CN100517820C - 一种质子交换膜燃料电池有序化膜电极及其制备和应用 - Google Patents
一种质子交换膜燃料电池有序化膜电极及其制备和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN100517820C CN100517820C CNB2005100480349A CN200510048034A CN100517820C CN 100517820 C CN100517820 C CN 100517820C CN B2005100480349 A CNB2005100480349 A CN B2005100480349A CN 200510048034 A CN200510048034 A CN 200510048034A CN 100517820 C CN100517820 C CN 100517820C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- catalyst
- film
- preparation
- nafion
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims description 55
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims description 26
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 18
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 67
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 claims description 44
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical group OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 17
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 17
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 15
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 10
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 claims description 8
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 8
- 239000011532 electronic conductor Substances 0.000 claims description 7
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 6
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 claims description 5
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 4
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 3
- 230000009514 concussion Effects 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 24
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract 3
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 abstract 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 abstract 2
- 230000004523 agglutinating effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 abstract 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 15
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 11
- 239000000306 component Substances 0.000 description 11
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 101000575041 Homo sapiens Male-enhanced antigen 1 Proteins 0.000 description 6
- 102100025532 Male-enhanced antigen 1 Human genes 0.000 description 6
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 4
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 3
- 101001012669 Homo sapiens Melanoma inhibitory activity protein 2 Proteins 0.000 description 2
- 101000585728 Homo sapiens Protein O-GlcNAcase Proteins 0.000 description 2
- 102100029778 Melanoma inhibitory activity protein 2 Human genes 0.000 description 2
- 101100337414 Mus musculus Golga3 gene Proteins 0.000 description 2
- 102100030122 Protein O-GlcNAcase Human genes 0.000 description 2
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 mass ratio) 1900mg Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- 229920003935 Flemion® Polymers 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002849 PtRu Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 150000005846 sugar alcohols Polymers 0.000 description 1
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体地说是一种新型有序化质子交换膜燃料电池的膜电极结构及其制备方法和应用，电极中的关键组分质子导体、电子导体、粘结剂和/或它们形成的团簇沿同一方向排列。本发明通过在质子交换膜两侧喷涂一层聚合物电解质，从而改变电解质膜和电极界面微观结构；电极制备过程中通过使用负压，外加电场，热处理等手段使电极中的关键组分沿同一方向定向排列。该结构膜电极有利于质子、电子、反应物和产物的传输及迁移，扩大三相反应界面，增加催化剂的利用率，提高电池性能。本发明提供的这种结构适用于质子交换膜燃料电池，尤其适合氢气或者甲醇进料的质子交换膜燃料电池膜电极的制备，电解池和传感器中。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体地说是一种新型有序化质子交换膜燃料电池的膜电极结构及其制备方法和应用。
背景技术
燃料电池是将燃料和氧化剂的化学能直接转变为电能的一种发电装置，其燃料可以是氢气、有机化合物例如石油、甲醇等的重整气以及直接使用液体甲醇、乙醇等有机醇类。燃料电池具有结构简单、理论比能量密度高、环境友好等优点，特别适宜作便携式电源，电动机车动力电源和分散电站等，具有广阔的应用前景。
膜电极作为质子交换膜的核心部件，其性能和成本必须满足商业化所需的要求，因此优化电极结构，提高电池性能，降低贵金属担载量和提高贵金属催化剂利用率是直接醇类燃料电池研究和商业化非常重要的一个环节。
文献1[US 4876115]介绍了如下方法制备气体扩散电极：将由碳载铂催化剂和聚合物黏接剂如PTFE组成的浆液沉积到导电的基体上，然后将Nafion溶液喷涂到电极表面，之后进行处理(热处理)除去有机溶剂。该方法制备的电极中催化剂和质子导体Nafion接触不好，喷涂的Nafion深度和催化层厚度不能很好匹配，因而催化剂的利用率很低，一般低于30％。
文献2[USP 5234777]介绍了氢氧质子交换膜燃料电池中配制催化剂浆液以及制备膜电极(MEA)的方法，Nafion作为粘结剂直接与催化剂混合，水和甘油的混合溶剂作为分散剂配制催化剂浆液，涂刷或浇铸在PTFE膜上，再转压到质子交换膜上形成膜电极(MEA)，或者直接浇铸到质子交换膜上形成膜电极(MEA)。该技术制备膜电极由于直接将催化剂和Nafion溶液混合，两者接触较好，催化剂利用率与文献1相比，大大提高。然而该方法中使用甘油作为溶剂，不易挥发，且易造成催化层脆裂，从而造成电极制备过程具有一定的困难。
文献3[USP 6548202B2]介绍了一种可提高电极催化剂利用率的方法：在使用碳担载型催化剂制备电极时，使用HNO3，H3PO4，KMnO4等氧化剂处理使其载体表面含有足够的酸性氧化物种，pH值小于5。从而在制备催化剂浆液时有利于碳担载型催化剂与离子聚合物紧密接触，提高催化剂的利用率。然而该方法增加了制备电极的中间步骤，制备过程复杂，且在使用氧化物处理催化剂时，可能会导致催化剂中贵金属粒子的聚集，催化性能降低。
文献4[USP5084144]介绍了一种电化学沉积法制备电极的方法。得到了较薄的催化层，该催化层中催化剂与质子导体相接触，提高了催化剂的利用率。然而，电沉积技术得到的催化剂粒径较大，该技术本身也比较困难，难以规模化生产。
文献5Erik Middelman(Fuel cell bulletin November 20029-12)介绍了利用可控自组装方法(controlled self-assembly)制备质子交换膜燃料电池电极。该种电极中，可实现各组分具有一定的取向，从而减小传质阻力，催化剂的利用率理论上可达到100％。然而该文献中，并没有提供具体的实验过程，缺少实验数据。
研究表明，目前H2-O2PEMFC和直接醇类燃料电池膜电极中的各组分呈无序排列，不利于质子，电子，反应物和产物的传导，虽然文献5中引入了可控的自组装方法制备各组分具有一定取向的电极，但是没有具体的实验过程和结果，而且该文献中提出的理想电极模型中电子导体的取向为垂直与膜的表面，在这些电子导体上为均匀分布的粒径约为2nm的Pt粒子，在这种取向的电子导体表面，覆盖一层质子传导聚合物。质子导体的取向也与膜的方向垂直。然而具有理想电极结构的电极很难制备，未见文献报道，同时其他方法制备的电极还存在贵金属担载量较高和性能较低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型有序化质子交换膜燃料电池的膜电极结构，同时提供了一种制备该有序化膜电极的方法；本发明的有序化膜电极结构的最大优点就是电极中的关键组分沿同一方向排列。
通过在质子交换膜两侧喷涂一层聚合物电解质，改变电解质膜和电极界面微观结构，并可以通过加入造孔剂并除去造孔剂的过程，在修饰层表面形成一定的孔道；电极制备过程中通过使用负压、外加电场或热处理等手段使催化层的组分按一定形状和方向生长、电极中的关键组分沿一定方向排列：质子导体，电子导体及其形成的团簇与电解质膜之间形成一定的角度θ，该角度范围为0°＜θ≤90°，提高了质子和电子传导率，增加催化剂的利用率(达30-90％)，扩大了三相反应界面，提高了电池性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种质子交换膜燃料电池有序化膜电极，电极中的关键组分质子导体、电子导体、粘结剂和/或它们形成的团簇沿同一方向排列。
有序化膜电极制备的具体步骤如下：
1)催化剂浆液的制备：在Nafion溶液中加入醇类和水的混合溶剂，醇类与水的质量比100∶1-1∶100(较佳为30∶1～1∶30，最好为10∶1-1∶10)，再加入所需量的催化剂，Nafion干重与催化剂的重量比为1∶1-1∶20；溶剂与催化剂的重量比例为50-5∶1(较佳为30-10∶1)；混合超声震荡均匀；
2)Nafion膜表面修饰层的制备：负压下，按0.1-5.0mg/cm2的量将聚合物电解质喷涂或浇铸到质子交换膜(如保持一定负压的Nafion膜)表面；
3)催化层的制备：负压下，将催化剂的浆液喷涂或浇铸在步骤2)得到的质子交换膜膜的两侧(通常按0.5-6.0mg/cm2催化剂的量喷涂或浇铸浆液)，在电场或高温下处理得到覆有催化层的膜(CCM)。
步骤1)中所使用的醇类溶剂包括为甲醇、乙醇、异丙醇等C1-C5一元醇以及乙二醇、丙三醇等C2-C5多元醇或为它们的混合物；最好为乙醇和异丙醇；所使用的催化剂为担载型或非担载型电催化剂，若为碳担载型电催化剂；其中的碳载体的比表面通常在50～1500m2/g；
步骤(2)和(3)中所述负压为将电解质膜保持0.01-0.2MPa负压下，喷涂或浇铸Nafion溶液或催化剂浆液；
步骤2)中所说的喷涂聚合物电解质为Nafion溶液，Flemion溶液或其他可用于作为质子导体的聚合物，其较佳喷涂量为0.5-2mg/cm2。
步骤3)中所述高温的处理温度为130-210℃，处理时间为0.5-12小时，优选为1-6小时；所述电场的电场强度为2×105-5×105V/m，处理时间6-36小时；最好在2.5×105-4×105V/m，处理12-24小时。
所述膜电极结构适用于质子交换膜燃料电池，尤其适合氢气或者甲醇进料的质子交换膜燃料电池、电解池或传感器中。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.Nafion膜表面修饰层的引入，改变了膜/电极界面的微观结构，有利于催化层中的关键组分及其形成的团簇定向排列。
2.在制备电极过程中使用电场，热处理和负压等手段更有利于催化层中的组分按Nafion膜表面修饰层所形成的结构定向生长。
3.膜电极中关键组分有序化结构：该结构膜电极有利于质子、电子、反应物和产物的传输及迁移，扩大三相反应界面；电极中的关键组分沿同一方向排列，提高了质子和电子电导率，减小了传质损失，使用该方法制备膜电极可大大提高电池性能。
4.膜电极中的催化剂利用率提高：此种结构的膜电极中更有利于催化剂与聚合物电解质的接触，三相反应界面增大，催化剂的利用率提高，可达30％-90％。
附图说明
图1a.为实施例1中的未经修饰的Nafion膜表面扫描电镜图像；
图1b.为实施例1中的经Nafion溶液修饰后的Nafion膜表面扫描电镜图像；
图2为实施例1和实施例2膜电极性能曲线，操作条件：电池温度为75℃；1mol/L甲醇水溶液1ml/min进样；0.2MPa氧气，流速为3.3ml/s；
图3为实施例1膜电极阴极催化层的原子力显微镜(AFM)图像；
图4为实施例3膜电极性能曲线，操作条件同实施例1，电池温度为75℃；1mol/L甲醇水溶液1ml/min进样；0.2MPa氧气，流速为3.3ml/s；
图5为实施例4和实施例5膜电极性能曲线，操作条件同实施例1，电池温度为75℃；1mol/L甲醇水溶液1ml/min进样；0.2MPa氧气，流速为3.3ml/s。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，列举以下实施例，并不限制发明的范围。
实施例1
(1)将一片Na型化115膜(Dupont)保持0.06MPa负压下处理30分钟。在60℃下将320mg Nafion(5％水溶液，EW值为1100)将喷涂于Nafion膜表面，最终喷涂的Nafion的担载量为1mg/cm2。图1a.为实施例1中的未经修饰的Nafion膜表面扫描电镜图像；图1b.所示为经Nafion溶液修饰后的Nafion膜表面扫描电镜图像；
(2)将96mg PtRu black(Johnson Matthey)，加入异丙醇和水的混合溶液(水∶异丙醇＝1∶20，质量比)1900mg，混合均匀，然后加入400mg5％Nafion，再加入与Nafion溶液相同质量的0.5M NaOH溶液，混合均匀得到催化剂浆液，喷涂在膜上，最后催化剂的担载量为3.2mg/cm2。
在Nafion115的另一面喷涂1mg/cm2的Nafion溶液(Nafion干重)。准确称取50mg Pt black(Johnson Matthey)，加入异丙醇和水的混合溶剂(水∶异丙醇＝1∶1质量比)1500mg，混合均匀后加入160mg 5％Nafion(Du Pont)，再加入与Nafion质量相等的0.5M NaOH溶液，混合均匀得到催化剂浆液，喷涂在膜上。催化剂的担载量为2.3mg/cm2。
(3)将制得的膜电极在200℃，氮气N2保护下处理1小时。
该方法制得的膜电极记为MEA1。
再将制得的膜电极用0.5M H2SO4在80℃处理两次，每次30分钟。然后再用去离子水80℃处理两次，每次30分钟。
将阴阳极扩散层置于膜电极MEA1的阴阳极催化层两侧，组装电池。
将制得的两个膜电极MEA1组装成电池后，阳极作为参比和对电极，阴极做为工作电极，在0～1.2V之间进行循环伏安扫描，扫描速率为20mV/S。根据氧化峰面积和催化剂的BET表面积计算催化剂的利用率。实验结果见表1。
膜电极MEA1在75℃时的性能曲线如图2所示，操作条件：电池温度为75℃；1mol/L甲醇水溶液1ml/min进样；0.2MPa氧气，流速为3.5ml/s。如图2所示，在75℃，1mol/L甲醇水溶液1ml/min进样；0.2MPa氧气条件下，本发明膜电极MEA1组装成的电池，最高输出功率密度可达268mW/cm2。
图3为MEA1阴极催化层的原子力显微镜(AFM)图像。由图像可以看出催化层中由催化剂和Nafion形成的团簇与电解质膜之间成一定角度排列，且相互平行，它们与电解质膜之间的角度约为30°；
本发明将膜电极在电场或高温下处理可以使质子导体、电子导体、粘结剂及其形成的团簇与电解质膜之间形成同一夹角θ；且通过改变上述步骤2)和3)中膜和膜电极的处理条件，可以使角度在0°＜θ≤90°内改变。
实施例2
为了便于比较本发明的效果，取一张Na型化Nafion 115膜，表面未喷涂Nafion溶液，按照实施例1的方法制备催化剂浆液，直接喷涂在膜上。催化层的组成和催化剂的载量实施例1。且未进行热处理。
该方法制备的膜电极记为MEA2。
MEA2的阴极催化剂利用率见表1，75℃性能见图2。
实施例3
按实施例1步骤制备电极，只是在步骤(3)中将制得的膜电极在160℃，氮气保护下处理3小时
该方法制得的膜电极记为MEA3。
MEA3的阴极催化剂利用率见表1，75℃性能见图4。
实施例4
(1)将一片Na型化
115膜(Dupont)保持0.10MPa负压下处理30分钟。60℃下320mg Nafion(5％水溶液，EW值为1100)将喷涂于Nafion膜表面，最终喷涂的Nafion的担载量为0.5mg/cm2。
(2)将100mg Pt/C(60％)(Johnson Matthey)，加入乙二醇和水的混合溶液(水∶乙二醇＝1∶3，质量比)1500mg，混合均匀，然后加入400mg5％Nafion，继续搅拌混合均匀得到催化剂浆液，浇铸在膜上，放于高压电场中(电场强度在2.5×105V/m)，140℃保持12小时。最后催化剂的担载量为3.0mg/cm2。
在Nafion 115的另一面喷涂0.5mg/cm2的Nafion溶液(Nafion干重)。准确称取90mg Pt(40％)Ru(20％)/C(Johnson Matthey)，加入异丙醇和水的混合溶剂(水∶异丙醇＝20∶1质量比)2700mg，混合均匀后加入200mg 5％Nafion，混合均匀得到催化剂浆液，喷涂在膜上。催化剂的担载量为3.0mg/cm2。
该方法制得的膜电极记为MEA4。
该方法制备膜电极的催化层中由催化剂和Nafion形成的团簇与电解质膜之间成一定角度排列，且相互平行，它们与电解质膜之间的角度约为85°。
MEA4的阴极催化剂利用率见表1，75℃性能见图5。
实施例5
按照实施例4制备电极，只是步骤(1)中喷涂的Nafion为2mg/cm2，步骤(2)中阴极催化剂浆液使用丙三醇配置。电场强度维持在4×105V/m。
该实施例制得的膜电极记为MEA5
MEA5的阴极催化剂利用率见表1，75℃性能见图5。
实施例6
按照实施例4制备电极，只是电场强度维持在4×105V/m，保持24小时。
该实施例制得的膜电极记为MEA6
MEA6的阴极催化剂利用率见表1。
实施例7
按照实施例6制备电极，采用碳担载型催化剂，碳载体为碳纳米管，Pt的载量为40wt％。
该实施例制得的膜电极记为MEA7
MEA7的阴极催化剂利用率见表1。
实施例8
按照实施例6制备电极，只是阴极催化剂采用碳担载型催化剂，碳载体为BP-2000(BP为Black Pearl碳，比表面积SBET＝1500m2/g)，Pt的载量为40wt％
该实施例制得的膜电极记为MEA8
MEA8的阴极催化剂利用率见表1。
表1.实施例中的膜电极催化剂利用率。
Claims (2)
1.一种质子交换膜燃料电池有序化膜电极的制备方法，电极中的关键组分质子导体、电子导体、粘结剂和/或它们形成的团簇沿同一方向排列，其特征在于：具体步骤如下，
1)催化剂浆液的制备：在Nafion溶液中加入醇类和水的混合溶剂，醇类与水的质量比100∶1-1∶100，再加入所需量的催化剂，Nafion与催化剂的质量比为1∶20-1∶1；溶剂与催化剂的重量比例为50∶1-2∶1；混合超声震荡均匀；
2)Nafion膜表面修饰层的制备：负压下，按0.1-5.0mg/cm2的量将Nafion溶液喷涂或浇铸到质子交换膜表面；
3)催化层的制备：负压下，将催化剂的浆液喷涂或浇铸在步骤2)得到的质子交换膜上，在电场或高温下处理得到覆有催化层的膜；
步骤(1)中所使用的醇类溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇或它们的混合物；
步骤2)和3)中所述负压为将电解质膜保持0.01-0.2M Pa负压下，喷涂或浇铸Nafion溶液或催化剂浆液；
步骤3)中所述高温的处理温度为130-210℃，处理时间为0.5-12小时；所述电场的电场强度为2×105-5×105V/m，处理时间6-36小时。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中所说的醇类与水的质量比为30∶1～1∶30，溶剂与催化剂的比例为30∶1-3∶1。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2005100480349A CN100517820C (zh) | 2005-12-16 | 2005-12-16 | 一种质子交换膜燃料电池有序化膜电极及其制备和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2005100480349A CN100517820C (zh) | 2005-12-16 | 2005-12-16 | 一种质子交换膜燃料电池有序化膜电极及其制备和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1983684A CN1983684A (zh) | 2007-06-20 |
| CN100517820C true CN100517820C (zh) | 2009-07-22 |
Family
ID=38166031
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB2005100480349A Expired - Fee Related CN100517820C (zh) | 2005-12-16 | 2005-12-16 | 一种质子交换膜燃料电池有序化膜电极及其制备和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN100517820C (zh) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103882467B (zh) * | 2012-12-19 | 2016-08-03 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种spe水电解用部分共结晶催化层涂覆膜的制备方法 |
| CN109935872A (zh) * | 2017-12-15 | 2019-06-25 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种燃料电池催化层、基于其的气体扩散层及制备方法 |
| CN109509888B (zh) * | 2018-10-31 | 2021-05-07 | 大连理工大学 | 一种有序超薄膜电极、制备方法及其应用 |
| CN111313060B (zh) * | 2018-12-11 | 2021-06-04 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种一体化碱性膜电极及其制备 |
| CN110148770A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-08-20 | 朝阳华鼎储能技术有限公司 | 一种全氟磺酸质子交换膜的结构调控方法 |
| CN110350150A (zh) * | 2019-07-16 | 2019-10-18 | 深圳市南科燃料电池有限公司 | 一种转印工艺和膜电极 |
| CN110890553A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-03-17 | 东风汽车集团有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 |
| CN114614026B (zh) * | 2020-12-09 | 2023-11-10 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种燃料电池膜电极的催化层结构 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5234777A (en) * | 1991-02-19 | 1993-08-10 | The Regents Of The University Of California | Membrane catalyst layer for fuel cells |
| US5716437A (en) * | 1995-03-09 | 1998-02-10 | Johnson Matthey Public Limited Company | Materials for use in electrode manufacture |
| US6475249B1 (en) * | 2000-06-07 | 2002-11-05 | Industrial Technology Research Institute | Method for manufacturing membrane electrode assembly of fuel cell |
| CN1477724A (zh) * | 2003-07-02 | 2004-02-25 | 中山大学 | 一种质子交换膜燃料电池膜电极组件的制备方法 |
-
2005
- 2005-12-16 CN CNB2005100480349A patent/CN100517820C/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5234777A (en) * | 1991-02-19 | 1993-08-10 | The Regents Of The University Of California | Membrane catalyst layer for fuel cells |
| US5716437A (en) * | 1995-03-09 | 1998-02-10 | Johnson Matthey Public Limited Company | Materials for use in electrode manufacture |
| US6475249B1 (en) * | 2000-06-07 | 2002-11-05 | Industrial Technology Research Institute | Method for manufacturing membrane electrode assembly of fuel cell |
| CN1477724A (zh) * | 2003-07-02 | 2004-02-25 | 中山大学 | 一种质子交换膜燃料电池膜电极组件的制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Improved PEM fuel cell electrodes by controlled self-assembly. Erik Middelman.Fuel Cells Bulletin. 2002 * |
| Improvement of direct methanol fuel cell performanceby modifying catalyst coated membrane structure. Suli Wang, Gongquan Sun,Guoxiong Wang, et al.Electrochemistry Communications,Vol.7 . 2005 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1983684A (zh) | 2007-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100517820C (zh) | 一种质子交换膜燃料电池有序化膜电极及其制备和应用 | |
| CN107437628B (zh) | 一种燃料电池膜电极组件的制备方法 | |
| CN102005582B (zh) | 一种直接醇类燃料电池膜电极集合体的结构及制备方法 | |
| EP1347526B1 (en) | Membrane electrode assembly (MEA), production method and fuel cell employing the same | |
| CN101557001B (zh) | 一种燃料电池膜电极及其制备方法 | |
| CN1964111A (zh) | 一种质子交换膜燃料电池的电极、膜电极及制法和应用 | |
| US20060199070A1 (en) | Membrane-electrode assembly, method for preparing the same, and fuel cell system comprising the same | |
| CN106856243B (zh) | 一种基于金属大环化合物有序化单电极的制备方法及应用 | |
| CN102104155B (zh) | 一种燃料电池用低铂阴极催化层及其应用 | |
| CN111370717A (zh) | 一种阴极催化剂浆料、阴极催化剂层、膜电极及燃料电池 | |
| CN101771149A (zh) | 镁改性的镍基固体氧化物燃料电池复合阳极及制备和应用 | |
| KR20110043908A (ko) | 고분자 전해질 연료전지용 막전극접합체 제조 방법 | |
| CN109802161A (zh) | 一种低温固体氧化物燃料电池 | |
| CN111628182A (zh) | 一种燃料电池用膜电极及其制备方法 | |
| CN101000963A (zh) | 一种燃料电池膜电极的制作方法 | |
| CN108110261A (zh) | 一种燃料电池用金属粒子-液态金属催化剂及制备方法 | |
| CN100388539C (zh) | 复合催化层质子交换膜燃料电池电极及其制造方法 | |
| US9520610B2 (en) | Method of manufacturing 5-layer MEA having improved electrical conductivity | |
| CN109687006B (zh) | 一种基于氧化铈/氧化镍复合材料的低温固体氧化物燃料电池 | |
| CN101083334A (zh) | 一种硼氢化物碱性燃料电池 | |
| CN1731609A (zh) | 直接甲醇燃料电池的膜电极的制备方法 | |
| CN113921829B (zh) | 一种阳极催化剂层、膜电极及其制备方法 | |
| CN100468835C (zh) | 一种燃料电池的膜电极阴极结构及其制备方法和应用 | |
| JP2001300324A (ja) | 複合触媒とその製造方法およびその複合触媒を使用した燃料電池用電極の製造方法 | |
| CN103120960A (zh) | 一种Pt-Nafion/C催化剂及其制备和应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JIANGSU ZHONGKE TIANBA NEW ENERGY TECHNOLOGY CO., Free format text: FORMER OWNER: DALIAN INSTITUTE OF CHEMICAL PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Effective date: 20130513 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 116023 DALIAN, LIAONING PROVINCE TO: 215625 SUZHOU, JIANGSU PROVINCE |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130513 Address after: 215625 building A, building 410B, emerging industry incubation center, Zhangjiagang Free Trade Zone, Suzhou, Jiangsu Patentee after: JIANGSU ZHONGKE TIANBA NEW ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: 116023 Zhongshan Road, Liaoning, No. 457, Patentee before: Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 215631 Tianba Road, Jiangsu Yangtze River International Chemical Industrial Park, Jingang Town, Zhangjiagang City, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Amperex Technology Limited of central China (Zhangjiagang) Address before: Room 410B, Building A, Emerging Industry Development Center, Zhangjiagang Free Trade Zone, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee before: JIANGSU ZHONGKE TIANBA NEW ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD. |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090722 Termination date: 20201216 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |