CN115189002B - 一种动力燃料电池高传输性能膜电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动力燃料电池高传输性能膜电极的制备方法，通过对气体扩散电极的亲水处理，针对阳极液体燃料的性质，在电极中添加亲水性官能团从而提高电极的亲水性。通过对支撑层材料的氧化、在微孔层加入亲水的离子聚合物Nafion、使用具有亲水性质的材料作催化层来改善气体扩散电极的传质性能。采用本发明的方法能够制备出具有高传输性能的膜电极，有效提升直接液体燃料电池的性能。

Description

一种动力燃料电池高传输性能膜电极的制备方法
技术领域
本发明涉及直接液体燃料电池膜电极领域，具体涉及一种高传输性能膜电极的制备方法。
背景技术
直接液体燃料电池因其效率高、结构简单、环境友好等特点成为新的能源解决方案。影响其商业化进程的主要因素有电池的性能、稳定性和成本等。膜电极是燃料电池的核心部件，因此，膜电极决定了直接液体燃料电池的性能、寿命和成本。目前，直接液体燃料电池的性能还是偏低，主要原因涉及两个方面：一方面是阳极液体燃料氧化反应动力学缓慢；另一方面是膜电极中气体扩散电极的传质性能低下导致传质极化损失过大。近年来，催化剂的研究已经进入了深水攻坚区，催化剂活性的提高难度加大，对电池性能提升的增强作用也已经减缓。因而，提高膜电极中电极的传输性能成为重要突破口。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种动力燃料电池高传输性能膜电极的制备方法。
本发明具体是通过以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种动力燃料电池高传输性能膜电极的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将100ml质量分数为98％浓硫酸置于200ml的烧杯中，用水浴锅加热至60℃，然后将厚度为200μm的支撑层碳纸放入硫酸中，持续处理4h后用超纯水洗涤；在80℃下、空气氛围的烘箱中放置4h烘干；将XC-72碳粉和Nafion溶液配置成浆料，浆料配置完成后，将加热装置的温度设为80℃，把支撑层碳纸放置在加热装置上，取配置好的浆料置于支撑层碳纸一侧，用刮刀少量多次的往支撑层碳纸上涂抹浆料，使其均匀附着于支撑层碳纸上，亲水扩散层制备完成；
所述XC-72碳粉和Nafion溶液中碳粉和Nafion干重比为1：1；
所述浆料中Nafion的质量分数为20％；
(2)采用脉冲电沉积方法将Pt沉积到NPG表面得到Pt载量为50μg/cm2的NPG-Pt薄膜作为催化层；
所述NPG为由厚度为100nm的12K金银合金薄膜在质量分数为65％的浓硝酸中腐蚀30min得到的NPG100或400nm的12K金银合金薄膜在质量分数为65％的浓硝酸中腐蚀60min得到的NPG400；
所述脉冲电沉积方法的参数为：电位区间0.2-0.3V，间隔20s，负扫；
(3)将NPG-Pt薄膜漂浮在超纯水的水面上，然后用N211膜把NPG-Pt薄膜捞起来，使NPG-Pt薄膜附着在N211膜上，随后用烘箱在80℃下持续烘干15min；
(4)采用热压机将阳极扩散层、NPG-Pt和N211膜复合体、阴极气体扩散电极三合一热压成膜电极，热压条件为温度130℃，压力100kgf/cm2，正面压3min，反面压3min；
所述阳极扩散层采用步骤(1)制备的亲水扩散层，所述阴极气体扩散电极采用传统商用气体扩散电极；
所述传统商用气体扩散电极的支撑层碳纸的PTFE含量为10％，微孔层碳粉含量为1mg/cm2且PTFE含量为20％，催化层采用20％的Pt/C且Pt载量为0.5mg/cm2。
借由上述技术方案，本发明针对阳极液体燃料的性质，在电极中添加亲水性官能团，从而提高电极的亲水性，具有良好亲水性的电极能够提高液体燃料的传质能力；利用脉冲电沉积技术制备基于NPG-Pt的膜电极，传输性能优良，有利于提高直接液体燃料电池性能。
附图说明
图1为本发明制备的气体扩散电极和现有商业电极在不同水流速度下水的压强变化。
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达成预定目的所采用的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对依据本发明提出的一种动力燃料电池高传输性能膜电极的制备方法作详细说明。以下实施例以本发明的技术为基础实施，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本发明采用的技术原理为：提高电极的传输性能可以通过电极的结构设计和改变电极的亲疏水性质来实现。针对阳极液体燃料的性质，在电极中添加亲水性官能团可提高电极的亲水性。膜电极是由两个气体扩散电极以及中间的电解质膜以三明治的结构热压而成；气体扩散电极由支撑层、微孔层和催化层组成，其中支撑层和微孔层合在一起又称为扩散层。扩散层的主体是碳纸，疏水性较强，可以通过材料氧化，使材质表面出现很多的含氧官能团，如-COOH、＝O、-OH，这些都具有优异的亲水性。微孔层的碳粉具有疏水性质，可以通过加入亲水的离子聚合物Nafion来增强其亲水性。NPG-Pt催化层由于其本身金属固有亲水性质，有利于改善催化层的传质极化。因此，具有良好亲水性的电极提高了液体燃料的传质能力。
根据前述技术原理，本发明提供一种动力燃料电池高传输性能膜电极的制备方法：将厚度为200μm的支撑层碳纸放入质量分数为98％的浓硫酸中，在温度为60℃下，持续处理4h后用超纯水洗涤，在80℃下、空气氛围的烘箱中放置4h烘干；将XC-72碳粉和Nafion溶液配置成浆料，使浆料中Nafion的质量分数为20％，浆料配置完成后，将加热装置的温度设为80℃，把支撑层碳纸放置在加热装置上，取配置好的浆料置于支撑层碳纸一侧，用刮刀少量多次的往支撑层碳纸上涂抹浆料，使其均匀附着于支撑层碳纸上，亲水扩散层制备完成；用厚度为100nm的12K金银合金薄膜在质量分数为65％的浓硝酸中腐蚀30min得到NPG100或400nm的12K金银合金薄膜在质量分数为65％的浓硝酸中腐蚀60min得到NPG400；用脉冲电沉积方法(电位区间0.2-0.3V，间隔20s，负扫)将Pt沉积到NPG表面得到Pt载量为50μg/cm2的NPG-Pt薄膜作为催化层；将NPG-Pt薄膜漂浮在超纯水的水面上，然后用N211膜把NPG-Pt薄膜捞起来，使NPG-Pt薄膜附着在N211膜上，随后用烘箱在80℃下持续15min烘干；热压机温度设置为130℃，压力设置为100kgf/cm2，将本发明制备的亲水扩散层、NPG-Pt和N211膜复合体以及传统商用气体扩散电极(支撑层碳纸的PTFE含量为10％，微孔层碳粉为1mg/cm2且PTFE含量为20％，催化层为20％的Pt/C且Pt载量为0.5mg/cm2)顺序放置进行热压，正面压3min，反面压3min，三合一热压成膜电极。
图1为实施例中制备的气体扩散电极和传统商业气体扩散电极在不同水流速度下水的压强变化，同一水流速度下，水的压强越小，其传输性能越好。三个电极分别是M1(亲水扩散层+NPG100-Pt)、M2(亲水扩散层+NPG400-Pt)和M3(传统商业电极Pt/C)，从图中可以看出，在水流速度为5mL/min时，M1、M2和M3的压强分别为0.55kPa、1.92kPa和35kPa，即亲水电极的传输性能优异，并且NPG的厚度越小传输性能越好。
以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种动力燃料电池高传输性能膜电极的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将100ml质量分数为98％浓硫酸置于200ml的烧杯中，用水浴锅加热至60℃，然后将厚度为200μm的支撑层碳纸放入硫酸中，持续处理4h后用超纯水洗涤；在80℃下、空气氛围的烘箱中放置4h烘干；将XC-72碳粉和Nafion溶液配置成浆料，浆料配置完成后，将加热装置的温度设为80℃，把支撑层碳纸放置在加热装置上，取配置好的浆料置于支撑层碳纸一侧，用刮刀少量多次的往支撑层碳纸上涂抹浆料，使其均匀附着于支撑层碳纸上，亲水扩散层制备完成；
所述XC-72碳粉和Nafion溶液中碳粉和Nafion干重比为1：1；
所述浆料中Nafion的质量分数为20％；
(2)采用脉冲电沉积方法将Pt沉积到NPG表面得到Pt载量为50μg/cm2的NPG-Pt薄膜作为催化层；
所述NPG为由厚度为100nm的12K金银合金薄膜在质量分数为65％的浓硝酸中腐蚀30min得到的NPG100或400nm的12K金银合金薄膜在质量分数为65％的浓硝酸中腐蚀60min得到的NPG400；
所述脉冲电沉积方法的参数为：电位区间0.2-0.3V，间隔20s，负扫；
(3)将NPG-Pt薄膜漂浮在超纯水的水面上，然后用N211膜把NPG-Pt薄膜捞起来，使NPG-Pt薄膜附着在N211膜上，随后用烘箱在80℃下持续烘干15min；
(4)采用热压机将阳极扩散层、NPG-Pt和N211膜复合体、阴极气体扩散电极三合一热压成膜电极，热压条件为温度130℃，压力100kgf/cm2，正面压3min，反面压3min；
所述阳极扩散层采用步骤(1)制备的亲水扩散层，所述阴极气体扩散电极采用传统商用气体扩散电极；
所述传统商用气体扩散电极的支撑层碳纸的PTFE含量为10％，微孔层碳粉含量为1mg/cm2且PTFE含量为20％，催化层采用20％的Pt/C且Pt载量为0.5mg/cm2。
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