CN114171750A - 一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂及其制备方法 - Google Patents
一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114171750A CN114171750A CN202111336316.4A CN202111336316A CN114171750A CN 114171750 A CN114171750 A CN 114171750A CN 202111336316 A CN202111336316 A CN 202111336316A CN 114171750 A CN114171750 A CN 114171750A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- catalyst
- anode catalyst
- membrane electrode
- reversion
- anode
- 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
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 213
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 title claims abstract description 13
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 20
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 97
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 69
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 claims abstract description 35
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims abstract description 23
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 15
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 26
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims description 24
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 22
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 20
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 13
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 13
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 13
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims description 11
- 239000005457 ice water Substances 0.000 claims description 11
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 11
- 229910000033 sodium borohydride Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000012279 sodium borohydride Substances 0.000 claims description 11
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 11
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 4
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 3
- KLFRPGNCEJNEKU-FDGPNNRMSA-L (z)-4-oxopent-2-en-2-olate;platinum(2+) Chemical compound [Pt+2].C\C([O-])=C\C(C)=O.C\C([O-])=C\C(C)=O KLFRPGNCEJNEKU-FDGPNNRMSA-L 0.000 claims description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 2
- 230000009973 reversion resistant effect Effects 0.000 abstract description 21
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- SLIOYUPLNYLSSR-UHFFFAOYSA-J tetrachloroplatinum;hydrate;dihydrochloride Chemical compound O.Cl.Cl.Cl[Pt](Cl)(Cl)Cl SLIOYUPLNYLSSR-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- VRIVJOXICYMTAG-IYEMJOQQSA-L iron(ii) gluconate Chemical compound [Fe+2].OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C([O-])=O.OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C([O-])=O VRIVJOXICYMTAG-IYEMJOQQSA-L 0.000 description 4
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 235000003642 hunger Nutrition 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000037351 starvation Effects 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- HWLDNSXPUQTBOD-UHFFFAOYSA-N platinum-iridium alloy Chemical compound [Ir].[Pt] HWLDNSXPUQTBOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material 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
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
- H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- 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
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
- H01M4/8828—Coating with slurry or ink
-
- 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
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
- H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
-
- 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
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
- H01M4/8896—Pressing, rolling, calendering
-
- 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
- H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
-
- 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
- H01M4/9041—Metals or alloys
-
- 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)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂及其制备方法。该阳极催化剂包括Pt/碳催化剂、离聚物和抗逆转催化剂，其制备方法直接将耐逆转催化剂添加到铂/碳催化剂中，通过调整催化剂中各组分的比例控制催化剂层的厚度，制备得到抗逆转、高耐久性的燃料电池膜电极。所述的耐逆转催化剂为铱或钌单质、铱或钌的氧化物、铱或钌的单质或氧化物的复合催化剂。催化剂层的厚度为1‑8μm。本发明的一些膜电极的厚度实例，可以获得超高的抗逆转耐久性，且制备方法简单，可满足不同的设计需求，并减少耐逆转催化剂的使用量。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂及其制备方法。
背景技术
燃料电池又称电化学发电器，它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，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、噪音小，有害气体排放少等优势。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池中的一种，它直接将氢能转化为电能，是目前商用电动汽车中最有前途的能源系统。它的膜电极组件(MEA，Membrane ElectrodeAssembly)是氢气和氧气发生电化学反应的场所。MEA的性能直接影响整个燃料电池的性能。车辆PEMFC的工作条件非常复杂，需要在启停、怠速、高功率和负载变化之间频繁切换，严重影响了燃料电池核心部件MEA的耐久性和稳定性，导致燃料电池寿命大幅度下降。尤其是阳极的氢饥饿引发的电势逆转对电池的伤害远大于阴极氧饥饿损伤，阳极的抗逆转性能直接影响电池的寿命。传统的燃料电池MEA，阳极催化层(Anode catalyst layer)由贵金属(如Pt等)/碳催化剂和离聚物组成，厚度为4～8μm。MEA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综合考虑。
CN104868130A专利公开了一种在燃料电池质子交换膜与阴极催化剂层或阳极催化剂层之间形成铂铱黑层，增强催化剂层和质子交换膜之间的紧密结合，以提高MEA的使用寿命，但是该方法操作复杂，且有大量废液。CN111697237A专利公开了一种燃料电池抗逆转膜电极，将抗逆转催化剂制备成悬浊液后和贵金属催化剂混合使用，解决了催化剂分散和沉降的问题，但是抗逆转催化剂制备需要长时间高温烧结和电化学处理。CN103270631A专利公开了改进型的PEMFC的MEA，在阴极或阳极催化剂层加入多种电催化剂以解决严苛操作条件的性能问题，但没有明确抗极化时间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂，包括贵金属/碳催化剂、离聚物和抗逆转催化剂；所述贵金属/碳催化剂以多孔碳材料为载体，贵金属粒子负载在多孔碳材料的内部或表面；所述抗逆转催化剂为铱单质、钌单质、含铱金属氧化物或含钌金属氧化物；所述贵金属在阳极催化剂中的负载量为0.05～0.1mg/cm2。
发明人通过研究发现，通过调整贵金属/碳催化剂中贵金属的负载量可以控制阳极催化剂层的厚度。因为多孔碳材料载体密度低，贵金属的负载量在一定范围内变化，能快速实现膜厚度的调控。较小的阳极催化剂层厚度，减小了传质阻力，同时增加了抗逆转催化剂和贵金属/碳催化剂之间的接触，减弱了逆转情况下对碳的腐蚀，从而抗逆转耐久性大幅度提高。
进一步地，所述抗逆转催化剂在阳极催化剂中的负载量为0.03～0.06mg/cm2。
发明人通过研究发现，当抗逆转催化剂的负载量为0.03～0.06mg/cm2范围内时，可以使所制得的膜电极的抗逆转耐久性可以大幅度提高。
进一步地，所述贵金属粒子为铂，所述铂与铱的摩尔比为6～2:1，或所述铂与钌的摩尔比为6～2:1。
进一步地，所述贵金属/碳催化剂的粒径为20～300nm，所述贵金属粒子的粒径为2～5nm，所述抗逆转催化剂的粒径不大于500nm。
进一步地，所述离聚物与多孔碳材料的质量比为0.6～1.2。
进一步地，所述多孔碳材料为介孔碳、石墨或碳纳米管。
本发明还提供一种阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取多孔碳材料、铂前驱体，通过乙二醇还原法或硼氢化钠还原法，得到负载Pt纳米粒子的多孔碳材料，经过水洗、干燥，得到贵金属/碳催化剂；
(2)将贵金属/碳催化剂与抗逆转催化剂按比例混合，再加入水、异丙醇、离聚物，在冰水浴中超声分散均匀，得到所述阳极催化剂。
本发明提出的制备方法中，抗逆转催化剂为常规方法制备的铱或钌单质、铱或钌的氧化物，直接加入到阳极催化剂墨水中即可使用，使用前无需特殊处理，也无需再增加额外的涂布操作，适用于大面积MEA的生产。
进一步地，所述铂前驱体为氯铂酸、亚氯铂酸钾、乙酰丙酮铂中的一种。优选氯铂酸。
本发明还提供一种膜电极，将上述阳极催化剂涂布在质子交换膜的一面，另一面涂布阴极催化剂，待干燥后，质子交换膜两侧放置边框和气体交换层，热压制得所述膜电极。
本发明提供的膜电极通过在阳极催化剂层中加入抗逆转催化剂，克服了传统膜电极抗逆转耐久时间较短的缺点。
进一步地，所述阳极催化剂涂布的厚度为1～8μm。
本发明通过阳极催化层中加入抗逆转催化剂，并严格控制阳极催化层厚度，使膜电极获得了超长的耐久时间，通过调整耐久时间的要求，可以相应减少抗逆转催化剂的用量，降低成本。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提出的制备方法制得的膜电极克服了传统膜电极抗逆转耐久时间较短的缺点，通过阳极催化层中加入抗逆转催化剂，并严格控制阳极厚度，使膜电极获得了超长的耐久时间，通过调整耐久时间的要求，可相应减少抗逆转催化剂的用量，降低成本。抗逆转催化剂为常规方法制备的铱或钌单质、铱或钌的氧化物、铱或钌的单质或氧化物的复合催化剂，直接加入到阳极催化剂墨水中即可使用，无需增加额外的涂布操作，适用于大面积MEA的生产。
附图说明
图1为实施例1～3所制得的膜电极模拟燃料电池的抗逆转测试数据图；
图2为实施例1～3所制得的膜电极的BOL和EOL性能图；
图3为实施例2和对比例1所制得的膜电极的抗逆转测试持续时间图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂，包括Pt/碳催化剂、离聚物和抗逆转催化剂氧化铱。
该阳极催化剂的制备方法包括以下步骤：
(1)称取1g介孔碳材料和0.6631g氯铂酸水合物，通过乙二醇还原法或者硼氢化钠还原法，还原得到2-3nm Pt纳米粒子，均匀分布在介孔碳载体上，经过水洗和干燥后，得到Pt负载量约20wt％的Pt/C催化剂。
(2)Pt/C催化剂、IrOx耐逆转催化剂按照质量比6:1混合，再依次加入纯水、异丙醇、离聚物，Pt/C催化剂与离聚物的重量比为3:2，混合物在冰水浴中超声分散得到均匀的阳极催化剂墨水。
制备膜电极：将阳极催化剂墨水喷涂在质子交换膜上。控制Pt负载量为0.1mg/cm2，耐逆转催化剂金属负载量为0.06mg/cm2，阳极催化剂层厚度为7μm。质子交换膜的另一面涂布阴极催化剂，两侧放置边框和气体交换层(GDL)，热压制备成标准的膜电极组件。
实施例2
本实施例提供一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂，包括Pt/碳催化剂、离聚物和抗逆转催化剂氧化铱。
该阳极催化剂的制备方法包括以下步骤：
(1)称取1g介孔碳材料和1.7683g氯铂酸水合物，通过乙二醇还原法或者硼氢化钠还原法，还原得到2-3nm Pt纳米粒子，均匀分布在介孔碳载体上，经过水洗和干燥后，得到Pt负载量约40wt％的Pt/C催化剂。
(2)Pt/C催化剂、IrOx耐逆转催化剂按照质量比3:1混合，再依次加入纯水、异丙醇、离聚物，Pt/C催化剂与离聚物的重量比为2:1，混合物在冰水浴中超声分散得到均匀的阳极催化剂墨水。
制备膜电极：将阳极催化剂墨水喷涂在质子交换膜上。控制Pt负载量为0.1mg/cm2，耐逆转催化剂金属负载量为0.06mg/cm2，阳极催化剂层厚度为4μm。质子交换膜的另一面涂布阴极催化剂，两侧放置边框和气体交换层(GDL)，热压制备成标准的膜电极组件。
实施例3
本实施例提供一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂，包括Pt/碳催化剂、离聚物和抗逆转催化剂氧化铱。
该阳极催化剂制备方法包括以下步骤：
(1)称取1g介孔碳材料和3.9788g氯铂酸水合物，通过乙二醇还原法或者硼氢化钠还原法，还原得到2-5nm Pt纳米粒子，均匀分布在介孔碳载体上，经过水洗和干燥后，得到Pt负载量约60wt％的Pt/C催化剂。
(2)Pt/C催化剂、IrOx耐逆转催化剂按照质量比2:1混合，再依次加入纯水、异丙醇、离聚物，Pt/C催化剂与离聚物的重量比为3:1，混合物在冰水浴中超声分散得到均匀的阳极催化剂墨水。
制备膜电极：将阳极催化剂墨水喷涂在质子交换膜上。控制Pt负载量为0.1mg/cm2，耐逆转催化剂金属负载量为0.06mg/cm2，阳极催化剂层厚度为2μm。质子交换膜的另一面涂布阴极催化剂，两侧放置边框和气体交换层(GDL)，热压制备成标准的膜电极组件。
实施例4
本实施例提供一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂，包括Pt/碳催化剂、离聚物和抗逆转催化剂铱单质。
该阳极催化剂制备方法包括以下步骤：
(1)称取1g介孔碳材料和3.9788g氯铂酸水合物，通过乙二醇还原法或者硼氢化钠还原法，还原得到2-5nm Pt纳米粒子，均匀分布在介孔碳载体上，经过水洗和干燥后，得到Pt负载量约60wt％的Pt/C催化剂。
(2)Pt/C催化剂、铱单质耐逆转催化剂按照质量比2.8:1混合，再依次加入纯水、异丙醇、离聚物，Pt/C催化剂与离聚物的重量比为3:1，混合物在冰水浴中超声分散得到均匀的阳极催化剂墨水。
制备膜电极：将阳极催化剂墨水喷涂在质子交换膜上。控制Pt负载量为0.1mg/cm2，耐逆转催化剂金属负载量为0.06mg/cm2，阳极催化剂层厚度为2μm。质子交换膜的另一面涂布阴极催化剂，两侧放置边框和气体交换层(GDL)，热压制备成标准的膜电极组件。
实施例5
本实施例提供一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂，包括Pt/碳催化剂、离聚物和抗逆转催化剂氧化钌。
该阳极催化剂制备方法包括以下步骤：
(1)称取1g介孔碳材料和3.9788g氯铂酸水合物，通过乙二醇还原法或者硼氢化钠还原法，还原得到2-5nm Pt纳米粒子，均匀分布在介孔碳载体上，经过水洗和干燥后，得到Pt负载量约60wt％的Pt/C催化剂。
(2)Pt/C催化剂、RuO2耐逆转催化剂按照质量比2.2:1混合，再依次加入纯水、异丙醇、离聚物，Pt/C催化剂与离聚物的重量比为3:1，混合物在冰水浴中超声分散得到均匀的阳极催化剂墨水。
制备膜电极：将阳极催化剂墨水喷涂在质子交换膜上。控制Pt负载量为0.1mg/cm2，耐逆转催化剂金属负载量为0.06mg/cm2，阳极催化剂层厚度为2μm。质子交换膜的另一面涂布阴极催化剂，两侧放置边框和气体交换层(GDL)，热压制备成标准的膜电极组件。
实施例6
本实施例提供一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂，包括Pt/碳催化剂、离聚物和抗逆转催化剂钌单质。
该阳极催化剂制备方法包括以下步骤：
(1)称取1g介孔碳材料和3.9788g氯铂酸水合物，通过乙二醇还原法或者硼氢化钠还原法，还原得到2-5nm Pt纳米粒子，均匀分布在介孔碳载体上，经过水洗和干燥后，得到Pt负载量约60wt％的Pt/C催化剂。
(2)Pt/C催化剂、钌单质耐逆转催化剂按照质量比2.8:1混合，再依次加入纯水、异丙醇、离聚物，Pt/C催化剂与离聚物的重量比为3:1，混合物在冰水浴中超声分散得到均匀的阳极催化剂墨水。
制备膜电极：将阳极催化剂墨水喷涂在质子交换膜上。控制Pt负载量为0.1mg/cm2，耐逆转催化剂金属负载量为0.06mg/cm2，阳极催化剂层厚度为2μm。质子交换膜的另一面涂布阴极催化剂，两侧放置边框和气体交换层(GDL)，热压制备成标准的膜电极组件。
对比例1
本对比例提供一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂，包括Pt/碳催化剂、离聚物。
该阳极催化剂制备方法包括以下步骤：
(1)称取1g介孔碳材料和1.7683g氯铂酸水合物，通过乙二醇还原法或者硼氢化钠还原法，还原得到2-5nm Pt纳米粒子，均匀分布在介孔碳载体上，经过水洗和干燥后，得到Pt负载量约40wt％的Pt/C催化剂。
(2)将Pt/C催化剂中依次加入纯水、异丙醇、离聚物，Pt/C催化剂与离聚物的重量比为2:1，混合物在冰水浴中超声分散得到均匀的阳极催化剂墨水。
制备膜电极：将阳极催化剂墨水喷涂在质子交换膜上。控制Pt负载量为0.1mg/cm2，阳极催化剂层厚度为4μm。质子交换膜的另一面涂布阴极催化剂，两侧放置边框和气体交换层(GDL)，热压制备成标准的膜电极组件。
对比例2
本对比例提供一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂，包括Pt/碳催化剂、离聚物和抗逆转催化剂氧化铱。
该阳极催化剂制备方法包括以下步骤：
(1)称取1g介孔碳材料和3.9788g氯铂酸水合物，通过乙二醇还原法或者硼氢化钠还原法，还原得到2-5nm Pt纳米粒子，均匀分布在介孔碳载体上，经过水洗和干燥后，得到Pt负载量约60wt％的Pt/C催化剂。
(2)Pt/C催化剂、IrOx耐逆转催化剂按照质量比3:1混合，再依次加入纯水、异丙醇、离聚物，Pt/C催化剂与离聚物的重量比为3:1，混合物在冰水浴中超声分散得到均匀的阳极催化剂墨水。
制备膜电极：将阳极催化剂墨水喷涂在质子交换膜上。控制Pt负载量为0.15mg/cm2，耐逆转催化剂金属负载量为0.06mg/cm2，阳极催化剂层厚度为6μm。质子交换膜的另一面涂布阴极催化剂，两侧放置边框和气体交换层(GDL)，热压制备成标准的膜电极组件。
对比例3
本对比例提供一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂，包括Pt/碳催化剂、离聚物和抗逆转催化剂氧化铱。
该阳极催化剂制备方法包括以下步骤：
(1)称取1g介孔碳材料和3.9788g氯铂酸水合物，通过乙二醇还原法或者硼氢化钠还原法，还原得到2-5nm Pt纳米粒子，均匀分布在介孔碳载体上，经过水洗和干燥后，得到Pt负载量约60wt％的Pt/C催化剂。
(2)Pt/C催化剂、IrOx耐逆转催化剂按照质量比2:1混合，再依次加入纯水、异丙醇、离聚物，Pt/C催化剂与离聚物的重量比为3:1，混合物在冰水浴中超声分散得到均匀的阳极催化剂墨水。
制备膜电极：将阳极催化剂墨水喷涂在质子交换膜上。控制Pt负载量为0.01mg/cm2，耐逆转催化剂金属负载量为0.006mg/cm2，阳极催化剂层厚度为0.2μm。质子交换膜的另一面涂布阴极催化剂，两侧放置边框和气体交换层(GDL)，热压制备成标准的膜电极组件。
抗逆转性能测试
将实施例1～3及对比例1所制得膜电极组件在燃料电池测试工作站进行测试。在测试之前，将MEA在100％RH，136kPa和75℃的空气/氢气条件下活化。以H2固定流速为1slpm，空气以1.8slpm的固定流速获得H2/空气极化曲线，以评估其初始性能(BOL)。为了模拟燃料电池的抗逆情况，进行恒电流耐逆转实验：在阳极上通入1slpm的N2和在阴极上通入1.8slpm的空气，同时施加0.2A/cm2的恒定电流，一旦电压降至0V以下，就对每个逆转实验开始计时，并且当电压达到-2.0V时终止逆转测试。在实验终止后，以H2固定流速为1slpm，空气以1.8slpm的固定流速获得H2/空气极化曲线，以评估其耐逆转实验后的性能(EOL)。
图1是实施例1、2、3的耐逆转实验测定的耐逆转时间：显示阳极添加抗逆转催化剂后，设计不同的阳极催化剂层厚度，逆转时间的差异。阳极催化剂层的厚度越小，耐逆转的时间越长，当厚度为2μm时，逆转时间达到425min。
图2是实施例1、2、3的耐逆转实验测定的BOL和EOL：显示阳极添加抗逆转催化剂后，设计不同的阳极催化剂层厚度，BOL和EOL性能变化。阳极催化剂层的厚度小，BOL性能佳。
图3是实施例2、对比例1的耐逆转实验测定的耐逆转时间：显示相同的阳极催化剂层厚度，阳极添加和不添加抗逆转催化剂，逆转时间的差异。相同阳极催化剂层厚度的MEA，没有添加耐逆转催化剂的耐久只有1min，加入耐逆转催化剂后，耐久时间迅速提高到75min。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂，其特征在于，包括贵金属/碳催化剂、离聚物和抗逆转催化剂；所述贵金属/碳催化剂以多孔碳材料为载体，贵金属粒子负载在多孔碳材料的内部或表面；所述抗逆转催化剂为铱单质、钌单质、含铱金属氧化物或含钌金属氧化物；所述贵金属在阳极催化剂中的负载量为0.05～0.1mg/cm2。
2.根据权利要求1所述的阳极催化剂，其特征在于，所述抗逆转催化剂在阳极催化剂中的负载量为0.03～0.06mg/cm2。
3.根据权利要求1所述的阳极催化剂，其特征在于，所述贵金属粒子为铂，所述铂与铱的摩尔比为6～2:1，或所述铂与钌的摩尔比为6～2:1。
4.根据权利要求1所述的阳极催化剂，其特征在于，所述贵金属/碳催化剂的粒径为20～300nm，所述贵金属粒子的粒径为2～5nm，所述抗逆转催化剂的粒径不大于500nm。
5.根据权利要求1所述的阳极催化剂，其特征在于，所述离聚物与多孔碳材料的质量比为0.6～1.2。
6.根据权利要求1所述的阳极催化剂，其特征在于，所述多孔碳材料为介孔碳、石墨或碳纳米管。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的用于燃料电池膜电极的阳极催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取多孔碳材料、铂前驱体，通过乙二醇还原法或硼氢化钠还原法，得到负载Pt纳米粒子的多孔碳材料，经过水洗、干燥，得到贵金属/碳催化剂；
(2)将贵金属/碳催化剂与抗逆转催化剂按比例混合，再加入水、异丙醇、离聚物，在冰水浴中超声分散均匀，得到所述阳极催化剂。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述铂前驱体为氯铂酸、亚氯铂酸钾、乙酰丙酮铂中的一种。
9.一种膜电极，其特征在于，将如权利要求1-6任一项所述的阳极催化剂涂布在质子交换膜的一面，质子交换膜的另一面涂布阴极催化剂，待干燥后，质子交换膜两侧放置边框和气体交换层，热压制得所述膜电极。
10.根据权利要求9所述的膜电极，其特征在于，所述阳极催化剂涂布的厚度为1～8μm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111336316.4A CN114171750A (zh) | 2021-11-11 | 2021-11-11 | 一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111336316.4A CN114171750A (zh) | 2021-11-11 | 2021-11-11 | 一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114171750A true CN114171750A (zh) | 2022-03-11 |
Family
ID=80479050
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111336316.4A Pending CN114171750A (zh) | 2021-11-11 | 2021-11-11 | 一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114171750A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115579496A (zh) * | 2022-10-12 | 2023-01-06 | 广东泰极动力科技有限公司 | 一种高耐久低成本的燃料电池膜电极 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040258979A1 (en) * | 2003-06-20 | 2004-12-23 | Ballard Power Systems Inc. | Method of making a membrane electrode assembly for electrochemical fuel cells |
| US6936370B1 (en) * | 1999-08-23 | 2005-08-30 | Ballard Power Systems Inc. | Solid polymer fuel cell with improved voltage reversal tolerance |
| US20090081527A1 (en) * | 2007-09-24 | 2009-03-26 | Ping He | Fuel cell system |
| CN112310414A (zh) * | 2019-07-30 | 2021-02-02 | 现代自动车株式会社 | 燃料电池的阳极双功能催化剂及其制造方法 |
| CN112838224A (zh) * | 2021-01-25 | 2021-05-25 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种质子交换膜燃料电池膜电极抗反极添加剂及其制备方法 |
| CN113178582A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-07-27 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种质子交换膜燃料电池抗反极PtIr/CNT催化剂及其制备方法 |
| CN113437317A (zh) * | 2021-06-24 | 2021-09-24 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 一种燃料电池用抗反极催化剂及其制备方法 |
-
2021
- 2021-11-11 CN CN202111336316.4A patent/CN114171750A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6936370B1 (en) * | 1999-08-23 | 2005-08-30 | Ballard Power Systems Inc. | Solid polymer fuel cell with improved voltage reversal tolerance |
| US20040258979A1 (en) * | 2003-06-20 | 2004-12-23 | Ballard Power Systems Inc. | Method of making a membrane electrode assembly for electrochemical fuel cells |
| US20090081527A1 (en) * | 2007-09-24 | 2009-03-26 | Ping He | Fuel cell system |
| CN112310414A (zh) * | 2019-07-30 | 2021-02-02 | 现代自动车株式会社 | 燃料电池的阳极双功能催化剂及其制造方法 |
| US20210036333A1 (en) * | 2019-07-30 | 2021-02-04 | Hyundai Motor Company | Method of manufacturing anode dual catalyst for fuel cell for preventing reverse voltage phenomenon and dual catalyst manufactured thereby |
| CN112838224A (zh) * | 2021-01-25 | 2021-05-25 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种质子交换膜燃料电池膜电极抗反极添加剂及其制备方法 |
| CN113178582A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-07-27 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种质子交换膜燃料电池抗反极PtIr/CNT催化剂及其制备方法 |
| CN113437317A (zh) * | 2021-06-24 | 2021-09-24 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 一种燃料电池用抗反极催化剂及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 朱继平等人: "《新型化学电源技术概论》", 合肥工业大学出版社, pages: 327 - 477 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115579496A (zh) * | 2022-10-12 | 2023-01-06 | 广东泰极动力科技有限公司 | 一种高耐久低成本的燃料电池膜电极 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Grigoriev et al. | Evaluation of carbon-supported Pt and Pd nanoparticles for the hydrogen evolution reaction in PEM water electrolysers | |
| US6730427B2 (en) | Electrode for fuel cell and method of manufacturing the same | |
| TWI404258B (zh) | 具有改良壽命特性之電極觸媒以及使用該觸媒之燃料電池 | |
| 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 | |
| US20020037449A1 (en) | Membrane electrode unit for polymer electrolyte fuel cells and a process for the production thereof | |
| 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 | |
| CA2570992A1 (en) | Catalyst support for an electrochemical fuel cell | |
| Kúš et al. | Magnetron sputtered thin-film vertically segmented Pt-Ir catalyst supported on TiC for anode side of proton exchange membrane unitized regenerative fuel cells | |
| JP2006260909A (ja) | 膜電極接合体およびこれを用いた固体高分子型燃料電池 | |
| WO2023109510A1 (zh) | 一种少量高度分散铱表面修饰的燃料电池碳载铂基抗反极催化剂及其制备方法与应用 | |
| JP2001118582A (ja) | 燃料電池用電極およびその製造方法 | |
| CN114171750A (zh) | 一种用于燃料电池膜电极的阳极催化剂及其制备方法 | |
| CN111313031B (zh) | 复合催化剂颗粒及其制备方法和应用 | |
| KR102108646B1 (ko) | 직접메탄올 연료전지용 삼중 촉매층 구조 백금계 복합촉매전극 및 그 제조방법 | |
| CN115602896B (zh) | 一种燃料电池用膜电极及其应用 | |
| JP3648988B2 (ja) | 燃料電池用電極およびその製造方法 | |
| Yasutake et al. | Ru-core Ir-shell electrocatalysts deposited on a surface-modified Ti-based porous transport layer for polymer electrolyte membrane water electrolysis | |
| US8273230B2 (en) | Method for making membrane fuel cell electrodes by low-voltage electrophoretic deposition of carbon nanomaterial-supported catalysts | |
| KR102299218B1 (ko) | 이오노머-이오노머 지지체 복합체, 이의 제조방법 및 상기 이오노머-이오노머 지지체 복합체를 포함하는 연료전지용 촉매 전극 | |
| KR102288596B1 (ko) | 연료전지용 촉매 전극, 이의 제조방법 및 상기 연료전지용 촉매 전극을 포함하는 연료전지 | |
| JP2008181753A (ja) | 燃料電池用電極、膜電極接合体および燃料電池 | |
| 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 | |
| JP6165359B2 (ja) | 触媒担体及びその製造方法 | |
| KR20070031133A (ko) | 산소 환원 활성이 증대된 전극 촉매 및 이를 이용한연료전지 | |
| Miyamoto et al. | Pt-Ta-Co Electrocatalysts for Polymer Electrolyte Fuel Cells |
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 |