PSI-20，PSI-40系列（實(shí)驗(yàn)室及中試型）；Infinity系列（生產(chǎn)型）

原理：

高壓微射流均質(zhì)機(jī)通過(guò)電液傳動(dòng)的增壓器使物料在高壓作用下以極大的速度流經(jīng)固定幾何結(jié)構(gòu)均質(zhì)腔中的微管通道，物料流在此過(guò)程中受到超高剪切力、高碰撞力、空穴效應(yīng)等物理作用，使得平均粒徑降低、體系分散更加均一，由此獲得理想的均質(zhì)或乳化結(jié)果。

制備關(guān)鍵點(diǎn)：

均質(zhì)腔類(lèi)型、均質(zhì)腔孔徑、均質(zhì)壓力

應(yīng)用：

對(duì)于不同領(lǐng)域的各類(lèi)均質(zhì)需求，大致可以歸納為“乳化型”以及“解團(tuán)聚型”，針對(duì)燃料電池催化劑一般使用“Z”型均質(zhì)腔，進(jìn)一步對(duì)物料進(jìn)行去團(tuán)聚、松團(tuán)作用，此過(guò)程更有利于降低粒徑分布、去團(tuán)聚、分散等作用。

圖五 微射流均質(zhì)原理圖

圖六 微射流均質(zhì)機(jī)儀器外觀

納米粒度及Zeta電位分析儀

品牌：

美國(guó)PSS，Nicomp系列（實(shí)驗(yàn)室型）

原理：

納米粒度儀采用動(dòng)態(tài)光散射原理(DLS)檢測(cè)分析樣品的粒度分布?；诙嗥绽针娪竟馍⑸湓頇z測(cè)ZETA電位。其主要用于檢測(cè)納米級(jí)別及亞微米級(jí)別的體系，粒徑檢測(cè)范圍0.3nm-10um，ZETA電位檢測(cè)范圍為+/-500mV。DLS從傳統(tǒng)的光散射理論中分離，關(guān)注光強(qiáng)隨著時(shí)間的波動(dòng)行為。我們通過(guò)光強(qiáng)值的波動(dòng)得到自相關(guān)函數(shù)，從而獲得衰減時(shí)間常量τ，根據(jù)公式換算獲得粒子的擴(kuò)散系數(shù)D，再根據(jù)Stocks-Einstein方程計(jì)算粒徑大小。

檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)：

粘度、折光率、溫度

應(yīng)用：

用于分析漿料整體粒徑分布情況（包括平均粒徑、PI值、D90、D10等等），判斷配方及工藝制備后粒徑大小是否符合要求。

圖七 粒度檢測(cè)原理圖

圖八 激光粒度儀儀器外觀

計(jì)數(shù)粒度儀

品牌：

美國(guó)PSS，AccuSizer系列

原理：

單個(gè)粒子通過(guò)狹窄的光感區(qū)時(shí)阻擋了一部分入射光，引起到達(dá)檢測(cè)器的入射光強(qiáng)度瞬間降低，強(qiáng)度信號(hào)的衰減幅度理論上與粒子橫截面(假設(shè)橫截面積小于光感區(qū)的寬度)，即粒子直徑的平方成比例。用標(biāo)準(zhǔn)粒子建立粒徑與強(qiáng)度信號(hào)大小的校正曲線。儀器測(cè)得樣品中顆粒通過(guò)光感區(qū)產(chǎn)生的信號(hào)，根據(jù)校正曲線計(jì)算出顆粒粒徑。PSS開(kāi)創(chuàng)性地通過(guò)光散射增加對(duì)小粒子的靈敏度，將單顆粒傳感器的計(jì)數(shù)下限拓展至0.5μm。

檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)：

濃度、稀釋液/分散液性質(zhì)、流速

應(yīng)用：

定量分析0.5μm以上顆粒粒徑分布及濃度，彌補(bǔ)粒度分布儀器針對(duì)尾端少量顆粒不敏感性，從而判斷均質(zhì)工藝是否有效將尾端大顆粒進(jìn)行控制。針對(duì)燃料電池PEMFC催化劑墨水在制備過(guò)程中，顆粒計(jì)數(shù)設(shè)備的作用有兩點(diǎn)：1）確認(rèn)樣品前處理操作是否合理去除異常過(guò)大的尾端顆粒，避免在均質(zhì)過(guò)程中堵塞均質(zhì)腔。2）優(yōu)化均質(zhì)工藝，用于確認(rèn)不同均質(zhì)工藝條件下尾端顆粒的去除情況，及顆粒濃度分布的變化（由大顆粒轉(zhuǎn)變成小顆粒）

此外，傳感器檢測(cè)范圍標(biāo)配0.5~400μm，可拓展至5000μm，可滿足初始物料及不同均質(zhì)工藝條件下物料的粒度檢測(cè)需求。

圖九 SPOS原理圖

圖十 計(jì)數(shù)粒度儀儀器外觀

表一：物料顆粒濃度分布圖

圖十一：初始物料剪切前后顆粒濃度分布

黑色：剪切前樣品

藍(lán)色：剪切后樣品

圖十二：均質(zhì)不同次數(shù)后體系顆粒濃度分布

黑色：均質(zhì)1次；

藍(lán)色：均質(zhì)2次；

紅色：均質(zhì)3次；

紫色：均質(zhì)4次；

綠色：均質(zhì)5次；

橫坐標(biāo)為粒徑：?jiǎn)挝沪蘭

縱坐標(biāo)為顆粒濃度：?jiǎn)挝?顆/ml

均質(zhì)后“尾端大顆?！睗舛让黠@下降

穩(wěn)定性分析儀

品牌：

德國(guó)LUM，LumiFuge或LumiSizer系列

原理：

使用STEP (Space-Time Extinction Profiles) 技術(shù)，將裝好樣品的樣品管置于平行的單色短脈沖光束中，通過(guò)CCD檢測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)穿過(guò)樣品后透光率變化。得到不同時(shí)間，不同位置下樣品透光率譜圖，從而分析樣品在分離過(guò)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(cè)試樣品穩(wěn)定性。Z快可實(shí)現(xiàn)2300倍重力加速度。無(wú)需稀釋或知道樣品成分，只需要放入樣品就可觀察整個(gè)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(lèi)和理解，并得知穩(wěn)定性排序。同一時(shí)間可Z多測(cè)試12個(gè)樣品，此外，可實(shí)現(xiàn)4~60℃范圍內(nèi)溫控，適用范圍廣且省時(shí)省力。

檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)：

透光率、不穩(wěn)定性指數(shù)、遷移速率、指紋圖譜、預(yù)估有效期

應(yīng)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(yù)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(yù)期要求。催化劑墨水穩(wěn)定性與研發(fā)及后期生產(chǎn)使用尤為重要。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(jìn)度。而在生產(chǎn)階段，成品穩(wěn)定性則與量產(chǎn)直接關(guān)聯(lián)，如穩(wěn)定性差，對(duì)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(yù)估長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖十三：STEP計(jì)數(shù)原理圖

圖十四：穩(wěn)定性分析儀儀器外觀

表二：燃料電池催化劑墨水整體穩(wěn)定性分析

圖十五：燃料電池催化劑墨水（均質(zhì)不同次數(shù)）指紋圖譜

橫坐標(biāo)：離心管位置

縱坐標(biāo)：透光率

圖譜從左到右依次是原液、均質(zhì)1~5次

圖十六：燃料電池催化劑墨水（均質(zhì)不同次數(shù)）不穩(wěn)定性指數(shù)

橫坐標(biāo)：樣品

縱坐標(biāo)：不穩(wěn)定指數(shù)

藍(lán)色：原液；

深藍(lán)：均質(zhì)1次；

紅色：均質(zhì)2次；

棕紅色：均質(zhì)3次；

綠色：均質(zhì)4次；

深綠色：均質(zhì)5次

通過(guò)STEP技術(shù)分析，可以觀察到隨著均質(zhì)的進(jìn)行，樣品不穩(wěn)定性指數(shù)越低，穩(wěn)定性越好。

總結(jié)  

通過(guò)珠磨機(jī)、微射流均質(zhì)機(jī)制備催化劑墨水，結(jié)合DLS、SPOS以及STEP技術(shù)，對(duì)鉑炭催化劑墨水進(jìn)行一整套表征。從研發(fā)小試到批量生產(chǎn)，從配方到工藝，通過(guò)表征數(shù)據(jù)來(lái)直觀判斷配方、工藝的有效性，對(duì)批間差進(jìn)行監(jiān)控，來(lái)分析生產(chǎn)工藝的性能變化，例如添加分散劑的含量會(huì)影響Z 終粒徑的大小、顆粒濃度及體系穩(wěn)定性，通過(guò)這些表征指標(biāo)可調(diào)整微射流均質(zhì)的壓力和均質(zhì)次數(shù)，進(jìn)而優(yōu)化制備工藝。

HMM珠磨機(jī)、PSI微射流均質(zhì)機(jī)、PSS的Nicomp納米粒度儀及AccuSizer系列計(jì)數(shù)粒度設(shè)備和LUM的LumiSizer系列穩(wěn)定性分析儀相結(jié)合，提供燃料電池催化劑墨水研發(fā)以及質(zhì)量控制的整套解決方案。