一种燃料电池用高稳定性喷墨打印墨水及其制备与应用制造技术

本发明专利技术提供一种燃料电池用高稳定性喷墨打印墨水及其制备与应用。所述喷墨打印墨水由催化剂，溶剂，粘合剂，螯合剂和树脂溶液组成，其中，催化剂与溶剂，粘合剂，螯合剂和树脂溶液的质量比分别为1:15‑1:40,1:10‑1:30,1:10‑1:20和1:1.8‑1:12.6；所述催化剂为铂基催化剂；所述溶剂为异丙醇、乙醇或者水中的一种或多种；所述粘合剂为乙二醇或丙三醇中的一种或两种；所述螯合剂为乙酸丁酯；所述树脂溶液的质量分数1‑10％；与现有技术相比，本发明专利技术提供的燃料电池用喷墨打印墨水具有高稳定性，且制备方法简单，便于实现工业化；并且将本发明专利技术所述墨水通过喷墨打印于质子交换膜上制备所得的膜电极，经过去离子水浸泡和烘干后，呈现良好的电池性能，优于不含螯合剂的传统墨水。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用高稳定性喷墨打印墨水及其制备与应用
本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种高稳定性喷墨打印墨水及其制备与应用。
技术介绍
质子交换膜燃料电池具有环境友好、能量转换率高、低温快速启动等特点，其在交通运输、便携式电源及航空航天领域具有十分广阔的发展前景。然而，如何进行燃料电池的大批量制备，并提升燃料电池的功率密度是制约燃料电池进一步发展的关键问题。喷墨打印技术作为目前较为热门的制备技术之一，具有适用范围广，操作简单，低成本，可实现快速批量制备等诸多优点。目前，该技术已经能够便捷地应用于太阳能电池、有机发光二极管(OLED)、高分子发光二极管、功能材料打印机印刷电子等广泛的工艺制备和科研领域，在燃料电池制备领域有着巨大的发展潜力。将喷墨打印技术引入膜电极制备领域具有诸多优势：首先，喷墨打印技术可以很好的控制催化层内贵金属催化剂的含量和催化层厚度，便于制备低铂、超低铂载量以及超薄催化层，且与其它制备技术相比，催化层的平整度更高；其次，喷墨打印技术可以实现多种材料同步高精度打印，通过此技术可实现催化层内气体通道、排水通道等功能结构的建立，从而提升气体传质，减缓水淹现象的产生，降低贵金属催化剂的用量，制备功能有序化电极；再次，喷墨打印技术在膜电极大规模量产方面具有十分广阔的应用前景，可实现膜电极快速、大量的连续制备，并同步完成膜电极密封步骤，简化工艺流程，提高生产效率。然而，喷墨打印技术在燃料电池制备领域的应用还存在诸多难点，尤其是高稳定性喷墨打印墨水的制备。由于燃料电池电极本身的特点，目前喷墨打印制备电极所需的传统墨水仅含有催化剂、粘合剂、溶剂和树脂溶液，所得到的传统墨水为悬浮液，分散体系不稳定，且催化剂本身粒径较大，极易出现墨水沉降及堵塞喷头等问题。因此，提高燃料电池用喷墨打印墨水的稳定性对于喷墨打印技术在燃料电池制备领域的应用至关重要，是解决燃料电池批量化生产问题的关键。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种燃料电池用高稳定性喷墨打印墨水及其制备与应用。与现有技术相比，本专利技术提供的燃料电池用喷墨打印墨水具有高稳定性，室温下静置24小时未出现沉降现象，且制备方法简单，便于实现工业化；并且将本专利技术所述墨水通过喷墨打印于质子交换膜上制备所得的膜电极，经过去离子水浸泡和烘干后，呈现良好的电池性能，优于不含螯合剂的传统墨水。本专利技术的技术方案如下：第一方面，本专利技术提供了一种燃料电池用喷墨打印墨水，所述墨水由催化剂、溶剂、粘合剂、螯合剂和树脂溶液组成；所述催化剂与溶剂、粘合剂、螯合剂、树脂溶液的质量比分别为1:15-1:40、1:10-1:30、1:10-1:20、1:1.8-1:12.6；所述催化剂为铂基催化剂；所述溶剂为异丙醇、乙醇或者水中的一种或多种；所述粘合剂为乙二醇或丙三醇中的一种或两种；所述螯合剂为乙酸丁酯；所述树脂溶液的质量分数1-10％。优选地，所述铂基催化剂为铂黑，碳载铂，铂合金，核壳结构铂基催化剂，纳米线结构铂基催化剂或者单原子层铂基催化剂中的一种或多种；所述树脂为全氟磺酸树脂。第二方面，本专利技术提供了一种喷墨打印墨水的制备方法，所述制备方法为：按照上述的质量比称取催化剂、溶剂、粘合剂、螯合剂、树脂溶液；先将催化剂、粘合剂与溶剂相混合，在0-25℃下水浴超声0.5-3h，水浴超声过程中逐滴加入树脂溶液得到混合液；水浴超声结束后，将所述混合液以1-2ml/min的速度加入处于水浴超声中的螯合剂中，继续水浴超声10-30min，之后在冰水浴下探针超声15-60min，得到高稳定性喷墨打印墨水。优选地，所述探针超声的功率为额定功率的10％-50％，所述额定功率为200-400W。所述高稳定性喷墨打印墨水在室温自然光下静置24h无沉降现象产生；其粘度为1-50mPa·s，表面张力为50-150mN/m。第三方面，本专利技术提供了一种膜电极，所述膜电极由上述喷墨打印墨水通过喷墨打印法制备。第四方面，本专利技术提供了一种膜电极的制备方法，所述制备方法为：将上述的喷墨打印墨水喷墨打印于质子交换膜的单侧或双侧，在0-25℃下浸泡于去离子水中0.5-5h，之后在空气中加热至60-100℃，热处理1-5h，得到膜电极。第五方面，本专利技术提供了一种膜电极的应用，将所述膜电极应用于燃料电池领域。有益效果1、本专利技术所提供的燃料电池用喷墨打印墨水在组成中首次引入了螯合剂，使墨水状态由“悬液态”调整为“胶体态”，且其加入对催化剂活性无影响，提高了喷墨打印墨水的稳定性，在室温下静置24h无沉降现象产生，而传统喷墨打印墨水静置5h以上即出现沉降。2、本专利技术制备的燃料电池用高稳定性喷墨打印墨水粘度为1-50mPa·s，表面张力为50-150mN/m，其粘度和表面张力范围大且可调，使用范围广，适用于多种喷墨打印喷头及喷墨打印模式。3、通过本专利技术所提供的燃料电池用高稳定性喷墨打印墨水制备的膜电极性能良好，优于未添加螯合剂的传统墨水喷墨打印所制备的膜电极。4、传统墨水中，催化剂中活性组分占载体的质量比例通常不高于20％，否则会导致催化剂颗粒更大，更易沉积，本申请通过引入螯合剂提高了喷墨打印墨水的稳定性，本申请所提供的喷墨打印墨水中，催化剂中活性组分占载体的质量比例可达到70％，且24h无沉降现象产生。附图说明图1为本专利技术实施例1的燃料电池用高稳定性喷墨打印墨水(左侧，1)与对比例1的传统燃料电池用喷墨打印墨水(右侧，2)在室温下静置24h后的墨水状态对比图。图2为本专利技术实施例1的燃料电池用高稳定性喷墨打印墨水与传统燃料电池用喷墨打印墨水制备的膜电极的极化曲线对比图。具体实施方式本专利技术实施例中采用的催化剂，溶剂，粘合剂，螯合剂以及树脂溶液均为市售产品。对比例1燃料电池用传统喷墨打印墨水，所述墨水组成为：按照催化剂20wt％Pt/C62.5mg与溶剂异丙醇，粘合剂丙三醇和树脂溶液5％全氟磺酸树脂(Nafion)溶液的质量比分别为1:25,1:13.67和1:7。所述墨水的制备方法为：按照上述比例先将20wt％Pt/C溶于异丙醇中，加入丙三醇后，5℃下水浴超声处理30min，并在水浴超声过程中逐滴加入5％Nafion溶液，之后在功率为50％的条件下探针超声30min，探针超声仪额定功率为300W，得到本对比例的燃料电池用传统喷墨打印墨水，其粘度为8.7mPa·s，表面张力为90mN/m。将本对比例的燃料电池用高稳定性喷墨打印墨水打印于Nafion-211膜的单侧上将打印后的电极在25℃条件下浸泡于去离子水中5h，之后在空气中加热至80℃，热处理3h，制备得到燃料电池膜电极，所述膜电极作为阴极，阴极铂载量为0.05mg·cm-2，阳极为喷涂法制备，铂载量为0.2mg·cm-2。膜电极的测试条件为：电池有效面积5cm2，测试温度60℃，100％增湿，阴阳极反应气体为氧气和氢气，电池阴阳极气体压力0.5ba本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用喷墨打印墨水，其特征在于，所述墨水由催化剂、溶剂、粘合剂、螯合剂和树脂溶液组成；/n所述催化剂与溶剂、粘合剂、螯合剂、树脂溶液的质量比分别为1:15-1:40、1:10-1:30、1:10-1:20、1:1.8-1:12.6；/n所述催化剂为铂基催化剂；/n所述溶剂为异丙醇、乙醇或者水中的一种或多种；/n所述粘合剂为乙二醇或丙三醇中的一种或两种；/n所述螯合剂为乙酸丁酯；/n所述树脂溶液的质量分数1-10％。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用喷墨打印墨水，其特征在于，所述墨水由催化剂、溶剂、粘合剂、螯合剂和树脂溶液组成；
所述催化剂与溶剂、粘合剂、螯合剂、树脂溶液的质量比分别为1:15-1:40、1:10-1:30、1:10-1:20、1:1.8-1:12.6；
所述催化剂为铂基催化剂；
所述溶剂为异丙醇、乙醇或者水中的一种或多种；
所述粘合剂为乙二醇或丙三醇中的一种或两种；
所述螯合剂为乙酸丁酯；
所述树脂溶液的质量分数1-10％。


2.根据权利要求1所述的喷墨打印墨水，其特征在于，所述铂基催化剂为铂黑，碳载铂，铂合金，核壳结构铂基催化剂，纳米线结构铂基催化剂或者单原子层铂基催化剂中的一种或多种；所述树脂为全氟磺酸树脂。


3.一种权利要求1所述的喷墨打印墨水的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：
按照权利要求1所述的质量比称取催化剂、溶剂、粘合剂、螯合剂、树脂溶液；
先将催化剂、粘合剂与溶剂相混合，在0-...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞红梅，孙昕野，周利，宋微，高学强，邵志刚，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21