CN1208862C - 质子交换膜燃料电池电极的制备方法 - Google Patents
质子交换膜燃料电池电极的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1208862C CN1208862C CNB031276776A CN03127677A CN1208862C CN 1208862 C CN1208862 C CN 1208862C CN B031276776 A CNB031276776 A CN B031276776A CN 03127677 A CN03127677 A CN 03127677A CN 1208862 C CN1208862 C CN 1208862C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- electrodes
- hours
- proton exchange
- catalyst
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
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
本发明属于质子交换膜燃料电池电极的制备方法。采用将催化剂、PTFE和低级醇混合,用超声波发生器分散加机械搅拌0.5-30分钟,在模板内,通过刮涂的方法转移到碳纸或碳布上来制备质子交换膜燃料电池电极,之后在20-120℃下真空干燥2-24小时,再于150-350℃空气或氩气保护下烧结0.5-2小时,然后表面喷涂Nafion原液,再于20-120℃下真空干燥2-24小时。此方法不仅能够对电极催化层的厚度进行有效的控制,催化层的厚度得以大大降低且十分均匀,而且可以快速、大量制备大面积的电极制备。可操作性高,制备过程迅速,操作简便易行,无需特殊设备,具有很好的重现性。
Description
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池电极的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(以H2或甲醇为燃料)由于具有能量转换效率高、无噪声、无污染、灵活性大等特点及其广阔的应用前景,现已成为国际性的研究热点之一。在这类电池中,电极的制备工艺是影响电池性能的关键问题之一,涉及到催化剂的用量及有效利用率、电极的形态、电阻和电导等诸多方面。在燃料电池30多年的发展过程中,人们先后研究了涂膏法[Makoto Uchida,J.Electrochem Soc,142,2(1995)]、浇铸法[A.C.Ferreira,S.Srinivasan,Extd.Abs.94-1,TheElectrochemical Sociaty,NJ1994]、滚压法[E.J.Taylor,J. ElectrochemSoc 139,L45(1993)]、溅射法[Shinichi Hirano,et al.High performanceproton exchange membrane fuel cells with sputter-diposited Pt layerelectrodes.Electrochimica acta.1997,42(10):1587~1593]、电化学催化技术[M.S.Wilson,S.Gottesfeld,J Electrochem Soc,22,1(1992),E.J.Taylor,et al.preparation of high-platinum-utilization gas diffusionelectrodes for proton-exchang-membrane furl cells.Journal ofelectrochemical society.1992,139(5):L45~L46]等多种电极制备工艺,使电池性能得到了不断的提高。
然而,上述这些方法或多或少都存在一些问题。一方面,上述方法如涂膏法、浇铸法、滚压法制备的电极厚度较大,催化层内传质距离增加,导致大电流放电时电极产生严重的浓差极化,催化剂层的电阻也较大。同时要使用大量的催化剂,降低了催化剂的利用率。另一方面,有些方法如滚压法、溅射法、电化学催化技术等方法的制备工艺相对复杂,需要特殊的设备,增加了制备时间和费用。再有就是除了滚压法以外,其他方法只适合于制备小面积的电极,对于较大面积的电极不适用,如涂膏法、浇铸法对于大电极难以保证电极的均一性;溅射法、电化学催化技术对于大电极在仪器上无法满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池电极的制备方法。采用将催化剂、聚四氟乙烯乳液和低级醇如乙醇、丙醇、异丙醇进行混合,在厚度为0.3-1.0mm的模板内通过刮涂的方法制备质子交换膜燃料电池电极。模板通过将不同厚度的塑封膜挖去中间部分,用双面胶粘结在平整的玻璃板上制得。制备的电极在使用较少催化剂的情况下,不降低或提高电极的性能,可以快速、大量制备各种面积的电极。
本发明采用质子交换膜燃料电池使用的催化剂,加入低级醇和重量比为10%的聚四氟乙烯乳液,加入比例为:催化剂∶低级醇∶聚四氟乙烯乳液=10mg∶0.8-8g∶11-67mg,用超声波发生器分散,加机械搅拌0.5-30分钟,将分散好的混合物转移到模板内,模板厚度为0.3-1.0mm,通过刮涂,均匀地转移到碳纸或碳布上,在20-120℃下真空干燥2-24小时,再于150-350℃空气或氩气保护下烧结0.5-2小时,然后表面喷上用低级醇稀释后的Nafion原液,再于20-120℃下真空干燥2-24小时,最后得到的催化剂层中聚四氟乙烯占10-40wt%,聚合物电解质Nafion占5-25wt%。
由于本发明首先将催化剂和PTFE乳液用低级醇高度分散,充分搅拌振荡,然后刮涂到支撑层,因此催化剂颗粒均匀地分布到了催化层中,并且由于在刮涂的过程中有横向剪切力和纵向的压力,使得催化剂层颗粒之间结合紧密,使PTFE更易形成网状结构,在热压后与质子交换膜结合牢固。由于使用具有一定厚度的模板,此方法还能够对电极催化层的厚度进行有效的控制,催化层的厚度得以大大降低且十分均匀。这种方法适用于制备各种面积的电极,对大面积的电极更适合。实验结果表明,采用这种方法制备电极获得很好的性能。
本发明制备质子交换膜燃料电池电极的方法与以往报道的各种燃料电池电极制备方法相比具有如下的优点:(1)提供了一种大面积电极的制备方法;(2)可操作性高,制备过程迅速,操作简便易行,无需特殊设备;(3)降低了催化剂用量,催化剂中贵金属的利用率大大提高;(4)具有很好的重现性。
具体实施方式
实施例1:将40mgPt/C、40mgPtRu/C催化剂分别与浓度为10wt%的聚四氟乙烯乳液和乙醇混合,用超声波发生器分散、同时机械搅拌1分钟,将分散好的混合物转移到厚度为0.3mm的模板内,通过刮涂均匀地转移到面积为4cm2的碳纸上,30℃下真空干燥12小时,250℃氩气保护下烧结6小时,表面喷涂用乙醇稀释后的Nafion原液,再于80℃下真空干燥2小时,分别制得阳极和阴极。最后得到的催化剂层中聚四氟乙烯占30wt%,聚合物电解质Nafion占15wt%。将此电极制成电极/膜集合体后组装电池进行测试。阳极采用甲醇溶液作工作物质,阴极氧气作为氧化剂,电极放电电流可达到0.15A/cm2,电极功率密度可达40-60mw/cm2。比采用涂膏法制备的电极性能高出20%。
实施例2:将200mgPt/C、200mgPtRu/C催化剂分别与浓度为10wt%的聚四氟乙烯乳液和异丙醇混合,用超声波发生器分散、同时机械搅拌2分钟,将分散好的混合物转移到厚度为0.5mm的模板内,通过刮涂均匀地转移到面积为50cm2的碳纸上,80℃下真空干燥2小时,340℃下热处理1小时,表面喷涂用异丙醇稀释后的Nafion原液,再于80℃下真空干燥2小时,分别制得阳极和阴极。最后得到的催化剂层中聚四氟乙烯占20wt%,聚合物电解质Nafion占20wt%。将此电极制成电极/膜集合体后组装电池进行测试。阳极采用甲醇溶液作工作物质,阴极氧气作为氧化剂,电极放电电流可达到0.18A/cm2,电极功率密度可达40-72mw/cm2。比采用涂膏法制备的电极性能高出30%。
实施例3:将300mgPt/C、300mgPtRu/C催化剂分别与浓度为10wt%的聚四氟乙烯乳液和丙醇混合,用超声波发生器分散、同时机械搅拌5分钟,将分散好的混合物转移到厚度为0.8mm的模板内,通过刮涂均匀地转移到面积为50cm2的碳布上,80℃下真空干燥2小时,340℃下热处理1小时,表面喷涂用丙醇稀释后的Nafion原液,再于80℃下真空干燥2小时,分别制得阳极和阴极。最后得到的催化剂层中聚四氟乙烯占20wt%,聚合物电解质Nafion占20wt%。将此电极制成电极/膜集合体后组装电池进行测试。阳极采用甲醇溶液作工作物质,阴极氧气作为氧化剂,电极放电电流可达到0.16A/cm2,电极功率密度可达40-60mw/cm2。比采用涂膏法制备的电极性能高出25%。
实施例4:将400mgPt/C、400mgPtRu/C催化剂分别与浓度为10wt%的聚四氟乙烯乳液和异丙醇混合,用超声波发生器分散、同时机械搅拌8分钟,将分散好的混合物转移到厚度为0.4mm的模板内,通过刮涂均匀地转移到面积为50cm2的碳纸上,80℃下真空干燥3小时,340℃下热处理2小时,表面喷涂用异丙醇稀释后的Nafion原液,再于80℃下真空干燥3小时,分别制得阳极和阴极。最后得到的催化剂层中聚四氟乙烯占20wt%,聚合物电解质Nafion占15wt%。将此电极制成电极/膜集合体后组装电池进行测试。阳极采用甲醇溶液作工作物质,阴极氧气作为氧化剂,电极放电电流可达到0.20A/cm2,电极功率密度可达40-80mw/cm2。比采用涂膏法制备的电极性能高出30%。
实施例5:除了将碳纸换成碳布外,其余与实施例4相同,电极放电电流可达到0.18A/cm2,电极功率密度可达40-70mw/cm2。比采用涂膏法制备的电极性能高出25%。
实施例6:将500mgPt/C、500mgPtRu/C催化剂分别与浓度为10wt%的聚四氟乙烯乳液和异丙醇混合,用超声波发生器分散、同时机械搅拌10分钟,将分散好的混合物转移到厚度为1.0mm的模板内,通过刮涂均匀地转移到面积为100cm2的碳纸上,80℃下真空干燥2小时,340℃下热处理1小时,表面喷涂用异丙醇稀释后的Nafion原液,再于80℃下真空干燥2小时,分别制得阳极和阴极。最后得到的催化剂层中聚四氟乙烯占20wt%,聚合物电解质Nafion占20wt%。将此电极制成电极/膜集合体后组装电池进行测试。阳极采用甲醇溶液作工作物质,阴极氧气作为氧化剂,电极放电电流可达到0.18A/cm2,电极功率密度可达40-80mw/cm2。比采用涂膏法制备的电极性能高出30%。
实施例7:将600mgPt/C、600mgPtRu/C催化剂分别与浓度为10wt%的聚四氟乙烯乳液和异丙醇混合,用超声波发生器分散、同时机械搅拌5分钟,将分散好的混合物转移到厚度为0.5mm的模板内,通过刮涂均匀地转移到面积为100cm2的碳纸上,100℃下真空干燥10小时,340℃下热处理2小时,表面喷涂用异丙醇稀释后的Nafion原液,再于100℃下真空干燥2小时,分别制得阳极和阴极。最后得到的催化剂层中聚四氟乙烯占30wt%,聚合物电解质Nafion占20wt%。将此电极制成电极/膜集合体后组装电池进行测试。阳极采用甲醇溶液作工作物质,阴极氧气作为氧化剂,电极放电电流可达到0.20A/cm2,电极功率密度可达60-80mw/cm2。比采用涂膏法制备的电极性能高出35%。
实施例8:将800mgPt/C、800mgPtRu/C催化剂分别与浓度为10wt%的聚四氟乙烯乳液和异丙醇混合,用超声波发生器分散、同时机械搅拌5分钟,将分散好的混合物转移到厚度为0.6mm的模板内,通过刮涂均匀地转移到面积为144cm2的碳纸上,100℃下真空干燥10小时,340℃下热处理2小时,表面喷涂用异丙醇稀释后的Nafion原液,再于100℃下真空干燥2小时,分别制得阳极和阴极。最后得到的催化剂层中聚四氟乙烯占30wt%,聚合物电解质Nafion占20wt%。将此电极制成电极/膜集合体后组装电池进行测试。阳极采用甲醇溶液作工作物质,阴极氧气作为氧化剂,电极放电电流可达到0.20A/cm2,电极功率密度可达60-80mw/cm2。比采用涂膏法制备的电极性能高出35%。
实施例9:除了将碳纸换成碳布外,其余与实施例8相同,电极放电电流可达到0.18A/cm2,电极功率密度可达40-70mw/cm2。比采用涂膏法制备的电极性能高出30%。
实施例10:将1500mgPt/C、1500mgPtRu/C催化剂分别与浓度为10wt%的聚四氟乙烯乳液和异丙醇混合,用超声波发生器分散、同时机械搅拌10分钟,将分散好的混合物转移到厚度为1.0mm的模板内,通过刮涂均匀地转移到面积为225cm2的碳纸上,100℃下真空干燥10小时,340℃下热处理2小时,表面喷涂用异丙醇稀释后的Nafion原液,再于100℃下真空干燥2小时,分别制得阳极和阴极。最后得到的催化剂层中聚四氟乙烯占30wt%,聚合物电解质Nafion占20wt%。将此电极制成电极/膜集合体后组装电池进行测试。阳极采用甲醇溶液作工作物质,阴极氧气作为氧化剂,电极放电电流可达到0.20A/cm2,电极功率密度可达60-80mw/cm2。比采用涂膏法制备的电极性能高出40%。
Claims (1)
1.一种质子交换膜燃料电池电极的制备方法,其特征在于采用质子交换膜燃料电池使用的催化剂,加入乙醇、丙醇或异丙醇和重量比为10%的聚四氟乙烯乳液,加入比例为:催化剂∶乙醇、丙醇或异丙醇∶聚四氟乙烯乳液=10mg∶0.8-8g∶11-67mg,用超声波发生器分散,加机械搅拌0.5-30分钟,将分散好的混合物转移到0.3-1.0mm的模板内,通过刮涂,均匀地转移到碳纸或碳布上,在20-120℃下真空干燥2-24小时,再于150-350℃空气或氩气保护下烧结0.5-2小时,然后表面喷上用低级醇稀释后的Nafion原液,再于20-120℃下真空干燥2-24小时,最后得到的催化剂层中聚四氟乙烯占10-40wt%,聚合物电解质Nafion占5-25wt%。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB031276776A CN1208862C (zh) | 2003-08-13 | 2003-08-13 | 质子交换膜燃料电池电极的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB031276776A CN1208862C (zh) | 2003-08-13 | 2003-08-13 | 质子交换膜燃料电池电极的制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN1487610A CN1487610A (zh) | 2004-04-07 |
CN1208862C true CN1208862C (zh) | 2005-06-29 |
Family
ID=34153226
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CNB031276776A Expired - Fee Related CN1208862C (zh) | 2003-08-13 | 2003-08-13 | 质子交换膜燃料电池电极的制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN1208862C (zh) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100345326C (zh) * | 2004-05-14 | 2007-10-24 | 武汉理工大学 | 一种单元组合式高温质子交换膜燃料电池膜电极及制备 |
CN100353597C (zh) * | 2004-08-10 | 2007-12-05 | 长沙丰日电气集团有限公司 | 氢空气燃料电池催化膜制作方法 |
CN100524913C (zh) * | 2005-04-01 | 2009-08-05 | 清华大学深圳研究生院 | 直接甲醇燃料电池的膜电极的制备方法 |
JP5274035B2 (ja) * | 2007-03-27 | 2013-08-28 | 三洋電機株式会社 | 燃料電池 |
CN101702436B (zh) * | 2009-10-26 | 2012-06-27 | 新源动力股份有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池电极用浆料及其制备方法 |
CN102593471B (zh) * | 2012-03-06 | 2015-02-18 | 中国科学院长春应用化学研究所 | 质子交换膜燃料电池电极和质子交换膜燃料电池的制备方法 |
CN102743960B (zh) * | 2012-07-25 | 2015-04-29 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 碳基复合电极的制备方法、用于烟道气脱碳除硫的电解池及对烟道气脱碳除硫的方法 |
CN104363380B (zh) * | 2014-10-15 | 2017-10-27 | 北京智谷睿拓技术服务有限公司 | 图像采集控制方法和装置 |
-
2003
- 2003-08-13 CN CNB031276776A patent/CN1208862C/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN1487610A (zh) | 2004-04-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN100384001C (zh) | 直接喷涂制备燃料电池膜电极的方法 | |
CN100487965C (zh) | 用于燃料电池的催化剂、其制备方法以及包含它的燃料电池的膜电极组件 | |
WO2018113485A1 (zh) | 一种高功率密度的质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 | |
CN102157741B (zh) | 一种超薄质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 | |
US20120107719A1 (en) | Electrode catalyst for membrane electrode of fuel cell and its method of preparation and fuel cell membrane electrode | |
CN111490277A (zh) | 中温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 | |
CN111370717A (zh) | 一种阴极催化剂浆料、阴极催化剂层、膜电极及燃料电池 | |
CN1913206A (zh) | 膜电极组件及其制备方法以及包含它的燃料电池*** | |
CN114204049B (zh) | 一种低铂载量质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 | |
CN100401563C (zh) | 一种质子交换膜燃料电池膜电极组件的制备方法 | |
CN102104155B (zh) | 一种燃料电池用低铂阴极催化层及其应用 | |
CN102386420A (zh) | 一种直接甲醇燃料电池双催化层膜电极及其制备方法 | |
CN1208862C (zh) | 质子交换膜燃料电池电极的制备方法 | |
CN104425829B (zh) | 碱性阴离子交换膜燃料电池用带过渡层膜电极的制备方法 | |
KR100765088B1 (ko) | 계면 저항을 감소시킨 하이브리드 전극-막 접합체 및 그제조방법 | |
CN1976101A (zh) | 碳载铂基合金电极的制备方法 | |
CN112980247A (zh) | 一种燃料电池用高稳定性喷墨打印墨水及其制备与应用 | |
Xuan et al. | Development of cathode ordered membrane electrode assembly based on TiO2 nanowire array and ultrasonic spraying | |
CN103474683B (zh) | 提高一体式再生燃料电池性能的膜电极组件及其制备方法 | |
CN101132069A (zh) | La系稀土元素掺杂的碳载铂钌合金电极的制备方法 | |
KR20080067837A (ko) | 정전 분사법에 의한 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조방법 | |
CN115207368A (zh) | 基于熔融质子导体电解质膜且催化层含质子导体的膜电极 | |
CN1731609A (zh) | 直接甲醇燃料电池的膜电极的制备方法 | |
CN104752736A (zh) | 一种具有高催化活性及高耐久性的以多孔碳纳米纤维为载体的铂基催化剂及其制备方法 | |
CN110416558B (zh) | 一种卷对卷稳定连续印刷制备燃料电池膜电极的方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |