直接甲醇燃料电池用的复合阳极及制作方法技术

本发明专利技术提供了直接甲醇燃料电池一种复合阳极及制作方法，其特征在于所述的复合阳极由支撑层、扩散层和催化层构成，扩散层是由碳纳米管构成网络通道的结构。制备过程的典型特征为：（１）将一定量碳纳米管或添加了一定量其它碳材料的碳纳米管分散于异丙醇水溶液中，得浆料（Ａ）。（２）向（Ａ）中添加一定量聚四氟乙烯乳液，分散均匀，形成浆液（Ｂ）。（３）将上述（Ｂ）均匀地涂覆在支撑层上，经约３００～３５０℃高温焙烧，即形成支撑层负载的扩散层（Ｃ）。（４）在（Ｃ）上涂覆一层铂钌催化剂，然后与阴极、Ｎａｆｉｏｎ膜一起热压制得膜电极集合体（ＭＥＡ）。提高了燃料在阳极的传输效率，又降低了电池内阻，从而提高了电池的功率密度和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到，更确切地说 涉及一种能够提高直接甲醇燃料电池性能及其稳定性的复合阳极及制作方 法，该复合阳极的使用可以提高液态燃料的传质效率，有效地提高了电池的 性能及其稳定性。
技术介绍
近十年来，随着便携式电子产品(如手机、掌上电脑、MP3等)的迅猛发 展与普及，用户要求高比能量化学电源的呼声日益高涨。为了适应各种新型 微电子产品对电池高能量密度的需求，从20世纪90年代中期开始，世界各 国的许多知名公司和科研机构不断努力试图发展小功率的燃料电池，期望能 将其应用于便携式电源，如作为手提电脑、数码相机和移动电话电源等小型 电子设备的电源。直接醇类燃料电池(DAFCs)是一类使用甲醇、甲酸和乙醇等液体燃料的 燃料电池，它们具有以下优点燃料来源丰富，价格低廉，且便于携带和储 存；系统简单，燃料直接氧化；理论比能量密度高，结构紧凑、使用液态燃 料操作安全可靠；微型化潜力大，与氢氧质子交换膜燃料电池相比，直接醇 类燃料电池不存在氢储存和运输时的安全性问题，能更有效地实现燃料电池 的微型化设计和应用。所以，DAFC是小型电子设备供电的优选便携式电源， 具有广阔的商业化前景。在20世纪末，以醇类直接为燃料的燃料电池，尤其是直接甲醇燃料电池 (DMFC)成为研发的热点，并取得了长足的进展。然而，直接甲醇燃料电池 要达到实际应用还有许多科学的和技术的问题有待进一步解决，主要面临两 个技术问题(1)甲醇电氧化速率慢。由于甲醇氧化是一种自中毒过程，氧 化过电位高，使得实际输出电压较理论电势低很多；(2)甲醇易通过固体电解质膜渗透到阴极，不但降低了燃料利用率，还使得阴极催化剂对氧还原活性 的降低，在氧阴极上产生"混合电位"，导致电池性能降低。阳极燃料浓度越 高，燃料跨膜传输的速率就越快、单位时间内渗透到阴极的甲醇量就越多，导致电池性能的衰减就越大。因此，为了缓解甲醇的跨膜传输、提升DMFC等直接醇燃料电池的功率密度，通常要将甲醇溶液的使用浓度降低。但当采 用低浓度的甲醇溶液作为燃料时，甲醇溶液在电极内部的传输速度受限，导 致电池在相对低的电流下就受传质控制，使得燃料电池系统的功率密度很低。 而直接甲酸燃料电池也同样存在传质受限的问题，甲酸在催化剂表面的催化 氧化速度很快，倘若传质跟不上将直接导致电池体系性能不佳。因此，如何 在直接醇燃料电池系统中实现燃料有效的传质技术，保持适宜的燃料传输速 度是十分重要的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种直接醇类燃料电池复合阳极、制备方法，有效地提高 了液体燃料在电极内部的传输，确保了燃料向催化剂表面的高效传质，从而 提高了燃料电池系统的性能及其稳定性。本专利技术提供了一种能够提高直接甲醇燃料电池性能及其稳定性的复合阳 极、制备方法。所述的复合阳极是由支撑层、扩散层和催化层构成。所述的 复合阳极是以碳纸或碳布为支撑层，先涂覆分散均匀的碳纳米管基的碳材料 和粘结剂的混合物作为扩散层，然后根据需要再涂覆一层能催化醇类燃料发 生电氧化的贵金属催化剂，如铂-钌等，通过合适的热处理等步骤，制备获得 能高效传输液态燃料并催化其发生电化学反应的复合阳极。其特征在于扩散 层由碳纳米管构成网络通道的结构。现将各步骤分述如下1、阳极扩散层浆料的制备将一定量的碳纳米管或碳纳米管与其它碳材料的混合物经超声分散于异丙醇的水溶液中。按每毫克碳粉0. 02-2mL量加入 水和异丙醇混合溶液，其中水和异丙醇的体积比控制在0.5-3。碳纳米管可 以为不同型号和不同管径的单壁、双壁或多壁碳纳米管(S丽Ts、 D丽Ts、 M丽Ts)，其它碳材料可以为商业化的XC-72碳、XC-72R碳、BP-2000和Ketjen 黑活性碳等，碳纳米管与其它碳材料的混合物中，碳纳米管的质量百分含量控制在100%_20%范围内。将上述混合物机械搅拌或超声搅拌0. 5-4 h即可得 到分散均匀的浆液A。2、 向浆料A中添加一定量的聚四氟乙烯作为粘结剂，经过机械搅拌或超 声搅拌0. 5-4 h，形成均的桨液B。其中粘结剂占碳材料质量百分数的10-40%。3、 扩散层的制备取厚度为10ym-2mm的碳纸或碳布或其它商业化的碳 纸作为复合电极的支撑层，将步骤(2)所制得的浆液B通过刷涂或喷涂均匀 地涂覆在碳纸或碳布等支撑层上，经在约300-35(TC空气、氮气或氩气中高 温焙烧10min-3h，，即形成支撑层负载的扩散层，其中碳材料的载量控制为 0. 3-2. 5mgcm—2。高温烧结有利于使溶剂、PTFE中混有的表面活性剂等充分挥 发，与此同时PTFE在高温下熔结重新分布，进入扩散层的缝隙中，构成一种 网络通道的结构。4、 阳极催化层浆液的制备催化剂浆液包含贵金属催化剂、Nafion树 脂和分散剂。其中催化剂包含Pt-Ru黑、Pt-Ru/C等己商业化的贵金属催化 齐lj。 Naf ion树脂占催化层干重的15%-20%，按0. 025-0. 5mLmg 1的量加入水和 异丙醇的混合液作分散剂(水和异丙醇的体积比为0. 5-2)，控制温度4(TC以 下超声搅拌2h即可得到分散均匀的催化剂浆液。5、 阳极催化层的制备将步骤4所制得的催化剂浆液均匀的涂覆在步骤 3制备的扩散层上，在经过105。C下烘干l-5h，除尽催化层中残余的溶剂， 然后在15(TC下热处理为5-15min。即可得到能高效传输液态燃料并催化其发 生电化学反应的复合阳极。6、 如图1所示流程制得MEA。阴极的制备条件如下用20wt.96憎水性的 TGP-H-060作支撑层，扩散层组成为2mgcm—2Vulcan XC-72和20 wt. %的PTFE, 催化层由Pt载量为6mgcnf2和20 wt.%Nafion构成，制备过程与阳极制备过 程相同。复合阳极、阴极和Nafion膜在130°C、 6MPa下经3分钟热压形成"三 合一"的膜电极集合体。本专利技术制备的复合阳极能有效地提高液体燃料在电极内部的传输，应用 于直接甲醇燃料电池的膜电极集合体中可显著提高燃料电池系统的最大功率 密度及恒电流放电的稳定性(详见实施例)，而且具有方法简单，易于操作， 环境友好等特点，具有较好的应用前景。附图说明图1膜电极集合体制备工艺流程图2直接甲醇燃料电池MEA性能测试装置；1.甲醇储罐2.阳极集流体3.密封垫圈4. MEA 5.密封垫圈6.阴极集流体 7.阴极支撑板；图3不同碳材料作阳极MPL制得的MEA在25'C常压条件下全被动式操作 所测得的极化曲线和功率密度曲线(燃料为2M的甲醇水溶液)；图4不同碳材料作阳极MPL制得的MEA 4小时恒电流放电曲线(燃料为 2M的甲醇水溶液，放电电流密度为40mAcm—2);图5为以L. MWNTslO作阳极MPL制得MEA的长时间寿命测试曲线(燃料 为2M的甲醇水溶液，放电电流密度为40mAcm,;图6不同型号碳纳米管作阳极MPL制得的MEA在25。C常压条件下全被动 式操作所测得的极化曲线和功率密度曲线(燃料为2M的甲醇水溶液)；图7不同型号碳纳米管作阳极MPL制得的MEA 7小时恒电流放电曲线(燃 料为2M的甲醇水溶液，放电电流密度为40mAcm—2); 具体实施例方式下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步详细说明，以阐明本专利技术的 实质性特点和显著的进本文档来自技高网...

【技术保护点】
直接甲醇燃料电池用的复合阳极，其特征在于所述的复合阳极由支撑层、扩散层和催化层构成，扩散层是由碳纳米管构成网络通道的结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨辉，袁婷，黄庆红，邹志青，杜翀，夏保佳，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]