一种燃料电池膜电极的制备方法 |
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| 申请号 | CN201310090903.9 | 申请日 | 2013-03-20 | 公开(公告)号 | CN104056741A | 公开(公告)日 | 2014-09-24 |
| 申请人 | 中国科学院大连化学物理研究所; | 发明人 | 宋微; 俞红梅; 邵志刚; 衣宝廉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提出了一种 燃料 电池 膜 电极 的制备方法，在 喷涂 浆料的过程中，通过静电发生器使浆料带上静电荷，进而提高浆料与膜之间的 吸附 力 ，改善催化层的Pt利用率，实现电极性能提高和Pt担量的降低。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种燃料电池膜电极的制备方法技术领域背景技术[0002] 燃料电池是一种能量转化装置，可以将氢能高效、清洁的转化为电能。近年来，氢能燃料电池在世界范围内得到大力的支持和发展，目前已经成功的示范应用于电动汽车、分布式电站、备用电源、航空等多个领域。其中，质子交换膜燃料电池以功率密度高、启动速度快、转换效率高、环境友好等优点受到更多的关注。 [0003] 质子交换膜燃料电池的电池组通常由端板、集流板、双极板、流场和膜电极组成，其中端板、双极板的重量问题是影响电堆比功率的主要因素，流场的结构设计是影响电堆内部气液分配以及长期运行稳定性的关键因素，而膜电极则是影响电堆输出性能的核心部件。膜电极是由位于中间的质子交换膜和两侧的催化层、扩散层组成。膜电极中的质子交换膜负责由阳极向阴极传导氢质子，膜的质子传导率直接影响膜电极的欧姆电阻。常用的质子交换膜是杜邦公司生产的全氟磺酸根质子交换膜，其质子传导率与膜的润湿程度密切相关。膜电极中的催化层是氧还原和氢氧化两种电化学反应发生的场所，需要具有良好的催化活性、良好的质子传导能力和导电能力，其输出性能由催化剂活性、物料配比以及微孔结构等决定，也需要有足够的润湿才能保证催化层中的质子传导，但水量过大时，微孔堵塞也会造成性能衰减。膜电极中的扩散层是负责气体传输分配和移除产物水，其孔道的憎水性和孔径分布是影响电池性能的关键因素，当电池产生的水超过扩散层的除水能力时，会发生扩散层的水淹，进而阻碍气体的传输，导致电压下降。 [0004] 膜电极主要分为气体扩散电极（Gas Diffusion Electrode，GDE）和薄层覆膜电极（catalyst coated membrane，CCM），美国3M公司提出采用纳米结构薄膜（nanostructured thin film，NSTF）作为支撑体制备出的超薄电极，被认为很有希望成为下一代MEA。气体扩散层电极目前普遍采用丝网印刷的制备工艺，将催化剂、憎水剂、有机溶剂组成催化剂浆料刷到气体扩散层上，经过高温处理后再向催化层表面喷涂Naifon溶液实现电极立体化。薄层覆膜电极目前则普遍采用喷涂的制备工艺，将催化剂、离子导体树脂、有机溶剂组成的浆料喷涂到膜上，或者先将浆料喷涂到其他载体上再转印到膜上，形成膜催化层一体化电极。美国3M公司提出的超薄电极，发展时间较短，目前还没有大规模使用。 [0005] 静电喷涂工艺是一种被应用于工业上的喷涂方法，在静电作用下，所喷涂料液的利用率得到改善，界面的结合力也得到了改善。 [0007] 专利一种静电喷涂设备（公开号CN1913975A），所设计的喷涂设备能够仅通过简化的步骤来顺利的喷涂液体组合物，其中该简化的步骤用于确认液体组合物准备好立即进行静电喷涂。根据该方面的静电喷涂设备构造并设置成对液体组合物静电充电并将所述液体组合物从供应源分配至分配位置。 发明内容[0009] 为实现上述目的，本发明设计了由静电发生控制器、静电喷枪、零电势平台、接地线等组成的膜电极喷涂设备。在喷涂电极的过程中，将待喷涂物（Nafion膜，碳纸，微孔层等）放置在接地的平台上，以控制喷涂面的电势为零，通过静电发生控制器释放出10‐100kV电压的静电，使喷枪中的浆料（包括Nafion树脂溶液、催化剂浆料、碳粉浆料）带上静电荷，浆料接触到喷涂面后，静电荷会沿着接地线导走。在静电的作用下，浆料与喷涂面之间的结合力变强，喷涂形成的结构也更致密。 [0010] 本发明具有如下优点 [0011] 本发明可以提高燃料电池膜电极催化剂浆料的利用率； [0012] 本发明可以改善催化层与膜之间的界面结构； [0014] 图1静电喷涂设备示意图；图中：1静电发生器，2喷枪，3料液，4零电势平台，5连接线，6接地。 [0015] 图2采用静电喷涂方式对电极形貌的影响； [0016] 图3采用静电喷涂方式对电极性能的影响； [0017] 图4采用静电喷涂方式对电极活性面积的影响。 具体实施方式[0018] 实施例1 [0019] 取10mg70%（Pt占催化剂总重的百分比）的Pt/C，50mg Nafion树脂溶液，10ml异丙醇，混合均匀形成催化剂浆料。分别采用普通喷枪和本发明中的静电喷枪，将上述浆料喷涂（喷涂距离，喷涂速度约1ml/min，环境温度）到Nafion膜表面，喷涂的有效面积为2 17.5cm。采用静电喷枪喷涂时，将Nafion膜放置在接地的平台上，静电发生器控制输出电压为60kV，使浆料带上静电荷，喷涂到膜表面后，静电荷沿接地线导走。 [0020] 对上述所喷涂的电极进行了Pt担量测试。从上述喷涂的电极上裁取面积为2*2cm2的小块，放在刚玉坩埚中于850°下焙烧2h；向焙烧后的残渣中先后加入双氧水、浓硝酸和王水，待残渣全部溶解后，用蒸馏水定容形成标准溶液。 [0021] 采用电感耦合等离子体（ICP）测试，测试上述标准液中Pt的浓度，进而推断出电‐2极中Pt担量。测试结果如下：采用普通喷枪制备电极，Pt担量0.89mgcm ；采用静电喷涂，‐2 Pt担量0.82mgcm 。 [0022] 从上述结果可以看出，采用静电喷涂工艺制备燃料电池膜电极，可以改善喷涂过程中的浆料利用率。 [0023] 实施例2 [0024] 取24mg50%（Pt占催化剂总重的百分比）的Pt/C，180mgNafion树脂溶液，20ml异丙醇，混合均匀形成催化剂浆料。分别采用普通喷枪和本发明中的静电喷枪，将上述浆料喷涂2 （喷涂距离，喷涂速度约1ml/min，环境温度）到Nafion膜表面，喷涂的有效面积为30cm。采用静电喷枪喷涂时，将Nafion膜放置在接地的平台上，静电发生器控制输出电压为30kV，使浆料带上静电荷，喷涂到膜表面后，静电荷沿接地线导走。 [0025] 将上述喷涂完成的电极利用手术刀切开，利用扫描电镜观察电极的断面形貌，如图2所示。从图中可以看出，采用静电喷涂制备的催化层（图中红色框中部分）结构更为致密，表面更为平整， [0026] 实施例3 [0027] 取57mg70%（Pt占催化剂总重的百分比）的Pt/C，340mgNafion树脂溶液，30ml异丙醇，混合均匀形成催化剂浆料。分别采用普通喷枪和本发明中的静电喷枪，将上述浆料喷涂2 （喷涂距离，喷涂速度约1ml/min，环境温度）到Nafion膜表面，喷涂的有效面积为100cm。采用静电喷枪喷涂时，将Nafion膜放置在接地的平台上，静电发生器控制输出电压为90kV，使浆料带上静电荷，喷涂到膜表面后，静电荷沿接地线导走。 [0028] 将所喷涂的两种电极与气体扩散层一起压制成MEA，组装单电池，电池完成活化后，进行性能测试，如图3所示。从图中可以看出，采用静电喷涂制备的膜电极，电池性能在高电流密度区得到改善。此外，对两种电极进行了电化学活性表面积测试，如图4所示，可见采用静电喷涂的方法改善了电极中催化剂的利用率。 [0029] 实施例4 [0030] 取Nafion溶液50mg，利用8ml的异丙醇稀释并震荡均匀，形成喷涂Nafion涂层的浆料。采用静电喷涂枪将Nafion浆料喷涂（喷涂距离，喷涂速度约1ml/min，环境温度）到Nafion膜表面，将膜放置在接地的平台上，控制静电发生器释放出100kV的电压，所释放的电荷经接地的平台导走。 [0031] 实施例5 [0032] 取10mgXC‐72，与300mgPTFE含量为5wt.%的乳液，酒精5ml混合，搅拌均匀，形成制备微孔层的碳粉浆料。制备利用静电喷枪将上述浆料喷涂（喷涂距离，喷涂速度约1ml/min，环境温度）到碳纸上，将碳纸放置在接地的平台上，控制静电发生器释放出10kV的电压，所释放的电荷经接地的平台导走。 |
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