CN210516886U - 低Pt载量膜电极 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种低Pt载量膜电极。其中，低Pt载量膜电极包括：低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极。所述低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极依次叠合。通过采用低Pt载量催化剂层，不仅降低了Pt载量，同时降低了催化层的厚度，使其在不影响氢气和氧气传输及质子迁移率的同时，提供足够的催化活性位，满足燃料电池的使用。

Description

低Pt载量膜电极
技术领域
本实用新型涉及燃料电池领域，具体涉及一种低Pt载量膜电极。
背景技术
按照使用温度的不同，质子交换膜燃料电池可分为高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）和低温质子交换膜燃料电池（LT-PEMFC）两种，通常前者的使用温度不超过100℃，质子传导的介质是水，而后者的使用温度范围为100~200℃，质子传导的介质一般为非水的质子溶剂。高温质子交换膜燃料电池具有CO耐受性高、电化学反应活性高、无水管理系统、热管理系统简单等优点，不仅简化了系统，更是采用来源广泛、便于携带的甲醇水溶液作为燃料，省去了氢气的提纯和存储过程，在汽车、能源发电、航空航天、家用电源等行业具有广阔的应用前景，国内外广泛开展HT-PEMFC关键材料和部件的相关开发和研究。
高温燃料电池用膜电极主要由阳极气体扩散层（GDL）、阳极催化层、高温质子交换膜、阴极GDL、阴极催化层。针对高温膜电极磷酸易流失的情况，往往在高温质子交换膜和催化层之间添加防止磷酸流失的保护层。目前常用的制备高温膜电极的方法为：将贵金属催化剂颗粒分散在溶剂中，加入粘结剂，充分分散，成为催化剂浆液。然后涂覆至GDL，经干燥和烧结过程形成多孔结构的气体扩散电极（GDE），再与磷酸掺杂的聚苯咪唑（PBI）薄膜组装成为高温膜电极。催化层是电化学反应真正发生的场所，需要将阳极催化层中生成的质子传递到质子交换膜表面，然后穿过质子交换膜到达阴极催化层，在Pt催化剂表面与氧气和外电路传递过来的电子发生电化学反应生成产物水。催化层厚度是一个关键的参数，太厚不仅影响氢气和氧气在其中的传输，还会影响质子在其中的迁移，太薄则Pt载量过低，不能提供足够的活性位。
目前，HT-PEMFCs中氢氧化和氧还原的催化剂均为碳载的Pt或Pt合金催化剂。目前商业化的高温膜电极中Pt载量高达2 mg/cm2，Pt的比功率载量为8 g/kW，为LT-PEMFCs的十几倍。HT-PEMFCs的成本分析表明，年产量50万台套时，催化剂成本高达电堆成本的66%，为制约HT-PEMFCs推向市场的主要因素。为此，有效降低膜电极中的Pt载量，为HT-PEMFCs产业化的重要途径。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种低Pt载量膜电极，以实现提高膜电极性能、降低膜电极成本的目的。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种低Pt载量膜电极，包括：低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极；
所述低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极依次叠合。
进一步的，所述低Pt载量阳极气体扩散电极由阳极气体扩散层和低Pt载量阳极催化层组成，所述低Pt载量阴极气体扩散电极由阴极气体扩散层和低Pt载量阴极催化层组成，所述低Pt载量阳极气体扩散电极以及所述低Pt载量阴极气体扩散电极与所述高温质子交换膜叠合时，低Pt载量阳极催化层和低Pt载量阴极催化层分别与质子交换膜相接触。
进一步的，所述高温质子交换膜为酸掺杂的聚苯并咪唑及其衍生物、聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮、聚苯并咪唑/ 聚醚醚酮复合膜、聚苯并咪唑/ 磺化聚醚醚酮复合膜、聚苯并咪唑/ 聚酰亚胺复合膜中的任意一种。
本实用新型的有益效果是，本实用新型提供了一种低Pt载量膜电极。其中，低Pt载量膜电极包括：低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极。所述低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极依次叠合。通过采用低Pt载量催化剂层，不仅降低了Pt载量，同时降低了催化层的厚度，使其在不影响氢气和氧气传输及质子迁移率的同时，提供足够的催化活性位，满足燃料电池的使用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型所提供的膜电极结构示意图。
图2是本实用新型所提供的低Pt载量膜电极的制备方法的流程图。
图3是实施例1-2和对比例1-2的电池性能测试结果图。
图中，1 为阳极气体扩散层；2 为低Pt载量阳极催化层；3为阳极内保护层；5为高温质子交换膜； 3’为阴极内保护层；2’为低Pt载量阴极催化层；1’为阴极气体扩散层。
具体实施方式
现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
实施例
如图1所示，实施例提供了一种低Pt载量膜电极。低Pt载量膜电极包括：低Pt载量阳极气体扩散电极（阳极气体扩散层1+阳极催化层2）、阳极内保护层3、高温质子交换膜5、阴极内保护层3’、 低Pt载量阴极气体扩散电极（阴极催化层2’以及阴极气体扩散层1’）；所述低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极依次叠合。其中，所述低Pt载量阳极气体扩散电极由阳极气体扩散层1和低Pt载量阳极催化层2组成，所述阴极气体扩散电极由阴极气体扩散层1’和低Pt载量阴极催化层2’组成，所述低Pt载量阳极气体扩散电极以及所述低Pt载量阴极气体扩散电极与所述高温质子交换膜叠合时，低Pt载量阳极催化层和低Pt载量阴极催化层分别与质子交换膜相接触。通过采用低Pt载量催化剂层，不仅降低了Pt载量，同时降低了催化层的厚度，使其在不影响氢气和氧气传输及质子迁移率的同时，提供足够的催化活性位，满足燃料电池的使用。
在实施例中，所述高温质子交换膜为酸掺杂的聚苯并咪唑及其衍生物、聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮、聚苯并咪唑/ 聚醚醚酮复合膜、聚苯并咪唑/ 磺化聚醚醚酮复合膜、聚苯并咪唑/ 聚酰亚胺复合膜中的任意一种。
在实施例中，所述低Pt载量气体扩散电极由催化剂浆料涂覆在所述阳极气体扩散层以及所述阴极气体扩散层后经干燥和烧结形成。其中，所述催化剂浆料由催化剂和粘接剂按照比例1:（0.1-0.5）混合后均匀分散制成。通过优化粘结剂和催化层中的物料比，形成合理的气体和液体传输通道，以构建更多三相反应界面，提高催化剂利用率，降低膜电极内部的传质极化和欧姆极化，达到降低膜电极Pt载量的目的。
本实用新型还提供了一种低Pt载量膜电极的制备方法，包括：
S110：制备催化剂浆料；
S120：将制备好的催化剂浆料涂覆于气体扩散层表面并干燥；
S130：将涂覆催化剂的气体扩散层进行烧结，完成低Pt载量气体扩散电极的制备；
S140：将质子交换膜浸入适当温度的掺杂酸溶液中，完成酸掺杂的高温质子交换膜的制备；
S150：低Pt载量气体扩散电极包括阴极气体扩散电极（阴极催化层2’+阴极气体扩散层1’）以及阳极气体扩散电极（阳极气体扩散层1+阳极催化层2），将阴极气体扩散电极、阴极内保护层3’、酸掺杂的高温质子交换膜5、阳极内保护层3以及阳极气体扩散电极依次叠合，热压后得到低Pt载量膜电极。
通过采用低Pt载量催化剂层，不仅降低了Pt载量，同时降低了催化层的厚度，使其在不影响氢气和氧气传输及质子迁移率的同时，提供足够的催化活性位，满足燃料电池的使用。
在实施例中，S110包括：将催化剂在溶剂中分散均匀后，加入粘结剂和造孔剂，均匀分散后制成催化剂浆料，其中，催化剂、粘接剂和溶剂的质量比为1：（0.1-0.5）：（10-100）。其中，所述催化剂为碳载铂或碳载铂合金；所述溶剂为水、乙醇、正丙醇、异丙醇、乙二醇、N，N-二甲基甲酰胺中的一种或两种以上的混合溶剂，催化剂与溶剂的比例为1:(10-100)；所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚苯并咪唑类原液中的一种或两种以上的混合物，催化剂与粘结剂的比例为1:(0.1-0.5)。通过优化粘结剂和催化层中的物料比，形成合理的气体和液体传输通道，以构建更多三相反应界面，提高催化剂利用率，降低膜电极内部的传质极化和欧姆极化，达到降低膜电极Pt载量的目的。
在实施例中，步骤S120包括：将制备好的催化剂浆料涂覆至气体扩散层上并干燥，阳极气体扩散电极1载量0.2-0.6mg/cm2，阴极气体扩散电极1’载量为0.6-1.0mg/cm2。所述气体扩散层为多孔碳纤维纸或碳纤维布，亦可在其上涂覆一层碳粉作为多孔层；所述涂覆方式为刮涂、滚涂、丝网印刷、喷涂或转印中的一种。
在实施例中，步骤S130包括：将涂覆好的气体扩散层置于有惰性气体保护的烧结炉中，于240-400℃烧结0.5-3h，降温后取出，完成低Pt载量气体扩散电极的制备。所述惰性气体为氮气、氦气、氩气等。
在实施例中，步骤S140包括：将高温质子交换膜浸入适当温度的掺杂酸溶液中1～24h，取出后去除表面多余的自由酸，完成酸掺杂的高温质子交换膜的制备，其中，适当的温度的范围为室温至140℃之间。所述掺杂酸为硫酸、磷酸、多聚磷酸、聚乙烯基磷酸中的一种或两种以上的混合酸；所述酸掺杂的温度为室温至140℃；所用掺杂酸水溶液的质量浓度为80-100wt.％。
在实施例中，步骤S150中的热压工艺为：温度100-200℃，压力0.1-5MPa，时间1-30min。
实施例1
在本实施例中，高温质子交换膜为聚苯并咪唑类薄膜，掺酸量为350wt.％，阴、阳极GDE采用Pt含量为60wt.% 的催化剂，以PTFE作为粘结剂，阴、阳极GDE的Pt载量分别为0.8mg/cm2和0.4mg/cm2。阳极内保护层3和阴极内保护层3’均为厚度为50μm的聚酰亚胺（PI）膜。
低Pt载量膜电极的制备方法：
步骤一 催化剂浆料的制备：称取60wt.%Pt/C催化剂粉末，在异丙醇溶剂中分散均匀，加入聚四氟乙烯（PTFE）作为粘结剂，催化剂与PTFE粘结剂的比例为1:0.2，超声分散30min制成分散均匀的催化剂浆料。
步骤二 气体扩散电极的涂覆：将制备好的催化剂浆料涂覆至气体扩散层上，阳极催化层载量0.4mg/cm2，阴极催化层载量为0.8mg/cm2。所述气体扩散层为多孔碳纤维纸或碳纤维布。
步骤三 气体扩散电极的烧结：将涂覆好的气体扩散电极置于有氮气保护的烧结炉中，于340℃烧结1h，降温后取出。
步骤四：高温质子交换膜的酸掺杂：将高温质子交换膜浸入135℃的85wt.%磷酸溶液中6h，取出后用刮刀去除表面多余的自由酸。通过称重法确定质子交换膜中磷酸掺杂量为330wt.%。之后再次放入磷酸溶液中并取出，用刮刀去除表面多余的自由酸，控制高温质子交换膜双面磷酸层厚度均为20μm。
步骤五 膜电极的组装：将阴极气体扩散电极（1’+2’）、阴极保护层3’、酸掺杂的高温质子交换膜5、阳极保护层3和阳极气体扩散电极（1+2）依次叠合，置于石墨夹具中，再放置到热压机中，温度150℃，压力3MPa保持10min。
实施例2
一种低Pt载量膜电极，其组成结构同实施例1。其中高温质子交换膜为聚苯并咪唑类薄膜，掺酸量为350wt.％，阴、阳极GDE均采用Pt含量为60wt.% 的催化剂，以PTFE和PBI的混合物作为粘结剂，阴、阳极GDE的Pt载量分别为0.8 mg/cm2和0.4mg/cm2。阳极内保护层3和阴极内保护层3’均为厚度为50μm的PI膜。
低Pt载量膜电极的制备方法如下：
步骤一 催化剂浆料的制备：称取适量60wt.%Pt/C催化剂粉末，在异丙醇溶剂中分散均匀，加入PTFE和PBI原液作为粘结剂，催化剂：PTFE：PBI=1:0.15:0.05，超声分散30min制成分散均匀的催化剂浆料。
步骤二 气体扩散电极的涂覆：同实施例1。
步骤三 气体扩散电极的烧结：将涂覆好的阴、阳极气体扩散电极置于氮气保护的烧结炉中，于340℃烧结1h，降温后取出。阳极催化层的Pt载量0.4mg/cm2，阴极催化层的Pt载量为0.8mg/cm2。
步骤四：高温质子交换膜的酸掺杂：同实施例1。
步骤五 膜电极的组装：同实施例1。
对比例1
一种高温质子交换膜燃料电池膜电极，其组成结构同实施例1。其中高温质子交换膜为聚苯并咪唑类薄膜，掺酸量为350wt.％，阴、阳极GDE均采用Pt含量为40wt.% 的催化剂，以PTFE作为粘结剂，阴、阳极GDE的Pt载量分别为0.8 mg/cm2和0.4mg/cm2。阳极内保护层3和阴极内保护层3’均为厚度为50μm的PI膜。
高温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法如下：
步骤一 催化剂浆料的制备：称取适量40wt.%Pt/C催化剂粉末，在异丙醇溶剂中分散均匀，加入PTFE作为粘结剂，催化剂与粘结剂的比例为1:0.2，超声分散30min制成分散均匀的催化剂浆料。
步骤二 气体扩散电极的涂覆：同实施例1。
步骤三 气体扩散电极的烧结：将涂覆好的阴极气体扩散电极1’、阳极气体扩散电极1置于氮气保护的烧结炉中，于340℃烧结1h，降温后取出。阳极催化层的Pt载量0.4mg/cm2，阴极催化层的Pt载量为0.8mg/cm2。
步骤四：高温质子交换膜的酸掺杂：同实施例1。
步骤五 膜电极的组装：同实施例1。
对比例2
一种高温质子交换膜燃料电池膜电极，其组成结构同实施例1。其中高温质子交换膜为聚苯并咪唑类薄膜，掺酸量为350wt.％，阴、阳极GDE均采用Pt含量为40wt.% 的催化剂，以PTFE作为粘结剂，阴、阳极GDE的Pt载量分别为1.2mg/cm2和0.8mg/cm2。阳极内保护层3和阴极内保护层3’均为厚度为50μm的PI膜。
高温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法如下：
步骤一 催化剂浆料的制备：称取适量40wt.%Pt/C催化剂粉末，在异丙醇溶剂中分散均匀，加入PTFE作为粘结剂，催化剂与PTFE的比例为1:0.2，超声分散30min制成分散均匀的催化剂浆料。
步骤二 气体扩散电极的涂覆：同实施例1。
步骤三 气体扩散电极的烧结：将涂覆好的阴极气体扩散电极1’、阳极气体扩散电极1置于氮气保护的烧结炉中，于340℃烧结1h，降温后取出。阳极Pt载量0.8mg/cm2，阴极Pt载量为1.2mg/cm2。
步骤四：高温质子交换膜的酸掺杂：同实施例1。
步骤五 膜电极的组装：同实施例1。
由图3可以看出，本实用新型所述低Pt载量膜电极（实施例1和实施例2）与传统方法制备的高温质子交换膜燃料电池膜电极（对比例1和对比例2）相比，在较大电流放电（≥0.6A/cm2）时表现出相当的性能（电压与功率密度相当），说明通过选用合适Pt含量的催化剂，优化合适厚度的催化层，构建合适比例的气体和液体传输通道有利于降低高温燃料电池的传质极化，在保证性能的前提下有效降低高温燃料电池膜电极中的Pt载量。其中实施例1采用PTFE作为粘结剂，经烧结后形成疏水通道，实施例2采用PTFE和PBI的混合液作为粘结剂，经烧结后形成更多的亲水通道，由于在HT-PEMFC的工作温度下，反应产物水为气态，不存在“水淹”现象，更多的亲水通道更有利于产物的排出，降低大电流放电时（（≥0.6A/cm2））的传质极化，提高电池性能。
综上所述，本实用新型提供了一种低Pt载量膜电极。其中，低Pt载量膜电极包括：低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极；所述低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极依次叠合。通过采用低Pt载量催化剂层，不仅降低了Pt载量，同时降低了催化层的厚度，使其在不影响氢气和氧气传输及质子迁移率的同时，提供足够的催化活性位，满足燃料电池的使用。
以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种低Pt载量膜电极，其特征在于，包括：
低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极；
所述低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极依次叠合；
所述低Pt载量阳极气体扩散电极由阳极气体扩散层和低Pt载量阳极催化层组成，所述低Pt载量阴极气体扩散电极由阴极气体扩散层和低Pt载量阴极催化层组成，所述低Pt载量阳极气体扩散电极以及所述低Pt载量阴极气体扩散电极与酸掺杂的所述高温质子交换膜叠合时，低Pt载量阳极催化层和低Pt载量阴极催化层分别与质子交换膜相接触；
所述低Pt载量气体扩散电极由催化剂浆料涂覆在所述阳极气体扩散层以及所述阴极气体扩散层后经干燥和烧结形成。
2.如权利要求1所述的低Pt载量膜电极，其特征在于，
所述高温质子交换膜为酸掺杂的聚苯并咪唑及其衍生物、聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮、聚苯并咪唑/聚醚醚酮复合膜、聚苯并咪唑/磺化聚醚醚酮复合膜、聚苯并咪唑/聚酰亚胺复合膜中的任意一种。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110247089A (zh) * 2019-07-10 2019-09-17 浙江博氢新能源有限公司 低Pt载量膜电极及其制备方法

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