CN112103543A - 一种用于质子交换膜燃料电池的梯度化膜电极及其制备方法 - Google Patents

一种用于质子交换膜燃料电池的梯度化膜电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于质子交换膜燃料电池的梯度化膜电极及其制备方法，膜电极中，阴极催化剂层具有多层结构；多层结构中，贵金属担载量由膜内侧向外侧逐级递减。本发明在制备梯度化膜电极中将阴极的铂载量进行梯度化设计，使用了三种不同担载量的铂基催化剂，铂的载量由质子交换膜膜侧向气体扩散层侧降低，有效地增加了贵金属铂的使用效率，有助于三相反应界面的生成，从而可以在降低贵金属用量的条件下使膜电极在质子交换膜燃料电池单池测试中具有较好的性能。本发明制备工艺简单易行，可降低膜电极成本，易于规模化生产。

Description

一种用于质子交换膜燃料电池的梯度化膜电极及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池应用领域，具体涉及一种用于质子交换膜燃料电池的梯度化膜电极及其制备方法与应用。
背景技术
当今世界，人类社会的发展离不开能源的驱动，能源是世界各国密切关注的问题。目前广泛使用的依旧是化石能源，如煤、石油、天然气。化石能源具有污染性，含有硫、氮元素，燃烧后会带来一系列环境问题如酸雨和破坏臭氧层等。大量的二氧化碳排放会造成温室效应，全球气候变暖使许多动物失去了赖以生存的家园，濒临灭绝。此外化石能源具有不可再生性，总有一天会枯竭；可再生能源如风能、太阳能等虽然无污染，具有可再生性，但是对环境因素依赖较大，具有不稳定性和间歇性。世界人口持续增长，对能源的需求日益提高。燃料电池作为一种绿色、环保的能源受到了广泛的关注。燃料电池是一种发电装置，阴阳两极都需要持续提供气体。氢气经过气体扩散层到达阳极催化剂层并发生氧化反应失电子(2H2→4H++4e-)，产生的质子通过质子交换膜到达阴极。氧气同样通过气体扩散层到达阴极催化剂层并发生还原反应，结合质子反应生成水(O2+4H+++4e-→2H2O)。膜电极作为燃料电池的核心部件，很大程度上决定了燃料电池的性能和寿命，阴极侧反应动力学相对于阳极侧较慢，为了提高膜电极中阴极侧贵金属的利用效率，制备梯度化膜电极可能是一个有效的方案。
Li等制备了一个阴极侧三层的梯度化膜电极，靠近质子交换膜的第一层采用I/C比为1.4，并且只有碳载体无贵金属催化剂，第二层I/C比为0.4，铂载量为0.4mg/cm2，第三层I/C比为0.3，同样也只有碳载体无贵金属催化剂，该方法试图将膜电极三部分功能化，第一层仅传输质子，第二层为反应发生处，第三层用于传输反应气体，想法较为新颖，但性能较差，第一层和第三层的存在无助于三相反应界面的形成(ElectrochimicaActa，2019，302，241-248)。
Chen等制备了阴极侧两层梯度化的膜电极，两层催化剂采用不同的I/C比，并发现当两层I/C比相差在一定范围内，膜电极会有比较好的性能。该方法表现出不同催化剂层之间Nafion含量差异较小则会表示较好的性能，但是膜电极总体性能有待于提高(International Journal of Hydrogen Energy,2017,42(50):29960-29965)。
李晓锦等制备了一种梯度化膜电极，使用疏水剂处理催化剂层、微孔层、以及支撑层，使它们的疏水性递减，从而制备疏水性梯度化的膜电极，但是应用于单电池测试性能有待于提高(李晓锦，刘文奇，中国科学院青岛生物能源与过程研究所，申请号：201911344599.X)。
综上所述，已报道的文章或专利中制备出的梯度化膜电极性能较差，且催化剂中贵金属载量较高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种用于质子交换膜燃料电池的梯度化膜电极制备的方法及应用，通过阴极侧采用三种不同贵金属担载量的碳载型催化剂，在一定的I/C比条件下，制备阴极梯度化的膜电极。所制备的梯度化膜电极在质子交换膜燃料电池单电池测试中具有较高的性能，适用于质子交换膜燃料电池。
本发明技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种燃料电池梯度化膜电极，所述膜电极包括中间的质子交换膜和分别位于膜两侧的阳极催化剂层、阴极催化剂层，所述阴极催化剂层具有N层结构，N≥2，N取整数；所述N层结构中，贵金属担载量由膜内侧向外侧逐级递减。
基于上述方案，优选地，所述N＝3。
基于上述方案，优选地，所述阴极催化剂层中，与质子交换膜相邻的一层为第一层催化剂，依次向外分别为第二层催化剂和第三层催化剂；
第一层催化剂贵金属总载量占整体载量的40～80wt％，优选为70～80wt％；；
第二层催化剂贵金属总载量占整体载量的10～20wt％；
第三层催化剂贵金属总载量占整体的载量10～20wt％，优选为5～10wt％；
所述阴极催化剂层中，贵金属的总担载量为0.01～90wt％。
基于上述方案，优选地，所述第一层催化剂、第二层催化剂、第三层催化剂中贵金属载量分别为0.05～0.4mgPt/cm-2、0.05～0.1mgPt/cm-2、0.01～0.05mgPt/cm-2。
基于上述方案，优选地，所述贵金属包括一种金属或多种金属形成的合金；所述贵金属以纳米颗粒的形式存在。
基于上述方案，优选地，所述贵金属为Pt或PtM，所述M为除铂以外的其他贵金属中的一种或多种。
基于上述方案，优选地，所述阳极催化剂层为单一催化剂层。
所述制备膜电极阳极侧催化剂载量为0.05～0.5mgPt/cm-2。
所述制备膜电极采用质子交换膜可为Nafion211，Nafion212，Nafion112，Nafion119等商业化质子交换膜。
另一方面，本发明提供了一种上述膜电极的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)称取相同贵金属担载量的负载型催化剂，与树脂溶液、分散液、水进行混合，得到阳极催化剂浆液，然后在25～90℃下，超声分散0.1～2h；
(2)称取不同贵金属担载量的负载型催化剂，分别与树脂溶液、分散剂和水混合，得到不同浓度的阴极催化剂浆液，在25～90℃下，超声分散0.1～2h；
(3)将阳极催化剂浆液和不同浓度的阴极催化剂浆液分别制备于质子交换膜的两侧，制备温度为25～90℃，其中，阴极催化剂浆液按照贵金属担载量依次递减的顺序进行制备；
(4)将步骤(3)制备有阴阳极催化剂浆液的质子交换膜进行热压处理，得到所述膜电极；
所述步骤(1)和步骤(2)不分先后顺序。
基于上述方案，优选地，所述树脂溶液与分散液体积比为0.01～10；所述树脂溶液的体积分数为0.01～50wt％；所述分散液与水的体积比为20～0.1；所述的分散液为异丙醇、乙醇、乙二醇、丙醇、甲醇中一种或两种以上的混合物。所述热压操作温度范围在25～200℃；所述热压操作设置压力为0～1.6MPa。所述制备膜电极浆液的浓度为0～10mg/ml；
具体地，本发明制备方法如下：
(1)阳极侧采用一种相同铂担载量的商业铂碳催化剂，称取一定质量的催化剂，分别与树脂溶液、分散液、水按照一定比例混合得到一定浓度的催化剂浆液，在25～90℃下，超声0.1～2h使催化剂浆液分散均匀。
(2)阴极侧为三层催化剂，称取三种不同铂担载量的商业铂碳催化剂颗粒，并分别与树脂溶液、分散剂、水按照一定比例混合得到一定浓度的催化剂浆液，在25～90℃下，超声0.1～2h使催化剂浆液分散均匀。
(3)本发明使用CCM法制备膜电极，将催化剂浆液依次喷涂到质子交换膜上，操作条件为25～90℃。
(4)将制备好的两侧含有催化剂层的质子交换膜与气体扩散层在一定温度下、一定压力下进行热压处理制备膜电极。
本发明制备的梯度化膜电极各个催化剂层分布均匀；本发明制备的梯度化膜电极可以使用较少的贵金属催化剂；
本发明制备的梯度化膜电极在应用于电池单池测试时具有较高的性能，适用于质子交换膜燃料电池。
本发明制备的膜电极阴极侧为三层梯度化，不含疏水性物质，通过加入不同贵金属担载量的催化剂使膜电极孔的结构、疏水性呈现并在单电池测试中有较高的性能。
与已报道的梯度化膜电极的制备方法相比，本发明有以下优点：
a)本发明制备方法简单易行，制备成本较低，操作条件要求不苛刻，可进行批量化生产；
b)本发明制备的梯度化膜电极，整体贵金属的含量较低，可以在保证性能的条件下有效减少贵金属资源的使用。
c)本发明制备的梯度化膜电极，由于采用梯度化的贵金属载量的电催化剂，有利于三相反应界面的形成，从而提升燃料电池性能。
d)本发明制备的梯度化膜电极可应用于质子交换膜燃料电池，在一定操作条件下具有良好的性能表现。
附图说明
图1是实施例1梯度化膜电极结构示意简图；
图2是实施例1制备的梯度化膜电极与普通膜电极的极化曲线对比图；
图3是实施例2制备的梯度化膜电极与普通膜电极的极化曲线对比图；
图4是实施例3制备的梯度化膜电极与普通膜电极的极化曲线对比图；
图中，1为气体扩散层；2为阳极催化剂层；3为质子交换膜；4为第一层催化剂；5为第二层催化剂；6为第三层催化剂。
具体实施方式
下面结合附图和实例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
以下实施例中，所用试剂如下所示：气体扩散层购于新源动力股份有限公司；商业铂碳催化剂购于上海河森电气有限公司；树脂溶液和质子交换膜购于美国科慕公司；采用其他试剂均购买于国药集团化学试剂有限公司。
实施例1
(1)称取60％wt担载量的商业铂碳催化剂1.33mg，分散于无水乙醇(599μl)、去离子水(67μl)，加入5％wt的Nafion溶液(8.5μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阳极催化剂层。
(2)称取60％wt担载量的商业铂碳催化剂3.42mg，分散于无水乙醇(1539μl)、去离子水(162μl)，加入5％wt的Nafion溶液(8.83μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阴极催化剂层第一层。
(3)称取37.7％wt担载量的商业铂碳催化剂1.01mg，分散于无水乙醇(455μl)、去离子水(46μl)，加入5％wt的Nafion溶液(4.06μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阴极催化剂层第二层。
(4)称取20％wt担载量的商业铂碳催化剂1mg，分散于无水乙醇(464μl)、去离子水(46μl)，加入5％wt的Nafion溶液(5.3μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阴极催化剂层第三层。
(5)将浆液分别喷涂到商业化的Nafion膜上，在70℃操作条件下，制备出催化剂层。
(6)将具有催化剂层的质子交换膜与气体扩散层进行结合并进行热压处理，热压操作温度为130℃，热压机表压为0.15MPa。
(7)制备普通膜电极，阳极催化剂浆液制备步骤与(1)一致，称取称取60％wt担载量的商业铂碳催化剂4mg,分散于无水乙醇(1800μl)、去离子水(193μl)，加入5％wt的Nafion溶液(10.48μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的阴极催化剂浆液。
(8)后续步骤与(5)、(6)一致，制备出普通膜电极。
将梯度化膜电极与普通膜电极进行单池测试，将测试结果进行对比。
如图2，极化曲线测试结果表明，在此相同铂载量下的梯度化膜电极具有较好的性能。
实施例2
(1)称取60％wt担载量的商业铂碳催化剂1.33mg，分散于无水乙醇(599μl)、去离子水(67μl)，加入5％wt的Nafion溶液(8.5μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阳极催化剂层。
(2)称取60％wt担载量的商业铂碳催化剂0.67mg，分散于无水乙醇(302μl)、去离子水(31.8μl)，加入5％wt的Nafion溶液(1.7μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阴极催化剂层第一层。
(3)称取37.7％wt担载量的商业铂碳催化剂1mg，分散于无水乙醇(473μl)、去离子水(48μl)，加入5％wt的Nafion溶液(4.2μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阴极催化剂层第二层。
(4)称取20％wt担载量的商业铂碳催化剂2mg，分散于无水乙醇(910μl)、去离子水(91μl)，加入5％wt的Nafion溶液(10.4μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阴极催化剂层第三层。
(5)将浆液分别喷涂到商业化的Nafion膜上，在70℃操作条件下，制备出催化剂层。
(6)将具有催化剂层的质子交换膜与气体扩散层进行结合并进行热压处理，热压操作温度为130℃，热压机表压为0.15MPa。
(7)制备普通膜电极，阳极催化剂浆液制备步骤与(1)一致，称取称取60％wt担载量的商业铂碳催化剂2mg,分散于无水乙醇(923μl)、去离子水(97μl)，加入5％wt的Nafion溶液(5.29μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的阴极催化剂浆液。
(8)后续步骤与(5)、(6)一致，制备出普通膜电极。
将梯度化膜电极与普通膜电极进行单池测试，将测试结果进行对比。
如图3，极化曲线测试结果表明，在此铂载量下的梯度化膜电极具有较好的性能。
实施例3
(1)称取60％wt担载量的商业铂碳催化剂1.33mg，分散于无水乙醇(599μl)、去离子水(67μl)，加入5％wt的Nafion溶液(8.5μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阳极催化剂层。
(2)称取60％wt担载量的商业铂碳催化剂0.67mg，分散于无水乙醇(293μl)、去离子水(30.8μl)，加入5％wt的Nafion溶液(1.68μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阴极催化剂层第一层。
(3)称取37.7％wt担载量的商业铂碳催化剂1mg，分散于无水乙醇(531μl)、去离子水(54μl)，加入5％wt的Nafion溶液(4.7μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阴极催化剂层第二层。
(4)称取20％wt担载量的商业铂碳催化剂1.03mg，分散于无水乙醇(464μl)、去离子水(46.2μl)，加入5％wt的Nafion溶液(5.3μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的催化剂浆液，用于制备膜电极阴极催化剂层第三层。
(5)将浆液分别喷涂到商业化的Nafion膜上，在70℃操作条件下，制备出催化剂层。
(6)将具有催化剂层的质子交换膜与气体扩散层进行结合并进行热压处理，热压操作温度为130℃，热压机表压为0.15MPa。
(7)制备普通膜电极，阳极催化剂浆液制备步骤与(1)一致，称取称取60％wt担载量的商业铂碳催化剂1.7mg,分散于无水乙醇(770μl)、去离子水(81.2μl)，加入5％wt的Nafion溶液(4.4μl)，在25℃条件下超声30min，得到分散均匀的阴极催化剂浆液。
(8)后续步骤与(5)、(6)一致，制备出普通膜电极。
将梯度化膜电极与普通膜电极进行单池测试，将测试结果进行对比。

Claims (10)

1.一种燃料电池梯度化膜电极，所述膜电极包括中间的质子交换膜和分别位于膜两侧的阳极催化剂层、阴极催化剂层，其特征在于，
所述阴极催化剂层具有N层结构，N≥2，N取整数；
所述N层结构中，贵金属担载量由膜内侧向外侧逐级递减。
2.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述N＝3。
3.根据权利要求2所述的膜电极，其特征在于，所述阴极催化剂层中，与质子交换膜相邻的一层为第一层催化剂，依次向外分别为第二层催化剂和第三层催化剂；
所述第一层催化剂贵金属总载量占整体载量的40～80wt％；
所述第二层催化剂贵金属总载量占整体载量的10～20wt％；
所述第三层催化剂贵金属总载量占整体的载量10～20wt％；
所述阴极催化剂层中，贵金属的总担载量为0.01～90wt％。
4.根据权利要求3所述的膜电极，其特征在于，所述第一层催化剂、第二层催化剂、第三层催化剂中贵金属载量分别为0.05～0.4mgPt/cm-2、0.05～0.1mgPt/cm-2、0.01～0.05mgPt/cm-2；
所述第一层催化剂贵金属总载量占整体载量的70～80wt％；
所述第三层催化剂贵金属总载量占整体的载量5～10wt％。
5.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述贵金属为一种金属或多种金属形成的合金；所述贵金属以纳米颗粒的形式存在。
6.根据权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述贵金属为Pt或PtM，所述M为除铂以外的其他贵金属中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述阳极催化剂层为单一催化剂层。
8.一种权利要求1～7任一所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)称取相同贵金属担载量的负载型催化剂，与树脂溶液、分散液、水进行混合，得到阳极催化剂浆液，然后在25～90℃下，超声分散0.1～2h；
(2)称取不同贵金属担载量的负载型催化剂，分别与树脂溶液、分散剂和水混合，得到不同浓度的阴极催化剂浆液，在25～90℃下，超声分散0.1～2h；
(3)将阳极催化剂浆液和不同浓度的阴极催化剂浆液分别制备于质子交换膜的两侧，制备温度为25～90℃，其中，阴极催化剂浆液按照贵金属担载量依次递减的顺序进行制备；
(4)将步骤(3)制备有阴阳极催化剂浆液的质子交换膜进行热压处理，得到所述膜电极；
所述步骤(1)和步骤(2)不分先后顺序。
9.根据权利要求7所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述阴极或阳极催化剂浆液的浓度为0～10mg/ml；所述树脂溶液与分散液体积比为0.01～10；所述树脂溶液的体积分数为0.01～50wt％；所述分散液与水的体积比为20～0.1；
所述的分散液为异丙醇、乙醇、乙二醇、丙醇、甲醇中一种或两种以上的混合物；
所述热压操作温度范围在25～200℃；所述热压操作设置压力为0～1.6MPa。
10.一种权利要求1～6任一所述的膜电极在质子交换膜燃料电池中的应用。
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