RU2392698C1 - Method of manufacturing of membrane-electrode unit with bifunctional electrocatalytic layers - Google Patents
Method of manufacturing of membrane-electrode unit with bifunctional electrocatalytic layers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2392698C1 RU2392698C1 RU2009113485/09A RU2009113485A RU2392698C1 RU 2392698 C1 RU2392698 C1 RU 2392698C1 RU 2009113485/09 A RU2009113485/09 A RU 2009113485/09A RU 2009113485 A RU2009113485 A RU 2009113485A RU 2392698 C1 RU2392698 C1 RU 2392698C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- electrocatalytic
- proton
- exchange polymer
- membrane
- Prior art date
Links
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
Description
Изобретение относится к каталитической химии, а именно к способам изготовления мембранно-электродных блоков (МЭБ) с бифункциональными электрокаталитическими слоями на основе металлов платиновой группы, предназначенных для использования в обратимых (регенеративных) топливных элементах с твердым полимерным электролитом (ТПЭ). Обратимые топливные элементы могут работать как в режиме электролизера, так и топливного элемента.The invention relates to catalytic chemistry, and in particular to methods of manufacturing membrane electrode blocks (OIE) with bifunctional electrocatalytic layers based on platinum group metals, intended for use in reversible (regenerative) fuel cells with a solid polymer electrolyte (TPE). Reversible fuel cells can operate both in the cell mode and in the fuel cell.
В качестве электрокатализатора кислородного и водородного электродов топливного элемента используют платину на углеродном носителе (патент США №6344428. «Method of forming catalyst layer for fuel cell», опубл. 05.02.2002 г.). Однако в обратимом топливном элементе указанный катализатор не пригоден, т.к. в режиме электролиза происходит окисление углеродного носителя, тем самым нарушается контакт между частицами катализатора и существенно растет напряжение. Кроме того, платина не является оптимальным анодным электрокатализатором электролизера в силу относительно высокого потенциала для образования кислорода, что приводит к дополнительному росту напряжения в режиме электролизера.As an electrocatalyst for oxygen and hydrogen electrodes of a fuel cell, carbon-supported platinum is used (US Pat. No. 6,344,428. Method of forming catalyst layer for fuel cell, published 05.02.2002). However, in a reversible fuel cell, said catalyst is not suitable, because in the electrolysis mode, the carbon carrier is oxidized, thereby the contact between the catalyst particles is broken and the voltage rises significantly. In addition, platinum is not an optimal anode electrocatalyst of the electrolyzer due to the relatively high potential for oxygen formation, which leads to an additional increase in voltage in the electrolyzer mode.
Обратимые топливные элементы могут иметь как химически обратимые кислородные и водородные электроды (схема 1), так и бифункциональные электроды, которые не меняют своей окислительной или восстановительной функции при переключении режимов работы (схема 2).Reversible fuel cells can have both chemically reversible oxygen and hydrogen electrodes (Scheme 1), and bifunctional electrodes that do not change their oxidizing or reducing function when switching operating modes (Scheme 2).
В первом случае при смене режима работы обратимого топливного элемента газы, вырабатываемые или потребляемые в результате электрохимической реакции на данном электроде, остаются прежними. Например, электрод, на котором происходило выделение кислорода в режиме электролизера, также используется для восстановления кислорода в режиме топливного элемента. Однако полностью обратимого кислородного электрода не существует. Оптимальные с точки зрения топливного элемента гидрофобные электрокаталитические слои на основе платины на углеродном носителе не являются оптимальными с точки зрения электролиза, где требуются гидрофильные материалы и катализатор на основе Ir и/или Ru на аноде (и наоборот). Кроме того, при использовании такой схемы неизбежно возникают сложности, связанные с коррозией и затоплением кислородного электрода. В частности, оптимальный с точки зрения водного баланса в режиме топливного элемента углеродный газодиффузионный электрод с гидрофобным микропористым покрытием не может быть применен в силу его быстрой коррозии под действием кислорода и его радикалов, выделяющихся в режиме электролиза.In the first case, when changing the operating mode of a reversible fuel cell, the gases produced or consumed as a result of the electrochemical reaction on this electrode remain the same. For example, the electrode on which oxygen was released in the electrolyzer mode is also used to restore oxygen in the fuel cell mode. However, a fully reversible oxygen electrode does not exist. Optimal from the point of view of a fuel cell, hydrophobic platinum-based electrocatalytic layers on a carbon support are not optimal from the point of view of electrolysis, where hydrophilic materials and an Ir and / or Ru-based catalyst on the anode are required (and vice versa). In addition, when using such a scheme, inevitably, difficulties arise associated with corrosion and flooding of the oxygen electrode. In particular, a carbon gas-diffusion electrode with a hydrophobic microporous coating that is optimal from the point of view of the water balance in the fuel cell mode cannot be applied due to its rapid corrosion by oxygen and its radicals released in the electrolysis mode.
Схема 2 построения обратимой ячейки, т.е. когда на аноде проводятся процессы окисления водорода/выделения кислорода, на катоде - восстановления кислорода/выделения водорода, требует применения бифункциональных электрокаталитических слоев (электродов) и допускает применение традиционных для систем с твердым полимерным электролитом материалов газодиффузионного электрода: пористого титана на аноде и пористого углеродного материала на катоде. Кроме того, при такой схеме для реакции электровосстановления кислорода (лимитирующая реакция в режиме топливного элемента) возможно применение гидрофобного платинового электрокатализатора на углеродном носителе (имеющего более развитую площадь поверхности и меньший расход платины), что неприемлемо при использовании первой схемы. Обратимый топливный элемент по схеме 2 более перспективен, однако эффективного мембранно-электродного блока для него не создано.Scheme 2 of constructing a reversible cell, i.e. when hydrogen oxidation / oxygen evolution processes are carried out at the anode, oxygen reduction / hydrogen evolution is performed at the cathode, it requires the use of bifunctional electrocatalytic layers (electrodes) and allows the use of gas diffusion electrode materials traditional for systems with solid polymer electrolyte: porous titanium on the anode and porous carbon material at the cathode. In addition, with such a scheme for the oxygen electroreduction reaction (limiting reaction in the fuel cell mode), it is possible to use a hydrophobic platinum electrocatalyst on a carbon support (having a more developed surface area and lower platinum consumption), which is unacceptable when using the first scheme. A reversible fuel cell according to Scheme 2 is more promising, but an effective membrane-electrode block has not been created for it.
Известны различные способы изготовления бифункциональных электрокаталитических слоев для обратимого топливного элемента.Various methods are known for manufacturing bifunctional electrocatalytic layers for a reversible fuel cell.
В работе «Optimization of bifunctional electrocatalyst for PEM unitized regenerative fuel cell», Sung-Dae Yim, Won-Yong Lee и др., Electrochimica Acta 50 (2004), 713-718, в качестве электрокатализатора для обратимого топливного элемента на водородном электроде предлагается Pt чернь в количестве 4,0 мг/см2, на кислородном электроде - композиция Pt-Ir (химически нанесенный Ir на Pt в соотношении 50:50 мас.%) с расходом 4,0 мг/см2. В качестве газодиффузионных электродов используется углеродная бумага.Optimization of bifunctional electrocatalyst for PEM unitized regenerative fuel cell, Sung-Dae Yim, Won-Yong Lee et al., Electrochimica Acta 50 (2004), 713-718, proposes as an electrocatalyst for a reversible hydrogen cell fuel cell Pt black in an amount of 4.0 mg / cm 2 , on the oxygen electrode - composition Pt-Ir (chemically deposited Ir on Pt in a ratio of 50:50 wt.%) With a flow rate of 4.0 mg / cm 2 . Carbon paper is used as gas diffusion electrodes.
Недостатком этого электрокатализатора и мембранно-электродного блока на его основе является низкая удельная активная поверхность Pt черни и Pt-Ir композиции (для обоих катализаторов она одинакова и составляет SБЭТ=27 м2/г) и как следствие достаточно высокий расход металлов платиновой группы - 4,0 мг/см2, кроме того электрокатализатор не обеспечивает эффективную работу по схеме 2, т.к. Ir не является оптимальным катализатором для окисления водорода.The disadvantage of this electrocatalyst and the membrane-electrode block based on it is the low specific active surface of the Pt black and Pt-Ir composition (for both catalysts it is the same and amounts to S BET = 27 m 2 / g) and, as a consequence, a rather high consumption of platinum group metals - 4.0 mg / cm 2 , in addition, the electrocatalyst does not provide efficient operation according to scheme 2, because Ir is not an optimal catalyst for the oxidation of hydrogen.
Известен способ изготовления мембранно-электродного блока с бифункциональнами электрокаталитическими слоями - прототип (патент США №6838205. «Bifunctional catalytic electrode», опубл. 10.04.2003). Способ изготовления заключается в нанесении на протонно-обменную полимерную мембрану обратимого топливного элемента в качестве электрокаталитического слоя одного электрода смеси IrO2-RuO2 с содержанием RuO2 5-85 мол.%, а в качестве электрокаталитического слоя второго электрода смеси Pt черни и твердого раствора RuO2-IrO2 (1:1 мол.%), содержание Pt черни составляет 40-70 вес.%, RuO2-IrO2 - 60-30 вес.%, оптимальное соотношение 60 вес.% Pt и 40 вес.% RuO2-IrO2. Плотность нанесения электрокатализатора 4 мг/см2. В состав электрокаталитических слоев входит протонно-обменный полимер в количестве 30-60 об.%. После нанесения электрокаталитического слоя на мембрану полученный мембранно-электродный блок сушат в электрической печи при 150°С с продувкой азотом.A known method of manufacturing a membrane-electrode unit with bifunctional electrocatalytic layers is a prototype (US patent No. 6838205. "Bifunctional catalytic electrode", publ. 10.04.2003). The manufacturing method consists in applying a reversible fuel cell to the proton-exchange polymer membrane as an electrocatalytic layer of one electrode of an IrO 2 -RuO 2 mixture with a content of RuO 2 of 5-85 mol%, and as an electrocatalytic layer of a second electrode of a mixture of Pt black and solid solution RuO 2 -IrO 2 (1: 1 mol.%), The content of Pt black is 40-70 wt.%, RuO 2 -IrO 2 - 60-30 wt.%, The optimal ratio of 60 wt.% Pt and 40 wt.% RuO 2 -IrO 2 . The deposition density of the electrocatalyst 4 mg / cm 2 . The composition of the electrocatalytic layers includes a proton-exchange polymer in an amount of 30-60 vol.%. After applying the electrocatalytic layer to the membrane, the resulting membrane-electrode block is dried in an electric oven at 150 ° C with a nitrogen purge.
Газодиффузионные электроды изготавливают из тонких листов металла (титана, циркония, гафния, ниобия, алюминия, меди, никеля) или металлических сеток или тонких металлических войлоков. Для предотвращения образования окисной пленки на них наносят слой благородного металла или изготавливают из стойких к окислению сплавов, нержавеющей стали. Для придания гидрофобных свойств на поверхности электрода создают чередующиеся гидрофобные и гидрофильные зоны в масштабе от микрона до приблизительно одного миллиметра (обработкой поверхности электрода раствором перфторуглерода).Gas diffusion electrodes are made of thin sheets of metal (titanium, zirconium, hafnium, niobium, aluminum, copper, nickel) or metal grids or thin metal felts. To prevent the formation of an oxide film, a layer of noble metal is applied to them or made of oxidation-resistant alloys, stainless steel. To impart hydrophobic properties, alternating hydrophobic and hydrophilic zones are created on the electrode surface on a scale from micron to about one millimeter (by treating the electrode surface with a perfluorocarbon solution).
Недостатком прототипа является высокий расход металлов платиновой группы, отсутствие равномерной гидрофобизации газодиффузионного электрода топливного элемента, кроме того, низкая эффективность работы электрода по схеме 2, относительно низкое напряжение в режиме топливного элемента и недостаточная стабильность работы при многократном переключении режима работы.The disadvantage of the prototype is the high consumption of platinum group metals, the lack of uniform hydrophobization of the gas diffusion electrode of the fuel cell, in addition, the low efficiency of the electrode according to scheme 2, the relatively low voltage in the fuel cell mode and insufficient stability when switching the operating mode repeatedly.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является снижение расхода металлов платиновой группы, повышение напряжения в режиме топливного элемента, снижение напряжения в режиме электролиза, повышение стабильности обратимого топливного элемента.The technical result to which the invention is directed is to reduce the consumption of platinum group metals, increase the voltage in the fuel cell mode, reduce the voltage in the electrolysis mode, increase the stability of the reversible fuel cell.
Для этого предложен способ изготовления мембранно-электродного блока с бифункциональными электрокаталитическими слоями для обратимого топливного элемента, заключающийся в послойном нанесении на мембрану электрокаталитических слоев на основе металлов платиновой группы и протонно-обменного полимера, газодиффузионных электродов и горячем прессовании указанных слоев, при этом наносят со стороны анода двух- или трехслойный электрокаталитический слой на основе иридия и платины и протонно-обменного полимера и газодиффузионный электрод из пористого титана, а со стороны катода двухслойный электрокаталитический слой, состоящий из Pt на углеродном носителе с различным содержанием фторопласта и протонно-обменного полимера, и газодиффузионный электрод на основе пористого углеродного материала.To this end, a method for manufacturing a membrane-electrode block with bifunctional electrocatalytic layers for a reversible fuel cell is proposed, which consists in layer-by-layer deposition of electrocatalytic layers on the membrane based on platinum group metals and proton-exchange polymer, gas diffusion electrodes and hot pressing of said layers, while applied from the side anode a two- or three-layer electrocatalytic layer based on iridium and platinum and a proton-exchange polymer and a gas diffusion electrode made of porous titanium, and on the cathode side a two-layer electrocatalytic layer consisting of Pt on a carbon carrier with different contents of fluoroplastic and proton-exchange polymer, and a gas diffusion electrode based on porous carbon material.
При этом электрокаталитический слой анода содержит: в первом слое, нанесенном на мембрану, - иридий и платину в количестве от 0 до 10% Pt по отношению к Ir, во втором слое - иридий и платину в количестве от 95 до 100% Pt по отношению к Ir.The electrocatalytic layer of the anode contains: in the first layer deposited on the membrane, iridium and platinum in an amount of from 0 to 10% Pt with respect to Ir, in the second layer - iridium and platinum in an amount of from 95 to 100% Pt with respect to Ir.
При этом наносят со стороны анода между первым и вторым слоем промежуточный электрокаталитический слой из Pt-Ir при соотношении Pt:Ir=50:50 мол.%.In this case, an intermediate electrocatalytic layer of Pt-Ir is applied from the side of the anode between the first and second layer at a ratio of Pt: Ir = 50: 50 mol%.
При этом электрокаталитический слой анода содержит Ir-содержащие оксиды: IrO2, или твердые растворы IrO2-RuO2, или IrO2-RuO2-SnO2, в количестве 0,5-2,0 мг/см2 и Pt в количестве 0,5-1,5 мг/см2.The electrocatalytic layer of the anode contains Ir-containing oxides: IrO 2 , or solid solutions IrO 2 -RuO 2 , or IrO 2 -RuO 2 -SnO 2 , in an amount of 0.5-2.0 mg / cm 2 and Pt in an amount 0.5-1.5 mg / cm 2 .
При этом содержание Pt в электрокаталитическом слое катода составляет 0,5-0,8 мг/см2, в первом слое - 0,2-0,3 мг Pt/см2, содержание фторопласта 3-5% массы электрокаталитического слоя, во втором слое - 0,3-0,5 мг Pt/см2, содержание фторопласта 10-12% массы электрокаталитического слоя.The Pt content in the electrocatalytic layer of the cathode is 0.5-0.8 mg / cm 2 , in the first layer 0.2-0.3 mg Pt / cm 2 , the fluoroplastic content is 3-5% of the mass of the electrocatalytic layer, in the second layer - 0.3-0.5 mg Pt / cm 2 , the content of fluoroplastic 10-12% of the mass of the electrocatalytic layer.
При этом содержание протонно-обменного полимера со стороны катода составляет 15-20% от массы электрокаталитического слоя.The content of the proton-exchange polymer from the cathode side is 15-20% by weight of the electrocatalytic layer.
При этом содержание протонно-обменного полимера со стороны анода составляет 5-7% от массы электрокаталитического слоя.The content of the proton-exchange polymer from the anode side is 5-7% by weight of the electrocatalytic layer.
При этом в качестве углеродного материала используют углеродную бумагу, ткань, войлок.At the same time, carbon paper, fabric, and felt are used as the carbon material.
При этом горячее прессование проводят при температуре 120-125°C, давлении 50-60 кг/см2 в течение 5-10 минут.While hot pressing is carried out at a temperature of 120-125 ° C, a pressure of 50-60 kg / cm 2 for 5-10 minutes.
Известно, что наибольшая скорость процесса выделения кислорода наблюдается для иридиевых или иридийсодержащих электрокатализаторов, а процесса окисления водорода - для платины.It is known that the highest rate of oxygen evolution is observed for iridium or iridium-containing electrocatalysts, and hydrogen oxidation for platinum.
Технический результат обусловлен тем, что в случае окисления водорода зона протекания реакции локализуется в основном на поверхности электрокаталитического слоя, обращенного к газодиффузионному электроду. В случае выделения кислорода реакция протекает в основном в зоне электрокаталитического слоя у поверхности мембраны. В связи с этим предложен способ послойного нанесения электрокаталитических слоев Pt и Ir или Ir-содержащих оксидов, причем электрокаталитический слой, обращенный к мембране, имеет более высокое содержание Ir или его оксидов, что позволяет получить характеристики, не уступающие данным для реакции выделения кислорода на чистом иридии при электролизе. А слой, обращенный к газодиффузионному электроду, имеет более высокое содержание платины, что обеспечивает высокие характеристики в реакции окисления водорода в режиме топливного элемента.The technical result is due to the fact that in the case of hydrogen oxidation, the reaction zone is localized mainly on the surface of the electrocatalytic layer facing the gas diffusion electrode. In the case of oxygen evolution, the reaction proceeds mainly in the area of the electrocatalytic layer at the membrane surface. In this regard, a method is proposed for layer-by-layer deposition of electrocatalytic layers of Pt and Ir or Ir-containing oxides, the electrocatalytic layer facing the membrane having a higher content of Ir or its oxides, which allows one to obtain characteristics not inferior to those for the oxygen evolution reaction on pure iridium during electrolysis. And the layer facing the gas diffusion electrode has a higher platinum content, which provides high performance in the oxidation of hydrogen in the fuel cell mode.
На мембрану с одной стороны (катодная сторона) наносят послойно электрокатализатор Pt (40 мас.%) на углеродном носителе с различными степенями гидрофобности - вблизи мембраны плотность нанесения катализатора 0,2-0,3 мг Pt/см2 с гидрофобностью 3-5 мас.% фторопласта, затем 0,3-0,5 мг Pt/см2 с содержанием фторопласта 10-12 мас.%.On the one side of the membrane (cathode side), a Pt electrocatalyst (40 wt.%) Is applied in layers on a carbon support with various degrees of hydrophobicity - near the membrane, the deposition density of the catalyst is 0.2-0.3 mg Pt / cm 2 with a hydrophobicity of 3-5 wt. .% fluoroplastic, then 0.3-0.5 mg Pt / cm 2 with a fluoroplastic content of 10-12 wt.%.
При нанесении электрокатализатора в него добавляют 15-20 мас.% протонно-обменного полимера. Электрокатализатор наносят на протонно-обменную полимерную мембрану, например Nafion.When applying the electrocatalyst, 15-20 wt.% Proton-exchange polymer is added to it. The electrocatalyst is applied to a proton-exchange polymer membrane, for example Nafion.
На другую сторону мембраны (анод) наносят послойно Pt и Ir (или Ir-содержащие оксиды) с расходом каждого металла 0,5-2,0 мг/см2, причем слой Ir, расположенный вблизи мембраны, содержит от 0 до 10% Pt по отношению к Ir (или Ir-содержащим оксидам), а слой у поверхности газодиффузионного электрода содержит от 95 до 100% Pt по отношению к Ir или Ir-содержащим оксидам. В состав электрокаталитического слоя входит 5-7 мас.% протонно-обменного полимера.Pt and Ir (or Ir-containing oxides) are applied layerwise to the other side of the membrane (anode) with a flow rate of each metal of 0.5-2.0 mg / cm 2 , with the Ir layer located near the membrane containing from 0 to 10% Pt with respect to Ir (or Ir-containing oxides), and the layer at the surface of the gas diffusion electrode contains from 95 to 100% Pt with respect to Ir or Ir-containing oxides. The composition of the electrocatalytic layer includes 5-7 wt.% Proton-exchange polymer.
При этом в качестве анодного электрокатализатора вместо Ir можно использовать твердый раствор IrO2-RuO2-SnO2 с содержанием RuO2 от 1 до 30 мол.%, SnO2 от 1 до 40 мол.%.Thus as the anode electrocatalyst can be used instead of Ir solid solution of IrO 2 -RuO 2 -SnO 2 with RuO 2 content of 1 to 30 mol.%, SnO 2 of from 1 to 40 mol.%.
Замена Ir на Ir-содержащие оксиды позволяет увеличить удельную активную поверхность электрокатализатора и снизить расход металлов платиновой группы.Replacing Ir with Ir-containing oxides can increase the specific active surface of the electrocatalyst and reduce the consumption of platinum group metals.
В качестве газодиффузионных электродов используют: с анодной стороны - пластину из пористого титана, с катодной стороны - пористый углеродный материал.The following are used as gas diffusion electrodes: on the anode side, a plate of porous titanium, and on the cathode side, a porous carbon material.
Испытания МЭБ проводились в составе обратимого элемента с ТПЭ при следующих условиях:OIE tests were carried out as part of a reversible element with TPE under the following conditions:
в режиме топливного элемента - при температуре 80°C, давлении водорода 2,8 атм, давлении кислорода 3,0 атм, температуре увлажнения водорода 85°C, расходы H2 и O2 - 160 мл/мин,in the fuel cell mode - at a temperature of 80 ° C, a hydrogen pressure of 2.8 atm, an oxygen pressure of 3.0 atm, a humidification temperature of hydrogen of 85 ° C, H 2 and O 2 flow rates of 160 ml / min,
в режиме электролизера - при температуре 90°C и атмосферном давлении газов.in electrolyzer mode - at a temperature of 90 ° C and atmospheric pressure of gases.
Площадь рабочей поверхности электродов 7 см2. Мембрана Nation 115.The area of the working surface of the electrodes is 7 cm 2 . Membrane Nation 115.
Пример 1 (прототип)Example 1 (prototype)
Изготовление первого электродаProduction of the first electrode
По методике, указанной в прототипе, на мембрану Nafion наносят электрокаталитический слой, содержащий 21 мг IrO2 и 7 мг RuO2 (из расчета 60 мол.% IrO2 и 40 мол.% RuO2) и 1,5 мг протонно-обменного полимера Nafion.According to the methodology described in the prototype, an electrocatalytic layer containing 21 mg of IrO 2 and 7 mg of RuO 2 (based on 60 mol.% IrO 2 and 40 mol.% RuO 2 ) and 1.5 mg of proton-exchange polymer is applied to the Nafion membrane Nafion.
Изготовление второго электродаMaking the second electrode
На другую сторону мембраны Nafion наносят электрокаталитический слой, содержащий 17 мг Pt, 11 мг твердого раствора RuO2-IrO2 (1:1 мол.%), синтезированного по методу Адамса (из расчета 60 вес.% Pt черни и 40 вес.% оксидов) и 1,5 мг протонно-обменного полимера Nafion.On the other side of the Nafion membrane, an electrocatalytic layer is applied containing 17 mg of Pt, 11 mg of a solid solution of RuO 2 -IrO 2 (1: 1 mol.%), Synthesized by the Adams method (based on 60 wt.% Pt black and 40 wt.% oxides) and 1.5 mg of the Nafion proton-exchange polymer.
Электрокаталитические слои сушат в электрической печи при температуре 150°C при продувке азотом.The electrocatalytic layers are dried in an electric oven at a temperature of 150 ° C with a nitrogen purge.
Удельная поверхность Pt SБЭТ=28 м2/г, твердого раствора RuO2-IrO2 (1:1 мол.%) SБЭТ=37 м2/г, IrO2 SБЭТ=35 м2/г, RuO2 SБЭТ=41 м2/г.Specific surface area of Pt S BET = 28 m 2 / g, solid solution of RuO 2 -IrO 2 (1: 1 mol%) S BET = 37 m 2 / g, IrO 2 S BET = 35 m 2 / g, RuO 2 S BET = 41 m 2 / g.
Испытания изготовленного МЭБ в составе ячейки обратимого топливного элемента показали следующие результаты: при плотности тока 1 A/см2 напряжение в режиме электролиза составило 1,72 B, в режиме топливного элемента при 1 A/см2 - 0,62 B. При 30-кратном переключении процессов электролиза-генерации тока снижение характеристик составило 7%.Tests of the OIE made as part of a cell of a reversible fuel cell showed the following results: at a current density of 1 A / cm 2 the voltage in the electrolysis mode was 1.72 V, in the fuel cell mode at 1 A / cm 2 it was 0.62 V. At 30- multiple switching of the processes of electrolysis-current generation, the decrease in characteristics was 7%.
Пример 2Example 2
Процесс аналогичен приведенному в примере 1 и отличается тем, что при изготовлении первого электрода вместо 21 мг IrO2 и 1,5 мг протонно-обменного полимера наносят 7 мг IrO2 и 0,7 мг протонно-обменного полимера, при изготовлении второго электрода вместо 17 мг Pt, 11 мг твердого раствора RuO2-IrO2 и 4 мг протонно-обменного полимера наносят 2,5 мг Pt, 2,5 мг твердого раствора RuO2-IrO2 и 0,3 мг протонно-обменного полимера.The process is similar to that in Example 1 and differs in that in the manufacture of the first electrode, instead of 21 mg of IrO 2 and 1.5 mg of the proton exchange polymer, 7 mg of IrO 2 and 0.7 mg of the proton exchange polymer are applied, while the manufacture of the second electrode instead of 17 mg of Pt, 11 mg of a solid solution of RuO 2 -IrO 2 and 4 mg of a proton-exchange polymer cause 2.5 mg of Pt, 2.5 mg of a solid solution of RuO 2 -IrO 2 and 0.3 mg of a proton-exchange polymer.
Испытания изготовленного МЭБ в составе ячейки обратимого топливного элемента показали следующие результаты: при плотности тока 1 A/см2 напряжение в режиме электролиза составило 1,82 B, в режиме топливного элемента при 1 A/см2 - 0,52 B. При 30- кратном переключении процессов электролиза-генерации тока снижение характеристик составило 11%.Tests of the OIE made as part of a cell of a reversible fuel cell showed the following results: at a current density of 1 A / cm 2, the voltage in the electrolysis mode was 1.82 V, in the fuel cell mode at 1 A / cm 2 it was 0.52 V. At 30- multiple switching of the processes of electrolysis-current generation, the decrease in characteristics was 11%.
Примеры 3-8 осуществления заявленного изобретенияExamples 3-8 of the claimed invention
Пример 3Example 3
Изготовление анодаAnode fabrication
В стеклянный бюкс объемом 30 мл помещают 7 мг Ir черни, добавляют 0,35 мг протонно-обменного полимера Nafion (5 мас.%) и 10 мл изопропилового спирта. Смесь перемешивают ультразвуковым диспергатором в течение 5 минут и наносят на мембрану с помощью аэрографа. Электрокаталитический слой сушат на воздухе при 25°C. Аналогично готовят электрокаталитический слой Pt и напыляют на электрокаталитический слой Ir.In a 30 ml glass bottle, 7 mg of Ir mobile is placed, 0.35 mg of the Nafion proton exchange polymer (5 wt.%) And 10 ml of isopropyl alcohol are added. The mixture is mixed with an ultrasonic dispersant for 5 minutes and applied to the membrane using an airbrush. The electrocatalytic layer is dried in air at 25 ° C. Similarly, an electrocatalytic layer of Pt is prepared and sprayed onto the electrocatalytic layer of Ir.
Изготовление катодаCathode fabrication
В стеклянный бюкс объемом 30 мл помещают 12,6 мг электрокатализатора Pt (40 мас.%) на саже Vulcan XC-72, гидрофобизированного 10 мас.% фторопласта Ф-4, добавляют 1,9 мг протонно-обменного полимера Nafion (15 мас.%) и 10 мл изопропилового спирта. Смесь перемешивают ультразвуковым диспергатором в течение 5 минут и наносят на другую сторону мембраны с помощью аэрографа.12.6 mg of Pt electrocatalyst (40 wt.%) Was placed in a 30 ml glass bottle on Vulcan XC-72 soot, hydrophobized with 10 wt.% F-4 fluoroplastic, 1.9 mg of Nafion proton-exchange polymer (15 wt. %) and 10 ml of isopropyl alcohol. The mixture is mixed with an ultrasonic dispersant for 5 minutes and applied to the other side of the membrane using an airbrush.
В качестве газодиффузионных электродов со стороны анода использовалась пластина из пористого титана, со стороны катода - углеродная бумага марки Sigracet 10bb.A porous titanium plate was used as gas diffusion electrodes on the anode side, and Sigracet 10bb carbon paper was used on the cathode side.
Формирование МЭБ осуществляют методом горячего прессования твердополимерной мембраны с нанесенными на обе ее стороны электрокаталитическими композициями и газодиффузионных электродов при температуре 120°С и давление 50 кг/см2 в течение 5 минут.The OIE is formed by hot pressing a solid polymer membrane with electrocatalytic compositions and gas diffusion electrodes deposited on both sides at a temperature of 120 ° C and a pressure of 50 kg / cm 2 for 5 minutes.
Удельная поверхность Pt 40/Vulcan XC-72 SБЭТ=52 м2/г.Specific surface area Pt 40 / Vulcan XC-72 S BET = 52 m 2 / g.
Испытания изготовленного МЭБ в составе ячейки обратимого топливного элемента показали следующие результаты: при плотности тока 1 А/см2 напряжение в режиме электролиза составило 1,70 В, в режиме топливного элемента при 1 А/см2 - 0,60 В. При 30-кратном переключении процессов электролиза-генерации тока снижение характеристик составило 3,0%.Tests made by the OIE in the composition of the cell of a reversible fuel cell showed the following results: at a current density of 1 A / cm 2 the voltage in the electrolysis mode was 1.70 V, in the fuel cell mode at 1 A / cm 2 - 0.60 V. At 30- multiple switching of the processes of electrolysis-current generation, the decrease in characteristics was 3.0%.
Пример 4Example 4
Процесс аналогичен приведенному в примере 3 и отличается тем, что вместо 7 мг Ir на анод наносят 7 мг IrO2. Удельная поверхность IrO2 SБЭТ=35 м2/г.The process is similar to that in Example 3 and differs in that instead of 7 mg Ir, 7 mg IrO 2 is applied to the anode. The specific surface of IrO 2 S BET = 35 m 2 / g.
При плотности тока 1 A/см2 напряжение в режиме электролиза составило 1,68 B, в режиме топливного элемента при 1 A/см2 - 0,660 B. При 30-кратном переключении процессов электролиза-генерации тока снижение характеристик составило 2,5%.At a current density of 1 A / cm 2, the voltage in the electrolysis mode was 1.68 V, in the fuel cell mode at 1 A / cm 2 it was 0.660 V. With a 30-fold switching of the electrolysis-current generation processes, the decrease in characteristics was 2.5%.
Пример 5Example 5
Процесс аналогичен приведенному в примере 3 и отличается тем, что вместо 7 мг IrO2 на анод наносят 7 мг твердого раствора IrO2-RuO2 (70:30 мол.%), синтезированному по методу Адамса. Удельная поверхность IrO2-RuO2 SБЭТ=62 м2/г.The process is similar to that in Example 3 and differs in that instead of 7 mg of IrO 2 , 7 mg of a solid solution of IrO 2 -RuO 2 (70:30 mol%) synthesized according to the Adams method is applied to the anode. The specific surface of IrO 2 -RuO 2 S BET = 62 m 2 / g
При плотности тока 1 A/см2 напряжение в режиме электролиза составило 1,67 B, в режиме топливного элемента при 1 A/см2 - 0,720 B. При 30-кратном переключении процессов электролиза-генерации тока снижение характеристик составило 2,5%.At a current density of 1 A / cm 2, the voltage in the electrolysis mode was 1.67 V, in the fuel cell mode at 1 A / cm 2 it was 0.720 V. With a 30-fold switching of current electrolysis-generation processes, the decrease in characteristics was 2.5%.
Пример 6Example 6
Процесс аналогичен приведенному в примере 3 и отличается тем, что вместо 7 мг IrO2 на анод наносят 7 мг твердого раствора IrO2-RuO2-SnO2 (30:30:40 мол.%), синтезированному по методу Адамса. Удельная поверхность IrO2-RuO2-SnO2 SБЭТ=62 м2/г.The process is similar to that in Example 3 and differs in that instead of 7 mg of IrO 2 , 7 mg of a solid solution of IrO 2 -RuO 2 -SnO 2 (30:30:40 mol%) synthesized by the Adams method is applied to the anode. Specific surface IrO 2 -RuO 2 -SnO 2 S BET = 62 m 2 / g.
При плотности тока 1 A/см2 напряжение в режиме электролиза составило 1,66 B, в режиме топливного элемента при 1 A/см2 - 0,750 B. При 30-кратном переключении процессов электролиза-генерации тока снижение характеристик составило 2,0%.At a current density of 1 A / cm 2, the voltage in the electrolysis mode was 1.66 V, in the fuel cell mode at 1 A / cm 2 it was 0.750 B. With a 30-fold switching of the current electrolysis-generation processes, the decrease in characteristics was 2.0%.
Пример 7Example 7
Процесс аналогичен приведенному в примере 3 и отличается тем, что вместо 12,6 мг электрокатализатора Pt (40 мас.%) на саже Vulcan ХС-72, гидрофобизированного 10 мас.% фторопласта с содержанием 1,9 мг протонно-обменного полимера Nafion (15 мас.%) на катод наносят 6,0 мг Pt (40 мас.%) на саже Vulcan ХС-72, гидрофобизированного 5 мас.% фторопласта с добавлением 0,9 мг протонно-обменного полимера, слой электрокатализатора сушат на воздухе, а затем наносят 6,6 мг Pt (40 мас.%) на саже Vulcan ХС-72, гидрофобизированного 10 мас.% фторопласта с добавлением 1,1 мг протонно-обменного полимера.The process is similar to that in Example 3 and differs in that instead of 12.6 mg of Pt electrocatalyst (40 wt.%) On soot Vulcan XC-72 hydrophobized with 10 wt.% Fluoroplastic containing 1.9 mg of the Nafion proton-exchange polymer (15 wt.%) 6.0 mg Pt (40 wt.%) is applied to the cathode on Vulcan XC-72 soot, hydrophobized with 5 wt.% fluoroplastic with the addition of 0.9 mg proton-exchange polymer, the electrocatalyst layer is dried in air, and then apply 6.6 mg of Pt (40 wt.%) on soot Vulcan XC-72, hydrophobized 10 wt.% fluoroplastic with the addition of 1.1 mg of proton-exchange polymer.
При плотности тока 1 A/см2 напряжение в режиме электролиза составило 1,65 B, в режиме топливного элемента при 1 A/см2 - 0,780 B. При 30-кратном переключении процессов электролиза-генерации тока снижение характеристик составило 2,0%.At a current density of 1 A / cm 2, the voltage in the electrolysis mode was 1.65 V, in the fuel cell mode at 1 A / cm 2 - 0.780 V. With a 30-fold switching of the processes of current electrolysis-generation, the decrease in characteristics was 2.0%.
Пример 8Example 8
Процесс аналогичен приведенному в примере 3 и отличается тем, что вместо 7 мг Ir и 7 мг Pt на анод наносят 3 слоя электрокатализатора: 1-й слой состоит из 4 мг Ir и 0,2 мг протонно-обменного полимера, 2-й слой - 6 мг твердого раствора Pt-Ir (соотношение Pt:Ir=50:50 мол.%) и 0,3 мг протонно-обменного полимера, 3-й слой - 4 мг Pt и 0,2 мг протонно-обменного полимера. Удельная поверхность Pt-Ir SБЭТ=30 м2/г.The process is similar to that in Example 3 and differs in that instead of 7 mg Ir and 7 mg Pt, 3 layers of electrocatalyst are applied to the anode: the 1st layer consists of 4 mg Ir and 0.2 mg of the proton-exchange polymer, the 2nd layer - 6 mg of a Pt-Ir solid solution (ratio of Pt: Ir = 50: 50 mol%) and 0.3 mg of a proton-exchange polymer, the third layer is 4 mg of Pt and 0.2 mg of a proton-exchange polymer. Specific surface area of Pt-Ir S BET = 30 m 2 / g.
При плотности тока 1 A/см2 напряжение в режиме электролиза составило 1,66 B, в режиме топливного элемента при 1 А/см2 - 0,780 B. При 30-кратном переключении процессов электролиза-генерации тока снижение характеристик составило 2,0%. Из примера 8 следует, что увеличение числа слоев электрокатализатора на аноде не приводит к улучшению характеристик работы обратимого топливного элемента.At a current density of 1 A / cm 2, the voltage in the electrolysis mode was 1.66 V, in the fuel cell mode at 1 A / cm 2 - 0.780 V. With a 30-fold switching of the current electrolysis-generation processes, the decrease in characteristics was 2.0%. From example 8 it follows that an increase in the number of layers of the electrocatalyst on the anode does not lead to an improvement in the performance of a reversible fuel cell.
Таким образом, данный способ изготовления МЭБ с бифункциональными электрокаталитическими слоями для обратимых топливных элементов позволит снизить расход металлов платиновой группы более чем в 2 раза, чем при использовании МЭБ прототипа, повысить напряжение в режиме топливного элемента на 150-160 мВ, снизить напряжение в режиме электролиза на 60-70 мВ, повысить стабильность работы обратимого топливного элемента - при переключении режимов работы снижение характеристик на 5-7% меньше.Thus, this method of manufacturing the OIE with bifunctional electrocatalytic layers for reversible fuel cells will reduce the consumption of platinum group metals by more than 2 times than when using the OIE prototype, increase the voltage in the fuel cell mode by 150-160 mV, reduce the voltage in the electrolysis mode by 60-70 mV, to increase the stability of the operation of a reversible fuel cell - when switching operating modes, the decrease in performance is 5-7% less.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009113485/09A RU2392698C1 (en) | 2009-04-13 | 2009-04-13 | Method of manufacturing of membrane-electrode unit with bifunctional electrocatalytic layers |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009113485/09A RU2392698C1 (en) | 2009-04-13 | 2009-04-13 | Method of manufacturing of membrane-electrode unit with bifunctional electrocatalytic layers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2392698C1 true RU2392698C1 (en) | 2010-06-20 |
Family
ID=42682924
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009113485/09A RU2392698C1 (en) | 2009-04-13 | 2009-04-13 | Method of manufacturing of membrane-electrode unit with bifunctional electrocatalytic layers |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2392698C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2603142C1 (en) * | 2015-12-18 | 2016-11-20 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Method of operating bifunctional electrochemical system and device therefor |
CN114606536A (en) * | 2022-03-18 | 2022-06-10 | 中国科学院长春应用化学研究所 | Preparation method of double-layer anode catalyst layer for hydrogen production by water electrolysis |
RU2805994C1 (en) * | 2023-02-22 | 2023-10-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method for manufacturing membrane-electrode block with solid polymer electrolyte |
-
2009
- 2009-04-13 RU RU2009113485/09A patent/RU2392698C1/en active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2603142C1 (en) * | 2015-12-18 | 2016-11-20 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Method of operating bifunctional electrochemical system and device therefor |
CN114606536A (en) * | 2022-03-18 | 2022-06-10 | 中国科学院长春应用化学研究所 | Preparation method of double-layer anode catalyst layer for hydrogen production by water electrolysis |
RU2805994C1 (en) * | 2023-02-22 | 2023-10-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method for manufacturing membrane-electrode block with solid polymer electrolyte |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101350865B1 (en) | Supported catalyst for fuel cell, method for preparing the same, electrode for fuel cell comprising the same, membrane electrode assembly comprising the electrode and fuel cell comprising the membrane electrode assembly | |
US8946116B2 (en) | Nanometer powder catalyst and its preparation method | |
RU2361327C2 (en) | Structure of gas-diffusion materials and method of making them | |
US20060099482A1 (en) | Fuel cell electrode | |
CA2353761A1 (en) | A membrane electrode unit for polymer electrolyte fuel cells and a process for the production thereof | |
Lee et al. | Multifunctional non-Pt ternary catalyst for the hydrogen oxidation and oxygen evolution reactions in reversal-tolerant anode | |
KR20080005451A (en) | Supports for fuel cell catalysts | |
JP5809274B2 (en) | Reversible fuel cell assembly | |
RU2414772C2 (en) | Structures for gas diffusion electrodes | |
JP5126812B2 (en) | Direct oxidation fuel cell | |
Borisov et al. | Alkaline water electrolysis facilitated via non-precious monometallic catalysts combined with highly KOH doped polybenzimidazole membrane | |
JP2004172107A (en) | Electrocatalyst for fuel cells and manufacturing method thereof | |
WO2005057698A1 (en) | Fuel cell | |
Yasutake et al. | Ru-core Ir-shell electrocatalysts deposited on a surface-modified Ti-based porous transport layer for polymer electrolyte membrane water electrolysis | |
JP2001118582A (en) | Electrode of fuel cell and method for manufacturing the same | |
JP4693442B2 (en) | Gas diffusion electrode, manufacturing method thereof, and electrode-electrolyte membrane laminate | |
RU2392698C1 (en) | Method of manufacturing of membrane-electrode unit with bifunctional electrocatalytic layers | |
JP2006134752A (en) | Solid polymer fuel cell and vehicle | |
KR20200047279A (en) | Oxygen electrode comprising a dual plating catalyst, water electrolysis device, regenerative fuel cell including the same and method for preparing the oxygen electrode | |
JP2007265936A (en) | Gas diffusion electrode and its manufacturing method, and fuel cell and electrolytic cell for sodium chloride using the gas diffusion electrode | |
CN115928140A (en) | Anode catalysis layer | |
KR20210027924A (en) | High efficiency unitized regenerative fuel cell based on polymer electrolyte membrane, method of operating the same, and method of manufacturing the same | |
US20160104895A1 (en) | Templated non-carbon metal oxide catalyst support | |
US20240295035A1 (en) | Electrolytic cell for polymer electrolyte membrane electrolysis and method for production thereof | |
JP2011238443A (en) | Fuel cell |