CN109904496B - 一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法 - Google Patents

一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109904496B
CN109904496B CN201711284102.0A CN201711284102A CN109904496B CN 109904496 B CN109904496 B CN 109904496B CN 201711284102 A CN201711284102 A CN 201711284102A CN 109904496 B CN109904496 B CN 109904496B
Authority
CN
China
Prior art keywords
membrane electrode
catalyst
catalyst layer
loading
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.)
Active
Application number
CN201711284102.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109904496A (zh
Inventor
宋微
俞红梅
邵志刚
衣宝廉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN201711284102.0A priority Critical patent/CN109904496B/zh
Publication of CN109904496A publication Critical patent/CN109904496A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109904496B publication Critical patent/CN109904496B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明提出一种在燃料电池膜电极批量制备生产线上在线检测催化层担量的方法。由于目前燃料电池中常用的催化剂以铂元素为核心，因此在线检测时主要以确定铂元素的量为准。通常催化剂只存在于膜电极的催化层中，该方法主要针对所制备的催化层进行检测。具体为在膜电极生产线中引入X射线荧光光谱仪，利用光谱仪对二维区域上的铂元素的定量识别，对所制备催化层中铂元素进行定量，进而确定所生产膜电极的催化剂担量。催化层的批量制备方法包括丝网印刷法制备GDE型催化层、喷涂法/静电纺丝/转印法制备CCM型催化层等几类，本发明提出的在线检测方法可以适用于以上几种批量制备方法。

Description

一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，涉及一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法，如一种膜电极Pt元素定量方法。
背景技术
燃料电池是一种能量转换装置，通过电化学反应过程将氢气和氧气分别氧化和还原，释放出电能，并生产副产物水。燃料电池内部结构由几十至上百节的膜电极和双极板依次串联而成，其中膜电极是燃料电池的核心部件，是电池内部电化学反应发生的场所，其由离子交换膜、催化层、气体扩散层组成。其中根据催化层制备工艺的不同，膜电极结构又包括了第一代的气体扩散电极、第二代的CCM型电极、和第三代的薄层有序结构电极等，目前最为广泛应用的仍然是第二代CCM型膜电极。随着燃料电池技术的快速发展，膜电极的制备过程也从实验室的小型单片制备过程，发展到专业生产线的连续制备过程，为了保证批量化制备膜电极的一致性，对膜电极制备过程的质量监控也提出了更高的要求。
传统的膜电极Pt担量的确定方法主要是离线测定法：将电极裁取一定面积，经过高温焙烧将电极中除了Pt元素之外的物质全部灰化，然后利用强酸将焙烧后的残留物溶解，配置成Pt的标准溶液，然后利用原子发射光谱仪测定标准溶液的Pt浓度，经过推算得到Pt总量之后，除以裁取的电极面积得到单位面积膜电极上的Pt含量，进而确定电极Pt担量。离线测试方法适合在实验室研究阶段所制备膜电极的Pt担量确定，在连续生产膜电极时，这种离线方法即破坏产品的连续性，又不具有时效性，影响电极连续生产的效率。
根据膜电极的结构组成，膜电极生产线主要包括催化层制备过程、扩散层制备过程以及电极热压密封过程等。其中需要确定Pt担量的过程主要是在催化层制备过程中。目前催化层批量制备过程包括丝网印刷法、喷涂法、辊对辊印刷法等，当采用丝网印刷法制备催化层时，通常是向气体扩散层上印刷催化层制备GDE型膜电极，且制备过程为逐片进行，制备完成一片之后可以单独进行检测，不会影响下一片催化层的制备，因此在丝网印刷法可以利用称重的方式，根据印刷前后重量的变化、印刷面积、浆料中Pt元素含量等反推算电极的Pt担量；当采用喷涂法以及辊对辊法制备CCM型膜电极时，为了提高生产效率，通常膜材料为连续的卷材，制备形成的CCM也为卷材，且膜材料具有极强的吸湿性，所以不能采用称重法确定电极Pt含量，需要开发其他方法进行检验。
本发明提出了一种膜电极生产线上在线定量膜电极中Pt含量的方法，具体为在催化层制备步骤之后，连接一台X射线荧光光谱仪，电极催化层制备完成后，利用该仪器对催化层中Pt含量进行定量，达到检测指标的电极方可进入下一步工序，否则需要进行报废或者返工。该方法有利于提高批量制备膜电极的均一性，确保所制备膜电极的性能一致性。
相关专利
相关专利1：申请号为200610046299.X的专利，提出了一种质子交换膜燃料电池膜电极铂担量分析的方法，具体地说是一种质子交换膜燃料电池膜电极铂担量的测定方法。其包括以下步骤，1)取一片MEA样品，准确测量其尺寸和质量，加热使MEA样品中的碳充分灰化，灰化后的试样冷却后加入浓硫酸和浓硝酸，加热，使铂完全溶解；2)用水稀释至刻度上述溶解后的样品，配制测试样品溶液；3)采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测样品溶液中的铂含量，计算MEA样品中的膜电极铂担量。本发明通过直接处理MEA的方法得到测试样品，然后用一种灵敏度高、准确度高、过程快捷、操作简单、可行性好的－ICP-AES分析方法，分析测定其铂含量，来评价PEMFC的关键材料－MEA。
发明内容
上面相关专利1，是将电极进行破坏性测试，测试后的电极无法继续使用。与之不同的是，本发明提出利用X射线荧光光谱仪对电极进行在线铂担量测试的方法，不会对电极造成结构破坏，测试后的电极仍然可以正常使用。
本发明的目的在于提供一种能够在线测量膜电极生产线上所制备膜电极的Pt含量的方法，通过在膜电极生产线上，催化层制备步骤之后，引入一台X射线荧光光谱仪，在线对所制备催化层的Pt含量进行定量，进而确保所制备催化层的Pt含量一致性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法，是在生产线中引入X射线荧光光谱仪，利用X射线确定所制备膜电极单位面积上的催化剂含量。
所述膜电极生产线包括催化层制备工序、扩散层制备工序、电极热压工序、电极检测工序等。
所述催化剂是以铂元素为活性物质，包括Pt/C、Pt-M/C(M＝Pd，Fe，Ni等)、Pt黑等催化剂。
所述X射线荧光光谱仪可检测范围从12号元素Mg到92号元素铀，检测面积为1cm2-900cm2
所述的在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法，当催化剂为合金时，可以同时测试两种元素的含量，根据二者平均值确定测试结果。
所述燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法，X射线荧光光谱仪放在催化层制备工序之后。
所述的催化层制备工序包括丝网印刷法制备GDE型催化层、喷涂法制备CCM型催化层、静电纺丝法制备催化层、滚对辊法制备CCM型催化层等。
一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法，可以利用X射线荧光光谱仪对不同厚度的催化层进行铂担量确定，得到厚度与Pt担量的关系之后，通过控制催化层厚度来控制催化层的铂担量。
本发明提出一种在燃料电池膜电极批量制备生产线上在线检测催化层担量的方法。由于目前燃料电池中常用的催化剂以铂元素为核心，因此在线检测时主要以确定铂元素的量为准。通常催化剂只存在于膜电极的催化层中，该方法主要针对所制备的催化层进行检测。在膜电极生产线中引入X射线荧光光谱仪，利用光谱仪对二维区域上的铂元素的定量识别，对所制备催化层中铂元素进行定量，进而确定所生产膜电极的催化剂担量。
本发明具有如下优点：
1.在测试Pt浓度时不会对电极结构造成破坏和损伤。
2.在批量制备膜电极时，可以快速的定量所制备催化层的Pt含量。
附图说明
图1带有在线检测Pt担量的CCM型膜电极制备工艺流程图；
图2带有在线检测Pt担量的GDE型膜电极制备工艺流程图；
图3X荧光光谱仪在线检测膜电极Pt担量的工作原理示意图。
具体实施方式
实施例1
膜电极的工艺路线如图1所示，其中催化层的制备方法为超声波喷涂法，要制备的催化层Pt含量为0.39-0.41mg cm-2。首先将卷材的膜输送到喷涂机中，催化剂喷涂到膜表面形成CCM电极，喷涂过程中根据喷涂时间、喷涂体积以及浆料的Pt含量等，估算所喷涂催化层的Pt含量，喷涂后形成的CCM送入X射线荧光光谱仪内部，利用X射线对CCM单位面积上的Pt浓度进行测定(图3)，若测得的Pt含量低于0.39mg cm-2，则需要将CCM返回到喷涂机中继续喷涂，直至测得的Pt含量达到0.39-0.41mg cm-2范围内，方可进入下一步工序。若测得的Pt含量高于0.41mg cm-2，为了保证产品的一致性，则需要进行淘汰。
实施例2
膜电极的工艺路线如图1所示，其中催化层的制备方法为辊对辊印刷法，要制备的催化层Pt含量为0.49-0.51mg cm-2。首先将卷材的膜输送到辊对辊印刷机中，催化剂印刷到膜表面形成CCM电极，印刷过程中根据时间、浆料体积以及浆料的Pt含量等，估算所印刷催化层的Pt含量，印刷后形成的CCM送入X射线荧光光谱仪内部，利用X射线对CCM单位面积上的Pt浓度进行测定(图3)，若测得的Pt含量低于0.49mg cm-2，则需要将CCM返回到印刷机中继续印刷，直至测得的Pt含量达到0.49-0.51mg cm-2范围内，方可进入下一步工序。若测得的Pt含量高于0.51mg cm-2，为了保证产品的一致性，则需要进行淘汰。
实施例3
膜电极的工艺路线如图2所示，其中催化层的制备方法为丝网印刷法，要制备的催化层Pt含量为0.79-0.81mg cm-2。首先将制备好的气体扩散层放在丝网印刷机中，将催化剂印刷到扩散层表面形成GDE电极，印刷过程中根据印刷浆料体积、以及浆料的Pt含量等，估算所印刷催化层的Pt含量，印刷后形成的GDE送入X射线荧光光谱仪内部，利用X射线对GDE单位面积上的Pt浓度进行测定(图3)，若测得的Pt含量低于0.79mg cm-2，则需要将CCM返回到印刷机中继续印刷，直至测得的Pt含量达到0.79-0.81mg cm-2范围内，方可进入下一步工序。若测得的Pt含量高于0.81mg cm-2，为了保证产品的一致性，则需要进行淘汰。
实施例4
针对图2的工艺路线，利用50wt.％的Pt/C催化剂制备了8片不同Pt担量的催化层，利用X射线荧光光谱仪确定各催化层的具体Pt担量，并精确测量各催化层的厚度，由于厚度与Pt担量应该是线性关系，即符合下式关系：
Y＝a*x，其中Y为厚度，x为Pt担量，a为系数
利用8片电极求得a的平均约为35.2μm.cm2/mg。
进而，在后续膜电极制备时，可以通过控制电极的厚度来控制Pt担量。

Claims (5)

1.一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法，其特征在于：利用X射线荧光光谱仪对不同厚度的催化层进行铂担量确定，得到厚度与Pt担量的关系之后，通过控制催化层厚度来控制催化层的铂担量；
所述催化剂是以含铂元素为活性物质，包括Pt/C、Pt-M/C、Pt黑催化剂中的一种或二种以上，M=Pd，Fe，Ni中的一种或二种以上。
2.如权利要求1所述的在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法，其特征在于：
所述X射线荧光光谱仪可检测范围包括从元素周期表中的12号元素Mg到92号元素铀，检测面积为1cm2-900cm2。
3.如权利要求1所述在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法，其特征在于：X射线荧光光谱仪放在催化层制备工序之后。
4.如权利要求1所述在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法，其特征在于：
所述膜电极生产线包括依次进行的催化层制备工序、扩散层制备工序、电极热压工序、电极检测工序。
5.如权利要求4所述在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法，其特征在于：所述的催化层制备工序包括丝网印刷法制备GDE型催化层、静电喷涂法制备CCM型催化层、静电纺丝法制备催化层、滚对辊法制备CCM型催化层。
CN201711284102.0A 2017-12-07 2017-12-07 一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法 Active CN109904496B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711284102.0A CN109904496B (zh) 2017-12-07 2017-12-07 一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711284102.0A CN109904496B (zh) 2017-12-07 2017-12-07 一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109904496A CN109904496A (zh) 2019-06-18
CN109904496B true CN109904496B (zh) 2021-12-14

Family

ID=66939060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711284102.0A Active CN109904496B (zh) 2017-12-07 2017-12-07 一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109904496B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112557451B (zh) * 2020-12-01 2021-09-07 南京大学 一种膜电极上催化剂载量的检测装置及方法
CN116297600A (zh) * 2021-12-21 2023-06-23 未势能源科技有限公司 一种取样方法及铂载量的测量方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103884729A (zh) * 2012-12-21 2014-06-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池催化层金属载量的测试方法
CN105973920A (zh) * 2016-06-30 2016-09-28 中国科学院上海应用物理研究所 用于催化剂实验的原位xafs燃料电池、系统及方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103884729A (zh) * 2012-12-21 2014-06-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池催化层金属载量的测试方法
CN105973920A (zh) * 2016-06-30 2016-09-28 中国科学院上海应用物理研究所 用于催化剂实验的原位xafs燃料电池、系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109904496A (zh) 2019-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xie et al. Durability of PEFCs at high humidity conditions
CN112557451B (zh) 一种膜电极上催化剂载量的检测装置及方法
Bhuvanendran et al. A quick guide to the assessment of key electrochemical performance indicators for the oxygen reduction reaction: A comprehensive review
Modjtahedi et al. Low catalyst loaded ethanol gas fuel cell sensor
CN109904496B (zh) 一种在燃料电池膜电极生产线上定量催化剂担量的方法
CN113540524B (zh) 一种质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法
Reshetenko et al. PEM fuel cell characterization by means of the physical model for impedance spectra
TW201317598A (zh) 多功能固態氧化物燃料電池檢測裝置
CN110857911A (zh) 便携式全钒液流电池电解液平衡度的测试方法
CN103884729A (zh) 一种燃料电池催化层金属载量的测试方法
O'Rian et al. Application of the transmission line EIS model to fuel cell catalyst layer durability
Prokop et al. Degradation kinetics of Pt during high-temperature PEM fuel cell operation part II: dissolution kinetics of Pt incorporated in a catalyst layer of a gas-diffusion electrode
Bharti et al. Proton exchange membrane testing and diagnostics
Zhao et al. Understanding of nafion membrane additive behaviors in proton exchange membrane fuel cell conditioning
CN100491979C (zh) 一种质子交换膜燃料电池膜电极铂担量的测定方法
Burch et al. A novel work-flow to study Ir electrode thinning and dissolution in proton exchange membrane water electrolyzers
Darowicki et al. The influence of dynamic load changes on temporary impedance in hydrogen fuel cells, selection and validation of the electrical equivalent circuit
CN113533991A (zh) 一种基于燃料电池自适应混合老化特征的老化诊断方法
Xue et al. In-situ electrochemical impedance spectroscopy measurement of anodic reaction in SO2 depolarized electrolysis process
CN112083041B (zh) 一种燃料电池催化层树脂含量的在线测试方法
Trofimenko et al. Recent development of electrolyte supported cells with high power density
Ren et al. Rapid synchronous state-of-health diagnosis of membrane electrode assemblies in fuel cell stacks
Zhang et al. Experimental investigation of fuel starvation on industrial-sized solid oxide fuel cells using segmented cathodes and area specific resistances
CN114843566A (zh) 燃料电池用膜电极的生产、检测及控制的系统装置及系统方法
JP2012145375A (ja) 多成分セラミックスの組成分析方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant