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CN102769140A - 一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法 Download PDF

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CN102769140A
CN102769140A CN2012102691607A CN201210269160A CN102769140A CN 102769140 A CN102769140 A CN 102769140A CN 2012102691607 A CN2012102691607 A CN 2012102691607A CN 201210269160 A CN201210269160 A CN 201210269160A CN 102769140 A CN102769140 A CN 102769140A
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CN
China
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catalyst
catalytic layer
ordered
exchange membrane
magnet
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CN2012102691607A
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徐洪峰
赵红
孙昕
王国香
史继诚
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Dalian Jiaotong University
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Dalian Jiaotong University
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Abstract

一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法，包括催化剂浆料制备、催化剂浆料涂覆和烘干，特征是催化剂浆料涂覆是在外加磁场条件下的涂覆，即将催化剂浆料涂覆在放置在磁铁上的扩散层或电解质膜上，室温晾干后，再将磁铁撤离涂覆了催化剂浆料的扩散层或电解质膜。本发明的有益效果是：有序催化层中的催化剂利用率接近100%,而且质子、电子和反应气体传递几乎以最短的距离进行,大大提高了催化层性能；有序纳米结构催化层的垂直孔道将提高氧气传递速度；铂粒子坐落在电子导体和质子导体界面处，可最有效地利用铂催化剂；有序纳米结构催化层可以形成超级憎水，促进更多的水从催化层移出，从而提高质量传递速度。

Description

一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池电极催化层制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池直接把储存在燃料和氧化剂内的化学能转化为电能，其核心部件是由阳极、阴极和其中间的电解质膜构成的膜电极组件，其中电极（阴极和阳极）均由扩散层和催化层构成，扩散层起支撑催化层和为反应提供通道，以及收集电流等作用，催化层则是电化学反应的场所。催化层是决定质子交换膜燃料电池性能和成本的重要因素,传统的催化层主要由碳载催化剂和电解质等组分随机混合而成。传统技术的不足是：无法保证各组分均匀混合,许多催化剂因不能同时获得质子、电子和反应气体而浪费；同时，很难协调质子、电子和反应气体的竞争性传递。为克服传统技术的不足，现有技术中提出了一种新型有序结构的催化层,其中的电子导体为垂直于电极表面分散有Pt颗粒的有序纳米碳阵列,而电解质则覆盖在其表面。现有技术的有序结构催化层制备方法的不足是制备方法比较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种简便的质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法。
本发明的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法，包括催化剂浆料制备、催化剂浆料涂覆和烘干，所述催化剂浆料制备包括：将PtCo/C或PtFe/C或PtNi/C催化剂与5%的Nafion溶液按催化剂:Nafion(干重)为3:1质量比混合均匀，并用异丙醇稀释10-50倍，形成黑色墨汁状浆料；所述烘干是在80-100℃下烘干30min，其特征在于所述所述催化剂浆料涂覆是在外加磁场条件下的涂覆，所述外加磁场条件下的涂覆将催化剂浆料涂覆在放置在磁铁上的扩散层或电解质膜上，室温晾干后，再将磁铁撤离涂覆了催化剂浆料的扩散层或电解质膜。
本发明所述一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法，其特征在于所述磁体是永磁铁或电磁铁，磁铁强度为0.2-3T。
本发明所述一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法，其特征在于所述把催化剂浆料涂覆在扩散层或电解质膜上的催化剂载量为0.2-0.4mg/cm2。
本发明所述一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法，其特征在于所述催化剂浆料涂覆方法是喷涂。
本发明的原理是：利用炭载铂钴（PtCo/C）、炭载铂铁（PtFe/C）和炭载铂镍（PtNi/C）中的钴、铁和镍具有磁性的特点，，使催化剂颗粒具有磁性，催化剂颗粒在外加磁场的磁场力作用下，将沿磁场方向定向排列，形成垂直扩散层或膜表面方向的有序催化层。
本发明的有益效果是：
1、有序催化层中的催化剂利用率接近100%,而且质子、电子和反应气体传递几乎以最短的距离进行,大大提高了催化层性能,是比较理想的质子交换膜燃料电池催化层；
2、有序纳米结构催化层的内在优点形成的垂直孔道将提高氧气传递速度；
3、铂粒子坐落在电子导体和质子导体界面处，导致最有效地利用铂催化剂；
3、有序纳米结构催化层可以形成超级憎水，从而促进更多的水从催化层移出，从而提高质量传递速度。
附图说明
本发明有附图四幅，其中
图1a是未外加磁场涂覆催化剂浆料的PtCo/催化层表面SEM扫描图，
图1b是外加磁场涂覆催化剂浆料的PtCo/催化层表面SEM扫描图，
图2是外加磁场制得有序催化层电极与未加磁场的催化层电极循环伏安曲线图，图中实线是未加磁场的催化层电极循环伏安曲线，虚线是外加磁场制得有序催化层电极循环伏安曲线，
图3是外加磁场制得有序催化层电极与未加磁场的催化层电极放电性能曲线图，图中，带圆点的曲线为外加磁场制得有序催化层电极的曲线，带三角点的曲线为未加磁场的催化层电极的曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
称取含Pt为50%的PtCo/C催化剂16mg,5%的Nafion溶液50mg，混合均匀，并用异丙醇稀释到20ml，将制的催化剂浆料平均分成2份。把2.5×4cm2的扩散层放在0.3T的磁铁上，再把其中一份催化剂浆料用喷笔喷涂在上述扩散层上，催化剂载量0.4mgPt/cm2，室温晾干后撤下磁铁，再将喷涂了催化剂浆料的扩散层在80℃烘干30min，形成有序催化层。把上述含有有序催化层的电极裁成两张5cm2电极，把两张电极放在一张Nafion115膜的两面，于140℃下，在热压机上热压1.5min。制得膜电极，在单电池评价装置上，配合电化学工作站进行循环伏安测试和电池性能评价。
把另一份催化剂喷涂在不放在磁铁上的2.5×4cm2的扩散层上，其他步骤与在磁铁上涂覆催化剂浆料制得膜电极的步骤相同，制得不在磁铁上涂覆催化剂浆料的膜电极，在同样条件下进行单电池评价。比较两种电极的性能。
由SEM扫描图可以看出：在外加磁场情况下制备的催化层具有明显的有序性，如图1b，未外加磁场情况下制备的催化层不具有有序性，如图1a。由两种电极的循环伏安曲线图（图2）和两种电极的放电性能图（图3）可以看出，在外加磁场条件下制备的有序催化层电极的性能明显优于未外加磁场条件下制备的催化层电极的性能。

Claims (4)

1.一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法，包括催化剂浆料制备、催化剂浆料涂覆和烘干，所述催化剂浆料制备包括：将PtCo/C或PtFe/C或PtNi/C催化剂与5%的Nafion溶液按催化剂:Nafion(干重)为3:1质量比混合均匀，并用异丙醇稀释10-50倍，形成黑色墨汁状浆料；所述烘干是将涂覆了催化剂浆料并室温晾干了的扩散层或电解质膜在80-100℃下烘干30min，其特征在于所述所述催化剂浆料涂覆是在外加磁场条件下的涂覆，所述外加磁场条件下的涂覆将催化剂浆料涂覆在放置在磁铁上的扩散层或电解质膜上，室温晾干后，再将磁铁撤离涂覆了催化剂浆料的扩散层或电解质膜。
2.根据权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法，其特征在于所述磁体是永磁铁或电磁铁，磁铁强度为0.2-3T。
3.根据权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法，其特征在于所述把催化剂浆料涂覆在扩散层或电解质膜上的催化剂载量为0.2-0.4mg/cm2。
4.根据权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法，其特征在于所述催化剂浆料涂覆方法是喷涂。
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