CN109921031A - 一种碱性阴离子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碱性阴离子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，该方法通过在气体扩散层上依次制备阳极催化层(或阴极催化层)，聚电解质膜，阴极催化层(或阳极催化层)，得到一体化制备的膜电极。采用这种方法制备的膜电极解决了膜电极长时间运行后膜与催化层之间剥离的问题，降低了催化层与膜之间、扩散层与催化层之间的接触电阻。与传统热压法制备的膜电极相比，一体化制备的膜电极组装电池，其性能都得到提升。

Description

一种碱性阴离子交换膜燃料电池膜电极的制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体地说是一种碱性阴离子交换膜电极制备方法。
背景技术
碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)是近些年来发展起来的一种新型燃料电池。同传统的碱性燃料电池(AFC)相比，AAEMFC采用固体电解质，解决和减轻了AFC中液体电解质泄露以及KOH电解质溶液的碳酸盐化问题；与质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比，由于在碱性条件下，燃料电池阴极氧还原反应(ORR)动力学加快，这样，AAEMFC就可以从根本上摆脱对Pt基贵金属的依赖。正是由于AAEMFC兼具了AFC和PEMFC二者的优点，并且在一定程度上解决了二者面临的问题，因此AAEMFC具有广阔的应用前景。目前，AAEMFC正逐渐成为燃料电池领域一个新的研究热点。
膜电极组件(MEA)作为AAEMFC的核心，其优劣直接决定着电池性能和稳定性的好坏。MEA是由阴、阳极气体扩散层(GDL)，阴、阳极催化层(CL)和阴离子交换膜(AEM)组成的五合一“三明治”结构。根据催化层的附着方式不同，MEA主要有两种不同的形式，即气体扩散电极(GDE)和催化剂涂覆膜电极(CCM)，GDE为催化层附着于GDL上，而CCM为催化层附着于AEM上。目前的AAEMFC的研究主要集中于AEM的开发，研究者们都致力于合成高离子电导率、高化学和机械稳定性的AEM，英国的Varcoe研究组和国内庄林研究组在这方面都有出色的工作。但是对碱性膜电极的制备工艺研究却相对较少，尤其AAEMFC的稳定性研究则更少。Piana等人在文章J.Power Sources 195(2010)5875中通过催化层中树脂的优化，得到了320小时的电池寿命数据，但其在寿命测试过程中，电压快速衰减，电池最终在低电压下(<0.5V)运行；LengYongjun等人最近在Electrochimica Acta 152(2015)93上报道了通过催化层中树脂原位交联、改善电池外部增湿条件，在80℃电池操作温度下，得到了356小时的电池寿命数据，但也存在同上面提高的电压快速衰减的问题，250小时后电压的衰减速度达到4mV/h。专利201310409478.5报道一种在AEM与CL之间加入一层阴离子树脂过渡层，采用商业化的A201膜和AS-4树脂，得到300小时的电池寿命数据。目前，文献报道中多从材料角度改善电池的稳定性，鲜有从电极催化层的制备过程角度研究AEMFC稳定性。
发明内容
本发明提供了一种碱性阴离子交换膜燃料电池电极制备方法。为实现本发明上述目的，采用如下技术方案：
在电极制备过程中，将阴极/阳极催化剂浆料、树脂溶液、阳极/阴极催化剂浆料依次制备在基底材料上，实现膜电极的一体化制备。选择的基底材料为碳纸或碳布，或者带有微孔层的碳纸或碳布，或者为铝箔、锡箔等柔性基底。
其主要步骤如下：
(1)将含有催化活性组分的催化剂超声分散在低沸点溶剂中，超声时间为30-60分钟，溶剂与催化剂的质量比为10:1-40:1，得到催化剂浆料；
(2)将高分子树脂加入低沸点溶剂中，搅拌溶解，搅拌时间1-2小时，高分子树脂在溶液中的质量分数为1-20％，得到高分子树脂溶液；
(3)取(2)配好的高分子树脂溶液加入(1)中配好的催化剂浆料中，其中催化剂和高分子树脂的质量比为10:1-1:1。超声分散，超声时间20-60分钟，得到催化剂浆料；
(4)将碳纸或碳布固定在温度为40-80℃的热台上，对于带有微孔层的碳纸或碳布，微孔层一侧朝上；
(5)将(3)所得的催化剂浆料依次喷涂于(4)中碳纸或碳布或微孔层的表面，放在热台上5-30分钟，使溶剂完全挥发；
(6)将(2)中制备好的高分子树脂溶液喷涂于(5)中制备催化层的表面，放在热台上5-30分钟，使溶剂完全挥发；
(7)重复(5)的操作，将(3)所得的催化剂浆料依次喷涂于(6)中高分子树脂膜表面，放在热台上5-30分钟，使溶剂完全挥发；
将催化剂浆料和高分子树脂溶液制备在基底上的方法有：喷涂、刮涂、静电纺丝。
步骤(1)中的催化剂催化活性组分为铂、钌、铱、钯、金、银、铁、钴、铜、镍或上述金属的氧化物的一种或二种以上，或为碳、氮及其衍生物中的一种或两种以上。
步骤(5)和(7)中活性组分在电极上的担载量为0.05-50mg cm-2。
步骤(1)和步骤(2)中所涉及的低沸点溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇或四氢呋喃中的一种或二种以上。
步骤(2)中所述的高分子树脂为聚氯乙烯、聚苯乙烯、氯取代或溴取代或碘取代的苯乙烯嵌段共聚物中的一种或二种以上，或为季胺型阴离子交换树脂、季磷型阴离子交换树脂、吡啶型阴离子交换树脂、咪唑型阴离子交换树脂、胍基型阴离子交换树脂、硫基型阴离子交换树脂的一种或二种以上，每种组分分子量均在10000-100000之间。
步骤(6)中高分子树脂的担载量为0.1-10mg cm-2。
步骤(5)、(6)、(7)中的喷涂方式为高压喷涂枪喷涂，压力为0.1-0.5MPa，气速为0.1-10m/s。
本发明和现有技术相比具有如下优点：
采用这种一体化的方法制备膜电极，首先，可以大幅度降低固体电解质膜的厚度，可达到5微米以下，而且通过控制高分子树脂的担载量进而控制固体电解质厚度；其次，相比于传统碱性阴离子交换膜燃料电池膜电极制备方法，一体化制备电极膜与催化层之间的接触更加紧密，能够大幅度降低接触电阻；最后，采用一体化方法制备的电极，能简化传统电极制备过程，省略树脂溶液成膜过程，降低电极成本。
附图说明
图1为一体化电极制备过程示意图。
图2为采用一体化方法制备膜电极的扫描电极图。
图3实施例1中极化曲线和功率密度曲线图
图4实施例1中电池的交流阻抗图
图5实施例2中极化曲线和功率密度曲线图
图6实施例3中极化曲线和功率密度曲线图
图7实施例4中极化曲线和功率密度曲线图
图8实施例4中欧姆阻抗随电流变化图
具体实施方式
结合如下的实施例，对本发明作进一步说明，但实施例是说明性的，而非限定性的，不能以下述的实施例来限定本发明的保护范围。
实施例1
膜电极制备方法如下：
选取组内自制的带有微孔层的碳纸24cm2。
称取0.1715克质量分数5％氯甲基化树脂I-80溶液，加入1.6毫升四氢呋喃和正丙醇的混合溶剂，制成高分子树脂溶液。
称取70％Pt/C催化剂34毫克，加入1.7毫升正丙醇超声分散30分钟，然后将上述高分子树脂溶液加入其中，形成电催化剂和氯甲基化高分子质量比为4:1的催化剂墨水，超声分散60分钟制成催化剂浆料。
在60℃热台上，将催化层浆料喷涂于碳纸带有微孔层一侧，喷涂电极面积24cm2，喷涂温度为室温，喷涂压力为0.1MPa。
待溶剂挥发完全后，自然冷却得到催化层。
称取1.920克质量分数5％氯甲基化树脂I-80溶液，加入1.6毫升四氢呋喃和正丙醇的混合溶剂，制成高分子树脂溶液。喷涂与上述催化层上，树脂的担载量为2mg/cm2，喷涂的条件涂上。
待溶剂完全挥发后，再按照同样的方法，在树脂膜表面喷涂催化层。
待溶剂完全挥发后，即得到一体化制备的膜电极。
由于上述采用的高分子树脂未进行季胺功能化，故将上述催化剂涂覆膜电极先在33％的三甲胺水溶液中浸泡24小时，浸泡完毕后取出，并用去离子水冲洗去表面胺液；再将其放入1摩尔每升的氢氧化钾溶液中，浸泡24小时，完毕后取出，用去离子水冲去表面碱液，最后将其放入去离子水中浸泡24小时。
将得到的膜电极置于电池两端板之间，冷压组装单电池，电池面积5cm2，室温条件下组组装。
电池运行条件如下：
阳极进气压力0.1MPa，氢气流量100毫升每分钟，100％RH；阴极进气压力0.2MPa，氧气流量200毫升每分钟，100％RH，电池运行温度50摄氏度。
该电池的极化曲线和功率密度曲线如图3所示，在电流密度350mA/cm2，电池功率密度达最大为153mW/cm2。图4给出了电池的交流阻抗图谱，可以看出其欧姆阻抗较小，面电阻仅为80mohm cm2。
实施例2
与实施例1不同的是，阴极侧的催化剂采用FeNC，催化剂担载量为0.4mg/cm2。分散剂为四氢呋喃和异丙醇混合物，混合比例为5:3(体积比)；其他操作和条件与实施例1相同，组装电池，其电池的极化曲线和功率密度曲线如图5所示，其峰值功率密度为83mW/cm2，相比于传统先胺化法制备的电极(峰值功率密度63mW/cm2)，其峰值功率密度提高20mW/cm2。
实施例3
膜电极制备方法如下：
选取组内自制的带有微孔层的碳纸24cm2。
称取0.1715克质量分数5％氯甲基化树脂QA-58溶液，加入1.6毫升四氢呋喃和正丙醇的混合溶剂，制成高分子树脂溶液。
称取70％Pt/C催化剂34毫克，加入1.7毫升正丙醇超声分散30分钟，然后将上述高分子树脂溶液加入其中，形成电催化剂和氯甲基化高分子质量比为4:1的催化剂墨水，超声分散60分钟制成催化剂浆料。
在60℃热台上，将催化层浆料喷涂于碳纸带有微孔层一侧，喷涂电极面积24cm2，喷涂温度为室温，喷涂压力为0.1MPa。
待溶剂挥发完全后，自然冷却得到催化层。
称取1.920克质量分数5％氯甲基化树脂QA-58溶液，加入1.6毫升四氢呋喃和正丙醇的混合溶剂，制成高分子树脂溶液。喷涂与上述催化层上，树脂的担载量为2mg/cm2，喷涂的条件涂上。
待溶剂完全挥发后，再按照同样的方法，在树脂膜表面喷涂催化层。
待溶剂完全挥发后，即得到一体化制备的膜电极。由于QA-58为季胺官能化树脂，故无需后续胺化处理。
将得到的膜电极置于电池两端板之间，冷压组装单电池，电池面积5cm2，室温条件下组组装。
电池运行条件如下：
阳极进气压力0.1MPa，氢气流量100毫升每分钟，100％RH；阴极进气压力0.2MPa，氧气流量200毫升每分钟，100％RH，电池运行温度50摄氏度。
该电池的极化曲线和功率密度曲线如图6所示，在电流密度350mA/cm2，电池功率密度达最大为153mW/cm2。
实施例4
采用实施例3的方法和材料制备了三种不同树脂担载量的一体化膜电极，其担载量分别为0.2mg/cm2，0.3mg/cm2，0.5mg/cm2。
图7给出了其极化曲线和功率密度曲线；图8位不同载量树脂电极的欧姆阻抗随电流变化图。

Claims (10)

1.一种碱性阴离子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：在电极制备过程中，将阴极/阳极催化剂浆料、树脂溶液、阳极/阴极催化剂浆料依次制备在基底材料上，实现膜电极的一体化制备。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的基底材料为柔性基底包括碳纸或碳布，或者带有微孔层的碳纸或碳布，或者为铝箔或锡箔。
3.按照权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述制备方法的主要步骤如下：
(1)将含有催化活性组分的催化剂超声分散在低沸点溶剂中，超声时间为30-60分钟，溶剂与催化剂的质量比为10:1-40:1，得到催化剂浆料；
(2)将高分子树脂加入低沸点溶剂中，搅拌溶解，搅拌时间1-2小时，高分子树脂在溶液中的质量分数为1-20％，得到高分子树脂溶液；
(3)取(2)配好的高分子树脂溶液加入(1)中配好的催化剂墨水中，其中催化剂和高分子树脂的质量比为10:1-1:1，超声分散，超声时间20-60分钟，得到催化剂浆料；
(4)将碳纸或碳布固定在温度为40-80℃的热台上，对于带有微孔层的碳纸或碳布，微孔层一侧朝上；
(5)将(3)所得的催化剂浆料依次喷涂于(4)中碳纸或碳布或微孔层的表面，放在热台上5-30分钟，使溶剂完全挥发；
(6)将(2)中制备好的高分子树脂溶液喷涂于(5)中制备催化层的表面，放在热台上5-30分钟，使溶剂完全挥发；
(7)重复(5)的操作，将(3)所得的催化剂浆料依次喷涂于(6)中高分子树脂膜表面，放在热台上5-30分钟，使溶剂完全挥发。
4.按照权利要求1或2所述的电极制备方法，其特征在于：将催化剂浆料和高分子树脂溶液制备在基底上的方法有：喷涂、刮涂、静电纺丝。
5.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的催化活性组分为铂、钌、铱、钯、金、银、铁、钴、铜、镍或上述金属的氧化物的一种或二种以上，或为碳、氮及其衍生物中的一种或两种以上。
6.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(5)和(7)中活性组分在电极上的担载量为0.05-50mg cm-2。
7.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)和步骤(2)中所述的低沸点溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇或四氢呋喃中的一种或二种以上。
8.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的高分子树脂为聚氯乙烯、聚苯乙烯、氯取代或溴取代或碘取代的苯乙烯嵌段共聚物中的一种或二种以上，或为季胺型阴离子交换树脂、季磷型阴离子交换树脂、吡啶型阴离子交换树脂、咪唑型阴离子交换树脂、胍基型阴离子交换树脂或硫基型阴离子交换树脂的中一种或二种以上；每种组分分子量均在10000-100000之间。
9.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(6)中高分子树脂在催化剂层上的担载量为0.1-10mg cm-2。
10.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(5)、(6)、(7)中的喷涂方式为高压喷涂枪喷涂，压力为0.1-0.5MPa，气速为0.1-10m/s。
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