專(zhuān)利名稱(chēng):一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池或直接醇類(lèi)燃料電池的高效膜電極組件的制備方法。
背景技術(shù):
燃料電池是把化學(xué)能高效地對(duì)環(huán)境友好地直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它具有能量密度大,能量轉(zhuǎn)換效率高,無(wú)污染,并且可以根據(jù)應(yīng)用的需要組成不同功率的電池堆等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是21世紀(jì)高效、節(jié)能、環(huán)境友好的發(fā)電技術(shù)。根據(jù)所使用電解質(zhì)的不同,把燃料電池分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等類(lèi)型。其中PEMFC以其具有工藝簡(jiǎn)單,開(kāi)發(fā)投入相對(duì)較少,可在室溫下快速起動(dòng)投入運(yùn)行,可依負(fù)載要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)大小,比功率高等特點(diǎn),特別適用于便攜式電子產(chǎn)品電源、民用的可移動(dòng)電源及電動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力電源。
質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理為1)氫氣通過(guò)管道或流場(chǎng)板到達(dá)陽(yáng)極,在陽(yáng)極催化劑作用下,氫分子解離為帶正電的氫離子(即質(zhì)子)并釋放出帶負(fù)電的電子;2)氫離子穿過(guò)電解質(zhì)(質(zhì)子交換膜)到達(dá)陰極,電子則通過(guò)外電路到達(dá)陰極。電子在外電路形成電流,通過(guò)適當(dāng)連接可向負(fù)載輸出電能;3)在電池陰極,氧氣(或空氣)通過(guò)管道或流場(chǎng)板到達(dá)陰極。在陰極催化劑作用下,氧與氫離子及電子發(fā)生反應(yīng)生成水。其中,膜電極是其電化學(xué)反應(yīng)的唯一場(chǎng)所,是保證電化學(xué)反應(yīng)能高效進(jìn)行的核心。膜電極是由導(dǎo)電基底、氣體擴(kuò)散層、催化層、和質(zhì)子導(dǎo)電膜組成的七層結(jié)構(gòu)氣體擴(kuò)散電極,其導(dǎo)電基底一般為憎水處理的碳紙或碳布,擴(kuò)散層為碳黑和PTFE組成的憎水層,催化層為Pt/C或Pt-Ru/C催化劑和質(zhì)子導(dǎo)電樹(shù)脂或PTFE構(gòu)成。為使電化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行,膜電極組件必須具備質(zhì)子、電子、反應(yīng)氣體和水的連續(xù)通道。
在早期膜電極組件制備的工藝中,催化劑層由催化劑和PTFE組成,其中PTFE充當(dāng)粘結(jié)劑和對(duì)催化劑層的憎水處理,由于質(zhì)子交換膜燃料電池是包括質(zhì)子,電子,燃料,水的多相電催化反應(yīng),其催化層中,有效的催化劑必須具有以上多相的反應(yīng)條件,由于PTFE為電子和質(zhì)子的絕緣體,使之被PTFE包裹著的催化劑成為無(wú)效催化劑,其催化劑用量高達(dá)4mg/cm2,這樣就限制了質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展。隨后,美國(guó)專(zhuān)利(US 4876115)介紹了一種用質(zhì)子導(dǎo)電聚合物溶液浸漬催化層方法使催化劑的載量降低到了0.4mg/cm2,但是該電極催化劑的利用率僅為10%~20%。目前,人們?yōu)榱颂岣叽呋瘎┑睦寐?,降低催化劑的用量,其催化層多采用Pt/C催化劑和質(zhì)子導(dǎo)電樹(shù)脂的結(jié)構(gòu),其中質(zhì)子導(dǎo)電樹(shù)脂在催化層中既充當(dāng)了粘結(jié)催化劑的作用,同時(shí)也為催化劑提供了更多的質(zhì)子通道。具有此種催化層結(jié)構(gòu)的膜電極制備方法總的來(lái)說(shuō)主要可分為如下方法1,將催化劑涂于導(dǎo)電碳基底上形成催化層,然后在一定條件下,熱壓轉(zhuǎn)移到質(zhì)子導(dǎo)電膜上形成膜電極。所用的催化劑墨水一般采用催化劑、H+型Nafion溶液和甲醇、乙醇或異丙醇的混合液。但是該混合液對(duì)經(jīng)PTFE和碳黑憎水平整處理后的碳紙或碳布具有很強(qiáng)的浸潤(rùn)能力,使部分催化劑分布于碳紙或碳布基底的空洞中,這樣就大大地降低了催化劑的利用率。同時(shí)由于大多采用低沸點(diǎn)醇為溶劑,其催化層制備和干燥的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的龜裂,這樣對(duì)電極的整體性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性是非常不利的。此外,此種催化劑墨水的穩(wěn)定性不佳,存放時(shí)間長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)催化劑、溶劑分層現(xiàn)象,在大量連續(xù)生產(chǎn)中,膜電極產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性無(wú)法保證。最近,美國(guó)專(zhuān)利(US6344428B1)披露了一種制備穩(wěn)定粘稠催化劑墨水和膜電極制備的方法,其首先通過(guò)全氟磺酸聚合物溶液從H+型轉(zhuǎn)化為Na+或K+型,在加入高沸點(diǎn)極性溶劑如二甲基亞砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙二醇(EG),形成高沸點(diǎn)極性溶劑的全氟磺酸聚合物溶液,再與催化劑混合制備催化劑墨水,并置于導(dǎo)電基底上,通過(guò)熱壓成型的方法制備膜電極,但是該法所采用的高沸點(diǎn)溶劑對(duì)Pt/C催化劑分散能力不佳,很難將團(tuán)塊狀的催化劑結(jié)構(gòu)分散開(kāi),這樣就影響了催化劑與全氟磺酸聚合物結(jié)合,降低了整體催化劑的質(zhì)子導(dǎo)電通道,進(jìn)而降低了膜電極的效能。
2、首先在一個(gè)惰性的基底(聚四氟乙烯(PTFE)薄膜)上構(gòu)筑催化層,隨后通過(guò)熱壓的方法將其轉(zhuǎn)移到質(zhì)子導(dǎo)電膜上(M.S.Wilson,et al.,J.Appl.Electrochem.,1992,22,1)。美國(guó)專(zhuān)利US 5237777介紹了一種制備高效薄膜電極的方法,其首先將催化劑、Na+型Nafion、甘油充分混合后,涂于聚四氟乙烯薄膜上,烘干后,高溫?zé)釅恨D(zhuǎn)移到Na+型化的質(zhì)子導(dǎo)電膜上,剝除PTFE薄膜后,將導(dǎo)電膜重新質(zhì)子化處理后得三合一膜電極。該法能制備低鉑擔(dān)量,具有薄膜親水、連續(xù)催化層等特點(diǎn)。但是這種間接將催化劑涂于膜上的方法,步驟繁瑣,膜兩側(cè)催化劑難以形成鏡像分布。同時(shí),由于采用惰性膜為轉(zhuǎn)移介質(zhì),增加了膜電極組件的制造成本,而且催化層從惰性膜到質(zhì)子導(dǎo)電膜上的轉(zhuǎn)移率無(wú)法保證,限制其進(jìn)一步的應(yīng)用。
3、直接將催化劑墨水涂于質(zhì)子導(dǎo)電膜上(US 533860,5316871)。該法具有催化層與質(zhì)子導(dǎo)電膜間電阻低、反應(yīng)活性高、催化劑用量低、制備過(guò)程簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。但是由于目前所用的商用質(zhì)子導(dǎo)電膜,對(duì)催化劑墨水中的溶劑具有很強(qiáng)的吸附和溶脹能力,致使將催化劑漿料置于膜上時(shí),會(huì)引起膜的變形,這樣對(duì)整個(gè)催化劑層的結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、均勻性具有很大的影響。美國(guó)專(zhuān)利US 6074692、US 6475249提出了通過(guò)對(duì)質(zhì)子交換膜溶劑預(yù)浸漬的方法,以消除催化劑墨水置于膜上引起溶脹造成催化層不均勻的問(wèn)題,但是在該法中均采用了H+型質(zhì)子交換膜,在低于100℃干燥,這樣的得到催化層的連續(xù)性以及與膜的整合度是有限的。
發(fā)明內(nèi)容
基于以上方法存在的一些問(wèn)題,本發(fā)明的目的在于提供一種適宜作為具有優(yōu)良電化學(xué)性質(zhì)的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件制備和直接置于膜兩側(cè)不引起膜溶脹變形的催化劑漿料,以及提供一種具有均勻、連續(xù)、與膜具有良好整合性的膜電極組件的制備方法。
本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件的制備方法如下第一步,制備質(zhì)子交換膜燃料電池用催化劑漿料,包括(1)將Nafion溶液Na+型化處理,使之從H+型轉(zhuǎn)化為Na+型;Nafion溶液的Na+型化處理所用試劑為NaOH,其加入量為所需配制H+型Nafion中所含磺酸根的0.5-3摩爾。較好為等摩爾量;(2)將催化劑、異丙醇、Na+型Nafion溶液充分混合,形成均勻混合液;將高沸點(diǎn)醇加入上述混合液中,充分混合;Nafion溶液、異丙醇、高沸點(diǎn)醇的用量比為催化劑與Nafion的重量比為1-5∶5-1,較好為3∶1;Nafion溶液與異丙醇的體積比為1-10∶10-1,較好為1∶1;Nafion溶液與高沸點(diǎn)醇的體積比為1-10∶10-1,較好為1∶1;其中的高沸點(diǎn)醇為1,2-丙二醇、甘油、乙二醇其中一種或一種以上混合物。
(3)除去其中的水和異丙醇,最終形成均勻、粘稠的催化劑、Na+型Nafion和高沸點(diǎn)醇的催化劑漿料。
第二步,制備質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極組件,包括(1)清洗質(zhì)子導(dǎo)電膜,然后對(duì)質(zhì)子導(dǎo)電膜Na+型化處理;所需試劑為0.1~5M NaOH,最好采用1M NaOH;膜在濃度為0.3-30%的H2O2中煮沸處理1小時(shí)進(jìn)行清洗處理,過(guò)氧化氫的濃度較好為1-10%,最好為3%,此操作反復(fù)進(jìn)行兩次。
(2)用高沸點(diǎn)的1,2-丙二醇浸潤(rùn)Na+型質(zhì)子導(dǎo)電膜;(3)將催化劑漿料以絲網(wǎng)印刷、噴涂或刷涂方法置于膜的兩側(cè);(4)將涂有催化劑的膜在80-160℃真空干燥至少2-4小時(shí),溫度最好控制在150℃;(5)將膜重新進(jìn)行質(zhì)子化處理,即將膜在0.5M H2SO4溶液中煮沸1小時(shí),此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行兩次;然后在40-130℃干燥,較好在80℃干燥;(6)將涂有催化劑的膜與導(dǎo)電基底在溫度為120~130℃,壓力為5~10Mpa條件下熱壓成型;導(dǎo)電基底為憎水平整處理的碳紙或碳布。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明的特點(diǎn)之一是采用低沸點(diǎn)、低粘度醇為分散劑、以高沸點(diǎn)、高粘度醇為穩(wěn)定劑的方法。低沸點(diǎn)、低粘度醇指沸點(diǎn)低于100℃、粘度小于1.8mPa·s。高沸點(diǎn)、高粘度醇指高于120℃、粘度大于2.2mPa·s。
用本發(fā)明的技術(shù)可制備均勻,粘稠、穩(wěn)定、催化劑高度分散、適宜多種膜電極制備方法要求的催化劑漿料。
其技術(shù)要點(diǎn)在于首先采用異丙醇溶液對(duì)催化劑進(jìn)行預(yù)分散。異丙醇與多種常見(jiàn)醇如甲醇,乙醇,乙二醇、甘油,以及DMSO,DMF比較對(duì)催化劑的分散作用最強(qiáng),使用異丙醇使得催化劑與Nafion溶液能得到最大均勻度的混合。同時(shí),采用高粘度的1,2-丙二醇或甘油或乙二醇為最終溶劑,可保證催化劑漿料體系長(zhǎng)期的穩(wěn)定性?xún)?chǔ)存。
2、本發(fā)明的特點(diǎn)之二是可將催化劑漿料直接置于質(zhì)子導(dǎo)電膜兩側(cè),形成具有催化層均勻,連續(xù),與膜整合度高的膜電極組件。眾所周知,質(zhì)子交換膜的整合性與處理的溫度有關(guān),溫度越高對(duì)膜的整合愈好。
由于本發(fā)明采用了Na+型Nafion膜及其同類(lèi)溶液的方式,可提高膜電極組件制備的溫度,不僅可促進(jìn)催化層內(nèi)的催化劑與Nafion樹(shù)脂的整合,同時(shí)也增加了與膜的整合,這樣所得到的電極具有高活性、高穩(wěn)定的特點(diǎn)。
3、本發(fā)明的特點(diǎn)之三是將催化劑直接涂覆在導(dǎo)電膜表面能極大地增大電化學(xué)三相界面的形成,從而可大幅度降低催化劑用量、減少電極內(nèi)阻,提高電極的整體性能。
4、本發(fā)明的特點(diǎn)之四是所采用的方法簡(jiǎn)單,適宜工業(yè)化生產(chǎn)。其催化劑漿料的穩(wěn)定和膜電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可保證大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)能滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量均一,性能優(yōu)良的要求。
具體實(shí)施例方式
碳紙的平整處理將Vulcan-72炭黑與PTFE乳液超聲充分混合至漿狀,用噴槍噴涂于憎水處理后碳紙表面,重復(fù)碳紙?jiān)魉幚淼募訜岢绦颍闷秸技?。其?yáng)極PTFE含量為10%,陰極為30%,平整層含量約為2.5mg/cm2。
膜的浸潤(rùn)處理首先將5×5cm的112型Nafion膜,經(jīng)3%H2O2煮沸處理1小時(shí)以除去表面的污染物,用二次蒸餾水煮沸30min后(此處理過(guò)程反復(fù)進(jìn)行兩次)再將膜置于1M NaOH溶液中,使之膜完全轉(zhuǎn)變?yōu)镹a+型,反復(fù)水洗后,置于1,2-丙二醇溶液中,超聲浸漬30min,得1,2-丙二醇充分浸潤(rùn)的Na+型Nafion 112膜。
催化劑漿料的制備1)取50ml的5%Nafion溶液(DuPont公司,美國(guó))加入磺酸根等摩爾當(dāng)量的0.2M NaOH,攪拌12h得Na+型Nafion溶液;2)按催化劑與Nafion干重之比3∶1稱(chēng)取40%Pt/C催化劑(E-Tek公司,美國(guó)),加入與Nafion溶液等體積的異丙醇溶液,進(jìn)行超聲1h,使催化劑充分分散并與Nafion充分混合;3)加入Nafion溶液等體積的1,2-丙二醇溶液于上述混合液中,充分超聲混勻,隨后提高超聲溫度,除去混合液中的水和異丙醇,得均勻、粘稠的催化劑、Nafion和1,2-丙二醇的混合漿料。
膜電極的制備1)將充分浸潤(rùn)好的Na+型Nafion 112膜置于2.8×2.8cm玻璃框架內(nèi),用脫脂棉拭去膜表面剩余的1,2-丙二醇,使用微型噴槍均勻噴涂在膜的兩側(cè);2)將其置于經(jīng)水平校正的真空干燥箱內(nèi),150℃真空干燥3h;3)置于0.5M H2SO4中煮沸1h,隨后用二次蒸餾水煮沸30min,反復(fù)進(jìn)行兩次;4)將其置于80℃烘箱中烘干。將涂有催化劑的膜與憎水平整處理的碳紙或碳布在溫度為120~130℃,壓力為5~10mPa條件下熱壓成型。
膜電極的活化1)將上述膜電極組件及經(jīng)兩側(cè)憎水平整處理的碳紙,夾于具有平行流場(chǎng)的石墨極板中,其兩側(cè)為鍍金紫銅端板;2)在0.5V、電池溫度為80℃,H2加濕溫度為85℃,O2加濕溫度為90℃,H2壓為20Psi,O2壓為30Psi,H2、O2流量控制在工作電流為1A/cm2的狀態(tài),化學(xué)計(jì)量比為1∶1.5,活化5h。
膜電極性能的測(cè)試將活化好的膜電極在電池溫度80℃,H2加濕溫度為85℃,O2加濕溫度為90℃,H2壓為10Psi,O2壓為15Psi,O2壓為30Psi,H2、O2流量控制在工作電流為1A/cm2的狀態(tài),化學(xué)計(jì)量比為1∶1.5,進(jìn)行膜電極性能測(cè)試。
膜電極的制備1)將充分浸潤(rùn)好的Na+型Nafion 1135膜置于2.8×2.8cm玻璃框架內(nèi),用脫脂棉拭去膜表面剩余的乙二醇,以絲網(wǎng)印刷的方法將漿料涂在膜的兩側(cè);2)將其置于經(jīng)水平校正的真空干燥箱內(nèi),150℃真空干燥3h;3)置于0.5M H2SO4中煮沸1h,隨后用二次蒸餾水煮沸30min,反復(fù)進(jìn)行兩次;4)將其置于100℃烘箱中烘干。將涂有催化劑的膜與憎水平整處理的碳紙或碳布在溫度為120~130℃,壓力為5~10mPa條件下熱壓成型。
催化劑漿料配制的手續(xù)為將催化劑、異丙醇、Na+型Nafion溶液充分混合,形成均勻混合液;將1,2-丙二醇加入上述混合液中,充分混合;Nafion溶液、異丙醇、1,2-丙二醇的用量比為催化劑與Nafion的重量比為5∶1;Nafion溶液與異丙醇的體積比為1∶2;Nafion溶液與1,2-丙二醇的體積比為1∶3。
膜電極組件的制備同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件的制備方法,其特征在于包括如下步驟第一步,制備質(zhì)子交換膜燃料電池用催化劑漿料,包括(1)將Nafion溶液Na+型化處理,使之從H+型轉(zhuǎn)化為Na+型;Nafion溶液的Na+型化處理所用試劑為NaOH,其加入量為所需配制H+型Nafion中所含磺酸根的0.5-3摩爾;(2)將催化劑、異丙醇、Na+型Nafion溶液充分混合,形成均勻混合液;將高沸點(diǎn)醇加入上述混合液中,充分混合;Nafion溶液、異丙醇、高沸點(diǎn)醇的用量比為催化劑與Nafion的重量比為1-5∶5-1,Nafion溶液與異丙醇的體積比為1-10∶10-1,Nafion溶液與高沸點(diǎn)醇的體積比為1-10∶10-1,其中的高沸點(diǎn)醇為1,2-丙二醇、甘油、乙二醇其中一種或一種以上混合物;(3)除去其中的水和異丙醇,最終形成均勻、粘稠的催化劑、Na+型Nafion和高沸點(diǎn)醇的催化劑漿料;第二步,制備質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極組件,包括(1)清洗質(zhì)子導(dǎo)電膜,然后對(duì)質(zhì)子導(dǎo)電膜Na+型化處理;所需試劑為0.1~5M NaOH,膜在濃度為0.3-30%的H2O2中煮沸處理1小時(shí)進(jìn)行清洗處理,過(guò)氧化氫的濃度為1-10%,此操作反復(fù)進(jìn)行兩次;(2)用高沸點(diǎn)的1,2-丙二醇浸潤(rùn)Na+型質(zhì)子導(dǎo)電膜;(3)將催化劑漿料以絲網(wǎng)印刷、噴涂或刷涂方法置于膜的兩側(cè);(4)將涂有催化劑的膜在80-160℃真空干燥至少2-4小時(shí);(5)將膜重新進(jìn)行質(zhì)子化處理,即將膜在0.5M H2SO4溶液中煮沸1小時(shí),此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行兩次;然后在40-130℃干燥;(6)將涂有催化劑的膜與導(dǎo)電基底在溫度為120~130℃,壓力為5~10Mpa條件下熱壓成型;導(dǎo)電基底為憎水平整處理的碳紙或碳布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件的制備方法,其特征在于第一步,制備質(zhì)子交換膜燃料電池用催化劑漿料,包括(1)將Nafion溶液Na+型化處理,使之從H+型轉(zhuǎn)化為Na+型;Nafion溶液的Na+型化處理所用試劑為NaOH,其加入量為所需配制H+型Nafion中所含磺酸根的等摩爾量;(2)將催化劑、異丙醇、Na+型Nafion溶液充分混合,形成均勻混合液;將高沸點(diǎn)醇加入上述混合液中,充分混合;Nafion溶液、異丙醇、高沸點(diǎn)醇的用量比為催化劑與Nafion的重量比為3∶1;Nafion溶液與異丙醇的體積比為1∶1;Nafion溶液與高沸點(diǎn)醇的體積比為1∶1;其中的高沸點(diǎn)醇為1,2-丙二醇、甘油、乙二醇其中一種或一種以上混合物;(3)除去其中的水和異丙醇,最終形成均勻、粘稠的催化劑、Na+型Nafion和高沸點(diǎn)醇的催化劑漿料;第二步,制備質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極組件,包括(1)清洗質(zhì)子導(dǎo)電膜,然后對(duì)質(zhì)子導(dǎo)電膜Na+型化處理;所需試劑為1MNaOH,膜在濃度為0.3-30%的H2O2中煮沸處理1小時(shí)進(jìn)行清洗處理,過(guò)氧化氫的濃度為3%,此操作反復(fù)進(jìn)行兩次;(2)用高沸點(diǎn)的1,2-丙二醇浸潤(rùn)Na+型質(zhì)子導(dǎo)電膜;(3)將催化劑漿料以絲網(wǎng)印刷、噴涂或刷涂方法置于膜的兩側(cè);(4)將涂有催化劑的膜在150℃真空干燥至少2-4小時(shí);(5)將膜重新進(jìn)行質(zhì)子化處理,即將膜在0.5M H2SO4溶液中煮沸1小時(shí),此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行兩次;然后在80℃干燥;(6)將涂有催化劑的膜與導(dǎo)電基底在溫度為120~130℃,壓力為5~10Mpa條件下熱壓成型;導(dǎo)電基底為憎水平整處理的碳紙或碳布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件的制備方法,是以低沸點(diǎn)、低粘度醇為分散劑,以高沸點(diǎn)、高粘度醇為穩(wěn)定劑的方法制備的催化劑漿料能直接涂覆在導(dǎo)電膜表面。經(jīng)高沸點(diǎn)、高粘度醇預(yù)浸潤(rùn)后的質(zhì)子導(dǎo)電膜,催化劑漿料置于其上不變形,能形成具有均勻、連續(xù)、高活性催化層的膜電極組件。
文檔編號(hào)H01M4/88GK1477724SQ0313964
公開(kāi)日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2003年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者沈培康, 田植群, 方軍 申請(qǐng)人:中山大學(xué)