质子交换膜燃料电池催化剂层干燥过程中墨水配方与干燥参数对组分演变的调控机制研究

这篇综述深入探讨了质子交换膜(PEM)燃料电池和电解槽催化剂层干燥过程中，二元1-丙醇/水溶剂体系的蒸发动力学与热力学选择性机制。研究通过理论建模与实验验证相结合，揭示了空气预载湿度(relative humidity)对溶剂选择性蒸发(selective evaporation)的关键影响，建立了包含气相传质动力学的干燥模型，为调控电极微观结构(microstructure)和抑制裂纹形成(crack formation)提供了理论依据。

　　

【1 Introduction】

质子交换膜(PEM)燃料电池和电解槽作为绿色氢能技术的核心组件，其催化剂涂层膜(CCM)成本占电堆成本的47%。研究聚焦催化剂墨水干燥过程，该过程通过改变溶剂组成显著影响粒子-离聚物(Nafion)相互作用和墨水性质，进而决定电极多孔微观结构的形成。

【1.1 Selectivity of the Drying of Catalyst Inks】

1-丙醇(P)/水(W)混合溶剂在25°C时形成共沸点(x_P,AZ=66.5 wt%)。引入气相传质动力学后，干燥空气条件下出现流变转折点(x_P,AR=53.3 wt%)。当x_P<>_P,AR时优先蒸发1-丙醇，反之则水优先蒸发。这种选择性蒸发会改变墨水介电常数，进而影响离聚物形态和催化剂粒子相互作用。

【1.2 Microstructure and Crack Formation】

干燥过程分为两个阶段：第一阶段溶剂表面蒸发导致湿膜厚度减小，达到"薄膜收缩终点"(EOFS)时形成最终孔隙率。第二阶段溶剂从孔隙网络蒸发产生毛细管压力，当应力超过临界值时引发裂纹。溶剂组成通过影响表面张力(γ)和粒子间作用力，直接决定电极的机械稳定性。

【2 Modeling of the Solvent Compositions】

建立包含非稳态焓平衡和质量平衡的微分方程模型，采用van Laar方程计算超额焓，Fuller方程估算气相扩散系数。模拟显示：在72°C干燥温度下，相对湿度从0%增至28%时，流变转折点从53.5wt%移至62.7wt%，导致墨水选择性蒸发行为发生逆转。

【2.1 Influence of Drying Parameters】

参数研究表明：温度升高30°C仅使x_P,AR偏移3.7wt%，而传热系数几乎不影响选择性。但空气预载水蒸气会显著抑制水蒸发动力学，当相对湿度>28%时，所有组分均优先蒸发1-丙醇。

【2.2-2.3 Ink Composition Dynamics】

模拟两种墨水配方(x_P,0=53wt%和18wt%)发现：前者在EOFS时保留7.5wt%1-丙醇，后者仅44秒即耗尽1-丙醇。离聚物形态学研究表明，水富集环境会促进Nafion形成带负电的大聚集体，阻碍其与催化剂结合。

【3 Experimental Validation】

采用CN10分散机制备Pt/C催化剂墨水，通过原位称重法验证模型。结果显示x_P,0=18wt%墨水的干燥时间比53wt%配方长50.6%，仅选择性蒸发模型能准确预测这种差异。汞孔隙度测定证实干燥后电极孔隙率为65%。

【4 Conclusion】

该研究建立了包含气相动力学的干燥模型，证明通过调控空气湿度可精确控制溶剂蒸发路径。这对工业干燥工艺优化具有重要指导意义，为制备高性能低裂纹电极提供了理论框架。