一种微型直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种微型直接甲醇燃料电池膜电极及制备方法。
【背景技术】
[0002]随着能源结构的不断变迀与革命，当今社会对具有清洁、高能量密度、便携性等特点的新型能源技术的需求愈加迫切，而燃料电池技术在不断的发展过程中愈加受到人们的关注。燃料电池是一种将燃料和氧化剂中储存的化学能直接转化为电能的装置，不受卡诺热机循环的限制，具有能量转化率高、环境友好、可靠性高等优点。直接甲醇燃料电池作为一种高新燃料电池技术，其使用甲醇作为燃料，氧气或空气作为氧化剂，具有结构简单、污染小、便携性好、高能量密度、燃料价格低廉且易于补充等优点，在微机电系统、微型机器人、微型医疗器械、个人移动通讯设备等中均有广泛的应用前景。石墨烯气凝胶是一种新兴的三维结构纳米材料，具有超低密度、高电导率、高表面积、高孔隙率等特点，同时具有独特的电学性能、化学性能及机械性能，现已成为各项应用的热点之一。
[0003]膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)是燃料电池的核心部件，通常由扩散层、催化层和质子交换膜所构成，在燃料电池中起到燃料传输及分布、催化反应发生及分离质子和电子的作用。传统膜电极的扩散层通常采用聚四氟乙烯等材料进行构建，其绝缘的特性使得传统膜电极的电阻较大，导致电池的内阻较大，影响电池整体输出性能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的旨在提供一种微型直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法，与现有的膜电极制备方法相比，本发明在膜电极的扩散层使用石墨烯气凝胶进行微通道构建，可以有效的减小膜电极的电阻值，同时提高膜电极的燃料传质功能，使得电池的整体内阻减小，从而提高电池的整体性能。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种微型直接甲醇燃料电池膜电极，由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层所组成，质子交换膜位于中间，其左侧依次为阳极催化层、阳极扩散层，右侧依次为阴极催化层、阴极扩散层，其中所述的阳极扩散层和阴极扩散层使用石墨烯气凝胶、聚四氟乙烯和碳粉进行微通道构建，石墨烯气凝胶、聚四氟乙烯和碳粉的质量比为I?5:1?5:90?98oo
[0006]—种微型直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其具体制备步骤如下:
一、阴极和阳极扩散层的制备:
称取一定量石墨烯气凝胶并将其均匀分散，并称取一定量聚四氟乙烯乳液和碳粉备用，其中石墨烯气凝胶占固体总质量的1°/『5%，聚四氟乙烯占固体总质量的1。/『5%，碳粉占固体总质量的90。/『98% ;将分散均匀的石墨烯气凝胶与聚四氟乙烯乳液分散于异丙醇水溶液，超声振荡0.5~lh，之后磁力搅拌0.5~lh形成均匀的浆料，然后通过刷涂或刮涂的方式将浆料经多次均匀涂覆在支撑层上，在80~120°C下进行烘干，再在300~380°C、氩气保护的条件下焙烧20~40min，即得包含微通道的扩散层，其中扩散层的载量为l~5mg.cm 2。
[0007]二、阴极和阳极催化层的制备:对于阳极催化层，将PtRu/C或PtRu/炭黑催化剂与Naf1n溶液分散于异丙醇与水组成的混合溶液中，超声振荡0.5~lh形成均勾的催化剂楽料，其中Naf1n树脂占固体总含量的10~40%，通过刷涂或者刮涂的方式将催化剂浆料经多次涂覆在阳极扩散层的表面，在80~120°C的条件下烘干，即得在扩散层上覆盖催化层的阳极扩散电极，其中PtRu/C或PtRu/炭黑的载量为2~5 mg.cm 2;阴极催化层与阳极催化层构建方式相同，其区别在于使用Pt/C催化剂。
[0008]三、热压形成膜电极:按照阳极扩散电极、质子交换膜、阴极扩散电极的顺序将三者合在一起，于110~200kg.cm 2、110~140°C条件下热压3~8min，即得膜电极。
[0009]本发明与传统的膜电极相比，其优点如下:
(1)采用石墨烯气凝胶对阴极和阳极扩散层进行微通道构建，所使用的石墨烯气凝胶具有高电导率、高孔隙率、高比表面积等特点，且其微结构通过改变工艺参数可调控；
(2)所构建的阴极和阳极扩散层具有较低的电阻，使得膜电极电阻减小，电池的整体电阻减小，电池工作过程中的欧姆损失减小，从而使得输出电压升高，电池的输出特性提高；
(3)使用高孔隙率的石墨烯气凝胶进行微通道构建，使得膜电极的气体扩散通道更佳，改善了电池的燃料传质过程，使得电池的输出特性提高。
【附图说明】
[0010]图1为扩散层使用石墨烯气凝胶的微型直接甲醇燃料电池膜电极的结构示意图。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明，但不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0012]实施例1:
如图1所示，本实施方式的微型直接甲醇燃料电池膜电极由阳极扩散层(包含阳极支撑层I和阳极微孔层2)、阳极催化层3、质子交换膜4、阴极催化层5、阴极扩散层(包含阴极微孔层6和阴极支撑层7)组成，其中阴极扩散层和阳极扩散层使用石墨烯气凝胶进行微通道构建。具体实施步骤如下:
一、阴极和阳极扩散层的制备:称取50mg质量百分比浓度为10%的PTFE乳液分散于2ml异丙醇水溶液中(异丙醇与水的体积比为1:1)，超声震荡1min ;称取5mg商用石墨稀气凝胶固体并将其打碎，加入上述混合溶液中；称取90mg碳粉并加入上述混合溶液中，超声震荡40min，之后磁力搅拌30min，形成均勾的微孔层楽料。取IcmXl cm的碳纸，将微孔层浆料逐次涂覆在碳纸上，直至其增重4mg。将所形成的扩散层结构放在真空干燥箱内在100°C条件下进行烘干，使异丙醇、水、PTFE乳液中的乳化剂等成分挥发，之后将烘干后的扩散层结构在350°C条件下焙烧，使PTFE在高温下形成网格状结构并与石墨烯气凝胶的网络结构相融合，即得使用石墨烯气凝胶进行微通道构建的阴极和阳极扩散层。
[0013]二、阳极和阴极扩散电极的制备:称取10mg质量百分比浓度为5%的Naf1n溶液以及15mgPtRu/C催化剂(质量百分比:Pt40%、Ru20%、C40%)、10mg质量百分比浓度为5%的Naf1n溶液以及15mgPt/C催化剂(质量百分比:Pt60%、C40%)分别分散于5ml异丙醇水溶液中(异丙醇与水的体积比为1:1)，超声震荡40min形成均匀的催化剂浆料；将上述催化剂浆料分别逐次喷涂在阳极和阴极扩散层表面，直至增重为5mg ;在将其至于真空干燥箱内100°C下干燥60min，即得在扩散层上覆盖催化层的阳极和阴极扩散电极。
[0014]三、热压形成膜电极:按照阳极扩散电极、质子交换膜、阴极扩散电极的顺序将三者合在一起，用锡纸封装；将封装好的结构放在热压机上，于150kg.cm 2压力、130°C温度下热压5min，形成所述的膜电极。
[0015]实施例2:
本实施例与实施例1的区别在于，所述的石墨烯气凝胶为自制的微孔结构可控的石墨烯气凝胶。具体实现方法为:称取1mg氧化石墨烯粉末分散于Iml去离子水中，超声震荡，形成分散良好的氧化石墨烯水溶液；之后加入20mg/ml的L-抗坏血酸Iml于上述氧化石墨烯水溶液中，后置于水热釜中在100°C条件下处理12h，用去离子水清洗过量的L-抗坏血酸，形成石墨烯水凝胶；再放入冻干机中冻干12h，形成高孔隙率的石墨烯气凝胶。
[0016]实施例3:
本实施例与实施例1的区别在于，所述的阳极催化剂为PtRu/炭黑催化剂，其质量百分比比为 Pt50%、Rul0%、炭黑 40%。
【主权项】
1.一种微型直接甲醇燃料电池膜电极，由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层所组成，质子交换膜位于中间，其左侧依次为阳极催化层、阳极扩散层，右侧依次为阴极催化层、阴极扩散层，其特征在于所述阳极扩散层和阴极扩散层使用石墨烯气凝胶、聚四氟乙烯和碳粉进行微通道构建。2.根据权利要求1所述的微型直接甲醇燃料电池膜电极，其特征在于所述石墨烯气凝胶、聚四氟乙烯和碳粉的质量比为1~5:1~5:90~98ο3.—种权利要求1所述的微型直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下: 一、阴极和阳极扩散层的制备: 将石墨烯气凝胶与聚四氟乙烯乳液分散于异丙醇水溶液，超声振荡0.5~lh，之后磁力搅拌0.5~lh形成均匀的浆料，然后浆料均匀涂覆在支撑层上，在80~120°C下进行烘干，再在300~380°C、氩气保护的条件下焙烧20~40min，即得包含微通道的扩散层； 二、阴极和阳极催化层的制备； 三、热压形成膜电极。4.根据权利要求3所述的微型直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述扩散层的载量为l~5mg.cm 205.根据权利要求3所述的微型直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述阳极催化层的制备方法如下:将PtRu/C或PtRu/炭黑与Naf1n溶液分散于异丙醇与水组成的混合溶液中，超声振荡0.5~lh形成均匀的催化剂浆料，其中Naf1n树脂占固体总含量的10~40%，将催化剂浆料涂覆在阳极扩散层的表面，在80~120°C的条件下烘干，即得在扩散层上覆盖催化层的阳极扩散电极。6.根据权利要求5所述的微型直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述PtRu/C或PtRu/炭黑的载量为2~5 mg.cm 207.根据权利要求3所述的微型直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述阴极催化层的制备方法如下:将Pt/C与Naf1n溶液分散于异丙醇与水组成的混合溶液中，超声振荡0.5~lh形成均匀的催化剂浆料，其中Naf1n树脂占固体总含量的10~40%，将催化剂浆料涂覆在阴极扩散层的表面，在80~120°C的条件下烘干，即得在扩散层上覆盖催化层的阴极扩散电极。8.根据权利要求3所述的微型直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于Pt/C的载量为2~5 mg.cm 209.根据权利要求3所述的微型直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述热压形成膜电极的方法为:按照阳极扩散电极、质子交换膜、阴极扩散电极的顺序将三者合在一起，于110~200kg.cm 2、110~140°C条件下热压3~8min，即得膜电极。
【专利摘要】本发明公开了一种微型直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法，所述膜电极由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层所组成，质子交换膜位于中间，其左侧依次为阳极催化层、阳极扩散层，右侧依次为阴极催化层、阴极扩散层，所述阳极扩散层和阴极扩散层使用石墨烯气凝胶、聚四氟乙烯和碳粉进行微通道构建。与现有的膜电极制备方法相比，本发明在膜电极的扩散层使用石墨烯气凝胶进行微通道构建，可以有效的减小膜电极的电阻值，同时提高膜电极的燃料传质功能，使得电池的整体内阻减小，从而提高电池的整体性能。
【IPC分类】H01M4/88, H01M8/10, H01M4/86
【公开号】CN105161729
【申请号】CN201510510016
【发明人】刘晓为, 马泽众, 张雪林, 张宇峰
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月19日