一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构制造技术

一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构，属于燃料电池技术领域，具体方案为：一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构，包括依次排列设置的阳极、质子交换膜和阴极，在阳极远离质子交换膜的一面构建甲醇传质阻挡层，所述甲醇传质阻挡层包括多孔纳米材料，所述多孔纳米材料具有亲水性和导电性。本发明专利技术在不引入新结构的前提下，增大甲醇至阳极催化层的传质阻力，以降低甲醇渗透，显著提高直接甲醇燃料电池在高浓度甲醇供给下的输出性能，进而提升电池系统能量密度。统能量密度。统能量密度。

【技术实现步骤摘要】
一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构。

技术介绍

[0002]直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell，DMFC)具有超高理论能量密度(6100Wh/kg)、结构简单、易于集成、环境友好、燃料储运容易等诸多优势，是便携式电子设备系统理想的能量来源之一。然而在实际应用中，甲醇会通过质子交换膜从阳极渗透至阴极，在阴极造成混合电位，使得电池输出电压远低于理论值(1.21V)。甲醇渗透不仅会降低电池性能，还会对阴极催化剂造成毒化，同时造成燃料浪费。为减小甲醇渗透带来的负面效应，直接甲醇燃料电池系统大多采用低浓度甲醇(1
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4mol/L)作为燃料供给，这导致了电源系统比能量的大幅下降。
[0003]目前，降低甲醇渗透主要有两个技术途径：一是对质子交换膜加以优化，包括增加Nafion膜(最为常用的质子交换膜)厚度、采用无机物/有机物进行掺杂改性、在Nafion膜表面进行涂层处理等方法。此途径能够降低甲醇对质子交换膜的穿透能力，但往往会造成膜质子传导率、稳定性下降。二是增加甲醇从储液腔/进料口至阳极催化层的传质阻力。最为广泛使用的手段是在膜电极与集流板之间独立的设置一层甲醇传质阻挡层，其材质多样，如水凝胶、多孔金属纤维板、多孔碳板、碳纤维织物等。甲醇传质阻挡层能够明显提升甲醇工作浓度，但新结构的引入会造成电池系统体积、重量的增大，从而导致比能量下降，同时更为复杂的结构会增加与其它电子设备集成的难度。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构，在不引入新结构的前提下，增大甲醇至阳极催化层的传质阻力，以降低甲醇渗透，显著提高直接甲醇燃料电池在高浓度甲醇供给下的输出性能，进而提升电池系统能量密度。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0006]一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构，包括依次排列设置的阳极、质子交换膜和阴极，在阳极远离质子交换膜的一面构建甲醇传质阻挡层，所述甲醇传质阻挡层包括多孔纳米材料，所述多孔纳米材料具有亲水性与导电性。
[0007]进一步的，所述阳极包括自外部向内部质子交换膜方向依次排列设置的阳极支撑层、阳极微孔层和阳极催化层，所述甲醇传质阻挡层涂覆在阳极支撑层的外表面。
[0008]进一步的，所述涂覆包括喷涂或刷涂。
[0009]进一步的，所述阴极包括自内部质子交换膜至外部方向依次排列设置的阴极催化层、阴极微孔层和阴极扩散层。
[0010]进一步的，所述多孔纳米材料包括氮掺杂碳气凝胶，氧掺杂碳气凝胶，氮、氧掺杂的碳气凝胶，氮掺杂介孔碳，氧掺杂的介孔碳，氮、氧掺杂的介孔碳中的一种或多种的组合。
[0011]进一步的，所述阳极支撑层为疏水碳纤维纸。
[0012]进一步的，所述氮掺杂碳气凝胶的制备方法包括以下步骤：首先将4.0mL质量分数为5％的氧化石墨烯，16.0mL去离子水，0.665mL甲醛和0.495g间二苯酚混合均匀，搅拌20分钟并转移到高压釜中，将高压釜内的溶液在85℃下加热24小时后取出，自然冷却后冷冻干燥得到前体，最后，将前体放入管式炉中在氨气气氛下碳化2小时即得氮掺杂碳气凝胶，管式炉的温度为800℃，升温速度为5℃每分钟。
[0013]进一步的，所述甲醇传质阻挡层的制备方法包括以下步骤：将50mg氮掺杂碳气凝胶溶解于3ml水与7ml异丙醇的混合溶液中，随后加入5wt％的Nafion溶液作为阻挡层的粘结剂，制备得到阻挡层油墨，将制备好的阻挡层油墨喷涂在阳极支撑层远离质子交换膜的一面，烘干形成甲醇传质阻挡层。
[0014]进一步的，Nafion在阻挡层油墨固体物中的质量分数为30％。
[0015]进一步的，所述甲醇传质阻挡层中氮掺杂碳气凝胶的载量范围为0.1mg cm
‑2至2.0mg cm
‑2。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0017]本专利技术的优势在于：在不增加燃料电池额外结构、几乎不增加电池体积与质量的前提下，用具有亲水性与导电性的多孔纳米材料构建与阳极支撑层合为整体的甲醇传质阻挡层，充分保障了电池结构的简单性和便携性。本专利技术提高了膜电极适配的工作甲醇浓度，特别是提升膜电极在高浓度甲醇供给下的输出功率。图2是传统膜电极DMFC与本专利技术膜电极DMFC在不同浓度甲醇供给下的性能对比(采用被动式测量方法)。传统电池的性能首先随着甲醇浓度的增加而上升，在甲醇浓度为4M时，电池达到最佳性能，其最大功率密度为26.9mW cm
‑2。然而，甲醇渗透现象随着甲醇浓度的提高而加剧，使阴极催化层中毒并产生混合电位，因此在甲醇浓度进一步升高时，电池性能明显下降，在6M甲醇浓度下电池的最大功率密度仅有17.1mW cm
‑2，传统电池无法承受浓度较高的甲醇溶液。采用本专利技术膜电极结构的燃料电池与传统电池在输出特性上有着显著差别，在4M甲醇浓度下电池性能偏低，功率密度均不足20mW cm
‑2；随着甲醇浓度进一步增加至6M，此时传统DMFC的性能在甲醇渗透的影响下快速下降，但改进后电池的性能有了显著的提升，在甲醇浓度为6M时，改进后的电池达到自身最佳性能，最大功率密度为31.0mW cm
‑2；随后甲醇浓度进一步增加，直至达到16M的高浓度，改进后的DMFC保持着良好的性能，在16M甲醇浓度下，功率密度仍有21.8mW cm
‑2。
附图说明
[0018]图1是具有超亲水/超吸附特性的甲醇传质阻挡层示意图；
[0019]图2是传统膜电极DMFC(a)与本专利技术膜电极DMFC(b)在不同浓度甲醇供给下的性能对比；
[0020]图3本专利技术膜电极结构示意图；
[0021]图中，1、阳极，2、质子交换膜，3、阴极，4、甲醇传质阻挡层，11、阳极支撑层，12、阳极微孔层，13、阳极催化层，31、阴极催化层，32、阴极微孔层，33、阴极扩散层。
具体实施方式
[0022]下面将结合附图和实施例，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，
所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]实施例1
[0024]一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构，包括依次排列设置的阳极支撑层11、阳极微孔层12、阳极催化层13、质子交换膜2、阴极催化层31、阴极微孔层32和阴极扩散层33，在阳极支撑层11远离质子交换膜2的一面(外表面)构建甲醇传质阻挡层4，所述甲醇传质阻挡层4包括多孔纳米材料，所述多孔纳米材料具有亲水性与导电性。本方案不改变燃料电池的原有结构，且多孔纳米材料具有超低密度特性，对电池系统重量影响十分有限。多孔纳米材料还具有高比表面积、超亲水、对甲醇有超高吸附性等特征，因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构，包括依次排列设置的阳极(1)、质子交换膜(2)和阴极(3)，其特征在于：在阳极(1)远离质子交换膜(2)的一面构建甲醇传质阻挡层(4)，所述甲醇传质阻挡层(4)包括多孔纳米材料，所述多孔纳米材料具有亲水性与导电性。2.根据权利要求1所述的一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构，其特征在于：所述阳极(1)包括自外部向内部质子交换膜(2)方向依次排列设置的阳极支撑层(11)、阳极微孔层(12)和阳极催化层(13)，所述甲醇传质阻挡层(4)涂覆在阳极支撑层(11)的外表面。3.根据权利要求2所述的一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构，其特征在于：所述涂覆包括喷涂或刷涂。4.根据权利要求1所述的一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构，其特征在于：所述阴极(3)包括自内部质子交换膜(2)至外部方向依次排列设置的阴极催化层(31)、阴极微孔层(32)和阴极扩散层(33)。5.根据权利要求1所述的一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构，其特征在于：所述多孔纳米材料包括氮掺杂碳气凝胶，氧掺杂碳气凝胶，氮、氧掺杂的碳气凝胶，氮掺杂介孔碳，氧掺杂的介孔碳，氮、氧掺杂的介孔碳中的一种或多种的组合。6.根据权利要求2所述的一种高浓度直接甲醇燃料电池膜电极结构，其特征在于：所述阳极支撑层(11)为疏水碳纤维纸。7.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪林，袁玮键，张宇君，田丽，张宇峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：