一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于燃料电池技术领域，涉及一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池及其制备方法。本发明专利技术所述的微型燃料电池通过在金属电极引线表面负载一定厚度的碳纳米管或碳纤维形成三维立体多孔碳电极，再经盖片粘结封装制备而成。本发明专利技术燃料电池的燃料和氧化剂分别以渗透的形式透过负载有催化剂的三维立体碳电极发生氧化还原反应，反应物（燃料和氧化剂）液流透过立体电极时具有高效的扩散/对流物质传输特性，靠近电极消耗边界层的反应物可以得到持续有效的补充，使得电极处反应物浓度能维持一定值；同时由于碳纳米管或碳纤维疏松多孔且具有大的比表面积，反应活性区域多，使本发明专利技术所述微型燃料电池具有高的燃料利用率和功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池及其制备方法
本专利技术属于燃料电池
，具体地涉及一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池及其制备方法。
技术介绍
随着科技的发展，移动电子设备不断地微型化，对于微型高效的电源需求越来越大。微型燃料电池具有高能量转换效率、高比功率、高容量、体积小及环境友好等优点，能够在一定程度上满足移动电子设备日益增长的能源需求，随着各类移动电子设备的日益普及，微型燃料电池的需求将更加突出，是一种有潜力的技术。微型无膜燃料电池是一种无需质子交换膜的新型微型燃料电池,它充分利用微流体粘滞性较强而出现的共层流属性，即氧化剂和燃料两股液流在微沟道内交互通过时彼此接触面出现较少混合的特性。液流接触面起到质子交换膜的作用，故可以视液流接触面为虚拟质子交换膜，微型无膜燃料电池无需质子交换膜也能实现质子的选择透过性从而保持电池工作时内电路畅通。在燃料电池中，所有的氧化还原反应都是基于平面电极表面进行的。现有的微型无膜燃料电池的电极一般为长条形平面状，分布在微流通道的两侧，燃料和氧化剂分别在阳极和阴极表面流过而发生氧化还原反应。目前的微型无膜燃料电池均是以金属材料作为电极，在电极上涂刷或沉积催化剂，或在电极上涂刷负载有催化剂的载体材料等。但通过这些方法制备的电极氧化还原反应局限在二维平面，反应活性区域面局限，燃料利用率和功率密度低。
技术实现思路
为了解决现有技术中燃料电池燃料利用率低和功率密度低的问题，本专利技术提供了一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池及其制备方法。一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池，所述微型无膜燃料电池的基板材料表面上有金属电极引线，所述金属电极引线上负载有碳纳米管或碳纤维，所述碳纳米管或碳纤维上负载有催化剂，所述金属电极引线和负载有催化剂的碳纳米管或碳纤维构成了三维立体多孔碳电极，所述微型无膜燃料电池的燃料和氧化剂分别以渗透的形式透过负载有催化剂的三维立体多孔碳电极发生氧化还原反应，所述基板材料与盖片粘结封装后得到微型无膜燃料电池。上述方案中，所述基板材料为硅片或玻璃片。上述方案中，所述金属电极引线为铬金属薄膜电极引线。上述方案中，所述多孔碳纳米管或碳纤维的厚度为0.1～1mm。上述方案中，所述催化剂为铂、钯、铜、金、银的金属催化剂或合金催化剂。一种制备上述含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池的方法，包括如下步骤：（1）在基板材料上制备金属电极引线；（2）在金属电极引线上负载碳纳米管或碳纳米纤维；（3）在碳纳米管或碳纳米纤维上负载催化剂；（4）将上述基板材料与盖片粘结封装后得到微型无膜燃料电池。上述方案中，所述金属电极引线的制备方法为：首先在基板材料上制备金属膜；然后在所述金属膜表面涂覆一层光刻胶；再对所述光刻胶进行光刻和显影处理，使所述金属膜上残余的光刻胶呈现所需的电极图形，随后将其放入刻蚀液中进行刻蚀，得到所需的电极形状；最后碳化刻蚀后的所述光刻胶，将所述刻蚀后的光刻胶放入高温炉中进行热处理。上述基板材料为硅片或玻璃，上述金属膜为铬-金双层金属薄膜，上述刻蚀液为铬刻蚀液，上述制备金属膜的方法为溅射法、磁控溅射法或热蒸发镀法；具体地，所述磁控溅射法制备所述金属膜的工艺参数为：腔体压力为0.5～0.6Pa，溅射功率为80～100W，氩气流速为10～12cm2/min，溅射时间为2～3min；采用匀胶法在所述金属膜表面涂覆一层所述光刻胶，所述匀胶法的工艺参数为：转速为700～800rpm，时间为6～9s，再经转速为3500rpm，时间为20～30s；所述热处理的工艺参数为：以1～2℃/min的速度升温，在150℃的温度条件下，保温0.5h，然后以5℃/min的速度升温至350～380℃，保温0.5h后，随炉冷却。上述方案中，所述多孔碳纳米管或碳纳米纤维的负载方法为：直接沉淀法、电泳沉积法或直接生长法。上述直接沉淀法的步骤为：将碳纳米管或碳纤维超声分散于丙酮溶液中，将混合液滴加到所述金属引线表面沉淀，再经50℃～80℃、15～30min烘干即可。上述电泳沉积法的步骤为：取浓度为0.5～2g/l的碳纳米管水溶液或碳纤维水溶液，沉积电压为1～2v，沉积时间为5～10h。上述直接生长法负载所述碳纳米管的工艺步骤为：先在所述金属引线表面电泳沉积Ni，沉积电压为3～5v，沉积时间为15～30s，然后采用微波等离子体装置，微波功率为250～350W，生长时间为30～60min，工作气压为2.5～3.5kpa，氢气流量为50～55cm3/min，甲烷流量为3.3～3.5cm3/min。上述直接生长法负载所述碳纤维的工艺步骤为：先在所述金属引线表面电泳沉积Ni，沉积电压为1～3v，沉积时间为15～30s，然后采用微波等离子体装置，微波功率为200～300W，生长时间为30～60min，工作气压为4～5kpa，氢气流量为50～55cm3/min，甲烷流量为3.3～3.5cm3/min。上述方案中，所述催化剂为通用的铂、钯、铜、金、银金属催化剂或合金催化剂。上述方案中，所述负载催化剂的方法为：将负载有碳纳米管或碳纳米纤维的基板材料浸泡于含有铂、钯、铜、金、和/或银的盐溶液中，浸泡5～24小时，取出晾干后利用氢等离子体、氢气或硼氢化钠还原，获得负载在碳纳米管上的金属催化剂或合金催化剂；或以金属电极引线为负极，将基板材料置于电镀槽中，以含有铂、钯、铜、金、和/或银的盐溶液为电镀液，通过电镀来获得负载在碳纳米管上的金属催化剂或合金催化剂。本专利技术的有益效果：本专利技术的微型无膜燃料电池，利用负载有催化剂的三维立体碳纳米管或碳纤维作为电极，燃料和氧化剂分别以渗透的形式透过负载有催化剂的三维立体碳电极发生氧化还原反应，反应物（燃料和氧化剂）液流透过立体电极时具有高效的扩散/对流物质传输特性，靠近电极消耗边界层的反应物因此可以得到持续有效的补充，使得电极处反应物浓度能维持一定值；同时由于碳纳米管或碳纤维疏松多孔且具有大的比表面积，反应活性区域多，因此本专利技术所述微型燃料电池具有高的燃料利用率和功率密度。附图说明图1为本专利技术微型燃料电池结构示意图，其中1为金属电极引线，2为三维立体多孔碳纳米管或碳纤维，3为氧化剂，4为燃料。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实例。实施例1一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池，通过如下方法制备得到，具体包括如下步骤：（1）在基片制备金属电极引线：1.1采用磁控溅射法在清洗干净的玻璃片（基片）上制备一层铬金属膜，该铬金属膜用作碳电极的引线。磁控溅射法的工艺参数为：腔体压力0.6Pa，溅射功率100W，氩气流速12cm2/min，溅射时间2min；1.2利用匀胶机在铬金属膜上涂覆一层光刻胶，匀胶的工艺参数为：低速800rpm左右，时间6s，高速3500rpm，时间30s；1.3对光刻胶进行光刻、显影等处理，图形化光刻胶，使铬金属膜上残余的光刻胶呈现所需的电极图形，再将其放入铬刻蚀液中刻蚀，去除显露出的金属铬，得到所需的电极形状；1.4将经过上述工序处理后的玻璃片放入高温炉中，碳化光刻胶，工艺参数为：以1℃/min的速度升温，在150℃的温度条件下，保温0.5h，然后以5℃/min的速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池，其特征在于，所述微型无膜燃料电池的基板材料表面上有金属电极引线，所述金属电极引线上负载有碳纳米管或碳纤维，所述碳纳米管或碳纤维上负载有催化剂，所述金属电极引线和所述负载有催化剂的碳纳米管或碳纤维构成了三维立体多孔碳电极，所述微型无膜燃料电池的燃料和氧化剂分别以渗透的形式透过负载有催化剂的三维立体多孔碳电极发生氧化还原反应，所述基板材料与盖片粘结封装后得到微型无膜燃料电池。

【技术特征摘要】
1.一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池，其特征在于，所述微型无膜燃料电池的基板材料表面上有金属电极引线，所述金属电极引线上负载有碳纳米管或碳纤维，所述碳纳米管或碳纤维上负载有催化剂，所述金属电极引线和所述负载有催化剂的碳纳米管或碳纤维构成了三维立体多孔碳电极，所述微型无膜燃料电池的燃料和氧化剂分别以渗透的形式相向穿透流过负载有催化剂的三维立体多孔碳电极发生氧化还原反应，所述基板材料与盖片粘结封装后得到微型无膜燃料电池；所述负载在金属电极上的碳纳米管或碳纤维的厚度为0.1~1mm。2.根据权利要求1所述的微型无膜燃料电池，其特征在于，所述基板材料为硅片或玻璃片。3.根据权利要求1所述的微型无膜燃料电池，其特征在于，所述金属电极引线为铬金属薄膜电极引线。4.根据权利要求1所述的微型无膜燃料电池，其特征在于，所述催化剂为金属催化剂或合金催化剂，所述金属催化剂为铂、钯、铜、金或银，所述合金催化剂为铂、钯、铜、金和银中的几种金属形成的合金催化剂。5.如权利要求1~4任一项所述一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）在基板材料上制备金属电极引线；（2）在金属电极引线上负载碳纳米管或碳纳米纤维；（3）在碳纳米管或碳纳米纤维上负载催化剂；（4）将上述基板材料与盖片粘结封装后得到微型无膜燃料电池。6.根据权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王升高，许结林，张维，皮晓强，李鹏飞，孔垂雄，王传新，汪建华，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42