一种质子交换膜燃料电池膜电极铂担量的测定方法技术

本发明专利技术涉及质子交换膜燃料电池膜电极铂担量分析，具体地说是一种质子交换膜燃料电池膜电极铂担量的测定方法。其包括以下步骤，１）取一片ＭＥＡ样品，准确测量其尺寸和质量，加热使ＭＥＡ样品中的碳充分灰化，灰化后的试样冷却后加入浓硫酸和浓硝酸，加热，使铂完全溶解；２）用水稀释至刻度上述溶解后的样品，配制测试样品溶液；３）采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测样品溶液中的铂含量，计算ＭＥＡ样品中的膜电极铂担量。本发明专利技术通过直接处理ＭＥＡ的方法得到测试样品，然后用一种灵敏度高、准确度高、过程快捷、操作简单、可行性好的－ＩＣＰ－ＡＥＳ分析方法，分析测定其铂含量，来评价ＰＥＭＦＣ的关键材料－ＭＥＡ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部分——膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)催化层的铂担量分析，具体地说是。旨在建立一种准确、方便、快捷的膜电极的处理和铂担量测试方法来分析、评价PEMFC的关键材料——MEA。
技术介绍
铂催化剂作为过渡金属催化剂被广泛地应用于燃料电池领域，在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中膜电极组件(MEA)是整个电池的核心部分。目前，MEA中的催化层绝大部分采用铂作催化剂。在MEA中铂催化剂大多为负载型催化剂，这些负载型超细铂催化剂具有金属颗粒小、分散度高、活性表面积大和表面能高的特点，因而具有其独特的催化性能。在PEMFC中铂作为催化活性中心，其含量直接影响电极的电催化性能和电池的性能和成本。为了降低燃料电池的成本从而实现其产业化，目前铂基催化剂MEA的研究主要集中在提高铂催化剂的利用率来降低催化层的铂担载量。因此，质子交换膜燃料电池MEA催化层中铂担载量的精确测定，对于评价催化剂的性能以及电池的适用性有着重要的实际意义。催化剂中铂含量的测定主要有两种途径一种是传统的光谱法，另一种是电化学方法。光谱法主要有原子发射光谱(AES)分析法，原子吸收光谱法(AAS)，紫外、可见光光谱分析法，(UV-VIS)，X-射线和荧光光谱法。这些方法中前三种方法比较常用，而且分析方法比较成熟，特别是前两种分析方法通过结合先进的设备和工艺提高了元素分析的检出限和准确度。文献1(邵志刚，衣宝廉，韩明，乔亚光，刘浩，电源技术，2000，24(1)，42.)利用电化学的循环伏安法中CV曲线中H的脱附峰面积来计算，然而，实际上由于MEA制备工艺复杂，催化层中铂的实际含量往往与理论含量有一定的误差。其次，由H脱附峰计算得到的铂含量均偏低，因为循环伏安扫描得到的脱附峰面积只和催化层中具有活性的铂的含量有关。文献2(付川，光谱学与光谱分析，2004，第24卷，第9期，1130.)采用石墨炉原子吸收光谱法测定质子交换膜燃料电池MEA的铂含量，测试结果的回收率在97.13～101.12％，相对偏差小于21.76％。付川采用的方法是将电极的催化层从MEA上刮下来后，再将其用王水溶解。这种方法简单、快捷，可是这么处理势必造成催化剂部分损失，因为MEA压成后催化层和膜以及扩散层结合很牢固，这样催化剂可能会有一部分流失而造成测试结果偏低。文献3(许韵华，赵海英，王永生，朱红，北京交通大学学报，2004，第28卷，第6期，58.)采用紫外、可见光分光光度法测定PEMFC催化层的铂含量，分析结果与给定值相差0.85％。但是，他们的样品采用直接强酸处理，这样得到的样品难以保证铂的完全转化，从而使测定结果偏低。此外，紫外、可见光分光光度法需要通过化学方法建立一个具有高稳定性的显色体系，因此测试过程比较长。文献4CN01123762.7介绍了一种测定重整催化剂中铂、铕、铈元素含量的方法，该方法是将配制的含有铂、铕、铈的标准样品经X-射线荧光光谱测定后求出表观含量，以经验方程将表观含量经基体校正以得到铂、铕、铈的真实含量。但是此专利没有提供样品处理方法。文献5(付慧卿，王蓓，化学工业与工程技术，2002，23(4)，46.)提供了一种碳载铂催化剂中波的分离与定量方法。样品处理采用高温碳化和低温强酸硝化的方法，铂含量测定采用分光光度法。但他们分析的样品并非PEMFC的MEA样品。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，通过直接处理MEA的方法得到测试样品，然后用一种灵敏度高、准确度高、过程快捷、操作简单、可行性好的——ICP-AES分析方法，分析测定其铂含量，来评价PEMFC的关键材料——MEA。为实现上述目的，本专利技术采用技术方案为本专利技术通过直接处理MEA的方法得到测试样品，然后采用准确、简单、快捷的ICP-AES分析方法测定其铂含量。并将此方法得到的结果和另外两种高灵敏度、高准确度的方法(石墨炉原子吸收光谱法和极谱分析方)作比较，验证其分析结果。，其包括以下步骤，1)取一片MEA样品，准确测量其尺寸和质量，加热使MEA样品中的碳充分灰化，灰化后的试样冷却后加入浓硫酸和浓硝酸，加热，使铂完全溶解；2)用水稀释至刻度上述溶解后的样品，配制测试样品溶液；3)采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测样品溶液中的铂含量，计算MEA样品中的膜电极铂担量。所述样品中碳载体难处理，样品处理时需要先在350-400℃下碳化1-2小时，然后再在850-950℃下灰化4小时以上，最好在12小时以上；所述铂溶解地过程为，1)样品硝化灰化后的试样冷却至室温后用水润湿，然后按每克样品加入5-20ml体积比1∶1的浓硫酸和浓硝酸，于50-80℃低温加热，使其充分硝化；所述铂不易溶解，因而样品硝化时加入的浓酸蒸发掉一半后，再继续规则地滴加浓硝酸，同时低温加热，使其充分硝化。最后，若样品不容易完全消化，可以按每克样品加少量(0.2-0.6ml)的双氧水使剩余的少量残渣均被硝化为止；2)铂溶解样品充分硝化后，于50-80℃低温加热的条件下再滴加入王水，待样品完全变澄清后停止滴加，使硝化后剩余的铂被溶解。本专利技术具有如下优点1.准确度高，准确的MEA样品处理，可以确保在样品处理过程中铂的零损失。要获得MEA中铂的准确含量，样品处理方法至关重要。本专利技术通过直接处理MEA的方法得到测试样品，不涉及处理中可能会造成催化剂损失的处理步骤，确保样品处理过程中铂的零损失，可以得到比较准确的铂含量测定值；MEA主要由聚合物膜(如，Nafion膜)和催化层构成，而催化层的主要成份是碳载体和铂催化剂。因此，怎样在不损失波的条件下去除碳是样品处理的关键。本文采用高温灰化法去除碳，另外还有一种直接硝化法。两者相比，灰化法的优点是称样量大(可达2～4g)，选择合适的时间和温度，碳的灰化比较彻底，产生的分析误差小。而直接硝化法称样量一般只能在0.5g左右，否则较多的碳使硝化很难完成，这对在碳载体上分布不一定很均匀的贵金属测定而言，容易产生较大的误差。MEA样品在400℃灰化可以烧掉聚合物膜，升高温度到900℃可以充分灰化催化层的碳，而催化层中的铂在此温度下是不会受影响的。样品灰化完毕后对其进行硝化以除去烧剩的残渣，然后用王水溶解烧剩的铂得到待测溶液。最后，用仪器分析中的原子吸收光谱法、原子发射光谱法以及电化学分析中的极谱法对处理好的样品进行分析，获得准确的铂含量。从样品处理过程和最终的测试结果可以看出，这种MEA样品处理方法可以确保样品中铂的完全转化。2.灵敏度高。MEA中铂担量低，本专利技术采用一种高灵敏度和准确度的仪器分析方法——ICP-AES，测定PEMFC的核心组件MEA中铂的准确含量，可以减少分析误差，以便得到准确的测试结果；在低含量范围内得到的测试结果均和理论值得相对误差较小。3.ICP-AES得到的结果和另外两种高灵敏度、高准确度的方法(石墨炉原子吸收光谱法和极谱分析方)作比较，验证其分析结果。三种测试方法得到的结果重复性较好。通过另外两种方法验证ICP-AES方法的测试结果。测试结果表明ICP-AES方法的是一种灵敏度高、准确度高、过程快捷、操作简单、可行性好的MEA铂担量的分析方法。4.本专利技术采用高灵敏度、高准确度的电感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池膜电极铂担量的测定方法，其特征在于：其包括以下步骤，１）取一片ＭＥＡ样品，准确测量其尺寸和质量，加热使ＭＥＡ样品中的碳充分灰化，灰化后的试样冷却后加入浓硫酸和浓硝酸，加热，使铂完全溶解；２）用水稀释至刻 度上述溶解后的样品，配制测试样品溶液；３）采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测样品溶液中的铂含量，计算ＭＥＡ样品中的膜电极铂担量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：景粉宁，俞红梅，侯明，明平文，
申请(专利权)人：新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]