直接醇燃料电池用管状阴极的制备方法技术

一种制备直接醇燃料电池管状阴极的方法，属于燃料电池领域。本发明专利技术首先配制凝胶注模用单体溶液，之后将中间相沥青炭微球加入到单体溶液中，搅拌均匀得到稳定的浆料，然后将浆料浇注到模具中，保温至单体与交联剂完全反应，得到炭管素坯，将素坯烘干、真空烧结后，在其表面采用浸渍工艺制备扩散层、催化剂层，然后采用滴管涂覆聚合物电解质膜，在加热台上对炭管进行滚压，使电解质膜固化。依以上步骤，即制得直接醇燃料电池管状阴极。本发明专利技术制作的直接醇燃料电池管状阴极具有机械强度高、重量轻、导电导热性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染、价格低廉的特点，可取代价格较高昂的管状钛网阴极。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃料电池
的制备方法，尤其涉及一种直接醇燃料电 池用管状阴极的制备方法。技术背景甲醇、乙醇和丙醇等均可作为直接醇燃料电池的燃料，其中，直接甲醇燃料 电池与直接乙醇燃料电池因所用的甲醇或乙醇来源广泛，价格低廉，而且其能量 利用效率高，环境友好的运行方式，常温可操作性以及便于携带等优点，从而成 为新型燃料电池中的佼佼者，在军事、交通运输、电子通讯等领域具有着广泛的 应用前景。传统的直接醇燃料电池主要由双极板(主要采用石墨或金属来制备)、 催化-扩散层和聚合物电解质膜构成，燃料电池的形状多为平板式，阴极和阳极 的催化-扩散层与膜系采用热压方式成型为"三合一"膜电极系统。传统的直接醇燃料电池存在以下缺点1)石墨或金属双极板占整个燃料电 池系统的重量和成本的比重较大，不能很好地满足作为笔记本电脑、手机等小型 电源的需要；2)阳极结构不利于反应副产物(如二氧化碳)的排放，而阴极结 构也不利于反应副产物(如水)的排出，影响电池在长期工作下的性能稳定性。经对现有技术的文献检索发现，Zhi-Gang Shao等人在《Journal of Power Sources》160 (2006) 1003-1008上发表的《A tubular direct methanol fuel cell with Ti mesh anode》 一文，该文介绍了一种管状的膜-电极结构。阴极的 制备过程是以管状的钛网作为支撑体，在其表面依次以浸渍涂覆的方法，制备 扩散层和催化层，然后再在扩散层表面用滴全氟磺酸固体聚合物电解质溶液，该 溶液固化后成为聚合物电解质膜；阳极的制备过程是以管状的钛网作为支撑体， 在其表面涂覆以铂(Pt)为主的金属氯化物涂层，再将其在450'C下进行热分解， 得到阳极催化剂涂层，再在催化剂涂层表面用滴管涂覆全氟磺酸固体聚合物电解 质溶液，该溶液固化后成为聚合物电解质膜。膜-电极的制备过程是将管状阴 极和阳极套在一起，其中管状阴极置于管状阳极中，将通气管路与阴极相接后，置于装有甲醇与硫酸的混合水溶液的容器之中，即可进行发电测试。该论文为管 状直接醇燃料电池的制作提供了一个全新的思路。管状直接醇燃料电池与传统的 平板式直接醇燃料电池相比，具有以下几个优点1)省却了双极板，大大降低 了燃料电池的重量和成本；2)阳极产生的副产物，如二氧化碳，因无扩散层阻但是，该论文中所使用的用于制作阴极的管状钛网由德国的Heggemarm公司提 供，因其纯度高(>99.99%)并且采用激光焊接技术制作，成本较高昂，故难以 普及使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种直接醇燃料电 池用管状阴极的制备方法，使采用该方法制作的管状阴极具有较高的机械强度， 而且重量轻、导电性能好、长期运行对直接醇燃料电池无毒害与污染。由于所采 用的作为支撑体的材料相对钛网成本低廉，不需要进口，从而解决了上述不足。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术采用中间相沥青炭微球为原料， 通过凝胶注模成型工艺和浸渍涂覆工艺制备直接醇燃料电池管状阴极。首先，配 制凝胶注模用单体溶液，在单体溶液中加入中间相沥青炭微球，搅拌均匀得到稳 定的浆料，将浆料浇注到模具中，保温至单体与交联剂完全反应，得到中间相沥 青炭微球管状素坯，将素坯烘干、烧结，将烧结好的炭管在丙酮中超声清洗，得 到用于制备直接醇燃料电池管状阴极的炭管支撑体，在该支撑体表面，采用浸渍 涂覆工艺分别制备扩散层和分散剂层，并将聚合物电解质膜覆盖在扩散层表面并 在加热台上滚压固化，即得到直接醇燃料电池管状阴极。本专利技术方法包括如下步骤(1) 配制凝胶注模用单体溶液，以丙烯酰胺为单体，以N， N'-亚甲基双 丙烯酰胺为交联剂，以吐温(Tween80)作为分散剂，以去离子水为分散介质， 混合成为单体溶液。 '所述单体溶液，其各成分的重量百分比为单体5%-15%，交联剂0. 25%_1. 5%， 分散剂0. 4%-4%，分散介质94. 35%-79. 5%。(2) 将中间相沥青炭微球加到步骤(1)中得到的单体溶液中，通过球磨将 各成分混合均匀，得到稳定的浆料。所述中间相沥青炭微球，其粒径范围为5-30微米。所述浆料，其各成分的重量百分比为中间相沥青炭微球40%-80%，单体溶 液20%-60%。(3) 将步骤(2)中得到的浆料中加入过硫酸铵作为引发剂，同时加入催化 剂N， N， N'， N'-四甲基乙二胺，将浆料采用电动搅拌机混合均匀后，注入到成 型管状素坯的模具中，然后保温，直到浆料中的单体分子聚合成为凝胶网络，脱 模后，得到中间相沥青炭微球素坯，将素坯干燥，得到质地坚硬，且无裂纹的管 状中间相沥青炭微球素坯。所述引发剂的加入量为0. 05%-0. 2%，催化剂的加入量为0. 02%-0. 1% (均相 对于步骤(2)中浆料的重量百分比)。所述保温，是指置于60'C-8(TC的烘箱中保温。所述将素坯干燥，是指将素坯在湿度为85%以上空气中于常温干燥，直到 素坯体积恒定。然后将素坯在IO(TC条件下于空气中再进行干燥。(4) 将步骤(3)中所得的管状中间相沥青炭微球素坯在真空条件下进行烧 结，得到作为直接醇燃料电池阴极用的炭管支撑体。所述烧结，分以下阶段进行第一阶段是室温到60(TC，升温速度为3CTC-60 。C/小时；第二阶段是在60(TC下保温1-5小时；第三阶段是从600。C升温到1100 °C，升温速度为30'C/小时-6(TC/小时；第四阶段是在IIO(TC下保温1小时-5 小时；第五阶段是从IIO(TC升到1450°C-1800°C，升温速度为6(TC/小时-120°C /小时，第六阶段是在1450'C-180(TC下保温1小时-5小时；第七阶段是从最高 烧结温度到室温，降温速度控制在12(TC/小时以下。将烧结后得到的炭管在水 中和丙酮中进行超声清洗，以去除因各种原因可能造成的表面污染。(5) 将步骤(4)中烧结后的炭管表面采用浸渍、提拉和干燥的方法，在其 表面分别制备扩散层、催化剂层，并采用滴管滴涂的方式在分散剂层表面涂覆聚 合物电解质层，待电解质层干燥以后，在加热台表面上滚压固化之后，得到了用 于直接醇燃料电池的管状阴极。所述制备扩散层，具体为在步骤(4)中得到的多孔炭管表面制备扩散层。 称取炭黑(Vulcan XC 72R为首选)和聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯含量为60wt. %) 置于容器中，加入异丙醇为分散介质，经超声分散后得到用于制备扩散层的浆料；7将多孔炭管的两端孔采用聚四氟乙烯密封带密封，然后将炭管浸渍到该浆料中， 再提拉出来，并于空气中进行干燥，重复该过程，直到达到所要求的载量。将外 表面覆盖了扩散层的炭管在氮气保护条件下，于34(TC下进行热处理，在340'C 下的保温时间不少于0.5小时，然后在氮气保护条件下自然冷却到室温，即得到 表面覆盖了扩散层的炭管。所述制备催化剂层，具体为在得到的炭管的扩散层表面，制备催化剂层。 配制以铂(Pt,下同)为主(如纳米级纯金属Pt黑或Pt碳以及Pt基合金催化剂) 的催化剂浆料，该浆料以乙醇作为分散介质，加入5wt.%全氟磺酸固体聚合物电解质(商品名称为全氟磺酸固体聚合物电解质)溶液和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备直接醇燃料电池管状阴极的方法，其特征在于，采用中间相沥青炭微球为原料，通过凝胶注模成型工艺和浸渍涂覆工艺制备直接醇燃料电池管状阴极：首先，配制凝胶注模用单体溶液，在单体溶液中加入中间相沥青炭微球，搅拌均匀得到稳定的浆料，将浆料浇注到模具中，保温至单体与交联剂完全反应，得到中间相沥青炭微球管状素坯，将素坯烘干、烧结，将烧结好的炭管在丙酮中超声清洗，得到用于制备直接醇燃料电池管状阴极的炭管支撑体，在该支撑体表面，采用浸渍涂覆工艺分别制备扩散层和分散剂层，并将聚合物电解质膜覆盖在扩散层表面并在加热台上滚压固化，即得到直接醇燃料电池管状阴极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李飞，倪红军，何博，周洪，孙宝德，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]