CN102104151B - 一种膜电极在碱性阴离子交换膜燃料电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种膜电极在碱性阴离子交换膜燃料电池中的应用，其特征是直接采用碳材料作为氧还原催化剂用于碱性燃料电池的阴极。这种采用碳材料直接作为催化剂的方法，实现了成本大幅降低，制备过程简单，催化性能高，对渗透的燃料具有惰性等优点。本发明所述采用碳材料直接作为催化剂的方法具有易于实现、精确度高、性能可靠等优点，适用于碱性阴离子交换膜燃料电池。

Description

一种膜电极在碱性阴离子交换膜燃料电池中的应用
技术领域
本发明涉及碱性阴离子交换膜燃料电池，具体地说是一种膜电极(MEA)在碱性阴离子交换膜燃料电池中的应用。
背景技术
燃料电池是将燃料及氧化剂的化学能直接转化为电能的一种装置。1842年，Grove首次提出燃料电池的概念，迄今为止，其操作的基本原理甚至其所用的主要电极材料-贵金属铂并没有改变。
传统Alkaline fuel cells(AFC)是使用H2为燃料，KOH为电解液的一类目前性能最好的低温(低于200℃)燃料电池。主要原因是在碱性电解质中，无论阴极还是阳极的电化学活性都比较高，同时，造价低廉的非金属阴阳极催化剂如(Ni和Ag)目前也有应用报道。AFC应用面临的最大问题是液体碱性电解质容易生成碳酸盐和碳酸氢盐，碳酸盐会破坏系统内的热力学过程以及电池结构本身，因此，无论是在航天飞机上还是在地面使用，碱液的循环或更换都使系统变得复杂。
采用碱性阴离子交换膜的燃料电池正是为了解决上述问题。它采用阴离子交换膜代替液体碱性电解液，从而解决了上述问题。另一方面，与质子交换膜燃料电池相比，碱性阴离子交换膜燃料电池因电渗析方向和燃料渗透方向相反可以有效降低燃料渗透量，同时由于阴极反应对水的消耗以及水分子随OH-向阳极扩散，在质子交换膜燃料电池中存在的阴极水淹问题也得到了有效的解决。
近年来，碱性溶液中催化剂的研究成上升趋势，对于阴极氧还原催化剂的研究如Pt系、Pd系、Ag系以及Mn系的金属及其氧化物等。但是，目前这些催化剂都存在一定问题，如贵金属催化剂成本较高，不利于其商业化的发展，MnO2等催化剂构成的催化层由于导电性差，会增大电池内阻，降低电池效率。同时，由于从阳极渗透的燃料会在阴极催化剂表面发生氧化反应，产生混合电位，降低了电池性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种膜电极在碱性阴离子交换膜燃料电池中的应用。本发明通过改变氧电极的结构，简化了氧电极的制备方法，降低氧电极的厚度，改善氧气(空气)在阴极的传质；催化剂材料的高导电性有利于降低电池内阻，提高电池效率；同时渗透的燃料在阴极不发生电化学反应，不产生混合电位，从而提高了电池的性能；这种制备方法也大大降低了电池的成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种膜电极在碱性阴离子交换膜燃料电池中的应用，膜电极由阳极、阴离子交换膜和阴极组成，所述阴极由基底层及基底层上制备的碳材料层构成。
阳极由阳极扩散层和阳极催化层组合制备而成，由阳极、阴离子交换膜和阴极压合制成碱性阴离子交换膜燃料电池膜电极。
所述膜电极采用如下过程制备获得：
1)阴离子交换膜预处理：将阴离子交换膜通过离子交换的方式转化为OH-型阴离子交换膜、并置于去离子水中浸泡清洗，使用时裁剪为合适大小的薄片；
2)制备阳极：使用PTFE浸渍导电多孔基底进行疏水化处理，PTFE的质量百分含量在5％-40％之间；将多孔碳材料刷涂于上述导电多孔基底上制成微孔层；
将所选用的阳极催化剂分散于乙醇、水、乙二醇或异丙醇中制备成浆液，将该浆液均匀刷涂于上述微孔层上，制成催化层；该催化层的催化剂载量在0.1-8mg/cm2；
3)制备阴极：使用PTFE浸渍导电多孔基底进行疏水化处理，PTFE的质量百分含量在20％-70％之间；将碳材料分散于乙醇、水、乙二醇或异丙醇中制备成浆液，之后均匀刷涂于导电多孔基底上制成阴极；该阴极碳材料的载量在0.1-20mg/cm2；
4)膜电极组装：将如上制备的阳极、膜、阴极由上至下按顺序摆放并对齐，在20oC至120oC的温度以及0.1-10Mpa压力下进行热压处理3-15分钟，制成膜电极。
所述导电多孔基底材料为商品化的碳布、碳纸、泡沫金属或其它能导电并具有多孔结构的材料；
阳极微孔层制备过程中所采用的多孔碳材料为活性炭、石墨或乙炔黑，微孔层制备过程中所采用的粘合剂为PTFE、Nafion或聚乙二醇；所述阳极催化剂为Pt，PtRu，Ni，Ag，Au，Pd中的一种或多种金属组合。
阴极制备过程中所采用的碳材料为活性炭、石墨、乙炔黑、碳纳米管、碳纳米角、碳纤维、富勒烯中的一种或多种。
所述阴离子交换膜为季铵盐型阴离子交换膜、季膦盐型阴离子交换膜、PBI膜或冠醚类阴离子交换膜，该离子交换膜的厚度为10-150μm。
所述膜电极用于碱性阴离子交换膜燃料电池中，碱性阴离子交换膜燃料电池可采用的燃料为氢气、氨气、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇、硼氢化钠或葡萄糖，这些燃料在阳极侧碱性环境下发生电化学氧化反应；碱性阴离子交换膜燃料电池可采用的氧化剂为空气、氧气或过氧化氢。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明通过改变氧电极的结构，简化了氧电极的制备方法，降低氧电极的厚度，改善氧气(空气)在阴极的传质；催化剂材料的高导电性有利于降低电池内阻，提高电池效率；同时渗透的燃料在阴极不发生电化学反应，不产生混合电位，从而提高了电池的性能；这种制备方法也大大降低了电池的成本。
附图说明
图1为本发明膜电极的结构示意图；
其中，1为阳极导电多孔基底；2为阳极微孔层；3为阳极催化层；4为阴离子交换膜；5为阴极碳材料层；6为阴极导电多孔基底。
图2为本发明按实施例1中所述膜电极制备方法和电池操作条件下，电池的IV极化曲线图和IP性能图。
图3为本发明按实施例1中所述膜电极制备方法和电池操作条件下，电池的IV极化曲线图和IP性能图。
具体实施方式
实施例1
膜电极的结构如图1所示，阳极导电多孔基底、阳极微孔层、阳极催化层、阴离子交换膜、阴极碳材料层和阴极导电多孔基底等6部分。
膜电极采用如下过程制备获得：
阴离子交换膜预处理：将自制季铵盐型阴离子交换膜通过离子交换的方式转化为OH-型阴离子交换膜，并置于去离子水中浸泡清洗，使用时裁剪为合适大小的薄片；
制备阳极：使用PTFE浸渍商品化SGL公司碳纸进行憎水化处理，处理后PTFE质量百分含量为15％。将商品化XC-72活性碳粉分散于乙醇中，将该浆液涂于上述碳纸上制成微孔层。将商品化JM公司的45％PtRu/C作为阳极催化剂，分散于乙醇中制成浆液，均匀涂于上述碳纸上制成催化层。PtRu在催化层中的载量为4mg/cm2。
制备阴极：使用PTFE浸渍商品化SGL公司碳纸进行疏水化处理，PTFE的质量百分含量在20％-70％之间；将商品化XC-72活性碳粉分散于乙醇中制备成浆液，之后均匀刷涂于上述碳纸上制成阴极；该阴极碳材料的载量为4mg/cm2；
膜电极组装：将如上制备的阳极、膜、阴极由上至下按顺序摆放并对齐，在60oC的温度以及2Mpa压力下进行热压处理5分钟，制成膜电极。
将该膜电极组装成电池，电池运行条件如下：
阳极通入2mol/L的乙醇和2mol/L的氢氧化剂混合溶液，流速为1ml/min；
阴极通入常压低流速的氧气；
电池运行温度为30℃，60℃，90℃。
该电池IV极化曲线图如图2所示，电池峰值功率密度从高到低分别为上述膜电极在30℃，60℃，90℃条件下放电等到。在30℃放电时，电池内阻为108mohm，在电流密度为33mA/cm2时放电电压为0.29V，此时达到峰值功率密度9.9mA/cm2。在60℃放电时，电池内阻为95mohm，在电流密度为53mA/cm2时放电电压为0.27V，此时达到峰值功率密度14.2mA/cm2。在90℃放电时，电池内阻为112mohm，在电流密度为80mA/cm2时放电电压为0.29V，此时达到峰值功率密度23.5mA/cm2。
实施例2
膜电极的结构如图1所示，阳极导电多孔基底、阳极微孔层、阳极催化层、阴离子交换膜、阴极碳材料层和阴极导电多孔基底等6部分。
膜电极采用如下过程制备获得：
其中，阳极，阴离子交换膜获得方法同实施例1；
制备阴极：使用PTFE浸渍商品化SGL公司碳纸进行疏水化处理，PTFE的质量百分含量在20％-70％之间；将商品化碳纳米管分散于乙醇中制备成浆液，之后均匀刷涂于上述碳纸上制成阴极；该阴极碳材料的载量为4mg/cm2；
膜电极组装及电池运行条件同实施例1；
该电池IV极化曲线图如图3所示，电池峰值功率密度从高到低分别为上述膜电极在30℃，60℃，90℃条件下放电等到。在30℃放电时，电池内阻为95mohm，在电流密度为27.4mA/cm2时放电电压为0.28V，此时达到峰值功率密度7.6mA/cm2。在60℃放电时，电池内阻为93mohm，在电流密度为51mA/cm2时放电电压为0.27V，此时达到峰值功率密度14mA/cm2。在90℃放电时，电池内阻为112mohm，在电流密度为70mA/cm2时放电电压为0.3V，此时达到峰值功率密度21.5mA/cm2。

Claims (7)

1.一种膜电极在碱性阴离子交换膜燃料电池中的应用，膜电极由阳极、阴离子交换膜和阴极组成，其特征在于：所述阴极由基底层及基底层上制备的碳材料层构成，具体为使用PTFE浸渍导电多孔基底进行疏水化处理，PTFE的质量百分含量在20％-70％之间；将碳材料分散于乙醇、水、乙二醇或异丙醇中制备成浆液，之后均匀涂于导电多孔基底上制成阴极；该阴极碳材料的载量在0.1-20mg/cm2；阴极制备过程中所采用的碳材料为活性炭、石墨、乙炔黑、碳纳米管、碳纳米角、碳纤维、富勒烯中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于：阳极由阳极扩散层和阳极催化层组合制备而成，由阳极、阴离子交换膜和阴极压合制成碱性阴离子交换膜燃料电池膜电极。
3.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述膜电极采用如下过程制备获得：
1)阴离子交换膜预处理：将阴离子交换膜通过离子交换的方式转化为OH-型阴离子交换膜、并置于去离子水中浸泡清洗，使用时裁剪为合适大小的薄片；
2)制备阳极：使用PTFE浸渍导电多孔基底进行疏水化处理，处理后PTFE的质量百分含量在5％-40％之间；将多孔碳材料刷涂于上述导电多孔基底上制成微孔层；
将所选用的阳极催化剂分散于乙醇、水、乙二醇或异丙醇中制备成浆液，将该浆液均匀涂于上述微孔层上，制成催化层；该催化层的催化剂载量在0.1-8mg/cm2；
3)制备阴极：使用PTFE浸渍导电多孔基底进行疏水化处理，PTFE的质量百分含量在20％-70％之间；将碳材料分散于乙醇、水、乙二醇或异丙醇中制备成浆液，之后均匀涂于导电多孔基底上制成阴极；该阴极碳材料的载量在0.1-20mg/cm2；
4)膜电极组装：将如上制备的阳极、膜、阴极由上至下按顺序摆放并对齐，在20℃至120℃的温度以及0.1-10Mpa压力下进行热压处理3-15分钟，制成膜电极。
4.如权利要求3所述的应用，其特征在于：所述导电多孔基底材料为商品化的碳布、碳纸、泡沫金属或其它能导电并具有多孔结构的材料。
5.如权利要求3所述的应用，其特征在于：阳极微孔层制备过程中所采用的多孔碳材料为活性炭、石墨或乙炔黑，微孔层制备过程中所采用的粘合剂为PTFE、Nafion或聚乙二醇；
所述阳极催化剂为Pt，PtRu，Ni，Ag，Au，Pd中的一种或多种金属组合。
6.如权利要求3所述的应用，其特征在于：所述阴离子交换膜为季铵盐型阴离子交换膜、季膦盐型阴离子交换膜、PBI膜或冠醚类阴离子交换膜，该离子交换膜的厚度为10-150μm。
7.如权利要求3所述的应用，其特征在于：碱性阴离子交换膜燃料电池可采用的燃料为氢气、氨气、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇、硼氢化钠或葡萄糖，这些燃料在阳极侧碱性环境下发生电化学氧化反应；
碱性阴离子交换膜燃料电池可采用的氧化剂为空气、氧气或过氧化氢。
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