CN1801512A - 直接甲醇燃料电池的膜电极及其制备方法 - Google Patents
直接甲醇燃料电池的膜电极及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1801512A CN1801512A CNA2006100013172A CN200610001317A CN1801512A CN 1801512 A CN1801512 A CN 1801512A CN A2006100013172 A CNA2006100013172 A CN A2006100013172A CN 200610001317 A CN200610001317 A CN 200610001317A CN 1801512 A CN1801512 A CN 1801512A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- transition zone
- membrane electrode
- preparation
- diffusion layer
- layer
- 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
Images
Classifications
-
- 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
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
本发明公开一种直接甲醇燃料电池的膜电极及制备工艺，属于燃料电池领域。所述膜电极由质子交换膜、炭载铂—钌阳极催化剂层、炭载铂阴极催化剂层、经过憎水处理碳纸或碳布扩散层以及扩散层与催化剂层之间的过渡层制备面成。本发明的优点在于，通过在催化剂层与扩散层之间的过渡层中加入聚合物电解质，提高了贵金属催化剂的利用用率，改善了层间的界面。用本发明方法制造的膜电极组件，具有良好的放电性能，且在长期使用过程中性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种直接甲醇燃料电池的膜电极及其制备方法，属于直接甲醇燃料电池膜电极结构与制造枝术领域。
背景技术
燃料电池是种等温的将化学能转化为电能的电化学装置，具有能量转化效率高、环境友好的特点。在当今石化能源即将枯碣的形势下，使用可再生能源一氢能的燃料电池受到越来越多的关注。真接甲醇燃料电池(DMFC)是在质子交换膜燃料电池(PFMFC)上发展起来的一种新型燃料电池。它直接使用甲醇水溶作为燃料，无需重整，具有燃料来源丰富、储存方便、结构简单、操作安全等优点。特别是在室温工作液态进料的直接甲醇燃料电池，由于其结构的进一步简化，在小型家用电器，便携式电子产品(如笔记本电脑、手机等)以及军用移动仪器上有极为广泛的应用前景。
膜电极是直接甲醇燃料电池的核心，目前直接甲醇燃料电池的膜电极的结构和制备工艺基本沿袭质子交换膜燃料电池的膜电极。其结构由质子交换膜、热压在膜两侧的催化剂层和起支撑作用的扩散层组成，其制备工艺包括催化剂膏体的配制，催化剂在扩散层上的涂敷及膜与催化剂层的热压过程。对在室温下工作的直接甲醇燃料电池来说，由于其工作电压低，电流密度小，催化剂的利用率直接决定着电池放电性能的好坏。催化剂的利用率除了与电极结构有关之外，还与制备过程中作为支撑体的扩散层的表面有着密切的关系：真接甲醇燃料电池一般采用经过部分疏水处理的碳纸作为扩散层，这样的扩散层表面是多孔的，如在此表面上直接制备催化剂层的话，催化剂颗粒会随着溶剂渗透到扩散层之间，造成催化剂的浪费，降低催化剂的利用率。为了提高催化剂的利用率，有在扩散层与催化剂层之间增加过渡层的方法，如见中国专利：CN1492530A，其过渡层的成分是超导乙炔碳黑和聚四氟乙烯。此方法的缺点在于：由于直接甲醇燃料电池采取液态进料的方式，而且一般工作在低压范围内，因而用此方法制备的膜电极催化剂层与过渡层之间在长期的工作的过程中容易剥离，造成电池性能的下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更为优化的直接甲醇燃料电池的膜电极及制备工艺。该膜电极有效的提高了阴、阳极催化剂的利用率，改善了催化剂层与扩散层之间的界面，从而提高了电池的输出功率和长期使用的稳定性。
本发明是通过如下技术方案实现的：该膜电极由质子交换膜，质子交换膜两侧的阴、阳极催化剂层，阴、阳催化剂层外的过渡层以及最外侧的扩散层组成，于所述的过渡层中含有聚合物电解质。
所述过渡层的主要成分为导电及传质良好的炭黑、超导炭黑、炭纤维、炭纳米管、炭所凝胶等炭材料可它们的混合物。
所述过渡层中，聚合物电解质可以单独作为过渡层的粘结剂，也可以与其他粘结剂共同使用，作为过渡层的粘结剂；聚合物电解质在过渡层中的重量比为10～30％。
本发明的制备方法包括质子交换膜的预处理、扩散层的憎水处理、过渡层的制备、阴、阳催化剂层的制备，最后按照阴、阳极催化剂层位于质子交换膜两侧、过渡层位于阴、阳极催化剂层外侧、扩散层位于过渡层外侧的方式进行叠片和热压形成膜电极，其中，在过度层的制备中直接或间接的将聚合物电解质加入过渡层。
在膜电极制备中，过渡层的制备方法为：首先将导电及传质良好的炭黑、超导炭黑、炭纤维、炭纳米管、炭气凝胶等炭材料或它们的混合物与聚合物电解质或聚合物电解质与聚四氟乙烯的混合物按照固体比70～95％：30～5％的比例混合，然后在其中加入适量乙醇、乙二醇、异丙醇或丙本醇作为溶剂，搅拌混合均匀，再通过超声分散成墨汁状，接着将此墨汁均匀的涂刷或喷涂在经憎水处理后的碳纸或碳布扩散层的一面上，炭材料的载量控制在0.5～2mg/cm2之间。将上述经过处理的扩散层在60～100℃干燥0.5～2小时去除溶剂；
或者，所述过渡层的制备方法还可以为：首先将炭黑、超导炭黑、炭纤维、炭纳米管、炭气凝胶等炭材料或它们的混合物与聚合物与聚四氟乙烯的混合物按照固体比70～90％∶30～10％的比例混合，然合在其中加入适量乙醇、乙二醇、异丙醇或丙三醇作为溶剂，搅拌混合均匀，再通过超声分散成墨汁状，接着将此墨汁均匀的涂刷或喷涂在经憎水处理后的碳纸或碳布扩散层的一面上，炭材料的载量控制在0.5～2mg/cm2之间，在350℃烧结3～5个小时后，在过渡层表面喷涂稀释后的聚合物电解质溶液，聚合物电解质的载量控制在0.05～0.15mg/cm2，然后将上述经过处理的扩散层在60～100℃干燥0.5～2小时去除溶剂。
过渡层制备完成后，在分别作为阴、阳极催化剂Pt/C、Pt-Ru/C中加入重量比为10～30％的全氟磺酸树脂(Nafion)和一定量的分散剂乙醇、乙二醇、异丙醇或丙三醇，搅拌混合均匀，再通过超声分散成墨汁状，然后将此墨汁均匀的涂刷或喷涂在上述过渡层上，在60～100℃真空干燥0.5～2小时去除溶剂，催化剂层的Pt载量控制在0.5～4mg/cm2。然后在此表面上喷涂用异丙醇稀释后的Nafion溶液，且其固体载量控制在0.5～1.5mg/cm2，在60～100℃真空干燥0.5～2小时。最后，将经过预处理的Nafion膜夹在上述制备的阴阳极片之间，于温度120～160℃、压力5～15Mpa下热压90～180s，最终形成膜电极。
该膜电极及制备工艺的优点在于：通过在催化剂层与扩散层之间引入过渡层，并在过渡层中加入聚合物电解质，有效的提高了催化剂珠利用率，降低了贵金属的载量，改善了催化剂层与扩散层之间的界面。用本发明制造的膜电极组装成的直接甲醇燃料电池，在室温下显示出良好的放电性能和长期工作的稳定性。
附图说明
图1为采用发明实施例1所制备的直接醇燃料电池膜电极在室温下、强制流式下的放电性能。
图2为采用发明实施例1所制备的直接醇燃料电池膜电极在室温下、自呼吸被动式下的入电性能。
图3为采用发明实施例2所制备的直接醇燃料电池膜电极在室温下、强制流式下的放电性能
图4为采用发明实施例2所制备的直接醇燃料电池膜电极在室温下、自呼吸被动式下的入电性能。
具体实施方式
实施实例1
第一步：在导电炭黑(型号为Vulcan XC-72R)中加入全氟磺酸树脂(Nafion)溶液，炭黑与Nafion树脂量的重量比为90％∶10％，然后加入一定量的异丙醇和水作为分散剂，搅拌均匀后放入超声分散器中分散15分钟。
第二步：将上述混合物均匀涂敷到经过憎水处理的扩散层表面的一面，涂敷的方法采用喷枪喷涂。接着，将处理后的扩散层放入85℃的烘箱内干燥0.5小时去处溶剂。
第三步：在Pt/C炭载铂(阴极)、Pt-Ru/C炭载铂钌(阳极)催化剂粉末中加入Nafion溶剂，催化剂粉末与Nafion树脂量的重量比分别为85％∶15％(阴极)和80％∶20％，然后加入一定量的异丙醇和水做分散剂，搅拌均匀后放入超声分散器中分散60分钟；
第四步：将上述分散好的阴、阳极催化剂浆料分别均匀涂敷到制备好的过渡层上，涂敷的方法采用喷枪喷涂。然后将其放入60～100℃的真空烘箱内干燥0.5～2小时，每平方厘米上贵金属Pt的载量为1.0mg(阴极)和2.0mg(阳极)。
第五步：用异丙醇稀释Nafion溶液至1wt％，超声分散10分钟，然后用喷枪将此溶液均匀喷涂到上述催化剂层的表面。每平方厘米上Nafion树脂的载量为1.0mg。此时已经制备形成具有扩散层、过渡层及阴阳极催化层的阴、阳极片，
第六步：将经过预处理的Nafion117交换膜夹在上述制作的阴阳极片之间，在温度140℃、压力15Mpa下热压120秒，得到本发明的膜电极组件。
使用本发明时，在所制备的膜电极组件两侧依次加上阴(阳)极流场板(强制流式)或阴(阳)极集电流体(自呼吸被动式)，组成单电池。在强制流式电池中，阳极供应2mol/L的甲醇水溶液，流量为5ml/min，阴极供应氧气，流量500ml/min。在自呼吸被动式电池中，阳极静态加入2mol/L的甲醇水溶液，阴极靠空气对流吸氧。室温下分别测量其放电性能，结果如图1和图2所示。
实施实例2：
第一步：在电炭黑(型号为Vulcan XC-72R)中加入聚四氟乙烯(PTFE)乳液(60wt％)，碳黑与PTFE的重量比为80％∶20％，然后加入一定量的异丙醇和水作为分散剂，搅拌均匀后放入超声分散器中分散30分钟。
第二步：将上述混合物均匀涂敷到经过憎水处理的扩散层表面的一面，涂敷的方法采用喷枪喷涂。将处理后的扩散层放入350℃的烘箱内烧3小时，取出待其冷却后在表面喷涂一层Nafion溶液，放入85℃的烘箱内干燥0.5小时，每平方厘米上的炭载量为1.2mg，Nafion载量为0.12mg/cm2。
第三步：在Pt/C(阴极)、Pt-Ru/C(阳极)催化剂粉末中加入Nafion溶液，催化剂粉末与Nafion树脂量的重量比分别为85％∶15％(阴极)和80％∶20％(阳极)，然后加入一定量的异丙醇和水做分散剂，搅拌均匀后放入超声分散器中分散60分钟。
第四步：将上述分散好的催化剂浆料均匀涂敷到制备好的过渡层上，涂敷的方法采用喷枪喷涂。然后将其放入60～100℃的真空烘箱内干燥0.5～2小时。每平方厘米上贵金属Pt的载量为1.0mg(阴极)和2.0mg(阳极)。
第五步：用异丙醇稀释Nafion溶液至1Wt％，超声分散10分钟然后用喷枪将此溶液均匀喷涂到催化剂层的表面。每平方厘米上Nsfion树脂载量为1毫克。
第六步：将经过预处理的Nafion177交换膜夹在上述制备的阴阳极之间，在温度140℃、压力15Mpa下热压120秒，得到本发明所制备的膜电极组件。
使用时，将所制备的膜电极组件两侧依次加上阴(阳)极流场板(强制流式)或阴(阳)极集电流体(自呼吸被动式)，组成单电池。在强制流式电池中，阳极供应2mol/L的甲醇水溶液，流量为5ml/min，阴极供庆氧气，流量500ml/min。在自呼吸被动式电池中，阳极静态加入2mol/L的甲醇水深液，阴极靠空气对流吸氧。室温下分别测量其放电性能，结果如图3和图4所示。
Claims (8)
1、一种直接甲醇然料电池的膜电极，其特征在于：该膜电极由质子交换膜，质子交换膜两侧的阴、阳极催化剂层，阴、阳催化剂层外的过渡层以及最外侧的扩散层组成，于所述的过渡层中含有聚合物电解质。
2、根据权利要求1所述的一种直接甲醇然料电池的膜电极，其特征在于：所述过渡层的主要成分为导电及传质良好的炭黑、超导炭黑、炭纤维、炭纳米管、炭气凝胶炭材料或它们的混合物。
3、根据权利要求2所述的一种直接甲醇然料电池的膜电极，其特征在于：聚合物电解质单独作为过渡层的粘结剂或与其他粘结剂共同使用，作为过渡层的粘结剂；聚合物电解质在过渡层中的重量比为10～30％。
4、根据权利要求3所述的一种直接甲醇然料电池的膜电极，其特征在于：所述的聚合物电解质为全氟磺酸树脂。
5、一种直接甲醇燃料电池的膜电极的制备方法，包括质子交换膜的预处理、扩散层的憎水处理、过渡层的制备、阴、阳催化剂层的制备，最后按照阴、阳极催化剂层位于质子交换膜两侧、过渡层位于阴、阳极催化剂层外侧、扩散层位于过渡层外侧的方式进行叠片和热压形成膜电极，其中，在过度层的制备中直接或间接的将聚合物电解质加入过渡层。
6、根据权利要求5所述的直接甲醇燃料电池的膜电极的制备方法，其特征在于：过渡层的制备方法为：
首先，将炭材料与聚合物电解质或聚合物电解质与聚四氟乙烯的泥合物按照固体比70～95％∶30～5％的比例混合；
然后，在上述混合材料中加入适量乙醇、乙二醇或丙三醇作为溶剂，搅拌混合均匀，再通过超声分散成墨汁状；
接着，将所述墨汁均匀的涂刷或喷涂在经憎水处理后的碳纸或碳布扩散层的一面上，炭材料的载量控制在0.5～2mg/cm2之间；
最后，将上述经过处理的扩散层在60～100℃干燥0.5～2小时去除溶剂，在扩散层上形成过度层。
7、根据权利要求5所述的直接甲醇燃料电池的膜电极的制备方法，其特征在于：过渡层的制备方法为：
首先将炭材料与聚四氟乙烯的混合物按照固体比70～90％∶30～10％的比例混合，然后在其中加入适量乙醇、乙二醇、异丙醇或丙三醇作为溶剂，搅拌混全均匀，再通过超声分散成墨汁状，接着将此墨汁均匀的涂刷可喷涂在经憎水处理的碳纸或碳布扩散层的一面上，炭材料的载量控制在0.5mg/cm2之间，在350℃烧结3～5个小时后，再在所形成的过渡层表面喷涂稀释后的聚合物电解质溶液，溶液的质子导电聚合物的载量控制在0.05～0.15mg/cm2，最后将上述经过处理的扩散层在60～100℃干燥0.5～2小时去除溶剂，于扩散层上形成过度层。
8、根据权利要求6或7所述的直接甲醇燃料电池的膜电极的制备方法，其特征在于：阴、阳催化剂层制备过程中，在分别作为阴、阳极催化剂Pt/C、Pt-Ru/C中加入重量百分比为10～30％的全氟磺酸树脂和一定量的作为分散剂乙醇、乙二醇、异丙醇或丙三醉，搅拌混合均匀，再通过超声分散成墨汁状，然后将此墨汁均匀的涂刷或喷涂在所述的过渡层上，在60～100℃真空干燥0.5～2小时去除溶剂分别形成阴、阳催化剂层，且催化剂层的Pt载量控制在0.5～4mg/cm2，然后在此表面上喷涂用异丙醇稀释后的全氟磺酸树脂溶液，全氟磺酸树脂的固体载量控制在0.5～1.5mg/cm2，在60～100℃真空干燥0.5～2小时，此时形成具有扩散层、过渡层及催化层的阴、阳极片，最后将经过预处理的全氟磺酸树脂交换膜夹在上述制备的阴阳极片之间，于温度120～160℃、压力5～15Mpa下热压90～180s，最终形成膜电极。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2006100013172A CN1801512A (zh) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | 直接甲醇燃料电池的膜电极及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2006100013172A CN1801512A (zh) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | 直接甲醇燃料电池的膜电极及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1801512A true CN1801512A (zh) | 2006-07-12 |
Family
ID=36811361
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNA2006100013172A Pending CN1801512A (zh) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | 直接甲醇燃料电池的膜电极及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1801512A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111261879A (zh) * | 2020-01-23 | 2020-06-09 | 同济大学 | 含分散助剂的催化剂浆料及制得的催化层和燃料电池电极 |
| CN112259747A (zh) * | 2020-10-21 | 2021-01-22 | 成都新柯力化工科技有限公司 | 一种生长晶须形成的燃料电池膜电极组件及制备方法 |
| CN112271301A (zh) * | 2020-10-16 | 2021-01-26 | 成都新柯力化工科技有限公司 | 一种无机原位粘合制备燃料电池膜电极的方法 |
| CN113020614A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-25 | 中国科学技术大学 | 铜基单原子合金催化剂及其制备方法、应用、二氧化碳电还原制备甲酸的膜电极电解质电池 |
| CN114883583A (zh) * | 2022-06-09 | 2022-08-09 | 北京航空航天大学 | 一种燃料电池用高稳定性的高温膜电极及其制备方法 |
-
2006
- 2006-01-19 CN CNA2006100013172A patent/CN1801512A/zh active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111261879A (zh) * | 2020-01-23 | 2020-06-09 | 同济大学 | 含分散助剂的催化剂浆料及制得的催化层和燃料电池电极 |
| CN112271301A (zh) * | 2020-10-16 | 2021-01-26 | 成都新柯力化工科技有限公司 | 一种无机原位粘合制备燃料电池膜电极的方法 |
| CN112259747A (zh) * | 2020-10-21 | 2021-01-22 | 成都新柯力化工科技有限公司 | 一种生长晶须形成的燃料电池膜电极组件及制备方法 |
| CN113020614A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-25 | 中国科学技术大学 | 铜基单原子合金催化剂及其制备方法、应用、二氧化碳电还原制备甲酸的膜电极电解质电池 |
| CN114883583A (zh) * | 2022-06-09 | 2022-08-09 | 北京航空航天大学 | 一种燃料电池用高稳定性的高温膜电极及其制备方法 |
| CN114883583B (zh) * | 2022-06-09 | 2023-10-24 | 北京航空航天大学 | 一种燃料电池用高稳定性的高温膜电极及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102005582B (zh) | 一种直接醇类燃料电池膜电极集合体的结构及制备方法 | |
| AU2020101412A4 (en) | Direct methanol fuel cell membrane electrode for improving catalyst utilization and preparation method thereof | |
| CN107437628A (zh) | 一种燃料电池膜电极组件的制备方法 | |
| CN101557001B (zh) | 一种燃料电池膜电极及其制备方法 | |
| CN101404331B (zh) | 一种用于质子交换膜燃料电池的催化剂的制备方法 | |
| Ong et al. | Applications of graphene nano-sheets as anode diffusion layers in passive direct methanol fuel cells (DMFC) | |
| Furukawa et al. | Structural control and impedance analysis of cathode for direct methanol fuel cell | |
| CN114204049B (zh) | 一种低铂载量质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 | |
| CN101662032B (zh) | 直接醇类燃料电池的膜电极集合体的阴极结构和制作方法 | |
| CN111584880B (zh) | 一种低铂质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 | |
| WO2013086753A1 (zh) | 金属空气电池用阴极及其制备方法 | |
| 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 | |
| CN114171748A (zh) | 一种形成离聚物网络的燃料电池催化剂浆料及其制备方法 | |
| CN102104155B (zh) | 一种燃料电池用低铂阴极催化层及其应用 | |
| CN1853296A (zh) | 用于直接甲醇燃料电池的膜电极单元及其制造方法 | |
| CN1801512A (zh) | 直接甲醇燃料电池的膜电极及其制备方法 | |
| CN1933224A (zh) | 质子交换膜燃料电池电极和膜电极的制法 | |
| CN103474683B (zh) | 提高一体式再生燃料电池性能的膜电极组件及其制备方法 | |
| CN103779582A (zh) | 一种用于制备燃料电池膜电极的方法 | |
| CN1256783C (zh) | 一种高温质子交换膜燃料电池膜电极及制备方法 | |
| CN101783409B (zh) | 阴极为碳载过渡金属螯合物催化剂的膜电极的制备方法 | |
| CN108123143B (zh) | 一种直接抗坏血酸燃料电池单电池性能提升的方法 | |
| CN1564353A (zh) | 液态进料直接甲醇燃料电池的膜电极及其制备工艺 | |
| CN114566653B (zh) | 一种非均匀催化剂层、膜电极及其制备方法 | |
| CN1259744C (zh) | 碳酸氢铵造孔剂及其膜电极的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20060712 |