新闻中心

催化剂浆料分散对转印法制备PEMFC性能的影响

催化剂浆料分散对转印法制备PEMFC性能的影响

催化剂浆料分散对转印法制备 PEMFC性能的影响

梁晓璐 -, 潘国顺 , 徐 莉 1,2, 汪嘉澍 1

(1.清华大学 摩擦学国家重点实验室,北京 100084;

2.深圳清华大学研究院 深圳市微纳制造重点实验室,广东 深圳 5 1 8057)

稠剂、去离子水和异丙醇作为分散溶剂,实现膜电极的低温完全转印。利用超声波清洗机、磁力搅拌器和均质机,以不同

的处理方式对浆料进行分散,考察了浆料的分散方式及分散程度对质子交换膜燃料电池-眭能的影响。通过场发射电子

线、循环伏安法(CV)和交流阻抗谱(EIS)表征不同浆料制备膜电极的电化学性能。极化 曲线、CV曲线和 EIS谱均表明用

均质机处理 4 h的浆料对应的单电池性能最佳、欧姆电阻及电荷迁移电阻最低且 P1的利用率最大。

Inlfuence of dispersion of catalyst inks on performance of PEM FC

prepared by decal transfer

LIANG Xiao—lu 一,PAN Guo-shun ,XU Li 一,W ANG Jia·shu

门.StateKeyLaboratoryofTribology,Tsinghua University,BeOing100084,China;2.ShenzhenKye Laboartoyr ofMicro-nanoManufacturing,

Research Institute ofTsinghua University in Shenzhen,Shenzhen Guangdong 51805Z China)

Abstract:Decal transfer is one of effective preparation methods for membrane electrode assemblies fabrication well

known for the low interfacial resistance and suitability for mass production. The complete decal transfer for

membrane electrode was achieved on condition that ethylene glycol as the thickener and deionized water,

isopropanol alcohol as the dispersion solvents were used in catalyst inks. Catalyst inks were dispersed by means of

the ultrasonic cleaner,magnetic stirrer and ultra turrax.Also,influence of dispersion ways and extent on pefrormance

of proton exchange membrane fuel cells was investigated. The surface morphology of catalyst layers was observed

through a field emission scanning electron microscope (FE-SEM),and images show that distribution of panicles is

unif0rm if catalyst inks were processed by a ultra turrax. Moreover. the electrochemical pefrormance of the

membrane electrode using diferent inks was characterized by polarization curves, cyclic voltammetry (CV) and

electrochemical impedance spectroscopy(EIS)。The polarization cuvres,CV curves and EIS show the single cell,for

which catalyst ink was dispersed by a ultra turrax for 4 h, possesses the best cell performance, the lowest ohmic

resistance and charge transfer resistance,and the highest utilization of Pt.

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有功率密度高、可低温工

作、清洁无污染等优点[1- 。膜电极(MEA)不仅是电子产生和分

离的重要场所,同时承载了气体和产物水的传输,对质子交换

膜燃料 电池 的电化学性 能有 十分重要 的影 响。

根据催化剂浆料涂覆的位置不同,MEA制备方法可分为

(2011CB013102);国家国 际科技合作专项(2011DFA73410)

质子交换膜燃料 电池。

201 5.4 VO1.39 NO.4 756

传统的GDL法和 CCM法。GDL法一般采用喷涂的方式将浆

料涂布在气体扩散层上,然后通过热压与 Naiton膜形成五合

膜电极;CCM法是将催化剂浆料直接涂布在 Nation膜上形

成三合一膜电极,常见的涂布方式有喷涂、转印和丝网印刷[3】。

转印法制备膜电极时,催化剂浆料先被涂覆在转印膜上 ,干燥

处理后通过热压处理将催化层转移到 Naiton膜上,该方法使

催化层与膜之间的接触电阻减小 ,并避免了直接涂覆引起的

膜溶胀4_1。

般如何实现低温完全转印是转印法制备膜电极的研究

热点之一。研究人员从转印膜、液氮冷却 、添加辅助层、热压温

度和热压时间等诸多方面进行了大量的研究 。Jae Hyung Cho 此控制方案下当功率变化时,蓄电池变换器的功率变化按照

惯性延迟滤波特性进行跟踪变化 ,以有效抑制其响应高频负

载,从而满足系统控制 目标要求。

3 结论

本文针对能量型蓄电池(B)+超级电容 (UC)复合电源构

型进行瞬时功率研究 ,加入一阶埙性延迟滤波环节对蓄电池

进行瞬时功率抑制使它仅响应低频负载的解决方案,考虑到

UC具有很好的功率响应特性,对其负载响应特性未加限制。

复合电源系统采用上下级的两级控制方案,即驱动控制器充

当上层控制器完成功率的分配计算,通过 CAN通讯的方式发

令,下层的各个电源变换器子系统收到各 自的给定量 ,充当执

行机构完成最终的功率分配。此方案可有效抑制蓄电池高频

响应,对蓄电池进行保护并确保它能平稳工作并提高其工作

效率与使用寿命 ,此方案对控制器的计算能力要求不高,有利

于工程化实现。

参考文献

[1】 张丹丹,罗曼,陈晨 ,等.超级电容器 一电池复合脉冲电源系统的

(上接 第 758页)

0

[2] LUKIC S M,CAO J R,BANSAL C,et a1.Energy storage systems

for automotive applications f J1lTrans on Indusrtial Electronics,2008,

f31 LU S,CORZ1NE K A,FERDOWSI M.A new battery/ultracapacitor

energy storage system design and its motor drive integration tor lay-

brid electirc vehicles『J1.IEEE Transactions on vehicular Technolo—

『41 STIENECKER A W ,STUART T,ASHTIAN C.An ultracapacitor

circuit for reducing sulration in lead acid batteires fo r m ild hybird

『5] BAISDEN A C,EMADI A.ADVISOR—based model of a battery and

all ulrta.capacitor energy soruce for hybrid electric vehicles[J].IEEE

[6] 闫晓金,潘艳,宁武 ,陈永真.B+UC复合电源结构选型与设计[J].

【7】 段建 民,徐敏.串联式混合动力电动汽车复合电源系统设计[J] .

[8] 石庆升,张承慧,崔纳新.新型双能量源纯电动汽车能量管理问

[9] 左燕群,李仲兴,陈燎 ,等.电动汽车新型混合能源管理系统研究

[1O] 王志福 ,陈伟 ,叶辉萍 ,等.加装超级电容纯电动汽车的性能分

、 ’。 I I - 谚。。 ’ 。 ’ 谚 、 。

风 生 = 生 乒 生 = 生 = 鱼 = 苎

图 6

V/V(vs.RHE)

单 电池 的 CV曲线

编号 ( ,C ESA/(m2.g一 )

T-0 0.333 15.86l

T-2 0.393 l8.690

4 0.517 24.619

性能的影响,结果表明Naiton含量在 25%和 85%时测试得到

的 ESA分别为 25.32、50.81 m 。本实验中所有催化层中的

Naiton含量均为 30%。这说明通过优化浆料中Naiton含量的

比例还可以进一步提高 Pt的利用率。

3 结论

通过对催化层的 FESEM形貌进行对比可以看出均质机

的高速分散改善了催化层的微观结构。单电池的极化曲线、CV

曲线和 EIS均表明改善后的微观结构有利于性能的提升 ,且

浆料的分散方式和分散程度影响单电池的性能。催化层结构

络结构为反应气体提供了更多的催化活性位并且提高了质子

和电子的迁移率 ;(2)分散均匀的孔隙率为水分的排除提供了

797

更多的通道,减少了高电流下水分阻塞导致的电池性能下降,

因而在一定时间内随着分散程度的增加最大电流密度随之上

升。本实验中浆料最佳分散时间 4 h对应单电池的最大电流密

度和功率密度可达 1.912 A/cm2和 0.875 W/cm2。

参考文献

[2]

[3]

[4]

[5]

[6】

[7]

c8】

[9】

,UNG C Y .Ⅺ M W J.YI S C.Optim ization ofcatalyst ink compo—

sition fo r the preparation of a membrane electrode assembly in a

proton exchange membrane fue1 cell using the deca1 rtansfer『J1.

W ANG J S,PAN G S.GUO D.Prorgesses of catalyst 1ayer struc—

tore of membrane electrode assemblies in PEMFC『J].Progress in

PASSOS R R .PAGANIN V A.TIC LNELU E A.Studies of the

pefrorm an ce of PEM fue1 eel1 cathodes w the catalyst 1ayer di.

rectly applied on Naiton membranes[J].Electrochimica Acta,2006,

MILLINGTON B.、VHIPPI正 V.POLLET B G.A nove1 mehtod

for preparing proton exchange membrane fuel cell elecrtodes by hte

ulrtasonic—spray technique[J].Journal of Power Sources.201 1.1 96

CHO J H,KIM J M ,PRABHURAM J,et a1.Fabrication and evalu.

ation of membrna e electrode assemblies by low-temperature deca1

mehtods for direct meth ano1 fue1 cells[J】.J Power Soruces,2009,

M EHM OOD A ,HA H Y.An eif cient decal rtansfermethod using

a roll—press to fabricate membrnae elecrtode assemblies ofr direct

18470.

CHO H J,JANG H,LIM S,et a1.Development of a novel decal

transfer process for fabircation of high—performna ce na d reliable

membrane electrode assemblies for PEMFCs[J].Int J Hydrogen

YoON Y J。KIM T H. S U. ct a1.Low temperature decal

rtna sfer m ethod of r hydr ocarbon mem brna e based mem brna e elec.

trode assemblies in polymer electrolyte membarne fue1 cells『门.J

SAHA M S.PAUL D K .PEPPLEY B A,et a1.Fabrication ofcata.

1yst.coated membrnae by modiifed decal trnasfer technique『J1.

201 5.4 Vo1.39 NO.4

BACK