一种微型直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种微型直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法，所述膜电极包含阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层，其中阴极催化层使用石墨烯气凝胶及Pt/C或Pt/黑催化剂进行构建；其制备方法包括阴极和阳极扩散层的制备、阴极和阳极催化层的制备及热压形成膜电极。与现有的膜电极制备方法相比，本发明专利技术可以有效提高阴极催化层的孔隙率，构建优良的气体传输通道，改善阴极燃料氧气的传质特性，同时不增加膜电极的整体电阻，使得电池的整体输出功率提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种微型直接甲醇燃料电池膜电极的结构及制备方法。
技术介绍
能源问题已经成为当今社会发展的重要话题之一，开发清洁、污染小、可再生的新型能源技术已经成为研究人员的工作热点之一。燃料电池技术作为新型能源技术，其具有高可靠性、高能量密度、环境友好等特点，同时其可以与微机械加工技术相结合的特点使其在性能与价格上更具有优势。微型直接甲醇燃料电池使用甲醇作为燃料，空气或氧气作为氧化剂，不仅燃料价格低廉、易于补充，同时环境污染小、能量密度高、便携性好，其在微机电系统、微型机器人、微型医疗器械、个人移动通讯设备中均有广泛的应用前景。石墨烯气凝胶是新兴的三维纳米结构材料，其在包含石墨烯原有的优良机械特性、化学特性、电学特性的基础上，同时具有高电导率、高比表面积、高孔隙率的特点，在微结构设计方面有着优秀的应用前景。膜电极作为燃料电池的核心部件，起着反应物传质、生成物排出、反应质子传输和电子阻隔等等作用，其性能优劣决定了燃料电池的输出高低，而其性能很大程度上决定于所使用的膜结构材料特性。现有的膜电极结构材料如Naf1n、PTFE等一般孔隙率较低，不能够很好的满足燃料电池对气体传输的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在提供，在膜电极的阴极催化层使用Pt/C催化剂或Pt/黑催化剂并使用石墨烯气凝胶构建疏水型阴极扩散电极。与现有的膜电极制备方法相比，本专利技术可以有效提高阴极催化层的孔隙率，构建优良的气体传输通道，改善阴极燃料氧气的传质特性，同时不增加膜电极的整体电阻，使得电池的整体输出功率提高。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的: 一种微型直接甲醇燃料电池膜电极，由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层所组成，其中所述的阴极催化层使用Pt/C催化剂或Pt/黑催化剂并使用石墨烯气凝胶构建疏水型阴极扩散电极，石墨烯气凝胶与Pt/C催化剂或Pt/黑催化剂的质量比为 5~20:80~95 ο—种微型直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其具体制备步骤如下: 一、阴极和阳极扩散层的制备: 称取一定量的炭黑及聚四氟乙烯乳液备用，其中炭黑占固体总质量的90。/『95%，聚四氟乙烯占固体总质量的5。/『10% ;将称好的炭黑和聚四氟乙烯乳液分散于异丙醇水溶液中，超声震荡0.5h~lh，之后磁力搅拌0.5h~lh，形成均匀的微孔层浆料；将微孔层浆料逐次喷涂或刷涂在支撑层上，在80~120°C下进行烘干，之后在300°C ~400°C温度下、惰性气体保护氛围下焙烧20~40min，即得扩散层，其中微孔层的载量为l~5mg.cm 2。二、阴极催化层的制备: 称取一定量的Pt/C或Pt/黑催化剂备用；称取一定量的石墨烯气凝胶并将其均匀分散，备用；将Pt/C或Pt/黑催化剂和分散好的石墨烯气凝胶分散于异丙醇水溶液中，其中石墨烯气凝胶占固体总质量的5[20%，催化剂占固体总质量的80%~95% ;超声振荡0.5h~lh，形成均匀的催化剂浆料；之后通过多次刷涂将催化剂均匀的涂覆在阴极扩散层表面，在80°C ~120°C条件下烘干，即得涂覆催化剂的阴极扩散电极，其中催化剂的载量为2~5mg.cm 2o三、阳极催化层的制备: 称取一定量的PtRu/C或PtRu/黑催化剂与Naf1n溶液，备用；将PtRu/C或PtRu/黑催化剂和Naf1n溶液分散于异丙醇水溶液中，其中Naf1n占总质量的5%~10%，催化剂占固体总质量的90%~95% ;超声振荡0.5h~lh，形成均匀的催化剂浆料；经过刮涂或刷涂的方式多次将催化剂浆料均匀涂覆在阳极扩散层表面，并在80°C ~120°C条件下烘干，即得涂覆催化剂的阳极扩散电极。，其中催化剂的载量为2~5 mg.cm 2。四、热压形成膜电极: 将阳极扩散电极(包含阳极扩散层和阳极催化层)、质子交换膜、阴极扩散电极(包含阴极催化层和阴极扩散层)按上述顺序对齐并合在一起，与110~200kg.cm-2、110~140°C条件下热压3~8min，即得膜电极。本专利技术与传统的膜电极相比，其优点如下: (1)阴极催化层中使用了石墨烯气凝胶代替传统材料进行微结构构建，增大了阴极催化层的孔隙率以及阴极催化剂活性面积，为阴极氧气的传质提供了更优秀的传质通道，增加了阴极燃料的浓度，同时提高了阴极反应效率； (2)阴极催化层使用石墨烯气凝胶，在改善阴极微结构的同时并没有增大阴极电阻，从而提高了电池的整体性能； (3)石墨烯气凝胶可以通过多种方式进行构建，可根据不同的结构要求构建不同的石墨烯气凝胶微结构，应用范围广； (4)膜电极的构建过程操作简单、便捷。【附图说明】图1为所述的阳极催化层使用石墨烯气凝胶进行微通道构建的膜电极结构示意图。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的说明，但不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。实施例1: 如图1所示，本实施方式的微型直接甲醇燃料电池膜电极由阳极扩散层(包含阳极支撑层I和阳极微孔层2)、阳极催化层3、质子交换膜4、阴极催化层5、阴极扩散层(包含阴极微孔层6和阴极支撑层7)组成，其中阴极催化层使用石墨烯气凝胶构建疏水型的阴极扩散电极。具体实施步骤如下: 称取5mg质量百分比浓度为10%的PTFE乳液分散于2ml异丙醇水溶液中(异丙醇与水的体积比为1:1)，称取9mg炭黑加入上述分散液中，超声震荡50min，之后磁力搅拌30min，形成均匀的微孔层浆料。取IcmXl cm的碳纸，当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型直接甲醇燃料电池膜电极，由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极扩散层、阴极催化层所构成，其特征在于所述阴极催化层使用Pt/C或Pt/黑及石墨烯气凝胶进行构建。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪林，马泽众，刘晓为，张宇峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23