CN113937328A - 一种降低催化层金属离子污染的膜电极 - Google Patents

一种降低催化层金属离子污染的膜电极 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池领域，涉及一种膜电极，具体涉及一种降低催化层金属离子污染的膜电极，由含金属例子吸附层的阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、含金属离子吸附层的阴极扩散层组成，所述阳极扩散层和阴极扩散层中的金属离子吸附层位于气体扩散层的基底层与微孔层之间，用于及时吸附膜电极运行过程中水汽中由于金属部件腐蚀形成的铜、铁等金属离子，防止金属离子转移到催化层和质子膜中，导致质子阻抗的增加。本发明解决了金属离子对催化层和质子交换膜的影响，同时利用金属离子作为缺陷型吸附剂的源头形成二次吸附，降低金属离子对催化层和质子膜的污染，从而提升膜电极的耐久性。

Description

一种降低催化层金属离子污染的膜电极
技术领域
本发明属于燃料电池领域，涉及一种膜电极，具体涉及一种降低催化层金属离子污染的膜电极。
背景技术
燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高，环境友好等特点，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。膜电极是电化学反应发生的场所，在此燃料中的化学能直接转化为电能。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极的性能直接决定了电池的使用寿命。膜电极通常由阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极气体扩散层多层结构堆叠而成。
在实际使用过程中，金属双极板等位置的铜铁元素随着使用时间的延长，产生一定的腐蚀，并且经过水、气进入至扩散层、催化层和质子交换层，造成催化层和质子交换层的污染，从而导致阻抗上升，性能降低。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种降低催化层金属离子污染的膜电极，解决了金属离子对催化层和质子交换膜的影响，利用硫化锌裸露结构吸附铜离子与铁离子，形成类置换体系，同时基于硫化锌内的锌离子在内层二氧化钛活性牵引下与氧离子结合，形成缺陷型氧化锌，从而达到吸附金属离子的效果。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种降低催化层金属离子污染的膜电极，由含金属例子吸附层的阳极扩散层、质子交换膜、阴极催化层、含金属离子吸附层的阴极扩散层组成，所述阳极扩散层和阴极扩散层中的金属离子吸附层位于气体扩散层的基底层与微孔层之间。
所述金属离子吸附层内含有硫化锌包裹二氧化钛颗粒，进一步的，所述颗粒表面的硫化锌呈介孔型，且二氧化钛与硫化锌形成交叉式渗透结构。
进一步的，所述金属离子吸附层由异丙醇、硫化锌包裹二氧化钛颗粒、乙基纤维素、PTFE乳液混合制备而成。
所述阳极扩散层和阴极扩散层均采用PTFE网络结构。
进一步的，所述含金属离子吸附层的阳极扩散层和含金属离子吸附层的阴极扩散层的制备方法，包括如下步骤：a1，将碳材料和PTFE乳液分散至异丙醇水溶液中超声振荡1-3h，得到扩散层浆料；PTFE乳液中PTFE质量浓度为15-20％，所述碳材料的加入量是PTFE质量5-10％，且碳材料在异丙醇水溶液的浓度为2-6g/L，异丙醇水溶液中的异丙醇与水的体积比为2:1，超声振荡的超声频率为40-70kHz，温度为5-10℃；a2，将乙基纤维素加入至异丙醇中搅均匀，然后依次加入硫化锌包裹二氧化钛颗粒和PTFE乳液及搅拌形成吸附层浆料；所述乙基纤维素在异丙醇中的浓度为5-10g/L，硫化锌包裹二氧化钛颗粒的加入量是乙基纤维素质量的20-50％，所述PTFE乳液中PTFE质量浓度为15-20％，且所述乙基纤维素的质量是PTFE乳液的10-15％；a3，将吸收层浆料涂覆在碳纸上恒温烘干，得到第一镀膜层，所述吸收层浆料在碳纸上涂覆量是0.2-0.5mg/cm2，恒温烘干的温度为90-100℃；a4，将扩散层浆料喷雾低温喷雾在第一镀膜层表面，恒温静置30-60min，压制烘干后升温处理得到含金属离子吸收层的扩散层，所述扩散层浆料的喷雾量为3-8mg/cm2，低温静置的温度5-10℃，喷雾量为0.3-0.9mg/min，所述恒温静置的温度为10-20℃，压制烘干的温度为100-120℃，压制压力为0.2-0.3MPa，所述升温处理的温度为330-380℃。
所述质子交换膜为全氟磺酸树脂膜。
所述阴极催化层中含有全氟磺酸树脂。
所述阳极催化层中含有全氟磺酸树脂。
所述膜电极是将含有金属离子吸附层的阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、含有金属离子吸附层的阴极催化层、阴极扩散层依次摆放，热压而成，且所述热压的温度为140-180℃，压力为80-100kg/cm2。
阳极扩散层和金属离子吸附层、阴极扩散层和金属离子吸附层均在热压前形成复合。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明解决了金属离子对催化层和质子交换膜的影响，利用硫化锌裸露结构吸附铜离子与铁离子，形成类置换体系，同时基于硫化锌内的锌离子在内层二氧化钛活性牵引下与氧离子结合，形成缺陷型氧化锌，从而达到吸附金属离子的效果。
2.本发明利用介孔型结构的硫化锌表面将金属离子锚化固定，同时缺陷性结构的表面结构配合氧化锌与二氧化钛的传导性，能够快速形成吸附网络结构，将大量的金属离子吸附，且不会对气体产生吸附，达到净化气体的效果。进一步的，此处的硫化锌吸附金属离子属于原位体系反应，并在内部牵引的作用下不宜形成。
3.本发明的金属离子吸附层以PTFE为原材料，与扩散层基底材料相同，能够形成固定体系，在整个体系可作为扩散层内部的延伸，且利用PTFE的稳定性杜绝了吸附层对催化层的影响。
具体实施方式
结合实施例细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
一种降低催化层金属离子污染的膜电极，由含金属例子吸附层的阳极扩散层、质子交换膜、阴极催化层、含金属离子吸附层的阴极扩散层组成，所述阳极扩散层和阴极扩散层中的金属离子吸附层位于气体扩散层的基底层与微孔层之间。
所述阳极扩散层和阴极扩散层均采用PTFE网络结构。
所述质子交换膜为全氟磺酸树脂膜。
所述阴极催化层含有一定比例的全氟磺酸树脂。
所述阳极催化层含有一定比例的全氟磺酸树脂。
所述金属离子吸附层内含有硫化锌包裹二氧化钛颗粒，进一步的，所述颗粒表面的硫化锌呈介孔型，且二氧化钛与硫化锌形成交叉式渗透结构；所述金属离子吸附层由异丙醇、硫化锌包裹二氧化钛颗粒、乙基纤维素、PTFE乳液混合制备而成。
所述膜电极是将含有金属离子吸附层的阳极扩散层、金属离子吸附层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、含有金属离子吸附层的阴极扩散层依次摆放，热压而成，且所述热压的温度为140℃，压力为80kg/cm2。
阳极扩散层和金属离子吸附层、阴极扩散层和金属离子吸附层均在热压前形成复合；所述含金属离子吸附层的阳极扩散层和含金属离子吸附层的阴极扩散层的制备方法，包括如下步骤：a1，将碳材料和PTFE乳液分散至10mL异丙醇水溶液中超声振荡1h，得到扩散层浆料；PTFE乳液中PTFE质量浓度为15％，所述碳材料的加入量是PTFE质量5％，且碳材料在异丙醇水溶液的浓度为2g/L，异丙醇水溶液中的异丙醇与水的体积比为2:1，超声振荡的超声频率为40kHz，温度为5℃；a2，将乙基纤维素加入至5mL异丙醇中搅均匀，然后依次加入硫化锌包裹二氧化钛颗粒和PTFE乳液及搅拌形成吸附层浆料；所述乙基纤维素在异丙醇中的浓度为5g/L，硫化锌包裹二氧化钛颗粒的加入量是乙基纤维素质量的20％，所述PTFE乳液中PTFE质量浓度为15％，且所述乙基纤维素的质量是PTFE乳液的10％；a3，将吸收层浆料涂覆在碳纸上恒温烘干，得到第一镀膜层，所述吸收层浆料在碳纸上涂覆量是0.2mg/cm2，恒温烘干的温度为90℃；a4，将扩散层浆料喷雾低温喷雾在第一镀膜层表面，恒温静置30min，压制烘干后升温处理得到含金属离子吸收层的扩散层，所述扩散层浆料的喷雾量为3mg/cm2，低温静置的温度5℃，喷雾量为0.3mg/min，所述恒温静置的温度为10℃，压制烘干的温度为100℃，压制压力为0.2MPa，所述升温处理的温度为330℃。
对上述膜电极进行极化特性曲线和循环性能曲线测试；极化特性曲线：在燃料电池模式工作时，电流密度600mA/cm2条件下，工作电压0.776V，氢氧进气表压0.2MPa；氢氧增湿温度80℃，电池温度为65-70℃
实施例2
一种降低催化层金属离子污染的膜电极，由含有金属离子吸附层的阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、含有金属离子吸附层的阴极扩散层组成，所述阳极扩散层和阴极扩散层中的金属离子吸附层位于气体扩散层的基底层与微孔层之间。
所述阳极扩散层和阴极扩散层均采用PTFE网络结构。
所述质子交换膜为全氟磺酸树脂膜。
所述阴极催化层含有一定比例的全氟磺酸树脂。
所述阳极催化层含有一定比例的全氟磺酸树脂。
所述金属离子吸附层内含有硫化锌包裹二氧化钛颗粒，进一步的，所述颗粒表面的硫化锌呈介孔型，且二氧化钛与硫化锌形成交叉式渗透结构；所述金属离子吸附层由异丙醇、硫化锌包裹二氧化钛颗粒、乙基纤维素、PTFE乳液混合制备而成。
所述膜电极是将含有金属离子吸附层的阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、含有金属离子吸附层的阴极扩散层依次摆放，热压而成，且所述热压的温度为180℃，压力为100kg/cm2。
阳极扩散层和金属离子吸附层、阴极扩散层和金属离子吸附层均在热压前形成复合；所述含金属离子吸附层的阳极扩散层和含金属离子吸附层的阴极扩散层的制备方法，包括如下步骤：a1，将碳材料和PTFE乳液分散至20mL异丙醇水溶液中超声振荡3h，得到扩散层浆料；PTFE乳液中PTFE质量浓度为20％，所述碳材料的加入量是PTFE质量10％，且碳材料在异丙醇水溶液的浓度为6g/L，异丙醇水溶液中的异丙醇与水的体积比为2:1，超声振荡的超声频率为70kHz，温度为10℃；a2，将乙基纤维素加入至5mL异丙醇中搅均匀，然后依次加入硫化锌包裹二氧化钛颗粒和PTFE乳液及搅拌形成吸附层浆料；所述乙基纤维素在异丙醇中的浓度为10g/L，硫化锌包裹二氧化钛颗粒的加入量是乙基纤维素质量的50％，所述PTFE乳液中PTFE质量浓度为20％，且所述乙基纤维素的质量是PTFE乳液的15％；a3，将吸收层浆料涂覆在碳纸上恒温烘干，得到第一镀膜层，所述吸收层浆料在碳纸上涂覆量是0.5mg/cm2，恒温烘干的温度为100℃；a4，将扩散层浆料喷雾低温喷雾在第一镀膜层表面，恒温静置60min，压制烘干后升温处理得到含金属离子吸收层的扩散层，所述扩散层浆料的喷雾量为8mg/cm2，低温静置的温度10℃，喷雾量为0.9mg/min，所述恒温静置的温度为20℃，压制烘干的温度为120℃，压制压力为0.3MPa，所述升温处理的温度为330-380℃。
上述膜电极的极化特性曲线测试；极化特性曲线：在燃料电池模式工作时，电流密度600mA/cm2条件下，工作电压0.784V，氢氧进气表压0.2MPa；氢氧增湿温度80℃，电池温度为65-70℃。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.本发明解决了金属离子对催化层和质子交换膜的影响，利用硫化锌裸露结构吸附铜离子与铁离子，形成类置换体系，同时基于硫化锌内的锌离子在内层二氧化钛活性牵引下与氧离子结合，形成缺陷型氧化锌，从而达到吸附金属离子的效果。
2.本发明利用介孔型结构的硫化锌表面将金属离子锚化固定，同时缺陷性结构的表面结构配合氧化锌与二氧化钛的传导性，能够快速形成吸附网络结构，将大量的金属离子吸附，且不会对气体产生吸附，达到净化气体的效果。进一步的，此处的硫化锌吸附金属离子属于原位体系反应，并在内部牵引的作用下不宜形成。
3.本发明的金属离子吸附层以PTFE为原材料，与扩散层基底材料相同，能够形成固定体系，在整个体系可作为扩散层内部的延伸，且利用PTFE的稳定性杜绝了吸附层对催化层的影响。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种降低催化层金属离子污染的膜电极，其特征在于：由含金属例子吸附层的阳极扩散层、质子交换膜、阴极催化层、含金属离子吸附层的阴极扩散层组成，所述阳极扩散层和阴极扩散层中的金属离子吸附层位于气体扩散层的基底层与微孔层之间。
2.根据权利要求1所述的降低催化层金属离子污染的膜电极，其特征在于：所述金属离子吸附层内含有硫化锌包裹二氧化钛颗粒。
3.根据权利要求2所述的降低催化层金属离子污染的膜电极，其特征在于：所述颗粒表面的硫化锌呈介孔型，且二氧化钛与硫化锌形成交叉式渗透结构。
4.根据权利要求2所述的降低催化层金属离子污染的膜电极，其特征在于：所述金属离子吸附层由异丙醇、硫化锌包裹二氧化钛颗粒、乙基纤维素、PTFE乳液混合制备而成。
5.根据权利要求4所述的降低催化层金属离子污染的膜电极，其特征在于：所述阳极扩散层和阴极扩散层均采用PTFE网络结构。
6.根据权利要求1所述的降低催化层金属离子污染的膜电极，其特征在于：所述质子交换膜为全氟磺酸树脂膜。
7.根据权利要求1所述的降低催化层金属离子污染的膜电极，其特征在于：所述阴极催化层中含有一定比例的全氟磺酸树脂。
8.根据权利要求1所述的降低催化层金属离子污染的膜电极，其特征在于：所述阳极催化层中含有一定比例的全氟磺酸树脂。
9.根据权利要求1所述的降低催化层金属离子污染的膜电极，其特征在于：所述膜电极是将含金属离子吸附层的阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、含金属离子吸附层的阴极扩散层依次叠放，热压而成，且所述热压的温度为140-180℃，压力为80-100kg/cm2。
10.根据权利要求1所述的降低催化层金属离子污染的膜电极，其特征在于：所述阳极扩散层和金属离子吸附层在热压前形成复合，所述阴极扩散层和金属离子吸附层在热压前形成复合。
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