Способ изготовления каталитического материала для топливного элемента
METHOD FOR MANUFACTURING A CATALYTIC MATERIAL FOR A FUEL CELL

Изобретение относится к способу изготовления каталитического материала.
В описании использованы следующие термины и сокращения:
ТЭ - топливный элемент.
УНТ - углеродные нанотрубки.
УНЧ - углеродные наночешуйки.
Сложившийся консенсус по влиянию парниковых газов на изменение климата стимулирует поиск альтернативных по отношению к углеводородам энергоносителей. Одним из наиболее экологически нейтральных и эффективных энергоносителей является водород при окислении, которого образуется водяной пар.
Известна технология топливных элементов (ТЭ), которая позволяет преобразовывать химическую энергию реакции окисления водорода кислородом в электрическую с высоким коэффициентом полезного действия. Распространение ТЭ сдерживается высоким содержанием платины в катализаторе, стоимость которой составляет до 30% стоимости ТЭ. Снижение содержания платины (загрузки) в катализаторе приводит к значительному ухудшению характеристик ТЭ.
Известен способ изготовления катализатора ТЭ из патента US 6706431, в котором в качестве углеродной составляющей используют углеродные нанотрубки, углеродные нанороги, углеродные нанонити и фуллерены с инкапсулированными металлами. Увеличение эффективности катализа достигается путем приложения внешней энергии, например, освещением синим цветом светодиода.
Однако данный способ обладает технологической сложностью изготовления материала, содержащего металлы, инкапсулированные в фуллерен, и необходимостью внешнего источника света.
Известен способ изготовления ТЭ из патентной заявки US 20080044722, согласно которому получают на подложке множество углеродных нанотрубок, наносят на часть из них испарением металлический катализатор, добавляют к ним полимерную композицию и наносят на ионообменную мембрану.
Однако данный способ обладает высокой трудоемкостью изготовления ориентированного слоя нанотрубок и многостадийностью процесса.
Известен способ изготовления электродов для ТЭ из патентной заявки US 20040197638. Способ позволяет получать каталитический материал с повышенной эффективностью использования платины за счет использования развитой поверхности углеродных нанотрубок (УНТ).
Однако способ предусматривает необходимость восстановления каталитического металла из его химического соединения, что требует дополнительных технологических операций.
2
2
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ изготовления каталитического материала, известный из патента RU 2421849. При изготовлении ТЭ одновременно напыляют графит и платину на подложку, затем снимают материал с подложки в виде порошка и смешивают его с УНТ в пропорции 1:(1-2). Добавляют к полученной смеси изопропанол в количестве 0,1-0,3 мл на 1 мг твердой смеси и нафиона в количестве 1 мг на 2,3-4 мг и гомогенизируют полученный каталитический материал в ультразвуковой ванне. В результате при загрузке платины 0,42 мг/см получают очень высокие значения удельной мощности - более 230 Вт/см.
Однако данный способ характеризуется сложностью приготовления и большими потерями дорогого платинового катализатора при напылении на подложку и последующего снятия композитного слоя в виде порошка.
Технической проблемой изобретения является создание способа, позволяющего снизить долю платины в катализаторе, упростить его приготовления при сохранении высоких электротехнических характеристик.
Техническим результатом является снижение загрузки платины в катализатор на 30-40 % при сохранении высоких электротехнических характеристик топливных элементов.
Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет того, что способ изготовления каталитического материала для топливного элемента содержит следующие этапы: добавление к платине, нафиону, углеродной саже и растворителю углеродных наночешуек 6-8 % по массе, диспергацию в шаровой мельнице в течение 8 часов, с последующим напылением полученных каталитических чернил на мембрану при температуре 65-85°С и прессованием между двумя тефлоновыми пластинами при температуре 115-125°С и давлении 0,4-0,5 МПа в течение 1-2 минуты.
Сущность изобретения поясняется следующим.
Согласно изобретению способ изготовления каталитического материала для топливного элемента включает добавление к стандартным компонентам катализатора небольшого количества, не 6-8% по массе, углеродных наночешуек. Тщательное диспергирование смеси в шаровой мельнице до каталитических чернил. Напыление каталитических чернил на полупроницаемую мембрану при температуре 65-85°С с последующим прессованием при температуре 115-125°С и давлении 0,4-0,5 МПа.
Заявленный технический результат достигается добавлением к компонентам катализатора углеродного наноструктурного материала - углеродных наночешуек (УНЧ) (см. заявку RU №2480405 С1, 31.08.2011). УНЧ получают пиролизом углерода из метана на оксиде магния при температуре 800-950°С, с последующим растворением оксида магния неорганическими кислотами и отмывкой графеновых чешуек от остатков кислоты и высушиванием.
В результате получаем углеродный наноструктурный материал в виде слоистых графеновых чешуек с удельной поверхностью более 1800 м2/г. Они имеют количество графеновых слоев в чешуйках от 1 до 3. В свободном состоянии после сушки материал представляет порошок черного цвета с насыпным весом 0,05-0,2 г/см3. Характерные микрофотографии УНЧ приведены на рис.1. УНЧ имеют структуру поверхности как у графена и удельную поверхность в 2-3 раза большую, чем у УНТ. УНЧ имеют низкий насыпной вес, поэтому хорошо перемешиваются с другими компонентами катализатора в шаровой мельнице. Небольшое добавление УНЧ позволяет сохранить высокую каталитическую активность катализатора при существенном сокращении загрузки платиной.
На фигурах 1-4 показаны:
На фиг. 1 - Микрофотографии углеродных наночешуек с различным разрешением;
На фиг. 2 - Микрофотографии углеродных наночешуек с различным разрешением;
На фиг. 3 - Вольтамперная характеристика образцов МЭБ;
На фиг. 4 - Мощностная характеристика образцов МЭБ.
Каталитические чернила изготавливали путем смешивания взвешенного количества катализатора, раствора нафиона и растворителя, состав композита представлен выше, соотношение растворителя к сухому остатку 1:1. Поученную суспензию (каталитические чернила) подвергали диспергации в шаровой мельнице в течение 8 часов. Чернила распыляли методом аэрографии на мембрану при 65-85°C. Затем полученную заготовку прессовали между двумя тефлоновыми пластинами при температуре 115-125°C, давлении 0,4-0,5 МПа в течение 1-2 мин.
Пример. По выше приведенной технологии изготовили два образца.
Образец 1 представляет собой мембранно-электродный блок с протонопроводящей мембраной со следующими параметрами:
материал мембраны - Nafion;
толщина мембраны - 50 мкм;
2
площадь мембраны - 25 см;
2
площадь активного слоя - 5 см;
толщина активного слоя - 30 мкм с каждой стороны мембраны;
2
загрузка платины - 0.5 мг/см с каждой стороны мембраны;
состав композита для катодной и анодной сторон МЭБ:
платина - 32 %;
нафион - 20 %;
углеродная сажа - 48 %.
Образец 2 представляет собой мембранно-электродный блок с протонопроводящей мембраной со следующими параметрами:
материал мембраны - Nafion;
толщина мембраны - 50 мкм;
2
площадь мембраны - 25 см;
2
площадь активного слоя - 5 см;
толщина активного слоя - 20 мкм с каждой стороны мембраны;
2
загрузка платины - 0.3 мг/см с каждой стороны мембраны;
состав композита для катодной и анодной сторон МЭБ:
платина - 29 %;
нафион - 20 %;
углеродные наночешуйки - 8 %;
углеродная сажа - 43 %.
2
2
Провели сравнительные испытания результаты, которых приведены на рис 2, 3. Как следует из испытаний, вольтамперные и мощностные характеристики испытанных образцов совпадают. При этом загрузка платины в образце 2 составила 0,3 мг/см против 0,5 мг/см в образце 1. Экономия платины составила 40%, при этом характеристики образца не изменились.
Для сравнения характеристик испытанных образцов с характеристиками МЭБ содержащих УНТ (прототип) составлена таблица 1. Как следует из таблицы при близких мощностных характеристиках МЭБ с УНЧ имеет существенно более низкую (на 29%) загрузку платиной по сравнению с МЭБ, содержащим УНТ.
Таблица 1
Сравнение характеристик различных образцов
Тип катализатора
Загрузка Pt, мг/см2
Удельная мощность, Вт/см2
Платиновый катализатор без УНМ (образец 1)
0,5
227
Платиновый катализатор с УНТ (прототип)
0,42
>230
Платиновый катализатор с УНЧ (образец 2)
0,3
232