一種基于碳納米管紙陽極的高輸出功率直接甲醇燃料電池膜電極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種直接甲醇燃料電池膜電極。
【背景技術(shù)】
[0002]得益于液體甲醇的高能量密度，直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell-DMFC)理論比能量可達(dá)4900Wh/L，接近鋰電池的5倍。但是在實(shí)際應(yīng)用中，Naf1n膜作為甲醇燃料電池的電解質(zhì)膜，存在比較嚴(yán)重的甲醇滲透問題。這種甲醇滲透不僅會(huì)造成燃料的浪費(fèi)和系統(tǒng)效率的降低，而且增加了燃料電池中陰陽兩極的極化，降低了 DMFC的輸出電壓，減小了輸出功率，傳統(tǒng)的DMFC中陽極的擴(kuò)散層不利于CO2氣體的排除，因而導(dǎo)致了在陽極反應(yīng)一側(cè)，甲醇參與催化反應(yīng)的有效利用率很低，降低了燃料電池的輸出功率和性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種基于碳納米管紙陽極的高輸出功率直接甲醇燃料電池膜電極，該膜電極不僅可以簡(jiǎn)化直接甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)，減小其體積，同時(shí)很好地解決了直接甲醇燃料電池中由陽極一側(cè)向陰極一側(cè)的甲醇滲透問題，從而陽極甲醇滲透壓增加了甲醇的有效利用率，提高了電池的輸出功率，并顯著地減小了集流板與膜電極之間的接觸電阻，而且避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中使用PTFE作為傳質(zhì)阻擋層所帶來的內(nèi)阻增加的問題，提高了電池的性能。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種基于碳納米管紙陽極的高輸出功率直接甲醇燃料電池膜電極，由陽極擴(kuò)散電極、質(zhì)子交換膜和陰極擴(kuò)散電極組成，其中陽極擴(kuò)散電極由碳納米管材料制得，而陰極擴(kuò)散電極的擴(kuò)散層由Pt/c碳紙制得，同時(shí)上述兩級(jí)的擴(kuò)散層也分別作為陽極甲醇溶液的傳質(zhì)阻擋層以及膜電極中催化層的支撐，并且擴(kuò)散層可以收集燃料電池陰極陽極中電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的電流。
[0005]本發(fā)明的膜電極與傳統(tǒng)的直接甲醇燃料電池膜電極相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
(I)CNT紙對(duì)其表面的水具有吸附作用和分散作用，能夠減少電池陽極一側(cè)CO2氣體的排除的困難；同時(shí)CNT紙內(nèi)部的毛細(xì)管狀結(jié)構(gòu)能夠使水蒸氣發(fā)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，可以有效的提高直接甲醇燃料電池的陽極一側(cè)的水的吸聚，降低了甲醇的濃度并減小了陽極一側(cè)甲醇的滲透壓，從而明顯改善了傳統(tǒng)膜電極甲醇滲透的問題，與傳統(tǒng)電池相比，新型燃料電池可以工作在更高濃度的甲醇溶液條件下，這就提高了電池的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作的穩(wěn)定性。
[0006](2)使用CNT紙制作陽極擴(kuò)散電極，可以替代傳統(tǒng)膜電極中陽極的阻擋層，簡(jiǎn)化了燃料電池膜電極的結(jié)構(gòu)，使燃料電池體積更小，更加輕便。
[0007](3)本發(fā)明中基于碳納米管紙陽極的高輸出功率直接甲醇燃料電池膜電極的DMFC在高溫高濃度下表現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)越性，新型燃料電池的工作時(shí)的輸出功率性得到提高，甲醇濃度為8mol/L，在室溫條件下，傳統(tǒng)電池的最大輸出功率約為18.33mW/cm2，而采用本發(fā)明的直接甲醇燃料電池最大輸出功率約為27.23mff/cm2,比傳統(tǒng)電池高出了將近32.7%。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明的膜電極結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為載有新型膜電極的直接甲醇燃料電池封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為在60°C、不同甲醇濃度下，分別載有新型膜電極和傳統(tǒng)膜電極的直接甲醇燃料電池工作電流密度。
【具體實(shí)施方式】
[0009]【具體實(shí)施方式】一:如圖1所示，本實(shí)施方式的直接甲醇燃料電池膜電極由陽極擴(kuò)散層1、陽極催化層2、質(zhì)子交換膜3、陰極催化層4、陰極擴(kuò)散層5組成。其中陽極擴(kuò)散電極由CNT (碳納米管)紙制得，而陰極擴(kuò)散電極的擴(kuò)散層由普通碳紙材料制得，同時(shí)上述兩級(jí)的擴(kuò)散層也分別作為甲醇水溶液(陽極)和液體水(陰極)的傳質(zhì)阻擋層。陽極催化層2位于質(zhì)子交換膜3左側(cè)，陽極擴(kuò)散層I位于陽極催化層2左側(cè)；質(zhì)子交換膜3右側(cè)依次為陰極催化層4、陰極擴(kuò)散層5。
[0010]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式提供了一種直接甲醇燃料電池膜電極的制備方法，具體制備步驟為:
(I)制備陰極催化層漿料:
稱量30~50mg的Pt/C (Pt和C的混合物)催化劑，其中Pt占催化劑總重量的20~60%，加入0.1-0.5mL離子水混合，用超聲振蕩儀振蕩5~10分鐘，然后加入0.15-0.3ml濃度為5wt.%的Naf1n溶液和0.7-1.5mL異丙醇，再用超聲振蕩儀振蕩并攪拌1~2小時(shí)，制成陰極催化劑楽.料。
[0011](2)制備陽極催化層漿料:
將50~100mg的PtRu/C催化劑與0.2-0.5mL純水混合，其中Pt,Ru原子比為1:1-1:2,PtRu總質(zhì)量占催化劑總質(zhì)量的40~80%，隨后進(jìn)行超聲振蕩使其充分混合，然后加入0.2-0.6mLNaf1n溶液和0.5-2.0mL異丙醇，控制Naf1n溶液與PtRu/C混合物的質(zhì)量比為1/4~1/9，使用超聲振蕩儀振蕩10~30分鐘，之后攪拌2~4小時(shí)，制成陽極催化層漿料。
[0012](3)制備陽極擴(kuò)散電極:
將CNT材料紙用超純水沖洗干凈，室溫干燥，制成陽極擴(kuò)散層電極的擴(kuò)散層。剪裁2cmX 2cm CNT紙，固定在濾紙上，在CNT紙擴(kuò)散層上均勻刷涂1mg陽極催化劑漿料，涂抹過程中每次刷涂之后要在紅外加熱燈下烘干，即制得陽極擴(kuò)散電極。
[0013]本步驟中，所述陽極催化層Pt載量為1~5 mg/ cm2。
[0014](4)制備陰極擴(kuò)散電極:
將商用紙用超純水沖洗干凈，室溫干燥，制成陽極擴(kuò)散層電極的擴(kuò)散層。隨后將漿料均勻刷涂在陰極商用碳紙上，涂抹過程中每次刷涂之后要在紅外加熱燈下烘干，制成陰極擴(kuò)散電極。
[0015]本步驟中，所述陰極催化層Pt載量為3~6 mg/ cm2。
[0016](5)熱壓形成膜電極:
將質(zhì)子交換膜Naf 1n膜置于陽極擴(kuò)散電極與陰極擴(kuò)散電極的中間，三者對(duì)齊擺放，使用熱壓機(jī)在100~180 kg.cm_2的壓強(qiáng)下、135 °C的溫度下熱壓5 min，即制得直接甲醇燃料電池膜電極。
[0017]【具體實(shí)施方式】三:如圖2所示，首先使用陽極集流板8和陰極集流板9把新型膜電極10夾住并固定。然后使用兩塊中間為矩形開孔的有機(jī)玻璃端板7將陽極極板8、新型膜電極10和陰極集流板9三個(gè)部件一起固定住，有機(jī)玻璃端板7陽極一側(cè)與儲(chǔ)液腔6連接。
[0018]封裝完畢后，對(duì)電池進(jìn)行活化并初步測(cè)試發(fā)現(xiàn)，載有新型膜電極的直接甲醇燃料電池比使用傳統(tǒng)膜電極的電池具有更高的性能和長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性，如圖3所示。
[0019]上述實(shí)施方式只是對(duì)本專利的示例性說明而并不限定它的保護(hù)范圍，本領(lǐng)域人員還可以對(duì)其進(jìn)行局部改變，只要沒有超出本專利的精神實(shí)質(zhì)，都視為對(duì)本專利的等同替換，都在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于碳納米管紙陽極的高輸出功率直接甲醇燃料電池膜電極，由陽極擴(kuò)散電極、質(zhì)子交換膜和陰極擴(kuò)散電極組成，其特征是所述陽極擴(kuò)散電極的擴(kuò)散層由碳納米管紙制得。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于碳納米管紙陽極的高輸出功率直接甲醇燃料電池膜電極，其特征在于所述陰極擴(kuò)散電極的擴(kuò)散層由Pt/C碳紙制得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于碳納米管紙陽極的高輸出功率直接甲醇燃料電池膜電極，其特征在于所述陽極擴(kuò)散電極采用以下步驟制備: (1)將50~100mg的PtRu/C催化劑與0.2-0.5mL純水混合，其中Pt、Ru原子比為1:1-1:2, PtRu總質(zhì)量占催化劑總質(zhì)量的40~80%，隨后進(jìn)行超聲振蕩使其充分混合，然后加入0.2-0.6mLNaf1n溶液和0.5~2.0mL異丙醇，控制Naf1n溶液與PtRu/C混合物的質(zhì)量比為1/4~1/9，使用超聲振蕩儀振蕩10~30分鐘，之后攪拌2~4小時(shí)，制成陽極催化層漿料； (2)將CNT材料紙用超純水沖洗干凈，室溫干燥，制成CNT紙擴(kuò)散層； (3)在CNT紙擴(kuò)散層上均勻刷涂陽極催化劑漿料，即制得陽極擴(kuò)散電極； 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于碳納米管紙陽極的高輸出功率直接甲醇燃料電池膜電極，其特征在于所述陽極極擴(kuò)散電極中，CNT紙擴(kuò)散層上Pt載量為1~5 mg/ cm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于碳納米管紙陽極的高輸出功率直接甲醇燃料電池膜電極，其特征在于所述陽極極擴(kuò)散電極中，CNT紙擴(kuò)散層上Ru載量為0.5-2.5 mg/ cm2。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于碳納米管紙陽極的高輸出功率直接甲醇燃料電池膜電極，其特征在于所述Naf1n溶液的濃度為5wt.%。
【專利摘要】一種基于碳納米管紙陽極的高輸出功率直接甲醇燃料電池膜電極，屬于質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。所述膜電極由陽極擴(kuò)散電極、質(zhì)子交換膜和陰極擴(kuò)散電極組成，其中陽極擴(kuò)散電極由碳納米管紙材料制得，陰極氣體擴(kuò)散電極的擴(kuò)散層由Pt/C碳紙制得。本發(fā)明的膜電極不僅可以簡(jiǎn)化直接甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)，減小其體積，同時(shí)很好地解決了直接甲醇燃料電池中由陽極一側(cè)向陰極一側(cè)的甲醇滲透問題，從而陽極甲醇滲透壓增加了甲醇的有效利用率，提高了電池的輸出功率，并顯著地減小了集流板與膜電極之間的接觸電阻，而且避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中使用PTFE作為傳質(zhì)阻擋層所帶來的內(nèi)阻增加的問題，提高了電池的性能。
【IPC分類】H01M8-02, H01M4-86
【公開號(hào)】CN104600323
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510031476
【發(fā)明人】劉曉為, 鄧慧超, 張宇峰, 張雪林
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年1月22日