CN103424332A - 一种测定燃料电池ccm和mea铂载量的方法 - Google Patents
一种测定燃料电池ccm和mea铂载量的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103424332A CN103424332A CN2013103908324A CN201310390832A CN103424332A CN 103424332 A CN103424332 A CN 103424332A CN 2013103908324 A CN2013103908324 A CN 2013103908324A CN 201310390832 A CN201310390832 A CN 201310390832A CN 103424332 A CN103424332 A CN 103424332A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mea
- platinum
- ccm
- carrying capacity
- fuel cell
- 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.)
- Pending
Links
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 107
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 24
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 7
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 abstract 2
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 13
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 12
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 11
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 7
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 7
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 238000002076 thermal analysis method Methods 0.000 description 5
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 4
- 238000000113 differential scanning calorimetry Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000003837 high-temperature calcination Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000004455 differential thermal analysis Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 2
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 1
- 230000009849 deactivation Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 230000002779 inactivation Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 150000001455 metallic ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000004058 oil shale Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000012667 polymer degradation Methods 0.000 description 1
- 239000011949 solid catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000006557 surface reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种测定燃料电池CCM和MEA铂载量的方法，包括：1）设置气体氛围、气体流量、升温范围和升温速率参数，对坩埚进行校准清零；2）将含有氟元素的CCM和MEA样品剪碎，取10mg以下的量放入铂金坩埚，然后将铂金坩埚放入炉体中，进行热分析；3）热分析结束后，对铂金坩埚进行清洗，重复使用。本发明的测定燃料电池CCM和MEA铂载量的方法，能够快速精确的测定出燃料电池CCM和MEA铂载量，具有很好的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种热重法快速精确测定燃料电池涂覆催化剂的膜(catalyst coated membrane，CCM)和膜电极（membrane electrode assembly，MEA）的铂催化剂载量。
背景技术
热分析是研究物质在加热或冷却过程中其性质和状态的变化并将这种变化作为温度或时间的函数来研究其规律。热分析是一种自动化动态跟踪测量，所以相对静态法具有连续、快速、简便等优点。常用的热分析方法有：差示热分析（DTA）、热重量法（TG）、导数热重量法（DTG）、差示扫描量热热（DSC）、热机械分析（TMA）等。热分析技术能快速准确地测定物质的晶形转变、熔融、升华、吸附、脱水、分解等变化，目前已经广泛应用于无机化学、有机化学、高分子化学、生物化学、冶金学、石油化学、矿物学和地质学等各个学科领域。
热分析在我国催化研究中已得到全面应用。包括催化剂活性评价、催化剂制备条件选择、催化剂组成确定、确定金属活性组份的价态、金属活性组份与载体的相互作用、活性组份分散阈值及金属分散度测定、活性金属离子的配位状态及分布、固体催化剂表面酸碱性测定、催化剂老化及失活机理、催化剂的积碳行为、吸附和表面反应机理、催化剂再生及其条件选择和多相催化反应动力学等十几个方面(Warne SS, Dubrawski JV. APPLICATIONS OF DTA AND DSC TO COAL AND OIL-SHALE EVALUATION. Journal of Thermal Analysis. 1989;35:219-42)。热分析在催化剂制备、反应、失活和再生的整个过程中，均可以提供有价值的信息和数据。热分析的最大优点是在分析过程中的定量性。
目前热重法用于燃料电池催化剂分析，主要是通过热重法来分析实验前后MEA中各种成分性质的变化(Lee H-J, Cho MK, Jo YY, Lee K-S, Kim H-J, Cho E, et al. Application of TGA techniques to analyze the compositional and structural degradation of PEMFC MEAs. Polymer Degradation and Stability. 2012;97:1010-6)。热重法用于碳载铂催化剂载量时，一般分析的是单纯的碳载铂中铂催化剂的含量(Pinchuk OA, Aubuchon SR, Marks C, Dominey R, Dundar F, Deniz OF, et al. Thermally Pretreated 46% Pt/Vulcan XC72: Characterisation by TGA/DSC/TEM and Cyclic Voltammetry. Fuel Cells. 2009;9:554-61)。但是，当碳载铂催化剂涂覆在nafion膜上时，传统的热重法采用Al2O3坩埚直接测定铂载量虽然可以大致推算出铂的载量，但是由于没有考虑到nafion膜中的F元素容易与热分析采用的Al2O3坩埚发生反应造成失重，从而导致实验误差大大增加。因此，当采用传统的热分析Al2O3坩埚测量附着在nafion膜上的铂载量时，如燃料电池中的CCM（catalyst coated membrane）和MEA得到的结果会有很大偏差，由此对应的整个热分析过程中的能量分析等也会产生较大误差。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种测定燃料电池CCM和MEA铂载量的方法，以期快速精确的测定出燃料电池CCM和MEA铂载量。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种测定燃料电池CCM和MEA铂载量的方法，包括以下步骤：
1）设置气体氛围、气体流量、升温范围和升温速率参数，对铂金坩埚进行校准清零；
2）将含有氟元素的CCM和MEA样品剪碎，取10mg以下的量放入铂金坩埚，然后将铂金坩埚放入炉体中，进行热分析；
3）热分析结束后，对铂金坩埚进行清洗，重复使用。
步骤1）中，设置气体氛围为空气氛围，气体流速为10-100sccm（优选30sccm），升温范围为室温至1200℃（可根据材料性质调整），升温速率为5-20℃/min（优选10℃/min）。
步骤3）中，对铂金坩埚进行清洗，采用稀硫酸浸泡超声清洗30分钟，或者在高温炉中1200℃煅烧30分钟。
铂金坩埚可以通过清洗后重复使用。由于热分析过程会有氟化物的产生吸附在铂金坩埚上，因此铂金使用后需要清洗来保证精度。清洗铂金坩埚有两种方法，一种是用稀盐酸浸泡铂金坩埚超声清洗约30分钟，再用去离子水清洗除酸，烘干即可。另一种是采用高温煅烧来使吸附在铂金坩埚上的氟化物脱附。高温煅烧可以采用单独煅烧至较热分析最高温度略高，然后用去离子水清洗烘干；或者不影响热分析进程的情况下将温度提高到1200℃，维持30分钟，将热分析与坩埚清洗一体化。
有益效果：与现有技术相比，本发明的测定燃料电池CCM和MEA铂载量的方法，能够克服常用的Al2O3坩埚在热分析实验与含有氟元素的质子交换膜发生反应造成失重，对实验结果产生很大的误差。对于含有部件包括含父氟元的质子交换膜的CCM和MEA，本实验技术快速精确的测定出燃料电池CCM和MEA铂载量，具有很好的实用性和实验精度。同时，实验采用的铂金坩埚可以通过清洗后重复使用，提高了实验的性价比。
附图说明
图1是nafion膜和复合膜热分析结果图；
图2是不同CCM上铂载量的热分析结果图；
图3是不同MEA上铂载量的热分析结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1热重法测nafion膜以及复合膜热分析性质曲线。
采用铂金坩埚，设置气体氛围为空气氛围，气体流速为30sccm，升温范围为室温至800℃，升温速率为10℃/min。初次使用需对铂金坩埚进行基线校准。将Nafion 211膜（或者自制的复合膜、Johnson Matthey复合膜），取10mg以下放入铂金坩埚，然后放入炉体中，进行热分析。待实验结束后，将实验后的坩埚取出进行清洗，重复使用。清洗方法为用稀盐酸浸泡铂金坩埚超声清洗约30分钟，再用去离子水清洗除酸，烘干即可。
结果如图1所示。从图中可以看到，采用本发明技术对三种类型的质子交换膜进行热分析实验时，很好的克服了传统Al2O3坩埚在热分析时造成的失重。在实验温度达到800℃时，样品质量接近0%，与样品材料性能非常一致。
实施例2
方法同实施例1，样品采用含有碳载铂催化剂涂覆的nafion膜和复合膜，即CCM。
结果如图2所示。从图中可以看到，采用本方法对两种CCM进行铂载量分析实验，Lab-made CCM和Johnson Matthey CCM的实验结果与理论值的误差仅在1.5%和0.625%，考虑到制样时引入的误差，此结果已经非常精确。
实施例3
方法同实施例1，不同在于热分析实验温度范围为室温至1200℃。样品采用CCM与扩散层在1MPa压力下、110℃热压90s制成的MEA。铂金坩埚的清洗方法为采用高温煅烧来使吸附在铂金坩埚上的氟化物脱附。高温煅烧可以采用单独煅烧至较热分析最高温度略高，然后用去离子水清洗烘干；或者不影响热分析进程的情况下将温度提高到1200℃，维持30分钟，将热分析与坩埚清洗一体化。
结果如图3所示。从图中可以看出，实验测量得出的铂载量的值0.605mg·cm-2与理论值0.6 mg·cm-2误差仅为0.83%，考虑到制样时引入的误差，此实验结果已经非常精确。
Claims (4)
1.一种测定燃料电池CCM和MEA铂载量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）设置气体氛围、气体流量、升温范围和升温速率参数，对铂金坩埚进行基线校准清零；
2）将含有氟元素的CCM和MEA样品剪碎，取10mg以下的量放入铂金坩埚，然后将铂金坩埚放入炉体中，进行热分析；
3）热分析结束后，对铂金坩埚进行清洗，重复使用。
2.根据权利要求1中所述的测定燃料电池CCM和MEA铂载量的方法，其特征在于：步骤3）中，对铂金坩埚进行清洗，采用稀硫酸浸泡超声清洗30分钟，或者在高温炉中1200℃煅烧30分钟。
3.根据权利要求1中所述的测定燃料电池CCM和MEA铂载量的方法，其特征在于：步骤1）中，设置气体氛围为空气氛围，气体流速为10-100sccm，升温范围为室温至1200℃，升温速率为5-20℃/min。
4.根据权利要求1或4中所述的测定燃料电池CCM和MEA铂载量的方法，其特征在于：步骤1）中，设置气体氛围为空气氛围，气体流速为30sccm，升温范围为室温至800℃，升温速率为10℃/min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2013103908324A CN103424332A (zh) | 2013-09-02 | 2013-09-02 | 一种测定燃料电池ccm和mea铂载量的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2013103908324A CN103424332A (zh) | 2013-09-02 | 2013-09-02 | 一种测定燃料电池ccm和mea铂载量的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103424332A true CN103424332A (zh) | 2013-12-04 |
Family
ID=49649408
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2013103908324A Pending CN103424332A (zh) | 2013-09-02 | 2013-09-02 | 一种测定燃料电池ccm和mea铂载量的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103424332A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106018155A (zh) * | 2016-08-16 | 2016-10-12 | 王宏铭 | 一种评价镍催化剂失活性能的系统 |
| CN108057681A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-05-22 | 武汉金发科技有限公司 | 一种热失重仪氧化铝坩埚的清洗方法 |
| CN109565056A (zh) * | 2016-08-26 | 2019-04-02 | 株式会社斯库林集团 | 催化剂担载量测定装置、涂敷系统以及催化剂担载量测定方法 |
| CN112986042A (zh) * | 2019-12-12 | 2021-06-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种用于燃料电池催化层中活性组分载量的测试方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5954944A (ja) * | 1982-09-21 | 1984-03-29 | Kazuo Makino | 熱重量分析装置 |
| JPS6044849A (ja) * | 1983-08-22 | 1985-03-11 | Shimadzu Corp | 熱重量測定装置 |
| CN101419148A (zh) * | 2008-07-07 | 2009-04-29 | 深圳市德方纳米科技有限公司 | 碳纳米管中无定形碳含量的测定方法 |
-
2013
- 2013-09-02 CN CN2013103908324A patent/CN103424332A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5954944A (ja) * | 1982-09-21 | 1984-03-29 | Kazuo Makino | 熱重量分析装置 |
| JPS6044849A (ja) * | 1983-08-22 | 1985-03-11 | Shimadzu Corp | 熱重量測定装置 |
| CN101419148A (zh) * | 2008-07-07 | 2009-04-29 | 深圳市德方纳米科技有限公司 | 碳纳米管中无定形碳含量的测定方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| HYE-JIN LEE ET AL.，: "Application of TGA techniques to analyze the compositional and structural degradation of PEMFC MEAs", 《POLYMER DEGRADATION AND STABILITY》, vol. 97, 19 March 2012 (2012-03-19), pages 1010 - 1016, XP028421721, DOI: doi:10.1016/j.polymdegradstab.2012.03.016 * |
| JIAZHI YANG ET AL.: "In situ deposition of platinum nanoparticles on bacterial cellulose membranes and evaluation of PEM fuel cell performance", 《ELECTROCHIMICA ACTA》, vol. 54, 31 December 2009 (2009-12-31), pages 6300 - 6305, XP026546189, DOI: doi:10.1016/j.electacta.2009.05.073 * |
| O. A. PINCHUK ET AL.: "Thermally Pretreated 46% Pt/Vulcan XC72: Characterisation by TGA/DSC/TEM and Cyclic Voltammetry", 《FUEL CELLS》, vol. 9, no. 5, 31 December 2009 (2009-12-31), pages 554 - 561 * |
| 舒婷等: "原子层沉积技术制备高性能低铂载量燃料电池膜电极", 《电化学》, vol. 19, no. 1, 28 February 2013 (2013-02-28), pages 65 - 70 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106018155A (zh) * | 2016-08-16 | 2016-10-12 | 王宏铭 | 一种评价镍催化剂失活性能的系统 |
| CN109565056A (zh) * | 2016-08-26 | 2019-04-02 | 株式会社斯库林集团 | 催化剂担载量测定装置、涂敷系统以及催化剂担载量测定方法 |
| CN109565056B (zh) * | 2016-08-26 | 2021-12-14 | 株式会社斯库林集团 | 催化剂担载量测定装置、涂敷系统以及催化剂担载量测定方法 |
| CN108057681A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-05-22 | 武汉金发科技有限公司 | 一种热失重仪氧化铝坩埚的清洗方法 |
| CN112986042A (zh) * | 2019-12-12 | 2021-06-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种用于燃料电池催化层中活性组分载量的测试方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kusoglu et al. | Water uptake of fuel-cell catalyst layers | |
| Heinzmann et al. | Impedance modelling of porous electrode structures in polymer electrolyte membrane fuel cells | |
| Xing et al. | A two-phase flow and non-isothermal agglomerate model for a proton exchange membrane (PEM) fuel cell | |
| Andreadis et al. | Direct ethanol fuel cells: The effect of the cell discharge current on the products distribution | |
| Morin et al. | Influence of PEMFC gas flow configuration on performance and water distribution studied by SANS: evidence of the effect of gravity | |
| Rodat et al. | EIS measurements in the diagnosis of the environment within a PEMFC stack | |
| CN103424332A (zh) | 一种测定燃料电池ccm和mea铂载量的方法 | |
| Arico et al. | An NMR and SAXS investigation of DMFC composite recast Nafion membranes containing ceramic fillers | |
| Li et al. | Resolving the HUPD and HOPD by DEMS to determine the ECSA of Pt electrodes in PEM fuel cells | |
| Ishiyama et al. | Glycerol electro-oxidation on a carbon-supported platinum catalyst at intermediate temperatures | |
| Altarawneh et al. | Determination of the efficiency of ethanol oxidation in a proton exchange membrane electrolysis cell | |
| Reum et al. | Measuring the current distribution with sub-millimeter resolution in PEFCs: II. Impact of operating parameters | |
| Han et al. | Numerical analysis of anion-exchange membrane direct glycerol fuel cells under steady state and dynamic operations | |
| Matos et al. | Performance enhancement of direct ethanol fuel cell using Nafion composites with high volume fraction of titania | |
| Kamat et al. | Chronoamperometric investigations of the electrode–electrolyte interface of a commercial high temperature PEM fuel cell | |
| Ozden et al. | Gas diffusion layers for PEM fuel cells: ex-and in-situ characterization | |
| Cheng et al. | Online monitoring of methanol electro-oxidation reactions by ambient mass spectrometry | |
| Zamel et al. | Relating the N-shaped polarization curve of a PEM fuel cell to local oxygen starvation and hydrogen evolution | |
| CN100491979C (zh) | 一种质子交换膜燃料电池膜电极铂担量的测定方法 | |
| Pistono et al. | Electrochemical impedance spectroscopy detection of saturation level in a frozen polymer electrolyte membrane fuel cell | |
| CN101701944B (zh) | 气相色谱-质谱联用测定产品中双酚a的方法 | |
| CN103831121A (zh) | 一种氮掺杂介孔石墨烯微球及其制备与应用 | |
| Kontou et al. | Ethanol/water mixture permeation through a Nafion® based membrane electrode assembly | |
| CN103163263A (zh) | 一种分析生物质能热解产物的组成及含量的方法 | |
| Morin et al. | Evolution of water distribution in PEMFC during on/off cycling |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20131204 |