CN112838251A - 一种燃料电池膜电极及其制备方法 - Google Patents

一种燃料电池膜电极及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112838251A
CN112838251A CN202110098768.7A CN202110098768A CN112838251A CN 112838251 A CN112838251 A CN 112838251A CN 202110098768 A CN202110098768 A CN 202110098768A CN 112838251 A CN112838251 A CN 112838251A
Authority
CN
China
Prior art keywords
catalyst
layer
cathode
anode
ionic polymer
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.)
Pending
Application number
CN202110098768.7A
Other languages
English (en)
Inventor
丁俊杰
余金礼
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.)
Wuhan Lvzhixing Environmental Protection Technology Co ltd
Original Assignee
Wuhan Lvzhixing Environmental Protection 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 Wuhan Lvzhixing Environmental Protection Technology Co ltd filed Critical Wuhan Lvzhixing Environmental Protection Technology Co ltd
Priority to CN202110098768.7A priority Critical patent/CN112838251A/zh
Publication of CN112838251A publication Critical patent/CN112838251A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8636Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells with a gradient in another property than porosity
    • H01M4/8642Gradient in composition
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8803Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807Gas diffusion layers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8825Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828Coating with slurry or ink
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • H01M4/921Alloys or mixtures with metallic elements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • H01M4/925Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8689Positive electrodes
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

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

Abstract

本发明公开了一种燃料电池膜电极及其制备方法。该膜电极包含核心包括阳极扩散层,阳极催化层,电解质层,阴极催化层,阴极扩散层。其中阳极扩散层由多孔材料组成;催化层由催化剂、离子聚合物和添加剂组成;电解质层为离子聚合物直接成膜形成的隔膜。阴极催化层中催化剂活性物质和离子聚合物含有一种或以上种类的催化剂与离子聚合物,阴极催化层中催化剂活性物质和离子聚合物处于梯次梯度分布状态。此外本发明还公开了一种膜电极制备方法,其催化剂梯度分布于电解质于扩散层之间,电解质层通过直接成膜工艺制备。本发明制备的膜电极无须使用成品离子交换膜,避免了传统膜电极制备工艺中由于膜的物理化学性质特征而导致的诸如溶胀和断裂等工艺缺陷,原料利用率高,节能高效,成本低廉;且所得产品具有良好的质子、电子、水、气传输能力;较大的功率密度和优异的输出性能。

Description

一种燃料电池膜电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域,具体来讲涉及一种燃料电池膜电极及其制备工艺。本发明也适用于其他金属空气电池,或各类膜式电解池。
背景技术
燃料电池是一种清洁能源转换装置,具有能量转换效率高,功率密度大,清洁环保等优点,因而被认为是一种是理想的能源转换装置。燃料电池可以等温地将储存燃料中的化学能转换成电能,从而突破传统热循环的限制,因而能量转换效率理论上可以到达100%。燃料电池采用高比能的小分子的能源物质,如氢气、甲醇等,具有较高的能量密度;同时,燃料电池结构紧凑,具有较高的功率密度;运行过程中,燃料电池几乎没有噪声,且没有氮、硫化物排放,当使用氢气作为燃料时,甚至没有碳排放。燃料电池的核心部件包括催化剂,电解质膜,扩散层和双极板。其中催化剂、电解质膜和扩散层组装成五合一或七合一的膜电极。膜电极是燃料电池高效运行的关键部件,燃料和氧化剂在膜电极上发生氧化还原反应产生电力,同时生成水或二氧化碳并经过膜电极排除到燃料电池外。膜电极的性能和制备技术是燃料电池技术的关键技术之一。
提高膜电极的电化学性能和改善其制备工艺是进一步推动燃料电池商业化应用的必经之路。为提高膜电极性能,研究者采用涂布、转印、喷涂、刀刮、印刷等多种制备工艺得到多种具有有序化、分级化特征的膜电极,以期提高膜电极性能。邵志刚等【质子交换膜燃料电池电极的一种新的制备方法】将催化剂和添加剂等与碳纸结合制备出气体扩散电极,催化剂等活性物质是直接涂布在碳纸等气体扩散层上的,得到了性能较高的膜电极产品,但该工艺前处理步骤繁多,不利于生产。中国专利CN104979567A公开了一种采用丝网印刷和喷涂工艺结合的制备工艺,得到了一种多层次,梯度式网格结构的膜电极成品。该工艺由于存在明显的层间界面,层间接触电阻不一致且实际工况运行时层级脱落的可能性较大。中国专利CN1492530A公开了一种燃料电池膜电极制备工艺,该工艺采用套色印刷工艺制备得到具有浓度梯度分布的多层催化剂结构的膜电极。但该膜电极的性能仅为0.4-0.5W/cm2,远低于当前1.2-1.5W/cm2的平均值。中国专利CN103779582公开了一种转印制备工艺,该工艺将催化剂先涂覆在聚四氟乙烯等转印介质上,随后将催化剂转印到质子交换膜上。
膜电极成品质量与膜电极制备工艺密切相关,当前膜电极制备工艺主要包括扩散层上涂布催化剂工艺,转印介质上涂布催化剂后转印到质子交换膜上工艺,以及在质子交换膜上涂布催化剂三种。这几种工艺存在各自的优点和缺点,前者虽然膜电极稳定性高,但由于催化剂渗透导致贵金属利用率低;转印工艺则存在过程繁琐,质量管控困难;后者膜电极电化学性能高,但由于膜的溶胀等问题造成质量缺陷。综上所述,传统膜电极及其制备工艺依然存在很大的局限性和改进空间。对综合各种工艺的制备技术优缺点,本专利发明了一种新型直接成膜工艺,保持了传统气体扩散层涂布工艺的稳定性的优点,避开了传统膜电极制备工艺中由于膜的物理化学性质造成的工艺问题,且保持了较高的膜电极性能。
发明内容
本发明提供了一种全新的直接成膜工艺及采用该工艺所制备的膜电极。该工艺具有原料利用率高,节能高效,成本低廉;且所得产品具有良好的质子、电子、水、气传输能力;较大的功率密度和优异的输出性能。解决了传统制备工艺中催化剂渗透、质子交换膜变形等问题,避开了质子交换膜的使用,简化了制备工艺。本发明所采用的技术方案如下:
1.一种燃料电池膜电极,包括阳极扩散层,阳极催化层,电解质层,阴极催化层,阴极扩散层。其特征在于阴、阳极所有扩散层厚度,催化层厚度及离子聚合物组成比例均不同;其中阴极催化层含有一种或以上种类的催化剂与离子聚合物,催化剂与离子聚合物处于梯次梯度分布状态。
2.所述的阳极催化层中催化剂为铂碳催化剂;阴极催化层中催化剂包括铂合金催化剂、铂碳催化剂,以及非铂的非贵金属催化剂中的一种或多种。其特征在于,阴极催化剂层较阳极催化层较厚;阴极催化层中催化剂的种类有梯次顺序,各催化剂的含量是梯度分布的;其顺序是通过涂布顺序实现的,含量梯度分布是通过控制催化层厚度或活性物质浓度来控制的;离子聚合物的梯度分布是通过调节离子聚合物用量实现的;阳极催化层厚度为0.5-20um和阴极催化层厚度均为2-20um。
3.所述扩散层为包含基底材料的一体化材料,包括但不限于多孔碳材料、金属泡沫材料;更进一步的所述扩散层材料为含有疏水层的为碳纸、碳布、石墨毡、泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛及其改性材料。作为优选的,所述材料为涂有碳粉和(或)聚四氟乙烯的碳纸、碳布等;且其阴极扩散层较阳极扩散层薄。
4.所述离子聚合物具有离子导通能力的聚合物,包括但不限于全氟磺酸树脂、磺化聚亚酰胺、磺化聚醚醚酮、磷酸化苯并咪唑等。
5.一种燃料电池膜电极的制备方法,其特征在于催化剂与离子聚合物处于梯次梯度分布状态,电解质层是通过直接成膜工艺制备。其具体制备步骤如下:
s1)将非铂催化剂、铂碳催化剂、铂合金催化剂的一种或多种,分别分散于含有离子聚合物和添加剂的低碳醇溶液中,形成不同的墨水。墨水中催化剂质量分数为10%-80%,离子聚合物的质量分数为0.01%-50%。
s2)将所得墨水通过刀刮、喷涂、涂布、打印、滚卷、转印、纺丝等方式,依次涂布在规则的扩散层基底上,得到含有催化层得到阴极前驱体。各层厚度尺寸为0-20um,各种催化剂载量为0-2mg/cm2
s3)将具有离子导体功能的离子聚合物分散液和增强体,涂布到阴极前驱体上,形成电解质层并得到阴极半电极。其中离子聚合物分散液浓度为1%-90%,形成的电解质层厚度为1-100um。
s4)重复按照步骤s1),s2),s3)得到阳极半电极。
s5)根据需要将增强体分散液涂布在阴阳半电极的电解质层的一面,或在阴阳半电极上直接均匀贴合成品多孔增强膜。增强体为惰性骨架有机物。本步骤可以实施,也可以不实施。
s6)将阴极半电极或半阳极电极裁剪成一定的形状并进行组装,得到膜电极前驱体。组装压力为0.5-10个大气压,组装温度为100-500摄氏度。
s7)将步骤6)所得的膜电极前驱体经过热处理,固化处理和压力处理之后得到五合一的目标膜电极。所述热处理温度为100-500摄氏度,时间为0.1-10小时,固化时间为0.1-48小时,处理压力为1-50个大气压。
s8)根据产品需要,在步骤6)实施亦可加入密封片,从而形成七合一膜电极。
优选的,步骤s1所述低碳醇为甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇的一种或任意混合物等,所述添加剂包括二甲基亚砜、乙腈、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、铵盐、钠盐、钾盐的一种或任意组合等。
优选的,步骤s2所述梯次为非铂催化剂、铂催化剂、铂合金催化剂的任意排列,或为低活性物质含量的催化剂、中活性物质含量的催化剂,以及高活性物质含量的催化剂的任意排列。所得催化层中,各类型催化剂所对应的涂布层具有一定的顺序,不同的层厚,含量和梯度分布。作为优选的,其次序从扩散层到电解质层依次为非贵金属催化剂,铂催化剂,铂合金催化剂;或低活性物质比例的催化剂,中活性物质比例的催化剂,高活性物质比例的催化剂。
优选的,步骤s3所述离子聚合物分散液溶液,其离子聚合物种类与步骤s1)所述相同,但其添加剂不同。其中离子聚合物为具有良好质子传导能力的聚合物,包括但不限于全氟磺酸树脂、磺化聚醚醚酮、磺化聚亚酰胺、磷酸化苯并咪唑等中的一种或多种;添加剂为成膜剂和增强剂,包括但不限于聚乙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、石墨烯、碳纳米管的一种或多种。所述添加剂可以与离子聚合物分散液在同一分散液中,也可以单独存在。涂布方式可以是依次涂布,亦可是混合物均匀涂布或直接贴合。
优选的,步骤s6所述电极组装,其特征在于阴极半电极和阳极半电极对齐合并后形成,两个半电极的电解质层聚合成新的电解质层。
优选的,步骤s6)所述电极组装,其特征在于阴阳半电极也可以在高强度的骨架树脂膜材料两侧,从而形成增强的电解质层。所述高强度的骨架树脂膜材料包括但不限于多孔聚四氟乙烯膜,多孔聚聚亚酰胺膜,多孔聚乙烯膜,多孔聚氯乙烯膜,多孔聚四氟乙烯膜等。
优选的,步骤s6,其特征在于其热处理,固化处理和压力处理可以同时进行一次完成,也可以分别完成。
与现有技术相比,本发明提供的一种用于燃料电池的催化剂的制备方法的有益效果在于:
本制备方法工艺简单、操作可控,且条件温和,绿色环保。合成过程中不使用任何溶剂。本方法采用新型直接成膜工艺,保持了传统气体扩散层涂布工艺的稳定性的优点,没有使用成品的质子交换膜,避开了传统膜电极制备工艺中由于膜的物理化学性质造成的工艺问题,如溶胀,裂纹等;同时采用本方法所制备的膜电极,质子、电子、水、气传输能力,实现了较大的功率密度和优异的输出性能。总体来讲,本发明所采用的直接成膜工艺克服了传统膜电极制备工艺的缺点,简化了膜电极制备工艺的步骤,并提高了膜电极电化学性能。
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作简单地介绍,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的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图说明:
图1为依据实施例1所得产品的电化学性能示意图。
其具体实施例如下:
实施例1
称取40mg商业化铂碳催化剂,分散于20mL异丙醇溶液中,加入2mL二甲基亚砜,1mL乙二醇,0.4mL 5%nafion溶液,超声混合均匀并搅拌后形成阳极用墨水。裁取面积为400平方厘米的含有扩散层的碳纸,平铺均匀后。采用超声喷涂仪将墨水以均匀的喷涂在碳纸上。此后另外称取20mL nafion 5%溶液,采用同样的方式喷涂在碳纸上,完全均匀的覆盖催化剂层得到阳极半电极;
分别称取20mg 40%铂合金催化剂和铂碳催化剂,分别分散于10mL异丙醇中,此后加入1mL二甲基亚砜,1mL乙二醇,1mL乙腈和0.2mL nafion溶液,超声混合均匀分别得到合金催化剂墨水和铂碳催化剂墨水;另外称取400mg非铂催化剂,均匀分散于200mL异丙醇中,加入6mL nafion溶液超声混合均匀后得到非铂催化剂墨水。依次将非铂催化剂墨水,铂催化剂墨水和铂合金催化剂墨水均匀喷涂在含有扩散层的碳纸上;此后另外称取20mLnafion 5%溶液,采用同样的方式喷涂在碳纸上,完全均匀的覆盖催化剂层得到阴极半电极;
将阳极半电极和阴极半电极在对齐之后,进行热处理,固化处理和压力处理。将对齐后的半电极在80度2bar压力下固化2小时,此后保持压力不变依次升温至100,120,140度各保持半个小时;然后保持140度在3bar保持10min,10bar保持10min;30bar保持5min,自然降温后即可得到膜电极。
实施例2
称取40mg 40%铂碳催化剂,分散于20mL异丙醇溶液中,加入2mL二甲基亚砜,1mL乙二醇,0.4mL 5%Nafion溶液,超声混合均匀并搅拌后形成阳极用墨水。裁取面积为400平方厘米的含有扩散层的碳纸,平铺均匀后。采用超声喷涂仪将墨水以均匀的喷涂在碳纸上。此后另外称取20mL Nafion 5%溶液,采用同样的方式喷涂在碳纸上,完全均匀的覆盖催化剂层得到阳极半电极;
分别称取10mg 20%铂碳催化剂,10mg 40%铂碳催化剂,20mg60%铂碳催化剂,分别分散于20mL异丙醇中,此后加入1mL二甲基亚砜,1mL乙二醇,1mL乙腈和0.2mL nafion溶液,超声混合均匀分别得到不同铂浓度催化剂墨水;依次将20%铂碳催化剂,40%铂碳催化剂和60%铂碳催化剂墨水,均匀喷涂在含有扩散层的碳纸上;此后另外称取20mL nafion5%溶液,采用同样的方式喷涂在碳纸上,完全均匀的覆盖催化剂层得到阴极半电极;
将阳极半电极和阴极半电极在对齐之后,进行热处理,固化处理和压力处理。将对齐后的半电极在80度2bar压力下固化2小时,此后保持压力不变依次升温至100,120,140度各保持半个小时;然后保持140度在3bar保持10min,10bar保持10min;30bar保持5min,自然降温后即可得到膜电极。
实施例3
称取40mg商业化铂碳催化剂,分散于10mL异丙醇溶液中,加入2mL二甲基亚砜,1mL乙二醇,0.4mL 5%nafion溶液,超声混合均匀并搅拌后形成阳极用墨水。裁取面积为400平方厘米的含有扩散层的碳纸,平铺均匀后。采用狭缝式涂布机均匀的涂在碳纸上。此后另外称取20mL nafion 20%溶液,采用同样的方式喷涂在碳纸上,完全均匀的覆盖催化剂层得到阳极半电极;
分别称取20mg 40%铂合金催化剂和铂碳催化剂,分别分散于5mL异丙醇中,此后加入1mL二甲基亚砜,1mL乙二醇,1mL乙腈和0.2mL nafion溶液,超声混合均匀分别得到合金催化剂墨水和铂碳催化剂墨水;另外称取400mg非铂催化剂,均匀分散于200mL异丙醇中,加入6mL nafion溶液超声混合均匀后得到非铂催化剂墨水。依次将非铂催化剂墨水,铂催化剂墨水和铂合金催化剂墨水均匀采用涂布机依次均匀涂布在含有扩散层的碳纸上;此后另外称取20mL nafion 20%与聚亚酰胺混合溶液,采用同样的方式涂布在碳纸上,完全均匀的覆盖催化剂层得到阴极半电极;
将阳极半电极和阴极半电极在对齐之后,进行热处理,固化处理和压力处理。将对齐后的半电极在80度2bar压力下固化2小时,此后保持压力不变依次升温至100,120,140度各保持半个小时;然后保持140度在3bar保持10min,10bar保持10min;30bar保持5min,自然降温后即可得到膜电极。
实施例4
称取40mg商业化铂碳催化剂,分散于10mL异丙醇溶液中,加入2mL二甲基亚砜,1mL乙二醇,0.4mL 5%nafion溶液,超声混合均匀并搅拌后形成阳极用墨水。裁取面积为400平方厘米的含有扩散层的碳纸,平铺均匀后。采用狭缝式涂布机均匀的涂在碳纸上。此后另外称取20mL nafion 20%溶液,采用同样的方式喷涂在碳纸上,完全均匀的覆盖催化剂层得到阳极半电极;
分别称取20mg 40%铂合金催化剂和铂碳催化剂,分别分散于5mL异丙醇中,此后加入1mL二甲基亚砜,1mL乙二醇,1mL乙腈和0.2mL nafion溶液,超声混合均匀分别得到合金催化剂墨水和铂碳催化剂墨水;另外称取400mg非铂催化剂,均匀分散于200mL异丙醇中,加入6mL nafion溶液超声混合均匀后得到非铂催化剂墨水。依次将非铂催化剂墨水,铂催化剂墨水和铂合金催化剂墨水均匀采用涂布机依次均匀涂布在含有扩散层的碳纸上;此后另外称取20mL nafion 20%与石墨烯混合溶液,采用同样的方式涂布在碳纸上,完全均匀的覆盖催化剂层得到阴极半电极;
将阳极半电极和阴极半电极对齐在多孔PTFE膜两侧,然后进行热处理,固化处理和压力处理。将对齐后的半电极在80度2bar压力下固化2小时,此后保持压力不变依次升温至100,140,350度各保持1小时;此后升温至350度保温10分钟,之后降温至140度在分别在3bar保持10min,10bar保持10min;30bar保持5min,泄压后自然降温后即可得到膜电极。
实施例5
称取40mg商业化铂碳催化剂,分散于10mL异丙醇溶液中,加入2mL二甲基亚砜,1mL乙二醇,0.4mL 5%nafion溶液,超声混合均匀并搅拌后形成阳极用墨水。裁取面积为400平方厘米的含有扩散层的碳纸,平铺均匀后。采用狭缝式涂布机均匀的涂在碳纸上。此后另外称取20mL nafion 20%溶液,采用同样的方式喷涂在碳纸上,完全均匀的覆盖催化剂层得到阳极半电极;
分别称取20mg 40%铂合金催化剂和铂碳催化剂,分别分散于5mL异丙醇中,此后加入1mL甘油,1mL乙二醇,1mL乙腈,20mg草酸铵,和0.2mL nafion溶液,超声混合均匀分别得到合金催化剂墨水和铂碳催化剂墨水;另外称取400mg非铂催化剂,均匀分散于200mL异丙醇中,加入6mL nafion溶液超声混合均匀后得到非铂催化剂墨水。依次将非铂催化剂墨水,铂催化剂墨水和铂合金催化剂墨水均匀采用静电纺丝均匀涂布在含有扩散层的碳纸上;此后另外称取20mL nafion 20%与聚亚酰胺纤维的混合溶液,采用静电纺丝方式涂布在碳纸上,完全均匀的覆盖催化剂层得到阴极半电极;
将阳极半电极和阴极半电极对齐在多孔聚亚酰胺膜两侧,然后进行热处理,固化处理和压力处理。将对齐后的半电极在80度2bar压力下固化2小时,此后保持压力不变依次升温至100,140,200度各保持1小时;此后升温至350度保温10分钟,之后降温至140度在分别在3bar保持10min,10bar保持10min;30bar保持5min,泄压后自然降温后即可得到膜电极。
本实施例是为方便相关人员对本发明的理解而做出的描述,不构成对本发明内容的限制,且基于本实施例或专利内容的任何修改,剽窃或使用均应属于本专利的保护范围内。

Claims (11)

1.一种燃料电池膜电极,包括阳极扩散层,阳极催化层,电解质层,阴极催化层,阴极扩散层。其特征在于阴、阳极所用扩散层厚度,催化层厚度及离子聚合物组成比例均不同;其中阴极催化层中含有一种或多种的催化剂与离子聚合物,催化剂与离子聚合物处于梯次梯度分布状态。
2.根据权力要求1所述的阳极催化层中催化剂为铂碳催化剂;阴极催化层中催化剂包括铂合金催化剂,铂碳催化剂,以及不含有铂的非贵金属催化剂中的一种或多种。其特征在于,阴极催化剂层较阳极催化层较厚;阴极催化层中不同种类的催化剂有梯次顺序,各种催化剂的含量是梯度分布的;其梯次顺序是通过涂布顺序实现的,含量梯度分布是通过控制催化层厚度或催化剂的活性物质浓度来控制的;离子聚合物的梯度分布是通过调节离子聚合物用量实现的;阳极催化层厚度为0.5-20um和阴极催化层厚度均为2-20um。
3.根据权利要求1所述燃料电池膜电极,所述扩散层为包含基底材料的一体化材料,包括但不限于多孔碳材料,金属泡沫材料;更进一步的所述扩散层为碳片电极和金属网电极,包括但不限于碳纸,碳布,石墨毡,泡沫镍,泡沫铜,泡沫钛及其改性材料。作为优选的,所述材料为涂有碳粉和(或)聚四氟乙烯的碳纸、碳布等;且用于阴极的扩散层较阳极扩散层薄。
4.根据权力要求1所述离子聚合物为具有离子导通能力的聚合物,包括但不限于全氟磺酸树脂、磺化聚亚酰胺、磺化聚醚醚酮、磷酸化苯并咪唑等的一种及多种。
5.一种燃料电池膜电极的制备方法,其特征在于催化剂与离子聚合物处于梯次梯度分布状态;电解质层采用直接成膜工艺制备。其具体制备步骤如下:
1)将非铂催化剂、铂碳催化剂、铂合金催化剂的一种或多种,分别分散于含有离子聚合物和添加剂的低碳醇溶液中,形成不同的墨水。墨水中催化剂质量分数为10%-80%,离子聚合物的质量分数为0.01%-50%。
2)将所得墨水通过刀刮、喷涂、涂布、打印、滚卷、转印、纺丝等方式,依次涂布在规则的扩散层基底上,得到含有催化层得到阴极前驱体。各层厚度尺寸为0-20um,各种催化剂载量为0-2mg/cm2。当含量为0时,代表该物种不存在。
3)将具有离子导体功能的离子聚合物分散液和增强体,通过刀刮、喷涂、涂布、打印、滚卷、转印、纺丝等方式,涂布到阴极前驱体上形成电解质层并得到阴极半电极。其中离子聚合物分散液浓度为1%-90%,形成的电解质层厚度为1-100um。
4)重复按照步骤1),2),3)得到阳极半电极。
5)将增强体分散液,涂布在阴阳半电极的电解质层的一面;或在阴阳半电极上直接均匀贴合成品多孔增强膜。增强体为惰性骨架有机物,包括但不限于各类树脂分散液及其构成的膜。根据所选离子聚合物不同,本步骤可以实施,也可以不实施。
6)将阴极半电极或半阳极电极裁剪成一定的形状并进行组装,得到膜电极前驱体。组装压力为0.5-10个大气压,组装温度为100-500摄氏度。
7)将步骤6)所得的膜电极前驱体经过热处理,固化处理和压力处理之后得到五合一的目标膜电极。所述热处理温度为100-500摄氏度,时间为0.1-10小时,固化时间为0.1-48小时,处理压力为1-50个大气压。
8)根据产品需要,在步骤6)实施亦可加入密封片,从而形成七合一膜电极。
6.根据权利要求5所述低碳醇为甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇的一种或任意混合物等,所述添加剂包括二甲基亚砜、乙腈、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、铵盐、钠盐、钾盐的一种或任意组合等。
7.根据权利要5步骤2)所述梯次为非铂催化剂、铂催化剂、铂合金催化剂的任意排列,或为低活性物质含量的催化剂,中活性物质含量的催化剂,以及高活性物质含量的催化剂的任意排列。所得催化层中,各类型催化剂所对应的涂布层具有一定的顺序,不同的层厚,含量和梯度分布。作为优选的,其次序从扩散层到电解质层依次为非贵金属催化剂,铂催化剂,铂合金催化剂;或低活性物质比例的催化剂,中活性物质比例的催化剂,高活性物质比例的催化剂。
8.根据权利要求5步骤)3所述离子聚合物分散液溶液,其离子聚合物种类与步骤1)所述相同,但其添加剂可以不同。其中离子聚合物为具有良好质子传导能力的聚合物,包括但不限于全氟磺酸树脂、磺化聚醚醚酮、磺化聚亚酰胺、磷酸化苯并咪唑等中的一种或多种;添加剂为成膜剂和增强剂,包括但不限于聚乙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、石墨烯、碳纳米管、硼烯等的一种或多种。所述添加剂可以与离子聚合物分散液在同一分散液中,也可以单独存在。涂布方式可以是依次涂布,亦可是混合物均匀涂布或直接贴合。
9.根据权利要求5步骤6)所述电极组装,其特征在于阴极半电极和阳极半电极对齐合并后形成,两个半电极的电解质层聚合成新的电解质层。
10.根据权利要求5步骤6)所述电极组装,其特征在于阴阳半电极也可以在电解质层添加高强度的骨架树脂分散液及其膜材料,从而形成增强的电解质层。所述高强度的骨架树脂膜材料包括但不限于聚四氟乙烯及其组成的多孔膜材料,聚亚酰胺及其组成的多孔膜材料,聚乙烯及其组成的多孔膜材料,聚氯乙烯及其组成的多孔膜材料,聚醚醚酮及其组成的多孔膜材料,聚偏氟乙烯及其组成的多孔膜材料等。
11.根据权利要求5所述步骤6,其特征在于其热处理,固化处理和压力处理可以同时进行一次完成,也可以分别完成。
CN202110098768.7A 2021-01-25 2021-01-25 一种燃料电池膜电极及其制备方法 Pending CN112838251A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110098768.7A CN112838251A (zh) 2021-01-25 2021-01-25 一种燃料电池膜电极及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110098768.7A CN112838251A (zh) 2021-01-25 2021-01-25 一种燃料电池膜电极及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112838251A true CN112838251A (zh) 2021-05-25

Family

ID=75931431

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110098768.7A Pending CN112838251A (zh) 2021-01-25 2021-01-25 一种燃料电池膜电极及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112838251A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113871761A (zh) * 2021-09-23 2021-12-31 嘉兴南湖学院 一种适用于气溶胶打印的空气阴极催化层墨水及其制备方法
CN114420944A (zh) * 2022-01-19 2022-04-29 一汽解放汽车有限公司 一种燃料电池膜电极及其制备方法与燃料电池
CN114566653A (zh) * 2021-09-08 2022-05-31 中自环保科技股份有限公司 一种非均匀催化剂层、膜电极及其制备方法
WO2022156382A1 (zh) * 2021-01-20 2022-07-28 江苏华思飞新能源科技有限公司 无质子交换膜的燃料电池用电极组件及其制备方法、燃料电池
CN117511080A (zh) * 2023-11-25 2024-02-06 天津市亿信丰科技有限公司 一种高强度耐磨石墨烯超高分子量托辊材料及其制备工艺

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060086642A (ko) * 2005-01-27 2006-08-01 한국과학기술연구원 연료전지용 다층 전극 및 그 제조 방법
CN103165915A (zh) * 2011-12-16 2013-06-19 中国科学院大连化学物理研究所 一种有效降低燃料电池Pt担量的催化层结构
CN103367762A (zh) * 2012-03-30 2013-10-23 通用汽车环球科技运作有限责任公司 具有整合的增强层的电极组件
CN104051747A (zh) * 2013-03-15 2014-09-17 通用汽车环球科技运作有限责任公司 增强的电极组件
CN105514452A (zh) * 2014-10-10 2016-04-20 丰田自动车株式会社 膜电极组件和燃料电池组
CN109921033A (zh) * 2017-12-13 2019-06-21 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池膜电极的制备方法
CN111162299A (zh) * 2019-12-31 2020-05-15 上海交通大学 低温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法
CN112103543A (zh) * 2020-10-16 2020-12-18 大连理工大学 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

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060086642A (ko) * 2005-01-27 2006-08-01 한국과학기술연구원 연료전지용 다층 전극 및 그 제조 방법
CN103165915A (zh) * 2011-12-16 2013-06-19 中国科学院大连化学物理研究所 一种有效降低燃料电池Pt担量的催化层结构
CN103367762A (zh) * 2012-03-30 2013-10-23 通用汽车环球科技运作有限责任公司 具有整合的增强层的电极组件
CN104051747A (zh) * 2013-03-15 2014-09-17 通用汽车环球科技运作有限责任公司 增强的电极组件
CN105514452A (zh) * 2014-10-10 2016-04-20 丰田自动车株式会社 膜电极组件和燃料电池组
CN109921033A (zh) * 2017-12-13 2019-06-21 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池膜电极的制备方法
CN111162299A (zh) * 2019-12-31 2020-05-15 上海交通大学 低温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法
CN112103543A (zh) * 2020-10-16 2020-12-18 大连理工大学 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

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022156382A1 (zh) * 2021-01-20 2022-07-28 江苏华思飞新能源科技有限公司 无质子交换膜的燃料电池用电极组件及其制备方法、燃料电池
CN114566653A (zh) * 2021-09-08 2022-05-31 中自环保科技股份有限公司 一种非均匀催化剂层、膜电极及其制备方法
CN114566653B (zh) * 2021-09-08 2023-01-31 中自环保科技股份有限公司 一种非均匀催化剂层、膜电极及其制备方法
CN113871761A (zh) * 2021-09-23 2021-12-31 嘉兴南湖学院 一种适用于气溶胶打印的空气阴极催化层墨水及其制备方法
CN113871761B (zh) * 2021-09-23 2023-04-28 嘉兴南湖学院 一种适用于气溶胶打印的空气阴极催化层墨水及其制备方法
CN114420944A (zh) * 2022-01-19 2022-04-29 一汽解放汽车有限公司 一种燃料电池膜电极及其制备方法与燃料电池
CN114420944B (zh) * 2022-01-19 2024-02-23 一汽解放汽车有限公司 一种燃料电池膜电极及其制备方法与燃料电池
CN117511080A (zh) * 2023-11-25 2024-02-06 天津市亿信丰科技有限公司 一种高强度耐磨石墨烯超高分子量托辊材料及其制备工艺

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112838251A (zh) 一种燃料电池膜电极及其制备方法
US6344291B1 (en) Solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode, electrode for fuel cell, and process for producing these electrodes
US5869416A (en) Electrode ink for membrane electrode assembly
EP1944819B1 (en) Method for producing membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell
JP3211997B2 (ja) 固体ポリマー燃料電池用電極の製造方法
CN100444437C (zh) 金属催化剂及采用包含该催化剂的电极的燃料电池
US6416898B1 (en) Fuel cell comprising an inorganic glass layer
WO1995020691A1 (en) High performance electrolytic cell electrode structures and a process for preparing such electrode structures
JPH0536418A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池およびその製造方法
JP7181404B2 (ja) 触媒、その製造方法、それを含む電極、それを含む膜-電極アセンブリー、及びそれを含む燃料電池
CN101250713A (zh) 一种固体电解质膜电极的制备方法
CN111370717A (zh) 一种阴极催化剂浆料、阴极催化剂层、膜电极及燃料电池
CN110400953B (zh) 一种固体电解质水电解膜电极及其制备方法
CN111584880B (zh) 一种低铂质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法
CN100377396C (zh) 燃料电池的电极及其制备方法以及包含它的膜电极组件和燃料电池系统
CN108511777A (zh) 具有三维高比表面积表面的质子交换膜的构建方法及其基于这种质子交换膜的高性能膜电极
CN1251344C (zh) 用于固态聚合物燃料电池的阴极层结构和装有该结构的燃料电池
CN114420955A (zh) 一种改善质子交换膜燃料电池阴极催化层水管理的膜电极制备方法及用途
JP2007501496A (ja) 界面抵抗を減少させたハイブリッド膜・電極接合体及びその作製方法
JP2000299119A (ja) 触媒層の製造方法
JP2006253042A (ja) 固体高分子形燃料電池用触媒の製造方法
US20050271930A1 (en) Polymer electrolyte fuel cell and manufacturing method thereof
JPH06275282A (ja) 燃料電池
CN115928140A (zh) 一种阳极催化层
JPH1116586A (ja) 高分子電解質膜−ガス拡散電極体の製造方法

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
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210525

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication