CN110649294A - 表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法,具体包括以下步骤:(1)采用氮气吸脱附法测试粉体状态下催化剂的比表面积S1;(2)采用Pt/C催化剂和溶液配制成浆料制备催化层,并制成燃料电池膜电极组件;(3)采用步骤(2)制得的燃料电池膜电极组件组装单电池并进行循环伏安曲线测试;(4)先通过氢吸附区域积分面积求得Pt/C催化剂中Pt的比表面积SPt,然后根据循环伏安曲线求得催化层中的双电层电容,根据比值得出催化层中碳载体的比表面积SC;(5)催化剂表面聚合物电解质覆盖度θion=(SPt+SC)/S1。本发明解决了采用X射线荧光光谱分析和扫描电子显微镜无法表征催化层中聚合物电解质对催化剂的包覆程度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域,具体而言,尤其涉及一种表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有功率密度高、可室温启动以及环境友好等优点,而被认为可广泛应用于车载动力系统及固定电站等领域。若要实现PEMFC的商业化推广应用,不仅要满足性能方面的要求,还必须具备良好的稳定性。作为发生能量转换过程的主要场所,燃料电池膜电极组件(MEA)中的催化层直接影响着整个燃料电池的性能和稳定性。在PEMFC中,催化层由催化剂和聚合物电解质两部分组成,其中催化剂提供反应活性位点催化反应进行,聚合物电解质提供反应所需质子,两者之间形成的孔道提供气体和水的传质路径。目前常用的催化剂一般为碳载铂(Pt/C)催化剂,而聚合物电解质一般为全氟磺酸(如)系列聚合物。鉴于燃料电池中的电化学反应需要气体、质子和催化剂三者共同参与,因此需要在催化层中引入适量的聚合物电解质以保证气体、质子和水的传输。若催化剂表面聚合物电解质过少,则供应质子的能力偏弱;若催化剂表面聚合物电解质过多,则催化层中孔道过少会严重阻碍气体和水的传输过程。
作为催化层的重要组成部分,聚合物电解质会直接影响燃料电池的性能和稳定性。为提高燃料电池的性能和稳定性,需要在确定聚合物电解质在催化层中的存在状态的基础上对催化层组成与结构进行优化。在现有表征手段中,一般采用X射线荧光光谱对催化层中聚合物电解质的元素组成进行分析,采用扫描电子显微镜对聚合物电解质与催化剂形成的催化层形貌进行分析。
虽然采用X射线荧光光谱分析和扫描电子显微镜可以对催化层的元素组成和形貌进行分析,但如果无法表征催化层中聚合物电解质对催化剂的包覆程度,便很难理解燃料电池催化层中电化学反应过程并依此进行催化层优化。因此,我们迫切需要一种可以表征燃料电池催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法。
发明内容
根据上述提出采用X射线荧光光谱分析和扫描电子显微镜无法表征催化层中聚合物电解质对催化剂的包覆程度,很难理解燃料电池催化层中电化学反应过程并依此进行催化层优化的技术问题,而提供一种表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法。本发明主要采用循环伏安曲线法对催化剂表面聚合物电解质覆盖度进行在线表征,有助于进一步优化催化层结构。
本发明采用的技术手段如下:
表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法,具体包括以下步骤:
(1)采用氮气吸脱附法测试粉体状态下催化剂的比表面积S1;
(3)采用步骤(2)制得的燃料电池膜电极组件组装单电池,对单电池进行循环伏安曲线测试;
(4)通过氢吸附区域积分面积求得Pt/C催化剂中Pt的比表面积SPt;根据循环伏安曲线计算催化层中的双电层电容,进一步计算得出催化层中碳载体的比表面积SC;
(5)催化剂表面聚合物电解质覆盖度θion=(SPt+SC)/S1。
进一步地,步骤(4)还包括,计算催化层中的双电层电容时,选取循环伏安曲线以0.45V对应电流的电流密度最大值和电流密度最小值计算单位电压产生的充电电荷。
较现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明提供的表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法,采用循环伏安曲线法对催化剂表面聚合物电解质覆盖度进行在线表征,有助于进一步优化催化层结构。
2、本发明提供的表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法,采用循环伏安曲线法对催化剂表面聚合物电解质覆盖度,可以作为燃料电池稳定性测试过程中一种监测催化剂表面聚合物电解质的手段,分析导致燃料电池性能衰减的原因,加深对燃料电池性能衰减机理的理解。
3、本发明提供的表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法,方法操作简单,对电池无损伤。
综上,应用本发明的技术方案采用循环伏安曲线法对催化剂表面聚合物电解质覆盖度进行在线表征,有助于进一步优化催化层结构。因此,本发明的技术方案解决了采用X射线荧光光谱分析和扫描电子显微镜无法表征催化层中聚合物电解质对催化剂的包覆程度,很难理解燃料电池催化层中电化学反应过程并依此进行催化层优化的问题。
基于上述理由本发明可在表征催化剂表面聚合物电解质覆盖度等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述单电池结构示意图。
图2为本发明所述单电池循环伏安曲线图。
图中:1、气体扩散层;2、催化层;3、质子交换膜;4、带有流场的单极板。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时,应当清楚,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任向具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中,需要理解的是,方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,在未作相反说明的情况下,这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明保护范围的限制:方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位),并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外,需要说明的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对相应零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示,本发明提供了一种表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法,利用循环伏安法测定催化剂表面聚合物电解质覆盖度;具体包括如下步骤:
(1)采用氮气吸脱附法测试粉体状态下催化剂的比表面积S1;
其中催化层中Pt载量为m;
(3)如图1所示,采用步骤(2)制得的燃料电池膜电极组件组装单电池,包括气体扩散层1、催化层2、质子交换膜3以及带有流场的单极板4,对单电池按照如下过程对单电池进行循环伏安曲线测试:
将单电池接入燃料电池测试系统,阴阳极分别通入氢气和空气,调节相关参数(如电池温度,气体流速,气体相对湿度等)至正常工作条件,让电池正常稳定运行一段时间;
电池阳极气体仍保持氢气不变,将阴极气体由空气切换为氮气对电池进行吹扫,将电池开路电压(OCV)降至0.1V左右;
采用恒电位仪对电池进行循环伏安扫描操作;在本实施例中,扫描范围为0.1V~1.0V,扫描速度V为0.05V/s,所得结果如图2所示;
(4)通过氢吸附区域积分面积求得Pt/C催化剂中Pt的比表面积SPt;根据循环伏安曲线计算催化层中的双电层电容,进一步计算得出催化层中碳载体的比表面积SC;
具体的,采用积分软件对循环伏安曲线中对应阴影部分进行积分所得面积S,可得Pt/C中Pt的比表面积SPt=S/(a·V·m),从而可得由Pt所引起的双电层电容CPt=CS(Pt)·SPt·m,其中a=210μC/cm2为氢吸附经验参数,CS(Pt)为Pt面积比电容;
选取循环伏安曲线中0.45V对应的电流密度最大值Imax和电流密度最小值Imin,则单位电压dV产生的充电电荷Q=1/2(Imax-Imin)·dV/V,从而由Pt和C二者引起双电层电容CPt/C=Q/dV=1/2(Imax-Imin)/V,可得由碳载体所引起的双电层电容CC=CPt/C-CPt;
催化层中碳载体比表面积SC=CC/(n·CS(C)),其中n为催化层中碳载量,CS(C)为C面积比电容;
(5)通过循环伏安曲线方法在线表征催化层中Pt的比表面积SPt和碳的比表面积SC,以二者之和(SPt+SC)与粉体催化剂比表面积S1的比值求得催化层中催化剂表面聚合物电解质覆盖度θion,即θion=(SPt+SC)/S1。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (2)
1.表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
(1)采用氮气吸脱附法测试粉体状态下催化剂的比表面积S1;
或者,采用Pt/C催化剂和溶液配制成浆料在气体扩散层表面制备催化层,并与质子交换膜热压制成燃料电池膜电极组件;
(3)采用步骤(2)制得的燃料电池膜电极组件组装单电池,对单电池进行循环伏安曲线测试;
(4)通过氢吸附区域积分面积求得Pt/C催化剂中Pt的比表面积SPt;根据循环伏安曲线计算催化层中的双电层电容,进一步计算得出催化层中碳载体的比表面积SC;
(5)催化剂表面聚合物电解质覆盖度θion=(SPt+SC)/S1。
2.根据权利要求1所述的表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法,其特征在于,步骤(4)还包括,计算催化层中的双电层电容时,选取循环伏安曲线以0.45V对应电流的电流密度最大值和电流密度最小值计算单位电压产生的充电电荷。
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