一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极及其制备方法。该电极包括一体化流场扩散层和催化层；所述一体化流场扩散层包括基底和填充层；所述基底为在厚度方向上具有孔隙率梯度的金属纤维或金属粉末烧结多孔板；所述填充层附着在基底孔隙率较小的一侧面及部分内部空间；所述催化层附着在填充层的表面；本发明专利技术用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极的制备方法，包括如下步骤：（1）基底的制备；（2）填充层的制备；（3）一体化流场扩散层的制备；（4）催化层的制备；（5）复合电极的制备。本发明专利技术提出了流场和扩散层一体化制备，省去了单独加工及流场制备工艺，简化了电池关键组件‑膜电极的制备工艺，具备高效、低成本的特点。

A non thermal pressing composite electrode for direct methanol fuel cell and its preparation method

The present invention discloses a free hot pressing composite electrode for direct methanol fuel cell and its preparation method. The electrode includes integrated flow field diffusion layer and catalyst layer; the integrated flow field of diffusion layer comprises a substrate and a filling layer; the substrate with porosity gradient in the thickness direction of the metal or metal fiber sintered porous plate; the filling layer is attached on one side of the substrate porosity is small and the internal space; the catalyst layer is attached on the surface of the filling layer; the invention is used for free hot pressing composite electrode preparation method of direct methanol fuel cell, which comprises the following steps: (1) substrate preparation; (2) the filling layer is prepared; (3) integration flow diffusion layer is prepared; (4) catalyst layer preparation; (5) composite electrode preparation. The invention provides a flow field and the diffusion layer integration preparation, eliminating the need for a separate processing flow and the preparation process, the preparation process of key components to simplify the cell membrane electrode, has the characteristics of high efficiency and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池领域，尤其是一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极及其制备方法。
技术介绍
当下，能源危机越来越严重，而且传统的化学能源存在环境污染大、能源利用率低等弊病，在此种背景下，燃料电池显示出其特有的优势：环保、清洁，而且能够直接将化学能源源不断的转化为电能。直接甲醇燃料电池（DMFC）是一种以甲醇和氧气为原料的燃料电池，具有结构相对简单、制作方便、能量密度高、燃料易于运输和储存且相对安全等优势，成为近十年来国内外各科研机构、各大公司研究的热点。DMFC的结构组成主要包括端板、集电板、流场板和膜电极，膜电极又细分为扩散层、催化层和质子交换膜。在传统的各组件加工制造工艺中，流场板大多需要在金属或者石墨板上通过机加工、冲压等工艺而单独形成。对于膜电极的主流加工工艺来说，扩散层一般采用亲疏水处理的碳纸或碳布等材料，在表层制备微孔层；而催化层要么附着在微孔层上，要么附着在质子交换膜上，然后在一定温度和压力下热压，形成膜电极组件。这种流场和扩散层单独制备以及膜电极各组件通过热压而形成的加工方式，使得DMFC加工制造的整个工艺过程较为复杂，加工时间较长，耗费较多的人力、物力和财力。在电池组装过程中，流场板和膜电极又为单独分离的板状组件，通过装配机械力被压紧到一定程度，以此来降低接触电阻，但此接触电阻仍然占了整体电阻中较大的一部分，从而增大了电池的能量损耗。
技术实现思路
为了解决DMFC各零部件加工或制备工艺繁冗的问题，从而简化工艺步骤，降低加工制造成本，本专利技术提供了一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极及其制备方法。对于直接甲醇燃料电池而言，流场、扩散层和催化层对电池性能有着极大的影响。本专利技术的免热压复合电极首先将传统的单独分离、靠机械装配压紧的流场板和扩散层合二为一，制备出一体化流场扩散层。在一体化流场扩散层多孔、三维结构的基础上，喷涂催化层浆料，形成高比表面积的催化层，从而形成流场-扩散层-催化层复合电极，简化了电池结构，显著降低零部件本身电阻和接触电阻的同时，能够更好地进行反应物和产物的管理，有利于提升电池性能。本专利技术通过如下技术方案实现。一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极，包括一体化流场扩散层和催化层；所述一体化流场扩散层包括基底和填充层；所述基底为在厚度方向上具有孔隙率梯度的金属纤维或金属粉末烧结多孔板；所述填充层附着在基底孔隙率较小的一侧面及部分内部空间；所述催化层附着在填充层的表面。进一步地，所述免热压复合电极在用于直接甲醇燃料电池时，直接将所述免热压复合电极置于直接甲醇燃料电池的集电板中间的阶梯通孔中，并且催化层一侧靠近交换膜。进一步地，所述基底的厚度为1~2mm。进一步地，所述基底在厚度方向上，具有在60~90%范围变化的孔隙率梯度。进一步地，所述金属纤维或金属粉末的材料优选为铜或不锈钢。进一步地，所述用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极包括阳极复合电极或阴极复合电极。更进一步地，所述阳极复合电极中，基底具有亲水性，且填充层的材料为导电炭黑和全氟磺酸（Nafion）的混合物，导电炭黑和全氟磺酸的质量比为20:1~4:1。更进一步地，所述阴极复合电极中，基底具有疏水性，且填充层的材料为导电炭黑和聚四氟乙烯（PTFE）的混合物，导电炭黑和聚四氟乙烯的质量比为10:1~1:1。进一步地，所述催化层的材料为催化剂和全氟磺酸（Nafion）的混合物，且催化剂和全氟磺酸的质量比为5:1~1:1。制备上述任一项所述的一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极的方法，具体包括如下步骤：（1）基底的制备：按照孔隙率渐变的顺序，将不同孔隙率的金属纤维或金属粉末烧结多孔板对齐叠放在压力模具中，置于烧结炉中保温烧结，获得成块复合烧结纤维或多孔板，得到所述基底；（2）填充层的制备：将填充层材料的溶液混合物与分散剂混合、分散均匀后得到填充层浆料，将基底置于加热平台上并加热至分散剂的沸点以上温度，将填充层浆料均匀刮涂或喷涂在基底孔隙率较小的一侧，浆料中的分散剂和溶剂挥发，在基底上得到附着的填充层；（3）一体化流场扩散层的制备：将附着有填充层的基底进行保温加热处理，得到所述一体化流场扩散层；（4）催化层的制备：将催化层材料的溶液混合物和分散剂混合、分散均匀，得到催化层浆料，将一体化流场扩散层放置于加热平台上并加热至分散剂的沸点以上温度，将催化层浆料均匀喷涂到填充层上，浆料中的分散剂和溶剂挥发，得到所述催化层；（5）复合电极的制备：将制备有催化层的一体化流场扩散层置于真空干燥箱中进行干燥处理，得到所述用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极。进一步地，步骤（1）中，所述保温烧结是在氢气或氩气保护氛围下300~500℃保温烧结0.5~2h。进一步地，步骤（1）中，制备阳极复合电极的基底时，对获得的成块复合烧结纤维或多孔板进行亲水处理，即得到阳极复合电极的基底。进一步地，步骤（1）中，制备阴极复合电极的基底时，对获得的成块复合烧结纤维或多孔板进行疏水处理，即得到阴极复合电极的基底。进一步地，步骤（2）中，填充层浆料的制备，具体包括：把导电炭黑、分散剂和Nafion溶液混合均匀，制成阳极填充层浆料；把导电炭黑、分散剂和PTFE乳液混合均匀，制成阴极填充层浆料；在分散剂和溶剂挥发后，阳极复合电极的基底上残留导电炭黑和Nafion形成阳极填充层，阴极复合电极的基底上残留导电炭黑和PTFE形成阴极填充层；所述溶剂包括水。进一步地，步骤（3）中，所述保温加热处理是在250~300℃下保温0.5~1h后，再升温到350~400℃下保温0.5~1h。进一步地，步骤（2）、（4）中，所述分散剂包括异丙醇；分散剂的作用在于将填充层材料或催化层材料分散均匀，以利于刮涂或喷涂加工。进一步地，步骤（4）中，分散剂和溶剂挥发后，残留催化剂和Nafion形成催化层，所述催化剂采用直接甲醇燃料电池通用的催化剂，包括铂金系列催化剂。填充层和催化层通过刮涂或喷涂的加工方式制备得到，其中填充层的大部分原料进入基底的部分内部空间，而填充层及催化层表面附着部分的残留物颗粒直径均很小，为纳米级别，因此填充层及催化层形成的厚度很薄，整体免热压复合电极的厚度基本保持为基底厚度级别。进一步地，步骤（5）中，所述干燥处理是在分散剂的沸点以上温度干燥1~2h。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：（1）本专利技术的制备方法中，提出了流场和扩散层一体化制备，将具有孔隙率梯度的金属纤维或金属粉末烧结多孔板作为流场，同时又作为扩散层的基底，制备出一体化流场扩散层，省去了单独加工或者制备流场的工艺步骤，简化了直接甲醇燃料电池加工制造流程；（2）本专利技术的免热压复合电极用于直接甲醇燃料电池中时，直接置于直接甲醇燃料电池的集电板中间的阶梯通孔中，并与质子交换膜直接通过装配力压紧，无需热压，简化了电池关键组件-膜电极的制备工艺，具备高效、低成本的特点；（3）本专利技术采用具有孔隙率梯度和亲/疏水性能的金属纤维或金属粉末烧结多孔板作为电极基底，相比于传统的穿孔板和孔隙梯度不变的多孔板，能更好地对反应物和产物进行管理。附图说明图1为本专利技术免热压复合电极用于直接甲醇燃料电池的装配示意图；图2为实施例1中具有孔隙率渐变形式三块烧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极，其特征在于，包括一体化流场扩散层和催化层；所述一体化流场扩散层包括基底和填充层；所述基底为在厚度方向上具有孔隙率梯度的金属纤维或金属粉末烧结多孔板；所述填充层附着在基底孔隙率较小的一侧面及部分内部空间；所述催化层附着在填充层的表面；所述用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极包括阳极复合电极或阴极复合电极。

【技术特征摘要】
1.一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极，其特征在于，包括一体化流场扩散层和催化层；所述一体化流场扩散层包括基底和填充层；所述基底为在厚度方向上具有孔隙率梯度的金属纤维或金属粉末烧结多孔板；所述填充层附着在基底孔隙率较小的一侧面及部分内部空间；所述催化层附着在填充层的表面；所述用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极包括阳极复合电极或阴极复合电极。2.根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极，其特征在于，所述免热压复合电极用于直接甲醇燃料电池时，直接将所述免热压复合电极置于直接甲醇燃料电池的集电板中间的阶梯通孔中，并且催化层一侧靠近质子交换膜。3.根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极，其特征在于，所述基底的厚度为1~2mm；所述基底在厚度方向上，具有在60~90%范围变化的孔隙率梯度；所述金属纤维或金属粉末的材料为铜或不锈钢。4.根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极，其特征在于，所述阳极复合电极中，基底具有亲水性，且填充层的材料为导电炭黑和全氟磺酸的混合物，导电炭黑和全氟磺酸的质量比为20:1~4:1。5.根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极，其特征在于，所述阴极复合电极中，基底具有疏水性，且填充层的材料为导电炭黑和聚四氟乙烯的混合物，导电炭黑和聚四氟乙烯的质量比为10:1~1:1。6.根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极，其特征在于，所述催化层的材料为催化剂和全氟磺酸的混合物，且催化剂和全氟磺酸的质量比为5:1~1:1。7.制备权利要求1~6任一项所述的一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：（1）基底的制备：按照孔隙率渐变的顺序，将不同孔隙率的金属纤维或金属粉末烧结...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁伟，王奥宇，叶光照，韩福昌，汤勇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44