RU2563029C2 - Method of preparing membrane-electrode units - Google Patents

Method of preparing membrane-electrode units Download PDF

Info

Publication number
RU2563029C2
RU2563029C2 RU2013144989/07A RU2013144989A RU2563029C2 RU 2563029 C2 RU2563029 C2 RU 2563029C2 RU 2013144989/07 A RU2013144989/07 A RU 2013144989/07A RU 2013144989 A RU2013144989 A RU 2013144989A RU 2563029 C2 RU2563029 C2 RU 2563029C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
catalyst
carbon
porous material
membrane
content
Prior art date
Application number
RU2013144989/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013144989A (en
Inventor
Евгений Николаевич Грибов
Алексей Григорьевич Окунев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2013144989/07A priority Critical patent/RU2563029C2/en
Publication of RU2013144989A publication Critical patent/RU2013144989A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2563029C2 publication Critical patent/RU2563029C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to fuel cells, particularly a membrane-electrode unit for a solid-polymer fuel cell, as well as a method for preparation thereof and a composition. Described method of preparing a membrane-electrode unit is characterised by that the method comprises spraying catalytic inks on a cathode of a membrane-electrode unit using an air brush at high temperature, followed by pressing the membrane-electrode unit between teflon discs. The catalytic inks have the following composition: concentration of organic substance - not higher than 70 vol %; mass of Pt/C catalyst - 0.3-60 mg; content of Pt in the Pt/C catalyst - 10-60 wt %; content of ionomeric binder - 0.03-40 mg; content of porous material - not more than 20 mg.
EFFECT: preparation of efficient cathode electrodes with Pt/C catalysts and ultra-low platinum load for a solid-polymer fuel cell.
10 cl, 2 dwg, 8 ex

Description

Изобретение относится к области топливных элементов (ТЭ), в частности к мембран-электродному блоку (МЭБ) для твердополимерного топливного элемента (ТПТЭ), а также к способу его изготовления и составу.The invention relates to the field of fuel cells (TE), in particular to a membrane-electrode block (OIE) for a solid polymer fuel cell (TPTE), as well as to a method for its manufacture and composition.

На пористых электродах (анод и катод), содержащих катализаторы (в основном платиновые), закрепленных на протонпроводящей полимерной мембране, идут электрохимические реакции восстановления окислителя и окисления топлива. В результате чего энергия, запасенная в химических связях, переходит в электрическую, которая далее используется в качестве источника энергии. В качестве окислителя может использоваться кислород или воздух, а в качестве топлива может использоваться целый набор органических соединений, включающий в себя водород, метанол, этанол и др.On porous electrodes (anode and cathode) containing catalysts (mainly platinum), mounted on a proton-conducting polymer membrane, electrochemical reactions of oxidant reduction and fuel oxidation occur. As a result, the energy stored in chemical bonds goes into electrical energy, which is then used as an energy source. Oxygen or air can be used as an oxidizing agent, and a whole set of organic compounds can be used as fuel, including hydrogen, methanol, ethanol, etc.

Топливные элементы ТЭ являются наиболее эффективными преобразователями энергии химических связей непосредственно в электрическую. Распространение ТЭ сдерживается рядом факторов, среди которых ключевую роль играет высокое содержание платины в катализаторе, стоимость которой составляет до 30% от стоимости ТЭ.Fuel cells of fuel cells are the most effective converters of the energy of chemical bonds directly into electrical energy. The proliferation of fuel cells is constrained by a number of factors, among which the key is the high platinum content in the catalyst, the cost of which is up to 30% of the cost of fuel cells.

Эффективность ТЭ зависит от многих факторов. Прежде всего, от степени использования платины в катодном катализаторе, эффективности отвода продуктов реакции (вода) из реакционной зоны и подвода реагентов (топливо и окислитель) к активному компоненту по всему катодному электродному слою, степени прочности соединения электрода с мембраной, а также от эффективности протонного и электронного переноса по электродному слою.The effectiveness of a fuel cell depends on many factors. First of all, from the degree of use of platinum in the cathode catalyst, the efficiency of removal of reaction products (water) from the reaction zone and the supply of reagents (fuel and oxidizer) to the active component throughout the cathode electrode layer, the degree of bond strength of the electrode with the membrane, and also from the efficiency of the proton and electron transfer along the electrode layer.

В качестве катодных катализаторов наиболее эффективными являются высокопроцентные нанесенные платиновые катализаторы. Вследствие этого при снижении загрузки платины (с обычных 200 мкгPt/см2 до 2-10 мкгPt/см2) масса наносимого катализатора значительно снижается, что приводит к снижению толщины электродного слоя (с 10 до 2 мкм). Низкая толщина электродного слоя приводит к ухудшению отвода продуктов реакции (вода) из электродного слоя, в результате чего активный компонент либо не работает, либо работает нестабильно.As cathodic catalysts, the most effective are supported platinum supported catalysts. As a result, with a decrease in the loading of platinum (from ordinary 200 μg Pt / cm 2 to 2-10 μg Pt / cm 2 ), the weight of the deposited catalyst is significantly reduced, which leads to a decrease in the thickness of the electrode layer (from 10 to 2 μm). The low thickness of the electrode layer leads to a deterioration in the removal of reaction products (water) from the electrode layer, as a result of which the active component either does not work or is unstable.

Другой проблемой является ограниченная возможность использования платиновых катализаторов, нанесенных на другие типов углеродных носителей, например углерод-углеродных носителей типа Сибунит. Вследствие морфологических характеристик таких носителей адгезия получаемого электродного слоя к протонпроводящей полимерной мембране недостаточна и прочность такого соединения низка и не позволяет использовать данные катализаторы в реакции.Another problem is the limited ability to use platinum catalysts supported on other types of carbon carriers, for example carbon-carbon carriers of the Sibunit type. Due to the morphological characteristics of such carriers, the adhesion of the resulting electrode layer to the proton-conducting polymer membrane is insufficient and the strength of such a compound is low and does not allow the use of these catalysts in the reaction.

Для повышения эффективности МЭБ для ТЭ к электродному слою добавляют различные материалы в целях улучшения массопереноса по слою электрода.To increase the efficiency of the OIE for TE, various materials are added to the electrode layer in order to improve mass transfer along the electrode layer.

Известен (RU 2421849, H01M 4/88, 10.06.2011) способ изготовления каталитического материала для топливного элемента, который включает одновременное напыление графита и платины на подложку, снятие полученного композитного слоя с подложки в виде порошка, смешивание его с углеродными нанотрубками в массовом соотношении 1:(1-2), добавление к полученной твердой смеси изопропанола в количестве 0,1-0,3 мл на 1 мг твердой смеси и нафиона в количестве 1 мг на 2,3-4,0 мг твердой смеси и гомогенизирование полученного каталитического материала в ультразвуковой ванне. Недостатком этого способа является сложность приготовления и большой расход и потери дорогого платинового катализатора при напылении на подложку и последующем снятии композитного слоя в виде порошка.Known (RU 2421849, H01M 4/88, 06/10/2011) is a method of manufacturing a catalytic material for a fuel cell, which includes the simultaneous deposition of graphite and platinum on a substrate, removing the resulting composite layer from the substrate in the form of a powder, mixing it with carbon nanotubes in a mass ratio 1: (1-2), adding to the resulting solid mixture of isopropanol in an amount of 0.1-0.3 ml per 1 mg of the solid mixture and Nafion in the amount of 1 mg per 2.3-4.0 mg of the solid mixture and homogenizing the resulting catalytic material in an ultrasonic bath. The disadvantage of this method is the difficulty of preparation and the high consumption and loss of expensive platinum catalyst when spraying on a substrate and the subsequent removal of the composite layer in the form of a powder.

Известен (RU 2456717, H01M 4/88, 20.07.2012) способ формирования каталитического слоя твердополимерного топливного элемента, включающий обработку многостенных углеродных нанотрубок газовой плазмой в среде неорганического газа или смеси неорганических газов, с последующей их обработкой концентрированной азотной кислотой, промывкой и сушкой. Полученные многостенные углеродные нанотрубки с платинированной углеродной сажей, содержащей 20-40 мас.% платины, смешанные с изопропанолом и водным раствором нафиона, взятыми в определенном соотношении, обрабатывают ультразвуком в течение 30-60 мин и напыляют ее на нагретую до температуры 70-90°C протонпроводящую мембрану на основе перфторированного сульфополимера. Недостатком этого способа является невозможность использовать низкие загрузки платины вследствие уменьшения толщины электродного слоя.Known (RU 2456717, H01M 4/88, 20.07.2012) is a method of forming a catalytic layer of a solid polymer fuel cell, comprising treating multi-walled carbon nanotubes with a gas plasma in an inorganic gas or a mixture of inorganic gases, followed by their treatment with concentrated nitric acid, washing and drying. The obtained multi-walled carbon nanotubes with platinum carbon black containing 20-40 wt.% Platinum, mixed with isopropanol and an aqueous Nafion solution, taken in a certain ratio, are treated with ultrasound for 30-60 minutes and sprayed onto it heated to a temperature of 70-90 ° C proton-conducting membrane based on perfluorinated sulfopolymer. The disadvantage of this method is the inability to use low loading of platinum due to the reduction of the thickness of the electrode layer.

Известен (JP 2008311154, H01M 4/86, 25.12.2008)) способ повышения проводимости электродного слоя путем использования смеси Pt/C катализатора, углеродных волокон и проводящего полимера, имеющей высокую проводимость. Для повышения механической прочности МЭБ использовали смесь Pt/C катализатора и углеродных волокон с термореактивной смолой. Поскольку пустоты в слое катализатора сообщаются друг с другом путем запутывания углеродных волокон, слой катализатора имеет высокую способность к диффузии газа. Таким образом, проводимость, диффузия газа и механическая прочность слоя катализатора увеличены, такой слой может также рассматриваться как газодиффузионный, и отпадает необходимость использования отдельного газодиффузионного слоя. Недостатком этого способа является снижение протонной проводимости по слою.Known (JP 2008311154, H01M 4/86, 12/25/2008)) a method of increasing the conductivity of the electrode layer by using a mixture of Pt / C catalyst, carbon fibers and a conductive polymer having high conductivity. To increase the mechanical strength of the OIE, a mixture of Pt / C catalyst and carbon fibers with a thermosetting resin was used. Since voids in the catalyst layer communicate with each other by entangling the carbon fibers, the catalyst layer has a high ability to diffuse gas. Thus, the conductivity, gas diffusion and mechanical strength of the catalyst layer are increased, such a layer can also be considered as gas diffusion, and there is no need to use a separate gas diffusion layer. The disadvantage of this method is the reduction of proton conductivity in the layer.

Известен (RU 2208271, H01M 8/10, 10.07.2003) способ дополнительного введения в электродный слой агломератов частиц фторопласта с концентрацией агломерата на единицу объема активного слоя от 0,2 до 0,65 об.%, а также выполнение условия, когда диаметр агломератов и частиц катализатора на углеродном носителе не превышают 3 мкм. Однако при этом снижается электронная проводимость по слою.There is a known (RU 2208271, H01M 8/10, 07/10/2003) method for additionally introducing fluoroplastic particles into the electrode layer of agglomerates with an agglomerate concentration per unit volume of the active layer from 0.2 to 0.65 vol.%, As well as the fulfillment of the condition when the diameter agglomerates and catalyst particles on a carbon support do not exceed 3 microns. However, this reduces the electronic conductivity in the layer.

Известен (RU 2360330 H01M 4/86, 37.06.2009) способ приготовления гидрофобного катализаторного слоя, образованного из катализатора, полученного восстановлением оксида платины; гидрофобного агента и протонопроводящего электролита, причем гидрофобный агент состоит главным образом из алкилсилоксана. Недостатком является снижение протонной проводимости по слою.Known (RU 2360330 H01M 4/86, 06/37/2009) a method of preparing a hydrophobic catalyst layer formed from a catalyst obtained by reduction of platinum oxide; hydrophobic agent and proton conductive electrolyte, and the hydrophobic agent consists mainly of alkylsiloxane. The disadvantage is the decrease in proton conductivity in the layer.

Известен (RU 2414772, H01M 4/86, 10.11.2010) способ улучшения структуры газодиффузионных электродов. Согласно изобретению газодиффузионный электрод содержит: а) по меньшей мере, одну газодиффузионную среду, б) по меньшей мере, один слой катализатора сверху указанной газодиффузионной среды, содержащий, по меньшей мере, один катализатор на носителе и в) по меньшей мере, один слой катализатора без носителя сверху слоя катализатора на носителе, указанного выше в б), причем указанный слой катализатора без носителя имеет более высокую общую загрузку катализатора. Недостатком этого способа является невозможность снижения загрузки платины в слое.Known (RU 2414772, H01M 4/86, 10.11.2010) a method for improving the structure of gas diffusion electrodes. According to the invention, the gas diffusion electrode comprises: a) at least one gas diffusion medium, b) at least one catalyst layer on top of said gas diffusion medium, containing at least one supported catalyst and c) at least one catalyst layer without a carrier on top of the catalyst layer on the carrier indicated above in b), said catalyst layer without a carrier having a higher overall catalyst loading. The disadvantage of this method is the inability to reduce the loading of platinum in the layer.

Известен (CN 102110819, B01J 23/62, 29.06.2011) способ добавления промотора катализатора в каталитический слой, состоящего из TiO2, модифицированного азотом и другими металлическими оксидами. Недостатком является снижение протонной проводимости по слою.Known (CN 102110819, B01J 23/62, 06/29/2011) a method for adding a catalyst promoter to a catalytic layer consisting of TiO 2 modified with nitrogen and other metal oxides. The disadvantage is the decrease in proton conductivity in the layer.

Наиболее близким аналогом заявленного способа является состав чернил, приведенный в работе (E.N. Gribov, A.Yu. Zinovieva, I.N. Voropaev, P.A. Simonov, A.V. Romanenko, A.G. Okunev, Int. J. Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, pp.11894-11903). Чернила включают в себя катализатор Pt/Sibunit 1562 с добавкой углеродного носителя типа Vulcan XC-72. Чернила готовятся путем добавления в раствор изопропанол-вода (30% об.) катализатора с углеродным носителем, диспергированием суспензии в ультразвуковой ванне, добавкой необходимого количества нафионового связующего, диспергированием в ультразвуковой ванне и нанесением на протонпроводящую полимерную мембрану. Нанесение производится путем распыления аэрографом на мембрану при температуре 60°C с последующим прессованием при температуре 120°C, давлении 3-5 атм в течение 2-3 минут.The closest analogue of the claimed method is the ink composition described in the work (EN Gribov, A.Yu. Zinovieva, IN Voropaev, PA Simonov, AV Romanenko, AG Okunev, Int. J. Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, pp. 1194 -11903). Ink includes a Pt / Sibunit 1562 catalyst with the addition of a Vulcan XC-72 carbon carrier. Ink is prepared by adding a carbon-supported catalyst to a solution of isopropanol-water (30% vol.), Dispersing the suspension in an ultrasonic bath, adding the required amount of a nafionic binder, dispersing it in an ultrasonic bath and applying it to a proton-conducting polymer membrane. Application is carried out by spraying on a membrane at a temperature of 60 ° C, followed by pressing at a temperature of 120 ° C, pressure 3-5 atm for 2-3 minutes.

К недостаткам известного способа можно отнести недостаточно высокую степень использования платины, что приводит к необходимости увеличения загрузки платины.The disadvantages of this method include the insufficiently high degree of use of platinum, which leads to the need to increase the load of platinum.

Изобретение решает следующие задачи: 1) возможность приготовления эффективных катодных электродов с Pt/C катализаторами и ультранизкой загрузкой платины до 6 мкгPt/см2 для ТПТЭ; 2) возможность приготовления МЭБ на основе Pt/C катализаторов, имеющих углеродный носитель с различными морфологическими свойствами, при этом электрод имеет низкую адгезию к протонпроводящей полимерной мембране; 3) возможность регулировать толщину электродного слоя для обеспечения наиболее эффективного массопереноса; 4) возможность повысить протонную и электронную проводимость в электродном слое МЭБ; 5) возможность повышения удельной мощности ТЭ на массу платины.The invention solves the following problems: 1) the possibility of preparing efficient cathode electrodes with Pt / C catalysts and ultra-low platinum loading of up to 6 μg Pt / cm 2 for TPTE; 2) the possibility of preparing OIEs based on Pt / C catalysts having a carbon carrier with various morphological properties, while the electrode has low adhesion to the proton-conducting polymer membrane; 3) the ability to adjust the thickness of the electrode layer to ensure the most efficient mass transfer; 4) the ability to increase proton and electronic conductivity in the OIE electrode layer; 5) the possibility of increasing the specific power of the fuel cell per mass of platinum.

Поставленная задача решается оптимизацией состава каталитических чернил для катода ТПТЭ, состоящих из растворителя, состоящего из водного раствора органического вещества, катализатора Pt/C, иономерного связующего, пористого материала при следующем содержании компонентов:The problem is solved by optimizing the composition of the catalytic ink for the TPTE cathode, consisting of a solvent consisting of an aqueous solution of an organic substance, a Pt / C catalyst, an ionomer binder, a porous material with the following components:

Объем раствора 100-1000 мкл;The volume of the solution is 100-1000 μl;

концентрация органического вещества - не выше 70 об.%;organic matter concentration - not higher than 70 vol.%;

масса Pt/C катализатора - 0.3-60 мг;the mass of Pt / C catalyst is 0.3-60 mg;

содержание Pt в Pt/C катализаторе - 10-60 мас.%;the content of Pt in the Pt / C catalyst is 10-60 wt.%;

содержание иономерного связующего - 0,03-40 мг;the content of ionomer binder is 0.03-40 mg;

содержание пористого материала - не выше 20 мг.the content of porous material is not higher than 20 mg.

В качестве органического вещества используют, например, изопропиловый спирт, ацетон.As the organic substance, for example, isopropyl alcohol and acetone are used.

В качестве иономерного связующего используют нафионовое связующее или сульфонированный блок-сополимер полистирола и сополимера полиэтилен-бутилена.As the ionomer binder, a nafion binder or a sulfonated block copolymer of polystyrene and a polyethylene-butylene copolymer is used.

В качестве углеродного носителя в Pt/C катализаторе используют мезопористый углерод-углеродный композит.As the carbon support in the Pt / C catalyst, a mesoporous carbon-carbon composite is used.

В качестве углеродного носителя в Pt/C катализаторе используют углеродные нанотрубки.Carbon nanotubes are used as the carbon support in the Pt / C catalyst.

В качестве углеродного носителя в Pt/C катализаторе используют углеродные нановолокна.Carbon nanofibers are used as the carbon support in the Pt / C catalyst.

В качестве углеродного носителя в Pt/C катализаторе используют сажу с высокой удельной поверхностью.Carbon black with a high specific surface is used as the carbon support in the Pt / C catalyst.

В качестве пористого материала используют сажу с высокой удельной поверхностью.Soot with a high specific surface is used as a porous material.

В качестве пористого материала используют смесь сажи с высокой удельной поверхностью и углеродных нанотрубок.A mixture of carbon black with a high specific surface and carbon nanotubes is used as a porous material.

В качестве пористого материала используют смесь сажи с высокой удельной поверхностью и углеродных нановолокон.A mixture of soot with a high specific surface and carbon nanofibers is used as a porous material.

Поставленная задача также решается способом приготовления МЭБ, заключающимся в горячем прессовании электродных слоев с мембраной без использования газодиффузионных слоев.The problem is also solved by the method of preparation of the OIE, which consists in hot pressing of the electrode layers with a membrane without the use of gas diffusion layers.

Чернила распыляют методом аэрографии на мембране, подогретой до 60-80°C, последующее прессование МЭБ между тефлоновыми дисками проводят при температуре 100-130°C, давлении 3-5 атм в течение 3-5 мин.Ink is sprayed by airbrushing on a membrane heated to 60-80 ° C, subsequent pressing of the MEA between Teflon disks is carried out at a temperature of 100-130 ° C, a pressure of 3-5 atm for 3-5 minutes.

Сущность изобретения состоит в последовательной обработке протонпроводящих полимерных мембран при 80°C в течение 1 ч в 1 М H2SO4 (о.с.ч.), 1 М Н2О2 (о.с.ч.) и дистиллированной воде. В качестве анодного катализатора используется катализатор Pt/C. Катодные чернила готовили следующим образом. Навеску катодного катализатора Pt/C смешивали с пористым материалом, помещали в водный раствор органического вещества, перемешивали, подвергали обработке ультразвуком в течение 25 мин, еще раз перемешивали и еще раз подвергали обработке ультразвуком в течение 25 мин. Далее в суспензию добавляли дисперсию иономерного связующего, перемешивали и подвергали обработке ультразвуком в течение 25 мин. Анодные чернила готовили таким же образом, но без добавления пористого материала. Чернила наносили на протонпроводящую полимерную мембрану путем распыления аэрографом при температуре 60-80°C. Для улучшения адгезионных характеристик полученный МЭБ с катодным и анодным электродными слоями прессовали между тефлоновыми листами при температуре 120°C, давлении 4-5 атм в течение 1,5 мин. Полученный МЭБ зажимали между анодным и катодным ГДС и устанавливали в топливный элемент (Electrochem. Inc.). Рабочая поверхность электродов составляла 5 см2.The essence of the invention consists in sequential processing of proton-conducting polymer membranes at 80 ° C for 1 h in 1 M H 2 SO 4 (s.h.), 1 M H 2 O 2 (s.h.) and distilled water . As the anode catalyst, a Pt / C catalyst is used. Cathode inks were prepared as follows. A portion of the Pt / C cathode catalyst was mixed with a porous material, placed in an aqueous solution of organic matter, mixed, sonicated for 25 minutes, mixed again and sonicated for 25 minutes. Then, a dispersion of an ionomeric binder was added to the suspension, mixed and subjected to sonication for 25 minutes. Anode inks were prepared in the same way, but without the addition of porous material. Ink was applied to the proton-conducting polymer membrane by spraying with an airbrush at a temperature of 60-80 ° C. To improve the adhesion characteristics, the obtained MEA with the cathodic and anodic electrode layers was pressed between Teflon sheets at a temperature of 120 ° C, a pressure of 4-5 atm for 1.5 minutes. The obtained OIE was clamped between the anode and cathode GDS and installed in a fuel cell (Electrochem. Inc.). The working surface of the electrodes was 5 cm 2 .

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и иллюстрациями.The invention is illustrated by the following examples and illustrations.

Пример 1Example 1

0,312 мг катализатора 20 мас. % Pt/Vulcan-XC72 (высокоповерхностная сажа) смешивают с 7 мг пористого углеродного носителя Vulcan ХС-72 и добавляют к 300 мкл 50 об.% раствора изопропилового спирта в воде. Раствор интенсивно встряхивают и диспергируют в течение 25 мин в ультразвуковой ванне. Эту процедуру повторяют дважды. Затем необходимое количество 10 мас. % дисперсии Nafion® (фирмы Aldrich) добавляют в чернила с последующей обработкой в ультразвуковой ванне в течение еще 25 мин. Чернила распыляют методом аэрографии на мембране, подогретой при 60-80°C. Для того чтобы обеспечить лучший контакт мембраны с катодным и анодным электродными слоями, ее прессуют между двумя тефлоновыми пластинами при температуре 120°C, давлении 4,5 атм в течение 1,5 мин. Перед измерениями каталитическую мембрану зажимают между анодным и катодным ГДЛ и помещают в топливный элемент (Electrochem. Inc.). Рабочая поверхность электродов составляет 5 см2. Полученный МЭБ имеет высокую удельную мощность по сравнению со стандартным катализатором 33 против 2.8 Вт/мгPt. (Фиг. 1)0.312 mg of catalyst 20 wt. % Pt / Vulcan-XC72 (superficial carbon black) is mixed with 7 mg of the porous carbon carrier Vulcan XC-72 and added to 300 μl of a 50 vol.% Solution of isopropyl alcohol in water. The solution is shaken vigorously and dispersed for 25 minutes in an ultrasonic bath. This procedure is repeated twice. Then the required amount of 10 wt. A% Nafion® dispersion (Aldrich) is added to the ink, followed by an ultrasonic bath for another 25 minutes. Ink is sprayed onto a membrane heated at 60-80 ° C. In order to ensure better contact of the membrane with the cathode and anode electrode layers, it is pressed between two Teflon plates at a temperature of 120 ° C, a pressure of 4.5 bar for 1.5 minutes. Before measurements, the catalytic membrane is clamped between the anode and cathode GDL and placed in a fuel cell (Electrochem. Inc.). The working surface of the electrodes is 5 cm 2 . The resulting OIE has a high specific power compared to standard catalyst 33 versus 2.8 W / mg Pt . (Fig. 1)

Пример 2Example 2

В качестве Pt/C катализатора используют 20 мас. % Pt/Sibunit-1562. Навеска катализатора составляет 0,625 мг. В качестве пористого материала используют коммерческий носитель Vulcan ХС-72 (высокоповерхностная сажа). Его масса составляла 7.5 мг. В качестве органического вещества используют ацетон.As Pt / C catalyst using 20 wt. % Pt / Sibunit-1562. The weight of the catalyst is 0.625 mg. As the porous material, the commercial carrier Vulcan XC-72 (high surface soot) is used. Its mass was 7.5 mg. As organic matter, acetone is used.

Пример 3Example 3

В качестве Pt/C катализатора используют 60 мас. % Pt/Sibunit-1562. Навеска катализатора составляет 1,67 мг. В качестве пористого материала используют коммерческий носитель Vulcan ХС-72. Его масса составляет 7.3 мг.As a Pt / C catalyst, 60 wt. % Pt / Sibunit-1562. The weight of the catalyst is 1.67 mg. As the porous material used commercial media Vulcan XC-72. Its mass is 7.3 mg.

Пример 4Example 4

В качестве Pt/C катализатора используют Pt, нанесенную на углеродные нанотрубки, с содержанием платины 20 мас. %. Навеска катализатора составляет 2,5 мг. В качестве пористого материала используют коммерческий носитель Vulcan ХС-72. Его масса составляет 6.5 мг.As a Pt / C catalyst, Pt supported on carbon nanotubes with a platinum content of 20 wt. % The weight of the catalyst is 2.5 mg. As the porous material used commercial media Vulcan XC-72. Its mass is 6.5 mg.

Пример 5Example 5

В качестве Pt/C катализатора используют 40 мас. % Pt/ KetjenBlack DJ-600 (высокоповерхностная сажа). Навеска катализатора составляет 2,5 мг. В качестве пористого материала используют коммерческий носитель Vulcan ХС-72. Его масса составляет 6.5 мг.As Pt / C catalyst using 40 wt. % Pt / KetjenBlack DJ-600 (high surface soot). The weight of the catalyst is 2.5 mg. As the porous material used commercial media Vulcan XC-72. Its mass is 6.5 mg.

Удельная мощность возросла с 3,7 до 4,8 Вт/мгPt (Фиг. 2)Specific power increased from 3.7 to 4.8 W / mg Pt (Fig. 2)

Пример 6Example 6

В качестве Pt/C катализатора используют 40 мас. % Pt/Vulcan ХС-72. Навеска катализатора составляет 2,5 мг. В качестве пористого материала используют коммерческий носитель углеродные нановолокна. Их масса составляет 6.5 мг.As Pt / C catalyst using 40 wt. % Pt / Vulcan XC-72. The weight of the catalyst is 2.5 mg. As the porous material, a commercial carbon nanofiber carrier is used. Their mass is 6.5 mg.

Пример 7Example 7

В качестве Pt/C катализатора используют 20 мас. % Pt/Sibunit-1562. Навеска катализатора составляет 0,625 мг. В качестве пористого материала используют коммерческий носитель Vulcan ХС-72 (высокоповерхностная сажа). Его масса составляла 7.5 мг. В качестве иономерного связующего используют сульфонированный блок-сополимер полистирола и сополимера полиэтилен-бутилена).As Pt / C catalyst using 20 wt. % Pt / Sibunit-1562. The weight of the catalyst is 0.625 mg. As the porous material, the commercial carrier Vulcan XC-72 (high surface soot) is used. Its mass was 7.5 mg. As the ionomer binder, a sulfonated block copolymer of polystyrene and a polyethylene-butylene copolymer is used).

Пример 8Example 8

Аналогичен примеру 7, но отличается тем, что при прессование проводят при температуре 110°C, давлении 3-5 атм в течение 2-3 мин.It is similar to example 7, but differs in that when pressing is carried out at a temperature of 110 ° C, a pressure of 3-5 atm for 2-3 minutes.

Claims (10)

1. Способ изготовления мембран-электродных блоков МЭБ, включающий распыление каталитических чернил на поверхность мембраны МЭБ, нагретой до температуры 60-80°C с использованием аэрографа, с последующим прессованием МЭБ между тефлоновыми дисками при температуре 100-130°C, давлении 3-5 атм в течение 3-5 мин, отличающийся тем, что каталитические чернила имеют следующий состав:
концентрация органического вещества - не выше 70 об. %;
масса Pt/C катализатора - 0.3-60 мг;
содержание Pt в Pt/C катализаторе - 10-60 мас. %;
содержание иономерного связующего - 0,03-40 мг;
содержание пористого материала - не выше 20 мг,
при этом каталитические чернила готовят следующим образом, навеску катодного катализатора Pt/C смешивают с пористым материалом, помещают в водный раствор органического вещества, перемешивают, подвергают обработке ультразвуком, еще раз перемешивают и подвергают обработке ультразвуком, далее в суспензию добавляют дисперсию иономерного связующего, перемешивают и подвергают обработке ультразвуком.
1. A method of manufacturing a membrane-electrode blocks of the OIE, including the spraying of catalytic ink on the surface of the OIE membrane, heated to a temperature of 60-80 ° C using an airbrush, followed by pressing the OIE between Teflon disks at a temperature of 100-130 ° C, pressure 3-5 atm for 3-5 minutes, characterized in that the catalytic ink has the following composition:
organic matter concentration - not higher than 70 vol. %;
the mass of Pt / C catalyst is 0.3-60 mg;
the content of Pt in the Pt / C catalyst is 10-60 wt. %;
the content of ionomer binder is 0.03-40 mg;
the content of porous material is not higher than 20 mg,
in this case, the catalytic ink is prepared as follows, a weighed portion of the Pt / C cathode catalyst is mixed with a porous material, placed in an aqueous solution of an organic substance, mixed, sonicated, mixed again and sonicated, then an ionomer binder dispersion is added to the suspension, mixed and subjected to sonication.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве органического вещества используют, например, изопропиловый спирт, ацетон.2. The method according to p. 1, characterized in that as an organic substance is used, for example, isopropyl alcohol, acetone. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве иономерного связующего используют нафионовое связующее или сульфонированный блок-сополимер полистирола и сополимера полиэтилен-бутилена.3. The method according to p. 1, characterized in that as the ionomer binder use a nafionic binder or sulfonated block copolymer of polystyrene and a copolymer of polyethylene butylene. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродного носителя в Pt/C катализаторе используют мезопористый углерод-углеродный композит.4. The method according to p. 1, characterized in that the mesoporous carbon-carbon composite is used as the carbon support in the Pt / C catalyst. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродного носителя в Pt/C катализаторе используют углеродные нанотрубки.5. The method according to p. 1, characterized in that carbon nanotubes are used as the carbon support in the Pt / C catalyst. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродного носителя в Pt/C катализаторе используют углеродные нановолокна.6. The method according to p. 1, characterized in that carbon nanofibers are used as the carbon support in the Pt / C catalyst. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродного носителя в Pt/C катализаторе используют сажу с высокой удельной поверхностью.7. The method according to p. 1, characterized in that as a carbon carrier in the Pt / C catalyst, carbon black with a high specific surface area is used. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пористого материала используют сажу с высокой удельной поверхностью.8. The method according to p. 1, characterized in that as a porous material using carbon black with a high specific surface area. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пористого материала используют смесь сажи с высокой удельной поверхностью и углеродных нанотрубок.9. The method according to p. 1, characterized in that as a porous material using a mixture of soot with a high specific surface area and carbon nanotubes. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пористого материала используют смесь сажи с высокой удельной поверхностью и углеродных нановолокон. 10. The method according to p. 1, characterized in that as a porous material using a mixture of soot with a high specific surface area and carbon nanofibers.
RU2013144989/07A 2013-10-09 2013-10-09 Method of preparing membrane-electrode units RU2563029C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013144989/07A RU2563029C2 (en) 2013-10-09 2013-10-09 Method of preparing membrane-electrode units

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013144989/07A RU2563029C2 (en) 2013-10-09 2013-10-09 Method of preparing membrane-electrode units

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013144989A RU2013144989A (en) 2015-04-20
RU2563029C2 true RU2563029C2 (en) 2015-09-20

Family

ID=53282594

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013144989/07A RU2563029C2 (en) 2013-10-09 2013-10-09 Method of preparing membrane-electrode units

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2563029C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2715385C1 (en) * 2016-12-09 2020-02-27 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Electrode catalyst for fuel cells, method of its production and fuel element
RU2734762C1 (en) * 2019-04-09 2020-10-23 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Method of making a membrane-electrode assembly for a fuel cell
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

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109755597A (en) * 2019-01-08 2019-05-14 武汉船用电力推进装置研究所(中国船舶重工集团公司第七一二研究所) A kind of large-area flat-plate type solid oxide fuel cell palladium oxide composite cathode and preparation method thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6180276B1 (en) * 1998-02-23 2001-01-30 Korea Institute Of Energy Research Method for fabricating membrane and electrode assembly for polymer electrolyte membrane fuel cells
KR100689105B1 (en) * 2006-03-22 2007-03-02 한국기계연구원 Control of three phase boundary and pore structure of catalyst layer for fuel cell and it's manufacturing
JP2009266481A (en) * 2008-04-23 2009-11-12 Aisin Chem Co Ltd Catalyst layer for electrode and method of manufacturing the same
RU2414772C2 (en) * 2006-09-28 2011-03-20 БАСФ Фюль Целль ГмбХ Structures for gas diffusion electrodes
KR20120050710A (en) * 2010-11-11 2012-05-21 서울대학교산학협력단 Cathode catalyst layer of direct methanol fuel cell composed of heterogeneous composites and fuel cell therewith

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6180276B1 (en) * 1998-02-23 2001-01-30 Korea Institute Of Energy Research Method for fabricating membrane and electrode assembly for polymer electrolyte membrane fuel cells
KR100689105B1 (en) * 2006-03-22 2007-03-02 한국기계연구원 Control of three phase boundary and pore structure of catalyst layer for fuel cell and it's manufacturing
RU2414772C2 (en) * 2006-09-28 2011-03-20 БАСФ Фюль Целль ГмбХ Structures for gas diffusion electrodes
JP2009266481A (en) * 2008-04-23 2009-11-12 Aisin Chem Co Ltd Catalyst layer for electrode and method of manufacturing the same
KR20120050710A (en) * 2010-11-11 2012-05-21 서울대학교산학협력단 Cathode catalyst layer of direct methanol fuel cell composed of heterogeneous composites and fuel cell therewith

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
E.N. Gribov, A.Yu. Zinovieva, I.N. Voropaev, P.A. Simonov, A.V. Romanenko, A.G. Okunev, Int. J. Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, pp.11894-11903. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2715385C1 (en) * 2016-12-09 2020-02-27 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Electrode catalyst for fuel cells, method of its production and fuel element
RU2734762C1 (en) * 2019-04-09 2020-10-23 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Method of making a membrane-electrode assembly for a fuel cell
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

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013144989A (en) 2015-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3271801B2 (en) Polymer solid electrolyte fuel cell, humidifying method of the fuel cell, and manufacturing method
EP3053648B1 (en) Use of carbon powder in fuel cell catalyst, fuel cell catalyst with carbon powder, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and fuel cell
US8470495B2 (en) Electrode catalyst with improved longevity properties and fuel cell using the same
US20040197638A1 (en) Fuel cell electrode comprising carbon nanotubes
EP2626939B1 (en) Polymer electrolyte fuel cell
US20070099069A1 (en) Catalyst for a fuel cell, a method for preparing the same, and a membrane-electrode assembly for a fuel cell including the same
CN109524674B (en) Method for improving performance of cathode catalyst layer of membrane electrode of fuel cell
JP2007250274A (en) Electrode catalyst for fuel cell with enhanced noble metal utilization efficiency, its manufacturing method, and solid polymer fuel cell equipped with this
US20220140354A1 (en) Fuel cell electrode with catalysts grown in situ on ordered structure microporous layer and method for preparing membrane electrode assembly
CN111370717A (en) Cathode catalyst slurry, cathode catalyst layer, membrane electrode and fuel cell
US20200335808A1 (en) Membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell and solid polymer fuel cell
JP5510181B2 (en) Electrocatalyst layer production method and polymer electrolyte fuel cell
JP5007565B2 (en) Fuel cell
RU2563029C2 (en) Method of preparing membrane-electrode units
JP5326585B2 (en) Method for producing metal catalyst-supported carbon powder
JPH06275282A (en) Fuel cell
JP2006252938A (en) Electrode for solid polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method
JPH0644984A (en) Electrode for solid high polymer electrolyte fuel cell
JP2006331845A (en) Catalyst powder for polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method, and electrode for polymer electrolyte fuel cell containing catalyst powder
CN101036890A (en) Cathode catalyst for fuel cell and membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system including same
JP2005190887A (en) Electrode catalyst having surface constitution to structure catalyst layer having high performance and durability, and its manufacturing method
JP2006066309A (en) Method of manufacturing catalyst for solid polymer type fuel cell
US6869704B1 (en) Enhancement of electrochemical cell performance
JP2005141920A (en) Catalyst carrying electrode
CN114899419B (en) Preparation method for improving proton conduction of fuel cell catalytic layer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181010