CN112952165A - 一种直接甲醇燃料电池膜电极及制备和应用 - Google Patents
一种直接甲醇燃料电池膜电极及制备和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112952165A CN112952165A CN201911259335.4A CN201911259335A CN112952165A CN 112952165 A CN112952165 A CN 112952165A CN 201911259335 A CN201911259335 A CN 201911259335A CN 112952165 A CN112952165 A CN 112952165A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- membrane electrode
- gas diffusion
- diffusion layer
- catalyst
- cathode
- 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
Links
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 75
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 title claims abstract description 9
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims description 16
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 86
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 68
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 67
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 34
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 8
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 8
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 58
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 33
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 26
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 23
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 21
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 20
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 19
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 18
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 18
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 17
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 17
- 239000011532 electronic conductor Substances 0.000 claims description 14
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 14
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 claims description 13
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 claims description 12
- 229910002849 PtRu Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 12
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 12
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 12
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 8
- 239000004693 Polybenzimidazole Substances 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- SEQUALWBCFCDGP-UHFFFAOYSA-N [C].[N].[Fe] Chemical compound [C].[N].[Fe] SEQUALWBCFCDGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 8
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 claims description 8
- 229920002480 polybenzimidazole Polymers 0.000 claims description 8
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N Dimethyl ether Chemical compound COC LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WBVDQFAPFUMTFF-UHFFFAOYSA-N [C].[N].[Co] Chemical compound [C].[N].[Co] WBVDQFAPFUMTFF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- JHTRURWEMOZZPY-UHFFFAOYSA-N [C].[N].[Ni] Chemical compound [C].[N].[Ni] JHTRURWEMOZZPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 4
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims description 4
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 7
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 abstract description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 16
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M Bisulfite Chemical compound OS([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 9
- 229920000831 ionic polymer Polymers 0.000 description 9
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 8
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 4
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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]
-
- 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
- H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
- H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
-
- 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
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
本发明将制备一种直接甲醇燃料电池膜电极,这种膜电极具有较传统膜电极气体扩散层厚度大幅降低的阳极气体扩散层结构,扩散层厚度约为传统扩散层的1/2至1/50,以及非贵金属催化剂担载的阴极结构,此结构的电极阳极气体扩散层材料由碳纤维、碳纳米管以及粘结剂等构成,阴极催化剂由过渡金属及/或氮掺杂的碳材料等非贵金属催化剂及粘结剂构成,可作为直接液体燃料电池膜电极。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法,具体地说这种膜电极具有较传统膜电极气体扩散层厚度大幅降低的阳极结构,以及非贵金属催化剂担载的阴极结构,其可用于直接甲醇等直接液体燃料电池等电极中。
本发明还涉及上述膜电极的制备方法。
背景技术
直接甲醇燃料电池作为一种直接将液体甲醇的化学能转化为电能的能量转换装置,由于其具有较高的能量密度与能量转换效率,被认为是未来极具潜力的新型移动电源技术,在民用与国防领域,都具有广阔的应用前景。但与此同时,直接甲醇燃料电池阴阳极通常需要使用较高载量的贵金属基催化剂,导致直接甲醇燃料电池成本急剧上升,严重制约了其实际应用。近年来,基于氮掺杂碳以及金属掺杂碳的非贵金属催化剂,在燃料电池阴极氧还原电催化过程中取得了重要进展,酸性条件下氧还原性能接近商品铂基电催化剂,同时在氢氧燃料电池中实现较好的应用结果。但是在直接甲醇燃料电池中,由于阳极采用液体甲醇水溶液进料,其燃料渗透特性显著改变了阴极的物质传输过程,其电极结构优化策略与传统贵金属基燃料电池截然不同。目前来说,采用非贵金属基阴极催化剂的直接甲醇燃料电池仍难以满足性能与寿命的应用需求。因此,亟待开发新型的电极设计与制备策略,在保证电池性能与寿命的前提下,降低直接甲醇燃料电池的成本。
发明内容
本发明将制备一种直接甲醇燃料电池膜电极,这种膜电极具有较传统膜电极气体扩散层厚度大幅降低的阳极气体扩散层结构,扩散层厚度约为传统扩散层的1/2至1/50,以及非贵金属催化剂担载的阴极结构,此结构的电极阳极气体扩散层材料由碳纤维、碳纳米管以及粘结剂等构成,阴极催化剂由过渡金属及/或氮掺杂的碳材料等非贵金属催化剂及粘结剂构成,可作为直接液体燃料电池膜电极。
为实现上述目的,本发明采用以下具体方案来实现:
一种直接甲醇燃料电池膜电极,包括依次层叠的阳极气体扩散层、阳极催化层、电解质膜、阴极催化层、阴极气体扩散层:
所述阳极气体扩散层具有超薄结构,其厚度为5至100微米,孔隙率为20至90%;
所述阳极气体扩散层的构成组分为电子导体材料和粘结剂,其中电子导体材料包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯、半导体纤维中的一种或两种以上,粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟磺酸聚合物、聚苯并咪唑中的一种或两种以上。
阳极气体扩散层材料中电子导体材料与粘结剂质量比为19:1至3:2,优选范围为9:1至3:1;阳极气体扩散层厚度优选为5至100微米,孔隙率优选为50-80%。
所述半导体纤维包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铟锡中的一种或两种以上。
所述阴极催化层构成组分为非贵金属催化剂和离子导体聚合物;
所述阴极非贵金属催化剂包括氮掺杂碳、铁氮碳、镍氮碳、钴氮碳、金属氧化物中的一种或两种以上;所述离子导体聚合物包括全氟磺酸聚合物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯并咪唑中的一种或两种以上。
所述非贵金属催化剂与离子导体聚合物的质量比为9:1至1:2。
所述膜电极的制备方法,包括阳极的制备、阴极的制备和膜电极的压合:
所述阳极的制备过程包括以下步骤,
1)将电子导体以及粘结剂,按照电子导体材料与粘结剂质量比例19:1至3:2混合均匀,并加入溶剂分散均匀,浆液中电子导体与粘结剂质量固含量为1-20%;所述电子导体包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯、半导体纤维中的一种或两种以上,所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟磺酸聚合物、聚苯并咪唑中的一种或两种以上;
2)将上述浆液超声分散均匀后,采用剪力搅拌器于20-80℃条件下对其进行分散;分散均匀后采用过滤法或者涂布的方式制得多孔膜材料;
3)将上述多孔膜材料在空气条件下进行热处理,即得所制备超薄阳极气体扩散层;以所得到的阳极气体扩散层为基底采用刷涂或涂布的方法制备阳极催化层。所述热处理过程为340-380℃处理20-60min。
步骤1)所述溶剂为水、乙醇、丙酮、异丙醇、乙二醇、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的一种或两种以上;所述半导体纤维包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铟锡中的一种或两种以上。
步骤2)所述采用剪力搅拌器搅拌时,搅拌转头线速度为10-50m/s,搅拌时间2-30min。
步骤2)所述过滤法,其过程为,将孔径为5-50nm的滤膜铺展至漏斗底部,将所制备的浆液进行真空抽滤,按照滤膜面积使得其中固体面密度为50-2000μg/cm2,充分干燥后揭下备用;所述涂布法,其过程为,按照固含量50-2000μg/cm2将上述浆液涂布至基膜上,干燥后揭下备用。
步骤3)所述阳极,其催化剂为PtRu/C和/或PtRu黑催化剂,阳极催化层中贵金属PtRu的载量为1-5mg/cm2;所述膜电极压合过程中采用的电解质膜为Nafion115、Nafion212、Nafion 211、Nafion HP、Gore Select膜中的一种。
所述阴极的制备过程为:将非贵金属催化剂与离子导体聚合物按照9:1至1:2的质量比例于溶剂中混合分散均匀,涂布于阴极气体扩散层表面制得阴极催化层;所述溶剂为水和乙醇的混合溶剂,二者的体积比例为1:1-3,所述阴极催化层中非贵金属催化剂载量为2-6mg/cm2。
所述非贵金属催化剂包括氮掺杂碳、铁氮碳、镍氮碳、钴氮碳、金属氧化物中的一种或两种以上;所述离子导体聚合物包括全氟磺酸聚合物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯并咪唑中的一种或两种以上。
所述膜电极的在直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池或直接二甲醚燃料电池等直接液体燃料电池中的应用。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1.阳极传质过程强化:采用本发明所制备的膜电极,由于阳极采用了相较传统膜电极较薄的扩散层,液体燃料传质得到了大幅强化;
2.电池内阻降低:采用本发明所制备的膜电极,由于采用了相较传统膜电极较薄的气体扩散层与电解质膜,电池内阻降低;
3.燃料利用率高:采用本发明所制备的膜电极,由于采用了非贵金属材料的阴极催化剂,其对甲醇等燃料分子具有吸附惰性,消除了燃料渗透所导致的催化剂毒化,提高了燃料利用率;
4.电极成本大幅降低:采用本发明所制备的膜电极,由于采用了非贵金属材料的阴极催化剂,电极成本大幅降低。
附图说明
图1本发明所述膜电极与传统膜电极结构示意图。
图2采用本发明所述方法制备的气体扩散层与传统气体扩散层扫描电镜照片(实施例1-3,对比例1)。可以看出此本发明所制备阳极扩散层厚度分别为12、46、79微米,传统电极气体扩散层约为240微米。
图3采用本发明所述方法制备的膜电极阳极极化测试结果(实施例1-3,对比例1)。由图可以看出,采用本发明方法制备的所制备的膜电极极限电流明显提高,传质性能明显提升。
图4采用本发明所述方法制备的膜电极甲醇渗透测试结果(实施例1-3,对比例1)。由图可以看出,采用本发明方法制备的所制备的膜电极甲醇渗透极限电流较传统结构膜电极低约两个数量级,燃料渗透影响可忽略不计。
图5采用本发明所述方法制备的膜电极直接甲醇燃料电池单池测试结果(实施例1-3,对比例1)。由图可以看出,采用本发明方法制备的所制备的膜电极单池性能明显提升。
图6采用本发明所述方法制备的膜电极(实施例1)与采用传统结构阳极与非贵金属催化层阴极的膜电极(对比例2)以及采用超薄阳极扩散层与商品Pt/C催化剂阴极的膜电极(对比例3)直接甲醇燃料电池单池测试结果。由图可知,不论是仅进行了阳极改进或仅进行了阴极改进,都难以达到本发明膜电极的性能测试水准,本发明在采用阴极和阳极改进的同时,采用较薄的电解质膜完善新型电极结构,并进一步改善了电池反应过程中的传质行为,大幅提高了电池的性能。
具体实施方式
以下通过实例对本发明作详细描述,但本发明不仅限于以下实施例。
实施例1:
a.气体扩散电极的制备
将一定质量碳纳米管,以及一定质量的聚四氟乙烯,按照质量比例4:1混合均匀,并加入一定质量的水分散均匀,浆液固含量为10%。
将上述浆液超声分散均匀后,采用剪力搅拌设备进行下一步分散,搅拌转头线速度为30m/s,温度50℃,搅拌时间10min。分散均匀后采用过滤方式制备所述超薄气体扩散层。将孔径为20nm的滤膜铺展至漏斗底部,将所制备的浆液进行真空抽滤,按照滤膜面积使得其中固体面密度为100μg/cm2,充分干燥后揭下备用,其平均厚度约为12μm,所测得孔隙率约为78%。
将一定质量的PtRu黑催化剂,与占催化剂质量15%的全服磺酸聚离子混合分散均匀后,涂布于上述气体扩散层上,贵金属载量为4mg/cm2。
将一定质量的铁氮碳催化剂,与离子导体聚合物聚合物按照3:1的质量比例混合分散均匀,溶剂为水和乙醇的混合溶剂(体积比例为1:1),涂布于商品气体扩散层表面,载量为4mg/cm2。
b.膜电极压合与测试
将上述步骤a制备的气体扩散电极与电解质膜进行组装压合,所采用的电解质膜为Nafion 212,组装压力为2000磅,温度为120℃,压合时间为2min。压合后组装为单体电池进行燃料电池相关测试。
对比例1:
a.气体扩散电极的制备
将一定质量的60%Pt/C催化剂,与占催化剂质量20%的全服磺酸聚离子混合分散均匀后,涂布于商品气体扩散层表面,贵金属载量为2mg/cm2,作为阴极气体扩散电极。
将一定质量的PtRu黑催化剂,与占催化剂质量15%的全服磺酸聚离子混合分散均匀后,涂布于商品气体扩散层表面,贵金属载量为4mg/cm2,作为阳极气体扩散电极。
b.膜电极压合与测试
将上述步骤a制备的气体扩散电极与电解质膜进行组装压合,所采用的电解质膜为Nafion 212,组装压力为2000磅,温度为120℃,压合时间为2min。压合后组装为单体电池进行燃料电池相关测试。
对比例2:
a.气体扩散电极的制备
将一定质量的铁氮碳催化剂,与占催化剂质量20%的全服磺酸聚离子混合分散均匀后,涂布于商品气体扩散层表面,催化剂载量为4mg/cm2,作为阴极气体扩散电极。
将一定质量的PtRu黑催化剂,与占催化剂质量15%的全服磺酸聚离子混合分散均匀后,涂布于商品气体扩散层表面,贵金属载量为4mg/cm2,作为阳极气体扩散电极。
b.膜电极压合与测试
将上述步骤a制备的气体扩散电极与电解质膜进行组装压合,所采用的电解质膜为Nafion 212,组装压力为2000磅,温度为120℃,压合时间为2min。压合后组装为单体电池进行燃料电池相关测试。
对比例3:
a.气体扩散电极的制备
将一定质量碳纳米管,以及一定质量的聚四氟乙烯,按照质量比例4:1混合均匀,并加入一定质量的水分散均匀,浆液固含量为10%。
将上述浆液超声分散均匀后,采用剪力搅拌设备进行下一步分散,搅拌转头线速度为30m/s,温度50℃,搅拌时间10min。分散均匀后采用过滤方式制备所述超薄气体扩散层。将孔径为20nm的滤膜铺展至漏斗底部,将所制备的浆液进行真空抽滤,按照滤膜面积使得其中固体面密度为100μg/cm2,充分干燥后揭下备用,其平均厚度约为12μm,所测得孔隙率约为76%。
将一定质量的PtRu黑催化剂,与占催化剂质量15%的全服磺酸聚离子混合分散均匀后,涂布于上述气体扩散层上,贵金属载量为4mg/cm2。
将一定质量的60%Pt/C催化剂,与占催化剂质量20%的全服磺酸聚离子混合分散均匀后,涂布于商品气体扩散层表面,贵金属载量为2mg/cm2,作为阴极气体扩散电极。
b.膜电极压合与测试
将上述步骤a制备的气体扩散电极与电解质膜进行组装压合,所采用的电解质膜为Nafion 212,组装压力为2000磅,温度为120℃,压合时间为2min。压合后组装为单体电池进行燃料电池相关测试。
实施例2:
a.气体扩散电极的制备
将一定质量的碳纤维与碳纳米管(质量比为1:1),以及一定质量的聚四氟乙烯,按照质量比例4:1混合均匀,并加入一定质量的水分散均匀,浆液固含量为10%。
将上述浆液超声分散均匀后,采用剪力搅拌设备进行下一步分散,搅拌转头线速度为30m/s,温度50℃,搅拌时间10min。分散均匀后采用过滤方式制备所述超薄气体扩散层。将孔径为20nm的滤膜铺展至漏斗底部,将所制备的浆液进行真空抽滤,按照滤膜面积使得其中固体面密度为400μg/cm2,充分干燥后揭下备用,其平均厚度约为46μm,所测得孔隙率约为75%。
将一定质量的PtRu黑催化剂,与占催化剂质量15%的全服磺酸聚离子混合分散均匀后,涂布于上述气体扩散层上,贵金属载量为4mg/cm2。
将一定质量的铁氮碳催化剂,与离子导体聚合物聚合物按照3:1的质量比例混合分散均匀,溶剂为水和乙醇的混合溶剂(体积比例为1:1),涂布于商品气体扩散层表面,载量为4mg/cm2。
b.膜电极压合与测试
将上述步骤a制备的气体扩散电极与电解质膜进行组装压合,所采用的电解质膜为Nafion 212,组装压力为2000磅,温度为120℃,压合时间为2min。压合后组装为单体电池进行燃料电池相关测试。
实施例3:
a.气体扩散电极的制备
将一定质量的碳纤维与碳纳米管(质量比为3:1),以及一定质量的聚四氟乙烯,按照质量比例4:1混合均匀,并加入一定质量的水分散均匀,浆液固含量为10%。
将上述浆液超声分散均匀后,采用剪力搅拌设备进行下一步分散,搅拌转头线速度为30m/s,温度50℃,搅拌时间10min。分散均匀后采用过滤方式制备所述超薄气体扩散层。将孔径为20nm的滤膜铺展至漏斗底部,将所制备的浆液进行真空抽滤,按照滤膜面积使得其中固体面密度为1000μg/cm2,充分干燥后揭下备用,其平均厚度约为79μm,所测得孔隙率约为80%。
将一定质量的PtRu黑催化剂,与占催化剂质量15%的全服磺酸聚离子混合分散均匀后,涂布于上述气体扩散层上,贵金属载量为4mg/cm2。
将一定质量的铁氮碳催化剂,与离子导体聚合物聚合物按照3:1的质量比例混合分散均匀,溶剂为水和乙醇的混合溶剂(体积比例为1:1),涂布于商品气体扩散层表面,载量为4mg/cm2。
b.膜电极压合与测试
将上述步骤a制备的气体扩散电极与电解质膜进行组装压合,所采用的电解质膜为Nafion 212,组装压力为2000磅,温度为120℃,压合时间为2min。压合后组装为单体电池进行燃料电池相关测试。
Claims (14)
1.一种直接甲醇燃料电池膜电极,包括依次层叠的阳极气体扩散层、阳极催化层、电解质膜、阴极催化层、阴极气体扩散层,其特征在于:
所述阳极气体扩散层具有超薄结构,其厚度为5至100微米,孔隙率为20至90%;
所述阳极气体扩散层的构成组分为电子导体材料和粘结剂,其中电子导体材料包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯、半导体纤维中的一种或两种以上,粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟磺酸聚合物、聚苯并咪唑中的一种或两种以上。
2.按照权利要求1所述膜电极,其特征在于:
阳极气体扩散层材料中电子导体材料与粘结剂质量比为19:1至3:2,优选范围为9:1至3:1;阳极气体扩散层厚度优选为5至100微米,孔隙率优选为50-80%。
3.按照权利要求1所述膜电极,其特征在于:所述半导体纤维包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铟锡中的一种或两种以上。
4.按照权利要求1-3任一所述膜电极,其特征在于:
阴极催化层构成组分为非贵金属催化剂和离子导体聚合物;
所述阴极非贵金属催化剂包括氮掺杂碳、铁氮碳、镍氮碳、钴氮碳、金属氧化物中的一种或两种以上;所述离子导体聚合物包括全氟磺酸聚合物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯并咪唑中的一种或两种以上。
5.按照权利要求4所述膜电极,其特征在于:
所述非贵金属催化剂与离子导体聚合物的质量比为9:1至1:2。
6.一种权利要求1-5任一所述膜电极的制备方法,包括阳极的制备、阴极的制备和膜电极的压合,其特征在于:
所述阳极的制备过程包括以下步骤,
1)将电子导体以及粘结剂,按照电子导体材料与粘结剂质量比例19:1至3:2混合均匀,并加入溶剂分散均匀,浆液中电子导体与粘结剂质量固含量为1-20%;所述电子导体包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯、半导体纤维中的一种或两种以上,所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟磺酸聚合物、聚苯并咪唑中的一种或两种以上;
2)将上述浆液超声分散均匀后,采用剪力搅拌器于20-80℃条件下对其进行分散;分散均匀后采用过滤法或者涂布的方式制得多孔膜材料;
3)将上述多孔膜材料在空气条件下进行热处理,即得所制备超薄阳极气体扩散层;以所得到的阳极气体扩散层为基底采用刷涂或涂布的方法制备阳极催化层。
7.按照权利要求4或5所述膜电极的制备方法,其特征在于:
所述阴极的制备过程为:将非贵金属催化剂与离子导体聚合物按照9:1至1:2的质量比例于溶剂中混合分散均匀,涂布于阴极气体扩散层表面制得阴极催化层;
所述非贵金属催化剂包括氮掺杂碳、铁氮碳、镍氮碳、钴氮碳、金属氧化物中的一种或两种以上;所述离子导体聚合物包括全氟磺酸聚合物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯并咪唑中的一种或两种以上。
8.按照权利要求6所述膜电极的制备方法,其特征在于:
步骤1)所述溶剂为水、乙醇、丙酮、异丙醇、乙二醇、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的一种或两种以上;所述半导体纤维包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铟锡中的一种或两种以上。
9.按照权利要求6所述膜电极的制备方法,其特征在于:
步骤2)所述采用剪力搅拌器搅拌时,搅拌转头线速度为10-50m/s,搅拌时间2-30min。
10.按照权利要求6所述膜电极的制备方法,其特征在于:
步骤2)所述过滤法,其过程为,将孔径为5-50nm的滤膜铺展至漏斗底部,将所制备的浆液进行真空抽滤,按照滤膜面积使得其中固体面密度为50-2000μg/cm2,充分干燥后揭下备用;
所述涂布法,其过程为,按照固含量50-2000μg/cm2将上述浆液涂布至基膜上,干燥后揭下备用。
11.按照权利要求6所述膜电极的制备方法,其特征在于:
所述热处理过程为340-380℃处理20-60min。
12.按照权利要求6所述膜电极的制备方法,其特征在于:
步骤3)所述阳极,其催化剂为PtRu/C和/或PtRu黑催化剂,阳极催化层中贵金属PtRu的载量为1-5mg/cm2;所述膜电极压合过程中采用的电解质膜为Nafion115、Nafion 212、Nafion 211、Nafion HP、Gore Select膜中的一种。
13.按照权利要求7所述膜电极的制备方法,其特征在于:
所述溶剂为水和乙醇的混合溶剂,二者的体积比例为1:1-3,所述阴极催化层中非贵金属催化剂载量为2-6mg/cm2。
14.一种权利要求1-5任一所述膜电极的在直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池或直接二甲醚燃料电池等直接液体燃料电池中的应用。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201911259335.4A CN112952165A (zh) | 2019-12-10 | 2019-12-10 | 一种直接甲醇燃料电池膜电极及制备和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201911259335.4A CN112952165A (zh) | 2019-12-10 | 2019-12-10 | 一种直接甲醇燃料电池膜电极及制备和应用 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112952165A true CN112952165A (zh) | 2021-06-11 |
Family
ID=76225643
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201911259335.4A Pending CN112952165A (zh) | 2019-12-10 | 2019-12-10 | 一种直接甲醇燃料电池膜电极及制备和应用 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN112952165A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114752945A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-07-15 | 中南大学 | 一种电极组件及其制备方法和应用 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101771155A (zh) * | 2008-12-29 | 2010-07-07 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法 |
CN102227838A (zh) * | 2008-11-28 | 2011-10-26 | 日产自动车株式会社 | 固体高分子型燃料电池 |
JP2013175368A (ja) * | 2012-02-24 | 2013-09-05 | Nissan Motor Co Ltd | アノードガス拡散層 |
CN104577138A (zh) * | 2014-12-12 | 2015-04-29 | 浙江工业大学 | 直接甲醇燃料电池膜电极结构及其制备方法 |
CN109390596A (zh) * | 2018-09-26 | 2019-02-26 | 北京化工大学 | 一种铁-氮-碳催化剂的制备方法和应用 |
-
2019
- 2019-12-10 CN CN201911259335.4A patent/CN112952165A/zh active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102227838A (zh) * | 2008-11-28 | 2011-10-26 | 日产自动车株式会社 | 固体高分子型燃料电池 |
CN101771155A (zh) * | 2008-12-29 | 2010-07-07 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法 |
JP2013175368A (ja) * | 2012-02-24 | 2013-09-05 | Nissan Motor Co Ltd | アノードガス拡散層 |
CN104577138A (zh) * | 2014-12-12 | 2015-04-29 | 浙江工业大学 | 直接甲醇燃料电池膜电极结构及其制备方法 |
CN109390596A (zh) * | 2018-09-26 | 2019-02-26 | 北京化工大学 | 一种铁-氮-碳催化剂的制备方法和应用 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114752945A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-07-15 | 中南大学 | 一种电极组件及其制备方法和应用 |
CN114752945B (zh) * | 2022-03-16 | 2024-03-19 | 中南大学 | 一种电极组件及其制备方法和应用 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3872784B2 (ja) | 燃料電池単位体、その製造方法及び前記燃料電池単位体を採用した燃料電池 | |
CN105228741B (zh) | 催化剂以及使用该催化剂的电极催化剂层、膜电极接合体及燃料电池 | |
CN111900420A (zh) | 一种阳极催化剂浆料、阳极催化剂层、膜电极及燃料电池 | |
JP2007250274A (ja) | 貴金属利用効率を向上させた燃料電池用電極触媒、その製造方法、及びこれを備えた固体高分子型燃料電池 | |
CN111146482A (zh) | 一种自增湿质子交换膜及其制备方法和应用 | |
WO2012053638A1 (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極触媒 | |
JP2006080083A (ja) | 燃料電池用電極,膜−電極アセンブリ,及び燃料電池システム | |
EP3520892A1 (en) | Carrier, electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell comprising same | |
CN1741309A (zh) | 燃料电池的电极和包括它的燃料电池 | |
JP6295993B2 (ja) | 燃料電池用電極の製造方法 | |
TWI728612B (zh) | 觸媒、製造觸媒的方法、包含觸媒的電極、包括電極的膜電極組合物以及包括膜電極組合物的燃料電池 | |
US11217796B2 (en) | Electrode catalyst for fuel cell and method of production of same | |
JP2006253042A (ja) | 固体高分子形燃料電池用触媒の製造方法 | |
CN112952165A (zh) | 一种直接甲醇燃料电池膜电极及制备和应用 | |
KR102108646B1 (ko) | 직접메탄올 연료전지용 삼중 촉매층 구조 백금계 복합촉매전극 및 그 제조방법 | |
CN114737211B (zh) | 一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用 | |
KR101561101B1 (ko) | 고분자촉매슬러리조성물, 다공성 전극, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 그 제조방법 | |
WO2019177060A1 (ja) | 燃料電池用電極触媒及びそれを用いた燃料電池 | |
KR20080047765A (ko) | 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템 | |
CN113937303B (zh) | 一种催化层电极组合物及包含其的催化层电极、膜电极 | |
JP2008501221A (ja) | 新たな膜電極接合体 | |
WO2017154475A1 (ja) | 触媒組成物、高分子電解質膜電極接合体の製造方法、および高分子電解質膜電極接合体 | |
US12009525B2 (en) | Coaxial nanowire electrode | |
JP5017981B2 (ja) | 燃料電池用触媒電極形成用ワニスおよびその製造方法ならびにそれを用いた触媒電極の製造方法 | |
JP2012212661A (ja) | 燃料電池用の電極触媒層、当該電極触媒層の製造方法、燃料電池用の膜電極接合体、およ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 | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210611 |