【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及直接甲醇燃料电池技术，具体涉及一种耦合催化阳极的制备及在均相/异相耦合催化dmfc中的应用。
技术介绍
1、燃料电池将燃料的化学能直接高效地转变为电能，是过程清洁、环境友好、用途广泛的理想发电技术之一。其中，直接液体燃料电池(dlfc)系统简单，使用的液体燃料具有很高的体积和重量能量密度且储运安全便利，在电动运载工具、移动电源以及分布式电站等方面具有极大的发展前途。
2、直接甲醇燃料电池(dmfc)是最具代表性的dlfc。就直接甲醇燃料电池而言，传统的阳极异相催化剂反应活性低且极易使催化剂中毒，造成电池性能的低下。
3、以碳载铂催化剂为例，甲醇在铂上的电化学氧化由多个基元反应构成：
4、
5、
6、
7、
8、
9、综合反应：ch3oh+h2o→co2+6h++6e-(6)
10、直接甲醇燃料电池性能低下的主要原因之一在于甲醇电化学氧化的中间产物co吸附在铂的活性位上，难以进一步被氧化。催化剂催化能力决定电极反应速率，而助催化剂是强化催化反应的重要手段之一。为了加速co的电化学氧化，通常采用铂和助催化过渡金属形成的合金催化剂，如ptru。在ru元素的位置上可形成羟基团(oh)，吸附在铂活性位上的co在oh的作用下氧化成co2和h2o，从而消除co的吸附，重新获得铂活性位。燃料电池发电性能(功率和效率)主要取决于电极反应和各种欧姆阻抗。合金化是目前采用助催化的主要手段，但固体助催化剂由于担载面积与助催化剂存在冲
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种耦合催化阳极的制备及在均相/异相耦合催化dmfc中的应用。
2、为了解决技术问题，本专利技术的技术方案是：
3、提供一种用于直接甲醇燃料电池(dmfc)的耦合催化阳极的制备方法，包括以下步骤：
4、(1)取碳载钯或碳载钯基合金作为阳极催化剂，将其与适量聚四氟乙烯(ptfe)乳液研磨混合后，涂敷在经ptfe处理的疏水碳纸上；然后在真空和130℃条件下处理2h，使催化剂层中的ptfe与疏水碳纸上的ptfe融合，形成表面具有疏水催化层的疏水电极，该疏水电极以疏水碳纸作为气体扩散层；
5、(2)将作为阳极催化剂的碳载钯基合金与适量全氟磺酸树脂(nafion)溶液超声混合后，涂覆在亲水碳纸上；然后在室温下晾干，形成表面具有亲水催化层的亲水电极，该亲水电极以亲水碳纸作为液体扩散层；
6、(3)将市贩疏水碳纸在100℃的碱液中浸渍1～5小时，清洗干燥后得到亲水-疏水两性碳纸；
7、(4)以nafion溶液为粘结剂，依次叠加粘合亲水电极、亲水-疏水两性碳纸与疏水电极，且使亲水催化层与疏水催化层相向与亲水-疏水两性碳纸形成三明治结构；然后在130℃温度和100kg/cm2压力下压制5分钟，得到用于dmfc的耦合催化阳极。
8、作为本专利技术的优选方案，所述聚四氟乙烯(ptfe)乳液和全氟磺酸树脂(nafion)溶液的质量百分比含量均为5wt％；疏水催化层与亲水催化层中所含阳极催化剂的质量比为1:2；所述碱液为6～12m的koh溶液。
9、作为本专利技术的优选方案，所述阳极催化剂中的钯基合金，是指金属钯与周期表中viii族及ib族过渡金属元素m组成的合金；所述过渡金属元素m是fe、co、ni、ru、rh、pt及cu、ag、au中的任意一种或多种。
10、作为本专利技术的优选方案，在所述碳载钯或碳载钯基合金中，金属的含量为5～30wt％；在所述耦合催化阳极中，金属担载量为1～10mg/cm2。
11、作为本专利技术的优选方案，所述碳载钯基合金通过共沉积的方法制备得到，具体包括：
12、将pdcl2溶于盐酸溶液中，将过渡金属m的盐酸盐或硝酸盐溶解于乙二醇溶液中，将两溶液混合后加热到70℃；向混合液中加入适量活性炭，搅拌分散均匀后，添加碱液调节ph值至9～11；继续搅拌1小时后，添加作为还原剂的n2h4溶液，在搅拌条件下反应2小时；将得到的产物抽滤、洗涤后，在50℃和真空下干燥24小时，得到碳载钯基合金；通过改变活性炭的加入量，能相应地调整碳载钯基合金中的过渡金属含量。
13、本专利技术还提供了利用前述方法制备获得的耦合催化阳极进一步制备dmfc膜电极的方法，包括以下步骤：
14、(1)按碳载铂(pt/c)和nafion(作为粘结剂)的质量比为9∶1，取市贩20wt％的pt/c和5wt％的nafion溶液；加入适量去离子水后经机械研磨混合，形成膏体；将膏体涂敷于疏水碳纸的一侧表面，干燥后在100kg/cm2的压力下压制成型，得到具有催化层的阴极；
15、(2)取权利要求1所述方法制得的耦合催化阳极，依次叠加阴极、质子交换膜和耦合催化阳极，且使阴极催化层与耦合催化阳极的亲水碳纸相向布置；在130℃温度和100kg/cm2压力下压制5分钟(热压时nafion软化具有粘性)，得到三明治结构的膜电极。
16、作为本专利技术的优选方案，所述阴极中的pt担载量为1～10mg/cm2。
17、本专利技术还提供了一种均相/异相耦合催化的直接甲醇燃料电池，具有由阴极板、阴极密封圈、膜电极、阳极密封圈和阳极板依次布置的多层结构，在阴极板和阳极板的内侧刻有流路以形成流场，用于隔离反应物质的膜电极与阳极板、阴极板之间则通过密封圈实现绝缘；在阴极板的流路两端分别设置氧气入口和阴极尾气出口，在阳极板的流路两端分别设置燃料进口和燃料出口，并从燃料进口引入含有铁氰化钾的甲醇硫酸溶液；其中，硫酸用作电解质，铁氰化钾用作均相助催化剂，甲醇用作燃料；该燃料电池发电时只消耗甲醇，只需添加甲醇溶液就能维持燃料电池的发电过程；
18、所述膜电极是通过前述方法制备获得，具有由阴极、质子交换膜和耦合催化阳极经堆叠热压形成的三明治结构，其阴极和耦合催化阳极中亲水碳纸分别与阴极密封圈和阳极密封圈贴合；所述耦合催化阳极是通过前述方法制备获得。
19、作为本专利技术的优选方案，所述阳极板和阴极板的流场尺寸与耦合催化阳极外侧的液体扩散层(亲水碳纸)相同，但耦合催化阳极的气体扩散层尺寸小于流场尺寸；质子交换膜的尺寸与阳极板和阴极板的尺寸相同，密封圈的外圈尺寸与极板尺寸相同且其内圈尺寸与耦合催化阳极的液体扩散层和阴极气体扩散层的尺寸相同；膜电极中阴极的pt催化层与耦合催化阳极中液体扩散层(亲水碳纸)的尺寸相同，但耦合催化阳极中催化层和气体扩散层(疏水碳纸)的尺寸要小于液体扩散层(亲水碳纸)的尺寸，使密封圈内侧与耦合催化阳极催化层之间留有空隙，来自阳极流路的燃料和均相催化剂通过这个空隙形成的通道向阳极的液体扩散层(亲水碳纸)进行扩散，而不是通过阳极板流路穿过疏水的气体扩散层、疏水催化层扩散以及亲水-疏水过渡层到达亲水催化层；所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于直接甲醇燃料电池的耦合催化阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯乳液和全氟磺酸树脂溶液的质量百分比含量均为5wt％；疏水催化层与亲水催化层中所含阳极催化剂的质量比为1:2；所述碱液为6～12M的KOH溶液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳极催化剂中的钯基合金，是指金属钯与周期表中VIII族及IB族过渡金属元素M组成的合金；所述过渡金属元素M是Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pt及Cu、Ag、Au中的任意一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述碳载钯或碳载钯基合金中，金属的含量为5～30wt％；在所述耦合催化阳极中，金属担载量为1～10mg/cm2。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳载钯基合金通过共沉积的方法制备得到，具体包括：
6.利用权利要求1所述耦合催化阳极制备DMFC膜电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述阴极中的Pt担载量为1～
8.一种均相/异相耦合催化的直接甲醇燃料电池，其特征在于，具有由阴极板、阴极密封圈、膜电极、阳极密封圈和阳极板依次布置的多层结构，在阴极板和阳极板的内侧刻有流路以形成流场，用于隔离反应物质的膜电极与阳极板、阴极板之间则通过密封圈实现绝缘；在阴极板的流路两端分别设置氧气入口和阴极尾气出口，在阳极板的流路两端分别设置燃料进口和燃料出口，并从燃料进口引入含有铁氰化钾的甲醇硫酸溶液；其中，硫酸用作电解质，铁氰化钾用作均相助催化剂，甲醇用作燃料；该燃料电池发电时只消耗甲醇，只需添加甲醇溶液就能维持燃料电池的发电过程；
9.根据权利要求8所述的直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阳极板和阴极板的流场尺寸与耦合催化阳极外侧的液体扩散层相同，但耦合催化阳极的气体扩散层尺寸小于流场尺寸；质子交换膜的尺寸与阳极板和阴极板的尺寸相同，密封圈的外圈尺寸与极板尺寸相同且其内圈尺寸与耦合催化阳极的液体扩散层和阴极气体扩散层的尺寸相同；膜电极中阴极的Pt催化层与耦合催化阳极中液体扩散层的尺寸相同，但耦合催化阳极中催化层和气体扩散层的尺寸要小于液体扩散层的尺寸，使密封圈内侧与耦合催化阳极催化层之间留有空隙，来自阳极流路的燃料和均相催化剂通过这个空隙形成的通道向阳极的液体扩散层进行扩散，而不是通过阳极板流路穿过疏水的气体扩散层、疏水催化层扩散以及亲水-疏水过渡层到达亲水催化层；所述密封圈内侧与耦合催化阳极催化层之间空隙的间距与阳极板上流路的宽度相当。
10.根据权利要求8所述的直接甲醇燃料电池，其特征在于，在所述含有铁氰化钾的甲醇硫酸溶液中，硫酸的浓度为1mol/L的为电解质，铁氰化钾的浓度为0.5～2mol/L，甲醇的浓度为1～5mol/L。
...【技术特征摘要】
1.一种用于直接甲醇燃料电池的耦合催化阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯乳液和全氟磺酸树脂溶液的质量百分比含量均为5wt％；疏水催化层与亲水催化层中所含阳极催化剂的质量比为1:2；所述碱液为6～12m的koh溶液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳极催化剂中的钯基合金，是指金属钯与周期表中viii族及ib族过渡金属元素m组成的合金；所述过渡金属元素m是fe、co、ni、ru、rh、pt及cu、ag、au中的任意一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述碳载钯或碳载钯基合金中，金属的含量为5～30wt％；在所述耦合催化阳极中，金属担载量为1～10mg/cm2。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳载钯基合金通过共沉积的方法制备得到，具体包括：
6.利用权利要求1所述耦合催化阳极制备dmfc膜电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述阴极中的pt担载量为1～10mg/cm2。
8.一种均相/异相耦合催化的直接甲醇燃料电池，其特征在于，具有由阴极板、阴极密封圈、膜电极、阳极密封圈和阳极板依次布置的多层结构，在阴极板和阳极板的内侧刻有流路以形成流场，用于隔离反应物质的膜电极与阳极板、阴极板之间...
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