欧美在线观看视频网站,亚洲熟妇色自偷自拍另类,啪啪伊人网,中文字幕第13亚洲另类,中文成人久久久久影院免费观看 ,精品人妻人人做人人爽,亚洲a视频

一種薄層憎水催化層的制備方法

文檔序號:6905327閱讀:462來源:國知局
專利名稱:一種薄層憎水催化層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池,具體地說是一種質(zhì)子交換膜燃料電池的電極組
件-憎水化的覆膜薄層催化層的制備方法,有效的改善了傳統(tǒng)的覆膜催化層的完全親水特性,避免了電池在高電密區(qū)的水淹現(xiàn)象,提高了電池性能。
背景技術(shù)
質(zhì)子交換膜燃料電池是一種以氫氣為燃料,能夠有效的將其化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,它的能量密度高,啟動速度快,操作溫度低,以及環(huán)境有好等特點,決定了它非常適合作為電動汽車動力源、便攜式小型電源以及水下動力系統(tǒng)電源等。因而,自上世紀(jì)九十年代以來,受到各國政府和能源、汽車、家電和軍工等各方面的廣泛關(guān)注,技術(shù)發(fā)展迅速。
作為質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵組成-電極部件,是電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方,它的結(jié)構(gòu)特性將直接影響整個電池的輸出性能。電極部件包括三個組成部分?jǐn)U散層,催化層和膜。根據(jù)催化層所依附的位置,可以將電極部件分為兩大部分氣體擴散電極(GDE)和覆膜催化層電極(CCM)。氣體擴散電極中,催化層被刮涂或直接噴涂到擴散層上,催化層內(nèi)部通常混有PTFE來充當(dāng)氣體通道。根據(jù)制備方法的不同,催化層的厚度在十幾個微米到幾十個微米之間。在GDE的制備過程中,質(zhì)子交換樹脂是在催化層形成后依賴滲入作用噴涂到催化層中的。在這種較厚的催化層中,催化劑的利用率很低,并且它的低溫環(huán)境適應(yīng)性比較差。因此在車用質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域,人們開始把注意力轉(zhuǎn)向覆膜薄層催化層(CCM)的研制上。因為在CCM中,催化層的厚度僅為IO微米甚至更低,催化劑的利用率很高。而且經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),CCM這種電極結(jié)構(gòu),無論在電池穩(wěn)定性還是環(huán)境適應(yīng)性方面,都有著較為突出的性能。 根據(jù)傳統(tǒng)的CCM制備方法,催化層中只有Naf ion樹脂,內(nèi)部沒有憎水孔道,孔隙率較低,盡管較薄的催化層可以彌補沒有氣體傳輸通道帶來的傳質(zhì)阻力,但在大電密運行時,還是比較容易發(fā)生水淹,造成性能衰減。因此CCM制備方法的改進(jìn)則集中于改善其內(nèi)部的
三相界面。 PTFE是傳統(tǒng)電極制備中的常用材料以產(chǎn)生憎水通道,但PTFE乳液必須經(jīng)過高溫焙燒才能去除表面活性劑以及體現(xiàn)憎水性。因此若要將PTFE用在CCM制備中,則需要在將催化層依附到膜上之前,對其進(jìn)行焙燒,并選用一個表面光滑平整的中間介質(zhì),將PTFE乳液和催化劑先噴涂到中間介質(zhì)上,經(jīng)過高溫焙燒之后,向其表面噴涂質(zhì)子交換樹脂使其滲入到整個催化層,這個過程與GDE的制備相類似。然后將整個催化層轉(zhuǎn)壓到膜上形成憎水薄層的CCM。該法得到的CCM由于其催化層內(nèi)部添加了憎水性孔道,使得其電池性能在高電密區(qū)有所提高,可以有效避免電池發(fā)生水淹。
相關(guān)專利如下 USP5211984提出了一種制備燃料電池用的覆膜催化層電極組件的方法,它是將催化劑與鈉型化的質(zhì)子導(dǎo)體聚合物混合涂在聚四氟乙烯(PTFE)膜上,形成催化層,然后通過熱壓將附在PTFE薄膜上的催化層轉(zhuǎn)移到Nafion等質(zhì)子膜上,進(jìn)而形成覆膜催化層的電極組件。這種方法制備得到的CCM,催化層內(nèi)部只有質(zhì)子導(dǎo)體聚合物,催化層是親水的,在電池高電密運行時容易發(fā)生水淹。 CN1167832C提出了一種制備薄層疏水催化層的方法,它是將催化劑與憎水劑(如PTFE)以及質(zhì)子導(dǎo)體聚合物調(diào)制成墨水,然后直接噴涂到膜上形成覆膜催化層的電極組件。在這種方法制備的CCM中,由于加入了憎水劑,改善了催化層的憎水性。但在這種方法中,憎水劑(PTFE)是未經(jīng)過高溫焙燒的,其憎水性不能充分的發(fā)揮出來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備質(zhì)子交換膜燃料電池憎水化CCM的方法。將憎水劑PTFE加入到催化層中,通過一種耐熱的中間介質(zhì)以及轉(zhuǎn)壓的方法,使得催化層可以經(jīng)過高溫焙燒實現(xiàn)憎水化。通過這種方法制備得到的CCM,其催化層內(nèi)部有了憎水化的孔道,減小了電池運行時的傳質(zhì)阻力,有效避免了大電密運行時的水淹現(xiàn)象。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為 —種制備憎水薄層催化層的方法,首先將催化劑與憎水劑(PTFE)用溶劑調(diào)制成
墨水,噴涂到表面光滑平整并且耐熱介質(zhì)上(如鋁箔),形成催化層的前驅(qū)體;然后將該催
化層前驅(qū)體于高溫下焙燒以實現(xiàn)憎水化。然后向燒后的催化層噴涂質(zhì)子導(dǎo)體聚合物使之滲
入到催化層內(nèi)部。最后將此催化層轉(zhuǎn)壓倒Nafion膜上,形成憎水化的CCM。 催化層前驅(qū)體的制備方法將催化劑,有機溶劑,和1 lOwt. %的PTFE混合調(diào)制
成墨水,三者的比重為io : ioo 500 : o. i i。利用直接噴涂法,將此催化劑墨水噴涂
到耐熱介質(zhì)(鋁箔)上。待溶劑(如異丙醇、乙醇等)揮發(fā)完全后,利用充氮烘箱在溫度
范圍240°C 35(TC內(nèi)焙燒此催化層前驅(qū)體,焙燒時間為30min 90min。所述催化劑可為常用的各種電催化劑、如20wt. % Pt/C、50wt. % Pt/C、70wt. % Pt/C。 質(zhì)子導(dǎo)體聚合物的噴涂用異丙醇、乙醇等有機溶劑將質(zhì)子導(dǎo)體聚合物稀釋,按照其占整個催化層的重量比為0. 2 0. 3wt. %的配比,將其直接噴涂到焙燒后的催化層前驅(qū)體表面。由于該催化層很薄,質(zhì)子導(dǎo)體聚合物可以充分滲入到整個催化層,形成良好的三相界面。 轉(zhuǎn)壓過程將兩片經(jīng)過質(zhì)子導(dǎo)體聚合物處理的催化層置于膜的兩側(cè),于140 160°C,10 20kg N下熱壓,熱壓時間為120 200s,待冷卻后,將表面的耐熱介質(zhì)(鋁箔)揭開,則催化層可以完全轉(zhuǎn)移到膜上,形成憎水化的CCM。 本發(fā)明先將催化劑和PTFE噴涂到耐熱介質(zhì)上形成催化層前驅(qū)體,以實現(xiàn)高溫焙燒過程,繼而實現(xiàn)催化層的憎水化;向焙燒后的催化層前驅(qū)體表面噴涂一定量的質(zhì)子導(dǎo)體聚合物溶液,在噴涂過程中,此溶液將會滲入到催化層內(nèi)部,進(jìn)而保證了電池運行時的三相界面;經(jīng)過轉(zhuǎn)壓,憎水化的催化層可以完全轉(zhuǎn)到質(zhì)子交換膜上,以形成覆膜催化層。所形成的覆膜催化層中,具有一定的憎水孔道,改善了傳統(tǒng)的覆膜催化層的完全親水特性;組裝成電池后,電池性能在高電密區(qū),較完全親水的覆膜催化層有很大的提高。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點 1.本發(fā)明采用耐高溫的鋁箔等物質(zhì)做為CCM制備過程中的中間體,使得添加到催化層中的憎水劑可以經(jīng)過高溫處理以體現(xiàn)憎水性。 2.本發(fā)明制備出的CCM,其催化層內(nèi)既有憎水化的氣體通道,又有質(zhì)子導(dǎo)體聚合物形成的質(zhì)子傳遞通道,有良好的三相界面。 3.本發(fā)明避免了傳統(tǒng)CCM中只有親水物質(zhì)的弊端,添加了憎水通道,有效改善了 電池在高電密運行時的性能。


圖1為催化層添加了焙燒的PTFE后與完全親水CCM接觸角的比較;
圖2為催化層添加了焙燒的PTFE后與完全親水CCM性能的比較。
具體實施例方式
下面結(jié)合圖表和實例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實施例1 配制5wt. %的PTFE乳液用超聲震蕩均勻待用,用一級天平稱取50wt. %的Pt/ C催化劑20mg,用蒸餾水潤濕,加入10ml異丙醇,用超聲震蕩將催化劑完全分散,然后稱 取5wt. %的PTFE乳液29. 5mg,繼續(xù)將超聲震蕩2h。取表面光滑平整的鋁箔有效面積為 5cmX5cm,將配好的槳料直接噴涂到鋁箔上。隨后放置在充氮烘箱中于24(TC燒30min,在 于340。C焙燒30min。稱取5wt. %的Naf ion溶液160mg,用異丙醇稀釋,直接噴涂到催化層 上。然后將該立體化的催化層于150°C, 15Kg N下保持2min,轉(zhuǎn)壓到N212膜上,形成CCM。
測試此法得到的CCM的接觸角,與完全親水CCM接觸角對比如圖1所示。催化層中 沒有PTFE的CCM表面的接觸角為126° ,而加入PTFE以后CCM表面的接觸角變?yōu)?48° , 說明PTFE的的加入大大提高了 CCM的憎水性,更有利于催化層的排水。
實施例2 與實例1不同之處在于選用40wt. %催化劑25mg和5wt. %的PTFE乳液23mg配 制催化劑漿料,隨后噴涂的Nafion溶液為240mg。制備的CCM組裝成電池,其性能與常規(guī)親 水CCM的電池性能比較如圖2所示。從圖2可以看出,加入PTFE以后的CCM,其性能與完全 親水CCM相比有了很明顯的提高,說明該發(fā)明制備的CCM提高了電池性能,避免了催化層的 水淹。 實施例3 與實例1不同之處在于轉(zhuǎn)壓的過程溫度為15(TC,加壓到20Kg N,并保持時間 5min。
權(quán)利要求
一種薄層憎水性催化層的制備方法,其特征在于1)將催化劑與憎水劑PTFE乳液調(diào)制成墨水,將此墨水噴涂到耐熱介質(zhì)上,然后進(jìn)行高溫焙燒實現(xiàn)憎水化,形成催化層前驅(qū)體,墨水中所含有的憎水劑成分,由于涂敷在耐熱介質(zhì)上,可以經(jīng)過高溫焙燒形成憎水孔道;墨水中各組份的重量比例為,催化劑∶有機溶劑∶PTFE乳液=10∶100~500∶0.1~1;2)在焙燒后的催化層前驅(qū)體表面噴涂質(zhì)子導(dǎo)體聚合物,實現(xiàn)催化層的立體化;然后將此催化層前驅(qū)體轉(zhuǎn)壓到質(zhì)子膜上,形成覆在膜上的薄層憎水化催化層。
2. 按照權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于所述催化劑為碳載鉑電催化劑;所 述耐熱介質(zhì)為鋁箔、鋁板或陶瓷板;所述有機溶劑為乙醇或異丙醇,所述質(zhì)子導(dǎo)體聚合物為 Nafion溶液,所述Nafion溶液濃度為5wt. % ;所述質(zhì)子膜為Nafion膜。
3. 按照權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于所述催化劑的載鉑量為20wt. % 70wt. % ;所述PTFE乳液的重量濃度為1 10wt. %。
4. 按照權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于催化劑于催化層上的擔(dān)量為0. 4mg cm—2 ;PTFE占整個催化層重量比為1 lOwt. % ;質(zhì)子導(dǎo)體聚合物占整個催化層的重量比為 0. 2 0. 3wt. %。
5. 按照權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于所述高溫焙燒溫度240°C 350°C, 焙燒時間為30min 90min。
6. 按照權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于轉(zhuǎn)壓過程將兩片經(jīng)過質(zhì)子導(dǎo)體聚 合物處理的催化層置于膜的兩側(cè),耐熱介質(zhì)面向外,于140 160°C,10 20kg'N下熱壓, 熱壓時間為120 200s,待冷卻后,將外表面的耐熱介質(zhì)揭開,則催化層可以完全轉(zhuǎn)移到膜 上,形成憎水化的CCM。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種薄層憎水催化層的制備方法。將催化劑與憎水劑調(diào)制成墨水,噴涂到表面光滑平整的耐熱介質(zhì)上,以進(jìn)行高溫焙燒實現(xiàn)憎水化。焙燒后,在表面噴涂質(zhì)子導(dǎo)體聚合物實現(xiàn)電極立體化,然后轉(zhuǎn)壓到質(zhì)子膜上,形成覆在膜上的薄層憎水催化層。此法制備的覆膜催化層,能夠形成良好的疏水孔道,與親水的覆膜催化層相比,有效避免了燃料電池高電密區(qū)的水淹現(xiàn)象,性能有較大的提高。
文檔編號H01M4/88GK101728542SQ200810228028
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者俞紅梅, 宋微, 衣寶廉, 邵志剛 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
網(wǎng)友詢問留言 已有0條留言
  • 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊!
1
邓州市| 墨江| 库尔勒市| 寻乌县| 昭通市| 岳阳市| 吉安市| 繁昌县| 金堂县| 勃利县| 图木舒克市| 定日县| 黔东| 巨鹿县| 崇义县| 卓尼县| 文昌市| 连城县| 绥滨县| 邵东县| 团风县| 西藏| 赤壁市| 岐山县| 东辽县| 耿马| 汉沽区| 鹤岗市| 文山县| 合水县| 洱源县| 泸州市| 平和县| 鸡东县| 灌阳县| 广河县| 荣成市| 荃湾区| 安化县| 乐安县| 桦川县|