CN111384410B - 具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用 - Google Patents

具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111384410B
CN111384410B CN202010129671.3A CN202010129671A CN111384410B CN 111384410 B CN111384410 B CN 111384410B CN 202010129671 A CN202010129671 A CN 202010129671A CN 111384410 B CN111384410 B CN 111384410B
Authority
CN
China
Prior art keywords
catalytic layer
layer
fuel cell
catalyst
catalytic
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
CN202010129671.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111384410A (zh
Inventor
白金勇
达斯汀.威廉.班哈姆
张翼
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.)
Guangdong Taiji Power Technology Co ltd
Original Assignee
Guangdong Taiji Power Technology Co ltd
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 Guangdong Taiji Power Technology Co ltd filed Critical Guangdong Taiji Power Technology Co ltd
Publication of CN111384410A publication Critical patent/CN111384410A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111384410B publication Critical patent/CN111384410B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明公开了具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用。燃料电池用催化层为阳极催化层ACL或阴极催化层，由靠近电解质膜的第一催化层和直接附着在第一催化层的第二催化层组成，其中：所述第一催化层无裂纹；所述第二催化层具有裂纹。本发明的燃料电池用催化层，可以很好地提高传质效率，同时不会显著降低催化层的耐久性。

Description

具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用
技术领域
本发明涉及一种燃料电池组件，特别涉及一种具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池具有效率高，绿色环保等优势，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。
燃料电池的主要构成组件为：电极(Electrode)、电解质隔膜(ElectrolyteMembrane)与集电器(Current Collector)等。电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。MEA(Membrane Electrode Assembly)膜电极是燃料电池电化学反应的基本单元，它的设计和制备首先要遵循燃料电池电化学反应的基本原理和特性，并且与燃料电池最终的使用条件相结合来综合考虑。
为了获得性能优异的MEA，要求MEA的催化层尽可能的薄，以利于传质并提高燃料电池的效率。传统的燃料电池MEA中，催化层(catalyst layer CL)是5～10μm厚的单层结构，由固载在碳材料上的催化剂(如Pt等)和质子导体聚合物(离聚物ionomer)组成。
为了促进反应物及反应产物的传质，PEMFC的催化层，特别是阴极催化剂层(CCL)必须具有高孔隙率。现在一般有如下几种策略：
减少CCL层中离聚物的含量：通过减少离聚物的含量，CCL中的孔含量和大小一般都会提高。但是这种方法会导致CCL内的质子传导性降低，影响质子传递，对燃料电池的性能有着不利的影响。
在CCL中引入裂纹(cracks)：裂纹的引入一般会导致总体孔隙率的大幅增加。与传统的由催化剂和离聚物混合制备得到的CCL相比，裂纹的引入同样会产生更大的表面积。在CCL中引入裂纹的方法有几种，包括使用高粘度或低粘度的溶剂。但是在干-湿循环的过程中，CCL中的裂纹会加速膜的降解，因为在水化时，膜会优先在CCL中的裂纹中膨胀，造成不均匀的机械应力，最终导致裂纹处的膜失效，直接影响燃料电池的性能稳定性和使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有裂纹的双层催化层及其应用，特别是提供一种性能更佳的CCL，在提高CL中传质效率的同时具有可以接受的耐久性。
本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一个方面，提供：
一种燃料电池用催化层，所述催化层为阳极催化层ACL或阴极催化层CCL，由靠近电解质膜的第一催化层和直接附着在第一催化层的第二催化层组成，其中：
所述第一催化层无裂纹；且
所述第二催化层具有裂纹。
在一些催化层的实例中，所述裂纹在第二催化层中梯度分布。
在一些催化层的实例中，所述裂纹的宽度为0.25～50μm，优选0.5～30μm。
在一些催化层的实例中，所述第一催化层的厚度为0.5～20μm，优选0.5～10μm。
在一些催化层的实例中，所述第二催化层的厚度为1～20μm，优选1～15μm。
在一些催化层的实例中，所述第一催化层中使用的溶剂的粘度为2.5～1000cP；优选的，所述溶剂选自甘油、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、二甘醇、乙二醇、丙二醇、异丁醇、1-丁醇、戊二醇中的至少一种；
优选的，所述第一催化层中还添加有碳纳米材料；进一步的，所述碳材料选自碳纳米管、碳纳米纤维、石墨和石墨烯中的至少一种。
在一些催化层的实例中，所述第一催化层中，Pt催化剂(PGM)的含量为0.01～0.3mg/cm2；
所述第二催化层中，Pt催化剂的含量为0.01～0.3mg/cm2；
所述CCL中，Pt催化剂的总含量为0.05～0.5mg/cm2。
在一些催化层的实例中，所述第一催化层中，离聚物的含量为10～50wt.％；
所述第二催化层中，离聚物的含量为10～50wt.％。
本发明的第二个方面，提供：
一种燃料电池用MEA，其具有本发明第一个方面的燃料电池用催化层。
本发明的第三个方面，提供：
一种燃料电池，其具有：
本发明第一个方面的燃料电池用催化层；或
本发明第二个方面的燃料电池用MEA。
本发明的有益效果是：
本发明的燃料电池用催化层，可以很好地提高传质效率，同时不会显著降低催化层的耐久性。
附图说明
图1是本发明设计1和对比设计2的CCL在经过RH循环后的极化曲线对比结果；
图2是本发明设计1和对比设计2的CCL在低RH下的极化曲线对比结果；
图3是本发明设计1和对比设计1的CCL在高RH下的极化曲线对比结果。
具体实施方式
一种燃料电池用催化层，所述催化层为阳极催化层ACL或阴极催化层CCL，由靠近电解质膜的第一催化层和直接附着在第一催化层的第二催化层组成，其中：
所述第一催化层无裂纹；且
所述第二催化层具有裂纹。
在一些催化层的实例中，所述裂纹在第二催化层中梯度分布。
在一些催化层的实例中，所述裂纹的宽度为0.25～50μm，优选0.5～30μm。
在一些催化层的实例中，所述第一催化层的厚度为0.5～20μm，优选0.5～10μm。
在一些催化层的实例中，所述第二催化层的厚度为1～20μm，优选1～15μm。
在一些催化层的实例中，所述第一催化层中使用的溶剂的粘度为2.5～1000cP；优选的，所述溶剂选自甘油、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、二甘醇、乙二醇、丙二醇、异丁醇、1-丁醇、戊二醇中的至少一种；
优选的，所述第一催化层中还添加有碳纳米材料；进一步的，所述碳材料选自碳纳米管、碳纳米纤维、石墨和石墨烯中的至少一种。
粘度指25℃，正常大气压下的粘度值。
在一些催化层的实例中，所述第一催化层中，Pt催化剂(PGM)的含量为0.01～0.3mg/cm2；
所述第二催化层中，Pt催化剂的含量为0.01～0.3mg/cm2；
所述CCL中，Pt催化剂的总含量为0.05～0.5mg/cm2。
在一些催化层的实例中，所述第一催化层中，离聚物的含量为10～50wt.％；
所述第二催化层中，离聚物的含量为10～50wt.％。
本发明的第二个方面，提供：
一种燃料电池用MEA，其具有本发明第一个方面的燃料电池用催化层。
本发明的第三个方面，提供：
一种燃料电池，其具有：
本发明第一个方面的燃料电池用催化层；或
本发明第二个方面的燃料电池用MEA。
下面结合实验数据，进一步说明本发明的技术方案。
以CCL为例，无裂纹第一CCL层的油墨组成为：将Nafion离聚物分散在溶剂中，溶剂为浓度为60wt.％的乙二醇的水溶液；然后加入50wt.％的Pt/C催化剂，混匀。
具裂纹第二CCL层的油墨组成为：将将Nafion离聚物分散在溶剂中，溶剂为浓度为17.5wt.％的异丙醇IPA的水溶液；然后加入50wt.％的Pt/C催化剂，混匀。
MEA的制备
本发明设计1(Inventive Design 1)：将第一CCL层的油墨涂布在电解质膜上完全干燥后得到第一CCL；在第一CCL上涂布第二CCL层的油墨，完全干燥后，得到完整的CCL。Pt族金属(PGM)的含量在第一CCL中为0.1mg/cm2，在第二CCL中为0.3mg/cm2。
对比设计1(Baseline Design 1)：将第一CCL层的油墨涂布在电解质膜上完全干燥后得到完整的CCL。Pt族金属(PGM)的含量在CCL中为0.4mg/cm2。
对比设计2(Baseline Design 2)：将第二CCL层的油墨涂布在电解质膜上完全干燥后得到完整的具有裂纹的CCL。Pt族金属(PGM)的含量在CCL中为0.4mg/cm2。
性能测试：
不同设计的性能表现如图1～3所示。
图1是本发明设计1和对比设计2的CCL在经过RH循环后的极化曲线对比结果；
图2是本发明设计1和对比设计2的CCL在低RH下的极化曲线对比结果；
图3是本发明设计1和对比设计1的CCL在高RH下的极化曲线对比结果。
从图中可以看出，本发明实例的双层CCL，具有更好的性能，其耐久性与传统的无裂纹单层CCL无显著区别。

Claims (12)

1.一种燃料电池用催化层，所述催化层为阳极催化层ACL或阴极催化层CCL，由靠近电解质膜的第一催化层和直接附着在第一催化层的第二催化层组成，其中：
所述第一催化层无裂纹；且
所述第二催化层具有裂纹，所述裂纹在第二催化层中梯度分布；
所述第一催化层中使用的溶剂是浓度为60wt .％的乙二醇的水溶液，所述第二催化层中使用的溶剂是浓度为17 .5wt .％的异丙醇的水溶液。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用催化层，其特征在于：所述裂纹的宽度为0.25～50μm。
3.根据权利要求2所述的燃料电池用催化层，其特征在于：所述裂纹的宽度为0.5～30μm。
4.根据权利要求1所述的燃料电池用催化层，其特征在于：所述第一催化层的厚度为0.5～20μm。
5.根据权利要求4所述的燃料电池用催化层，其特征在于：所述第一催化层的厚度为0.5～10μm。
6.根据权利要求1～5任一项所述的燃料电池用催化层，其特征在于：所述第二催化层的厚度为1～20μm。
7.根据权利要求6任一项所述的燃料电池用催化层，其特征在于：所述第二催化层的厚度为1～15μm。
8.根据权利要求1～5任一项所述的燃料电池用催化层，其特征在于：
所述第一催化层中还添加有碳纳米材料；所述碳纳米材料选自碳纳米管、碳纳米纤维、石墨和石墨烯中的至少一种。
9.根据权利要求1～5任一项所述的燃料电池用催化层，其特征在于：
所述第一催化层中，Pt催化剂的含量为0.01～0.3mg/cm2；
所述第二催化层中，Pt催化剂的含量为0.01～0.3mg/cm2；
所述CCL中，Pt催化剂的总含量为0.05～0.5 mg/cm2。
10.根据权利要求1～5任一项所述的燃料电池用催化层，其特征在于：
所述第一催化层中，离聚物的含量为10～50wt.%；
所述第二催化层中，离聚物的含量为10～50 wt.%。
11.一种燃料电池用MEA，其具有权利要求1～10任一项所述的燃料电池用催化层。
12.一种燃料电池，其特征在于：其具有：
权利要求1～10任一项所述的燃料电池用催化层；或
权利要求11所述的MEA。
CN202010129671.3A 2019-10-31 2020-02-28 具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用 Active CN111384410B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911048661 2019-10-31
CN2019110486610 2019-10-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111384410A CN111384410A (zh) 2020-07-07
CN111384410B true CN111384410B (zh) 2022-05-17

Family

ID=71222625

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010129671.3A Active CN111384410B (zh) 2019-10-31 2020-02-28 具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111384410B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112786901B (zh) * 2021-03-02 2022-06-28 上海交通大学 一种可控表面屈曲燃料电池膜电极制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004253293A (ja) * 2003-02-21 2004-09-09 Tohoku Ricoh Co Ltd 燃料電池用電極、燃料電池及び燃料電池用電極の製造方法
JP2006344427A (ja) * 2005-06-07 2006-12-21 Nissan Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池
CN107665997A (zh) * 2017-08-25 2018-02-06 同济大学 可自支撑且具有梯度分布结构燃料电池催化层

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102386420A (zh) * 2011-10-19 2012-03-21 清华大学 一种直接甲醇燃料电池双催化层膜电极及其制备方法
CN107437628B (zh) * 2017-07-20 2019-09-24 河南豫氢动力有限公司 一种燃料电池膜电极组件的制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004253293A (ja) * 2003-02-21 2004-09-09 Tohoku Ricoh Co Ltd 燃料電池用電極、燃料電池及び燃料電池用電極の製造方法
JP2006344427A (ja) * 2005-06-07 2006-12-21 Nissan Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池
CN107665997A (zh) * 2017-08-25 2018-02-06 同济大学 可自支撑且具有梯度分布结构燃料电池催化层

Also Published As

Publication number Publication date
CN111384410A (zh) 2020-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2212952B1 (en) Electrode for fuel cell and method of preparing the same and membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same
EP3694037A1 (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer-type fuel cell
CN1853296A (zh) 用于直接甲醇燃料电池的膜电极单元及其制造方法
KR102119295B1 (ko) 막 전극 접합체의 제조방법, 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지
JP5740889B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用の炭素被覆触媒物質、その製造方法、電極触媒層、及び膜電極接合体
EP3382783B1 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly comprising same, and fuel cell comprising membrane electrode assembly
CN111384410B (zh) 具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用
KR20090123819A (ko) 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법, 막 전극 접합체 및 고분자 전해질형 연료전지
KR100999289B1 (ko) 복층 촉매층을 포함하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극및 그 제조방법
KR102455396B1 (ko) 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크 및 이의 제조 방법
KR101312971B1 (ko) 불소계 이오노모를 이용하여 표면 개질한 탄화수소계 고분자 전해질 분리막, 막 전극 접합체 및 연료전지
KR101101497B1 (ko) 고온형 연료전지 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 막전극 접합체
KR20090028209A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR102075180B1 (ko) 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지
JP2008146860A (ja) 触媒粒子担持導電性粒子、触媒電極およびその製造方法、並びにそれを用いて成る膜電極接合体（ｍｅａ）
JP5204382B2 (ja) カソード触媒層、およびそれを用いた膜触媒接合体、カソードガス拡散電極、膜電極接合体ならびに高分子電解質形燃料電池
KR20150138103A (ko) 연료전지용 전극, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료전지
KR102090860B1 (ko) 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지
JP6950617B2 (ja) 電極触媒層
JP5928072B2 (ja) 膜電極接合体の製造方法
Jamb et al. Polymer electrolyte membrane fuel cells for sustainable energy production
CN111244488B (zh) 一种燃料电池用ccl、mea及燃料电池
CN117594811B (zh) 一种热压辅助增强燃料电池膜电极及其制备方法
KR102455621B1 (ko) 탄소나노튜브 시트를 포함하는 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체 및 이를 이용한 연료전지
JP7315079B2 (ja) 電極触媒層、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池

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
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20210908

Address after: 528599 No.4 factory building, No.1 HuiFu Road, Hecheng street, Gaoming District, Foshan City, Guangdong Province

Applicant after: Guangdong Taiji Power Technology Co.,Ltd.

Address before: 528000 block 2, No.1, Yishui Third Road, Nanzhuang Town, Chancheng District, Foshan City, Guangdong Province

Applicant before: Guangdong Dow spruce Hydrogen Technology Co.,Ltd.

TA01 Transfer of patent application right
CB02 Change of applicant information

Address after: 528599 workshop, No. 25, Xingliang Road, Hecheng street, Gaoming District, Foshan City, Guangdong Province

Applicant after: Guangdong Taiji Power Technology Co.,Ltd.

Address before: 528599 No.4 factory building, No.1 HuiFu Road, Hecheng street, Gaoming District, Foshan City, Guangdong Province

Applicant before: Guangdong Taiji Power Technology Co.,Ltd.

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant