本发明专利技术提供了一种直接醇类燃料电池膜电极集合体（ＭＥＡ）阴极结构和制作方法，所述的阴极为双微孔层结构，显著改进了ＭＥＡ的性能和稳定性。其制备过程的特征为：（１）、将碳粉和聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）乳液分散于异丙醇溶液形成均匀浆液，改变浆液中碳粉的类型及ＰＴＦＥ含量，得到不同组成配比的浆液。（２）、用喷涂等方式将浆液涂覆于支撑层，形成阳极微孔层，用相同方式将两种不同组成配比的浆液依次涂覆于同一支撑层，形成阴极双微孔层。（３）、用喷涂等方式将由催化剂和Ｎａｆｉｏｎ组成的墨水涂覆在阳极微孔层或阴极双微孔层上，形成阴极或阳极。（４）、将阳极、Ｎａｆｉｏｎ膜和阴极热压制得ＭＥＡ。该结构增强了阴极氧气传输和水的反扩散，显著提高了电池的功率密度和稳定性。
Cathode structure of membrane electrode assembly for direct alcohol fuel cell and manufacturing method thereof
The invention provides a cathode structure of a direct alcohol fuel cell membrane electrode assembly (MEA) and a manufacturing method thereof, wherein the cathode is a double microporous layer structure, which remarkably improves the performance and stability of the MEA. The preparation process of the characteristics are as follows: (1), powder and polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion dispersed in isopropanol solution to form a homogeneous slurry, change type and PTFE content in slurry toner, different composition ratio of slurry. (2) the slurry is coated on the supporting layer by spraying and the like, and the anode microporous layer is formed. In the same way, two different proportion of slurry are coated on the same support layer in order to form a cathodic double microporous layer. (3) the ink consisting of the catalyst and Nafion is coated on the anode microporous layer or the cathode double microporous layer by spraying and the like, forming a cathode or anode. (4) the anode, the Nafion film and the cathode heat were suppressed to MEA. The structure enhances the cathode oxygen transport and water back diffusion, and remarkably improves the power density and stability of the battery.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到直接醇类燃料电池膜电极集合体结构及制作方法，特别是 涉及一种直接醇类燃料电池膜电极集合体的阴极结构，所述的制作方法的使 用可以提高燃料电池膜电极集合体的氧传输效率和返水能力，有效地提高电 池的性能及其稳定性。
技术介绍
燃料电池具有高的能量转换效率和能量密度，低污染，是未来理想的动力电源，因而受到世界各国的广泛关注，近年来，世界各国都投入了大量人 力、物力和财力进行研究。近十多年来，各种便携式电子产品(如手机、掌上电脑、MP3等)的迅速普及，用户对高比能量化学电源的要求日益高涨。为 了适应各种新型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，世界各国许多知名公司和科研机构不断努力试图开发小功率的燃料电 池，将其作为便携式电源应用，如手机、笔记本电脑和数码相机等小型电子 设备的工作电源。直接醇燃料电池使用甲醇或乙醇等液体作为燃料，具有燃料来源丰富、 价格低廉、燃料易于运输和储存、能量密度高和易于微小型化等优点，适合 作为便携式电源，具有十分广阔的应用前景。其中最具代表性的是直接甲醇 燃料电池(DMFC)。 DMFC具有较高的能量密度，操作方便，但甲醇易透过 Nafion膜，导致阴极的混合电位效应，使电池性能降低。而由使用低浓度甲 醇作为燃料产生的阴极水淹问题也困扰着它的实际应用。就目前电池研制的 现状，它们的功率密度也还达不到实用化程度，同时电池的寿命还有待进一 步提高。膜电极集合体(MEA)被称之为燃料电池发电的"心脏"，其性能和稳 定性的高低直接决定了燃料电池性能的优劣。因此，高性能膜电极集合体及 其制备对燃料电池性能的提高和实用化进程的推进至关重要。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供了一种直接醇类燃料电池膜电极集合体及制作方 法，通过改变阴极微孔层的结构和组成，显著提高了燃料电池的功率密度和 稳定性。本专利技术提供了一种直接醇类燃料电池膜电极集合体(MEA)的结构。 所述的MEA以碳纸或碳布为支撑层，然后根据需要涂覆由各种碳材料与聚 四氟乙烯粘结剂组成的阳极微孔层和阴极微孔层，再涂覆贵金属基催化剂和 Nafion树脂组成的墨水，通过合适的热处理等步骤，将阳极、阴极和Nafion 膜在一定条件下热压，即制得MEA。所述的阴极微孔层为内、外两层的双微 孔层。现将各步骤分述如下1、 微孔层碳浆液的制备将一定量的碳材料和粘结剂聚四氟乙烯(PTFE) 超声分散于异丙醇水溶液中，超声搅拌2~8 h，形成均匀的碳浆液。按每毫 克碳粉0.01 0.5mL量加入异丙醇和水的混合溶液，其中异丙醇和水的体积比 控制在0.5~3，粘结剂占总固体量的5 60%。所用碳材料可以为XC-72 (Cabot 公司)、XC-72R (Cabot公司)、Black Pearls 2000 (Cabot公司)、乙炔黑、 Ketjen Black (日本KBIC)和碳纳米管等。阴极的内外两个微孔层可以使用 相同的碳材料，也可以使用不同的碳材料或不同碳材料的混合物。其中，阳 极微孔层的碳浆液的粘结剂含量为5 30%，阴极外微孔层的碳浆液粘结剂含 量为5 30%，阴极内微孔层的碳浆液粘结剂含量为30~60%。2、 阴极双微孔层和阳极微孔层的制备以厚度10^im 2mm的ETEK碳 纸或碳布或其它商业化的碳纸作为电极的支撑层，将步骤(1)所制得的碳浆 液通过刷涂、刮涂或喷涂均匀涂覆在碳纸或碳布等支撑层上，经约320 360°C 空气或氮气或氩气中热处理0.5 3h，即得到支撑层负载的微孔层，其中微孔 层碳载量控制为0.3 4mgcm'2。其中，阳极微孔层所用碳材料可以为XC-72、 XC-72R、 Black Pearls 2000、乙炔黑、Ketjen Black及碳纳米管，PTFE含量 控制在5~30°/。。阴极外微孔层所用碳材料可以为XC-72(Cabot公司)、XC-72R(Cabot公司)、Black Pearls 2000 (Cabot公司)、乙炔黑、Ketjen Black (日 本KBIC)及碳纳米管，PTFE含量控制在5 30% (质量百分含量，下同)。 阴极内微孔层所用碳材料可以为XC-72、 XC-72R、 Black Pearls 2000、乙炔黑、Ketjen Black和碳纳米管的一种或两种以上的混合物，PTFE含量控制在 30 60%。(质量百分含量，下同)3、 催化层墨水的制备催化剂墨水主要包括贵金属基催化剂、Nafion 树脂和分散剂等。其中催化剂包含Pt-Ru基和Pt基的碳载或非负载的纳米催 化剂等。Pt催化剂被用作阴极催化剂。将一定量催化剂和Nafion溶液超声分 散于异丙醇水溶液中，其中，Nafion树脂占催化剂干重的10%~40%;按 0.01 0.5mLmg"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0.5~3),得到催化剂墨水。该墨水经磁力搅拌6~24h，再超声分散0.5 3h， 得到催化剂墨水。4、 催化层的制备将步骤(3)所制得的催化剂墨水通过喷涂、刮涂或刷 涂均匀涂覆在步骤(2)制备的阳极微孔层或阴极双微孔层上，然后在约 120 160°C空气或氮气或氩气中热处理3 30min，即形成附有催化层的阳极 或阴极。其中，阳极和阴极催化层中贵金属催化剂的载量控制在2~81!^(^1-2。5、 膜电极集合体的制备将步骤(4)制备的附有催化层的阳极、阴极和 Nafion膜在125~145°C、 4~8MPa下热压2~5min即制得MEA。该MEA新结 构的使用不仅提高了阴极的氧气传输，而且增强了阴极水的反扩散，显著提 高了直接醇类燃料电池的功率密度和电池的稳定性。(详见实施例1-3)本专利技术制备的MEA有效地提高了阴极的氧气传输效率和返水能力，降低 了电池的极化损失，从而提高了燃料电池的性能和稳定性。而且具有方法简 单，易于操作等特点，具有较好的应用前景。附图说明图1本专利技术提供的直接醇类燃料电池的双微孔层阴极结构MEA示意图； l.阳极支撑层2.阳极微孔层3.阳极催化层4.Naficm膜5.阴极催化层 6.阴极内微孔层7.阴极外微孔层8.阴极支撑层图2直接醇类燃料电池MEA性能测试装置a.燃料储罐b.阳极集流体c.密封垫圈d. MEA e.密封垫圈f.阴极集流 体g.阴极支撑板图3双微孔层阴极结构和常规的单微孔层阴极结构的MEA在25'C常压被动式操作下所测得的极化曲线和功率密度曲线的比较图(燃料为3M的甲醇溶液)；图4双微孔层阴极结构和常规的单微孔层阴极结构的MEA在25 °C常压 被动式操作下3小时恒电流放电曲线的比较图(电压值已归一化，燃料为3M 的甲醇溶液，放电电流密度为40mAcm勺；图5双微孔层阴极结构和常规的单微孔层阴极结构的MEA在25'C常压 被动式操作下所测得不同电流密度下的水传输系数(a)和甲醇利用率(b) 的比较图(燃料为5M的甲醇溶液)；图6双微孔层阴极结构中内微孔层不同PTFE含量的MEA在25"C常压 被动式操作下所测得的极化曲线和功率密度曲线的比较图(燃料为3M的甲 醇溶液)；图7双微孔层阴极结构中内微孔层不同PTFE含量的MEA在25'C常压 被动式操作下所测得的3小时恒电流放电曲线的比较图(电压值已归一化， 燃料为3本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种直接醇类燃料电池的膜电极集合体，所述的膜电极集合体以碳纸或碳布为支撑层，在支撑层上涂覆由各种碳材料与聚四氟乙烯粘结剂组成的阳极或阴极的微孔层，在涂覆贵金属基催化剂和Ｎａｆｉｏｎ树脂组成的墨水，通过合适的热处理，将阳极、阴极和Ｎａｆｉｏｎ膜在一定条件下热压而成，其特征在于所述的阴极微孔层为内外两层的双微孔。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨辉，曹剑瑜，陈梅，邹志青，黄庆红，杜翀，
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]
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