专利名称：直接醇燃料电池用管状阴极的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池技术领域的制备方法，尤其涉及一种直接醇燃料电 池用管状阴极的制备方法。
技术背景甲醇、乙醇和丙醇等均可作为直接醇燃料电池的燃料，其中，直接甲醇燃料 电池与直接乙醇燃料电池因所用的甲醇或乙醇来源广泛，价格低廉，而且其能量 利用效率高，环境友好的运行方式，常温可操作性以及便于携带等优点，从而成 为新型燃料电池中的佼佼者，在军事、交通运输、电子通讯等领域具有着广泛的 应用前景。传统的直接醇燃料电池主要由双极板(主要采用石墨或金属来制备)、 催化-扩散层和聚合物电解质膜构成，燃料电池的形状多为平板式，阴极和阳极 的催化-扩散层与膜系采用热压方式成型为"三合一"膜电极系统。传统的直接醇燃料电池存在以下缺点1)石墨或金属双极板占整个燃料电 池系统的重量和成本的比重较大，不能很好地满足作为笔记本电脑、手机等小型 电源的需要；2)阳极结构不利于反应副产物(如二氧化碳)的排放，而阴极结 构也不利于反应副产物(如水)的排出，影响电池在长期工作下的性能稳定性。经对现有技术的文献检索发现，Zhi-Gang Shao等人在《Journal of Power Sources》160 (2006) 1003-1008上发表的《A tubular direct methanol fuel cell with Ti mesh anode》 一文，该文介绍了一种管状的膜-电极结构。阴极的 制备过程是以管状的钛网作为支撑体，在其表面依次以浸渍涂覆的方法，制备 扩散层和催化层，然后再在扩散层表面用滴全氟磺酸固体聚合物电解质溶液，该 溶液固化后成为聚合物电解质膜；阳极的制备过程是以管状的钛网作为支撑体， 在其表面涂覆以铂(Pt)为主的金属氯化物涂层，再将其在450'C下进行热分解， 得到阳极催化剂涂层，再在催化剂涂层表面用滴管涂覆全氟磺酸固体聚合物电解 质溶液，该溶液固化后成为聚合物电解质膜。膜-电极的制备过程是将管状阴 极和阳极套在一起，其中管状阴极置于管状阳极中，将通气管路与阴极相接后，置于装有甲醇与硫酸的混合水溶液的容器之中，即可进行发电测试。该论文为管 状直接醇燃料电池的制作提供了一个全新的思路。管状直接醇燃料电池与传统的 平板式直接醇燃料电池相比，具有以下几个优点1)省却了双极板，大大降低 了燃料电池的重量和成本；2)阳极产生的副产物，如二氧化碳，因无扩散层阻但是，该论文中所使用的用于制作阴极的管状钛网由德国的Heggemarm公司提 供，因其纯度高(>99.99%)并且采用激光焊接技术制作，成本较高昂，故难以 普及使用。 发明内容本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种直接醇燃料电 池用管状阴极的制备方法，使采用该方法制作的管状阴极具有较高的机械强度， 而且重量轻、导电性能好、长期运行对直接醇燃料电池无毒害与污染。由于所采 用的作为支撑体的材料相对钛网成本低廉，不需要进口，从而解决了上述不足。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用中间相沥青炭微球为原料， 通过凝胶注模成型工艺和浸渍涂覆工艺制备直接醇燃料电池管状阴极。首先，配 制凝胶注模用单体溶液，在单体溶液中加入中间相沥青炭微球，搅拌均匀得到稳 定的浆料，将浆料浇注到模具中，保温至单体与交联剂完全反应，得到中间相沥 青炭微球管状素坯，将素坯烘干、烧结，将烧结好的炭管在丙酮中超声清洗，得 到用于制备直接醇燃料电池管状阴极的炭管支撑体，在该支撑体表面，采用浸渍 涂覆工艺分别制备扩散层和分散剂层，并将聚合物电解质膜覆盖在扩散层表面并 在加热台上滚压固化，即得到直接醇燃料电池管状阴极。本发明方法包括如下步骤(1) 配制凝胶注模用单体溶液，以丙烯酰胺为单体，以N， N'-亚甲基双 丙烯酰胺为交联剂，以吐温(Tween80)作为分散剂，以去离子水为分散介质， 混合成为单体溶液。 '所述单体溶液，其各成分的重量百分比为单体5%-15%，交联剂0. 25%_1. 5%， 分散剂0. 4%-4%，分散介质94. 35%-79. 5%。(2) 将中间相沥青炭微球加到步骤(1)中得到的单体溶液中，通过球磨将 各成分混合均匀，得到稳定的浆料。所述中间相沥青炭微球，其粒径范围为5-30微米。所述浆料，其各成分的重量百分比为中间相沥青炭微球40%-80%，单体溶 液20%-60%。(3) 将步骤(2)中得到的浆料中加入过硫酸铵作为引发剂，同时加入催化 剂N， N， N'， N'-四甲基乙二胺，将浆料采用电动搅拌机混合均匀后，注入到成 型管状素坯的模具中，然后保温，直到浆料中的单体分子聚合成为凝胶网络，脱 模后，得到中间相沥青炭微球素坯，将素坯干燥，得到质地坚硬，且无裂纹的管 状中间相沥青炭微球素坯。所述引发剂的加入量为0. 05%-0. 2%，催化剂的加入量为0. 02%-0. 1% (均相 对于步骤(2)中浆料的重量百分比)。所述保温，是指置于60'C-8(TC的烘箱中保温。所述将素坯干燥，是指将素坯在湿度为85%以上空气中于常温干燥，直到 素坯体积恒定。然后将素坯在IO(TC条件下于空气中再进行干燥。(4) 将步骤(3)中所得的管状中间相沥青炭微球素坯在真空条件下进行烧 结，得到作为直接醇燃料电池阴极用的炭管支撑体。所述烧结，分以下阶段进行第一阶段是室温到60(TC，升温速度为3CTC-60 。C/小时；第二阶段是在60(TC下保温1-5小时；第三阶段是从600。C升温到1100 °C，升温速度为30'C/小时-6(TC/小时；第四阶段是在IIO(TC下保温1小时-5 小时；第五阶段是从IIO(TC升到1450°C-1800°C，升温速度为6(TC/小时-120°C /小时，第六阶段是在1450'C-180(TC下保温1小时-5小时；第七阶段是从最高 烧结温度到室温，降温速度控制在12(TC/小时以下。将烧结后得到的炭管在水 中和丙酮中进行超声清洗，以去除因各种原因可能造成的表面污染。(5) 将步骤(4)中烧结后的炭管表面采用浸渍、提拉和干燥的方法，在其 表面分别制备扩散层、催化剂层，并采用滴管滴涂的方式在分散剂层表面涂覆聚 合物电解质层，待电解质层干燥以后，在加热台表面上滚压固化之后，得到了用 于直接醇燃料电池的管状阴极。所述制备扩散层，具体为在步骤(4)中得到的多孔炭管表面制备扩散层。 称取炭黑(Vulcan XC 72R为首选)和聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯含量为60wt. %) 置于容器中，加入异丙醇为分散介质，经超声分散后得到用于制备扩散层的浆料；7将多孔炭管的两端孔采用聚四氟乙烯密封带密封，然后将炭管浸渍到该浆料中， 再提拉出来，并于空气中进行干燥，重复该过程，直到达到所要求的载量。将外 表面覆盖了扩散层的炭管在氮气保护条件下，于34(TC下进行热处理，在340'C 下的保温时间不少于0.5小时，然后在氮气保护条件下自然冷却到室温，即得到 表面覆盖了扩散层的炭管。所述制备催化剂层，具体为在得到的炭管的扩散层表面，制备催化剂层。 配制以铂(Pt,下同)为主(如纳米级纯金属Pt黑或Pt碳以及Pt基合金催化剂) 的催化剂浆料，该浆料以乙醇作为分散介质，加入5wt.%全氟磺酸固体聚合物电解质(商品名称为全氟磺酸固体聚合物电解质)溶液和Pt催化剂，超声分散后，采用与制备扩散层相同的工艺，在扩散层表面涂覆催化剂层，重复该过程， 直到达到所要求的载量，在进行下一步骤前，须保证催化剂层在空气中于室温下 完全干燥。所述制备聚合物电解质膜，具体为在表面分别覆盖扩散层和催化剂层的炭管表面制备全氟磺酸固体聚合物电解质膜。在催化剂层表面用滴管滴涂20wt.%全氟磺酸固体聚合物电解质溶液，并在空气中自然干燥，重复该过程，直到达到 所要求的载量。所述在加热台表面上滚压固化，是指将加热台表面预热到130°C-140°C， 然后将表面覆盖全氟磺酸固体聚合物电解质膜的炭管进行滚压，压制时间为3 分钟-5分钟。与现有技术相比，本发明具有以下优点1) 本发明所用的中间相沥青炭微球主要由环状芳烃组成，具有球状晶结构， 易于烧结，而且由于有机物含量较高，故由其素坯烧结而得到的制品具有开孔结 构，利于气体传输，故首次被选择作为直接醇燃料电池管状阴极的支撑体用材料。2) 本发明所用的以中间相沥青炭微球为原料的凝胶注模成型工艺为一种近净尺寸的成型工艺，即干燥后的素坯与烧结体之间的形状和尺寸差异较小，这样 可有效地控制制品的尺寸，实现管状阴极支撑体的一次成型，而不需对其进行机 械加工，大大降低了生产成本，提高了产品的成品率，縮短了产品的生产周期。3) 与管状钛网作为支撑体制备的直接醇燃料电池阴极相比，采用本发明制 备的以多孔炭管为支撑体的管状阴极，不仅具有较高的机械强度，而且重量轻、导电导热性能好、长期运行对直接醇燃料电池无任何毒害与污染。目前，国外所 采用的管状钛网采用粉末冶金或激光焊接的方法制作，销售价格约为500-750元人民币/根(直径3毫米，长度100毫米)，而本发明中所制备的同样尺寸的多孔炭管的制作成本约为50元人民币/根(以批量为100根，生产周期为3天，模具一副，成品率80%来计算)，因此采用的作为支撑体的材料相对钛网成本低廉，不需要进口，从而有望在管状直接醇燃料电池中推广普及。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。实施例l:将5g的丙烯酰胺、0. 25gN， N'-亚甲基双丙烯酰胺、0. 5g吐温溶于94. 25g 水中，搅拌均匀成溶液，保证丙烯酰胺和N，N'-亚甲基双丙烯酰胺完全溶解， 得到单体溶液；然后称取该溶液60g，加入40g平均粒径范围为5-30微米的中 间相沥青炭微球，经球磨1小时共混均匀后，得到稳定的浆料；然后再向浆料中 添加0. 2g过硫酸铵和0. lgN， N， N'， N'-四甲基乙二胺，用电动搅拌机稍加混 合后，立即将浆料注入成型管状制品的模具中，在6(TC下15分钟后，浆料中的 高分子单体在交联剂的作用下形成凝胶网络，得到中间相沥青炭微球管状素坯； 将素坯脱模后，放入空气湿度85%以上的干燥器中在室温下保持到素坯体积恒 定，然后在IO(TC下于空气中干燥24小时，再在真空炉中进行真空烧结。烧结 工艺分以下阶段进行第一阶段是室温到60(TC，升温速度为30'C/小时；第二 阶段是在600'C下保温5小时；第三阶段是从60(rC升温到110(TC，升温速度为 3(TC/小时；第四阶段是在IIOO'C下保温5小时；第五阶段是从IIO(TC升到1450 °C，升温速度为120'C/小时，第六阶段是在145(TC下保温5小时；第七阶段是 从145(TC到室温，降温速度控制在120'C/小时以下。待烧结完成后，用丙酮超 声清洗10分钟，置于7(TC的烘箱中备用。扩散层制备取烧结好的多孔炭管一根，两端用聚四氟乙烯密封带封好，称 重后，将炭管浸入由1.2g炭黑(Vulcan XC 72R), 2. 0g聚四氟乙烯乳液(60wt. %) 和lOOmL异丙醇经搅拌和超声分散后得到的浆料中，然后将炭管提拉出来，于空气中自然干燥，重复此过程约15次，再将其置于氮气保护条件下的烧结炉中， 在340'C下保温0.5小时，冷却后取出，称重后，计算得到的扩散层载量为 7- 8mg/cm2。催化剂层制备称取1.5g Pt/C (Pt: 50wt.%)催化剂，然后加入60mL无 水乙醇(分析纯)，搅拌两分钟后，再加入3.75g全氟磺酸固体聚合物电解质溶 液(5wtJ)，搅拌并超声分散均匀后，得到催化剂浆料。将表面覆盖扩散层的炭 管两端用聚四氟乙烯密封带封好，称重后，浸入催化剂浆料中，提拉出来，于空 气中自然干燥，重复此过程约10次，然后称重，计算得到的分散剂层载量为 3. 0mg/cm2。聚合物电解质膜制备用滴管吸取20wt.y。全氟磺酸固体聚合物电解质溶液， 然后涂覆在己经称重的炭管的分散剂层表面，在空气中自然干燥，然后在表面温 度为135。C的加热台上(加热台表面覆盖厚度为lmm的聚四氟乙烯薄膜)，滚压3 分钟，使全氟磺酸固体聚合物电解质膜固化，然后称重，计算聚合物电解质膜的 载量为20mg/cm2。将按照上述步骤制作的直接醇燃料电池的管状阴极进行发电性能测试，测试 条件为1)电解质溶液0.5 M H2S04+1. OM CH30H; 2)工作温度60 。C; 3) 阴极氧气流量20mL/min; 4)阴极催化剂(Pt/C， Pt:50。/。)载量3mg±0. lmg/cm2; 5)阳极催化剂(PtRu/C， PtRu:5(F。)载量4 mg/cm2。其中，采用管状钛网阴 极的直接甲醇燃料电池的最大功率密度为10mW/ cm2，采用实施m例1中的炭管阴 极的直接甲醇燃料电池的最大功率密度为14 mW/ cm2，后者比前者性能高。说明 实施例2中的炭管阴极的性能高于管状钛网阴极。实施例2:将10g的丙烯酰胺、0.8gN,N，-亚甲基双丙烯酰胺、0.5g吐温溶于98. 7g 水中，搅拌均匀成溶液，保证丙烯酰胺和N，N'-亚甲基双丙烯酰胺完全溶解， 得到单体溶液；然后称取该溶液40g，加入60g平均粒径范围为5-30微米的中 间相沥青炭微球，经球磨1小时共混均匀后，得到稳定的浆料；然后再向浆料中 添加0. lg过硫酸铵和0. 05gN， N， N'， N'-四甲基乙二胺，用电动搅拌机稍加混 合后，立即将浆料注入成型管状制品的模具中，在7(TC下13分钟后，桨料中的高分子单体在交联剂的作用下形成凝胶网络，得到中间相沥青炭微球管状素坯；将素坯脱模后，放入空气湿度85%以上的干燥器中在室温下保持到素坯体积恒 定，然后在IO(TC下于空气中干燥24小时，再在真空炉中进行真空烧结。烧结 工艺分以下阶段进行第一阶段是室温到60(TC，升温速度为3(TC/小时；第二 阶段是在600'C下保温5小时；第三阶段是从60(TC升温到110(rC，升温速度为 3(TC/小时；第四阶段是在IIO(TC下保温5小时；第五阶段是从IIOO'C升到1600 'C，升温速度为12(TC/小时，第六阶段是在160(TC下保温5小时；第七阶段是 从160(TC到室温，降温速度控制在120'C/小时以下。待烧结完成后，用丙酮超 声清洗10分钟，置于7(TC的烘箱中备用。扩散层制备取烧结好的多孔炭管一根，两端用聚四氟乙烯密封带封好，称 重后，将炭管浸入由1. 2g炭黑(Vulcan XC 72R)， 2. Og聚四氟乙烯乳液(60wt. %) 和lOOmL异丙醇经搅拌和超声分散后得到的浆料中，然后将炭管提拉出来，于空 气中自然干燥，重复此过程约15次，再将其置于氮气保护条件下的烧结炉中， 在340'C下保温0.5小时，冷却后取出，称重后，计算得到的扩散层载量为 7. 9mg/cm2。催化剂层制备称取1.5g Pt/C (Pt: 50wt.%)催化剂，然后加入60mL无 水乙醇(分析纯)，搅拌两分钟后，再加入3.75g全氟磺酸固体聚合物电解质溶 液(5wt.y。)，搅拌并超声分散均匀后，得到催化剂浆料。将表面覆盖扩散层的炭 管两端用聚四氟乙烯密封带封好，称重后，浸入催化剂浆料中，提拉出来，于空 气中自然干燥，重复此过程约10次，然后称重，计算计算得到的分散剂层载量 为3. lmg/cm2。聚合物电解质膜制备用滴管吸取20wt. °/。全氟磺酸固体聚合物电解质溶液，然后涂覆在已经称重的炭管的分散剂层表面，在空气中自然干燥，然后在表面温度为135'C的加热台上(加热台表面覆盖厚度为lrnrn的聚四氟乙烯薄膜)，滚压3 分钟，使全氟磺酸固体聚合物电解质膜固化，然后称重，计算聚合物电解质膜的 载量为19. 2mg/cm2。将按照上述步骤制作的直接醇燃料电池的管状阴极进行发电性能测试，将按照上述步骤制作的直接醇燃料电池的管状阴极进行发电性能测试，测试条件为1)电解质溶液0. 5 M H2S04+1. OM CH3OH; 2)工作温度60 °C; 3)阴极氧气流量20mL/min; 4)阴极催化剂(Pt/C， Pt:50。/0载量3mg±0. lmg/cm2; 5)阳 极催化剂(PtRu/C， PtRu:50。/。)载量4 mg/cm2。其中，采用管状钛网阴极的直 接甲醇燃料电池的最大功率密度为10mW/ cm2，采用实施m例1中的炭管阴极的直 接甲醇燃料电池的最大功率密度为18 mW/ cm2，后者比前者性能高，说明实施例 2中的炭管阴极的性能高于管状钛网阴极。实施例3:将15g的丙烯酰胺、1. 5gN，N'-亚甲基双丙烯酰胺、4g吐温溶于79. 5g水 中，搅拌均匀成溶液，保证丙烯酰胺和N，N，-亚甲基双丙烯酰胺完全溶解，得 到单体溶液；然后称取该溶液20g，加入80g平均粒径范围为5-30微米的中间 相沥青炭微球，经球磨1小时共混均匀后，得到稳定的浆料；然后再向浆料中添 加0. 05g过硫酸铵和0. 02gN， N， N', N'-四甲基乙二胺，用电动搅拌机稍加混 合后，立即将浆料注入成型管状制品的模具中，在8(TC下10分钟后，浆料中的 高分子单体在交联剂的作用下形成凝胶网络，得到中间相沥青炭微球管状素坯； 将素坯脱模后，放入空气湿度85%以上的干燥器中在室温下保持到素坯体积恒 定，然后在IOO'C下于空气中干燥24小时，再在真空炉中进行真空烧结。烧结 工艺分以下阶段进行第一阶段是室温到60(TC，升温速度为3(TC/小时；第二 阶段是在600。C下保温5小时；第三阶段是从60(TC升温到110(TC，升温速度为 30。C/小时；第四阶段是在IIO(TC下保温5小时；第五阶段是从IIO(TC升到1800 °C，升温速度为12(TC/小时，第六阶段是在180(TC下保温5小时；第七阶段是 从180(TC到室温，降温速度控制在120。C/小时以下。待烧结完成后，用丙酮超 声清洗10分钟，置于70'C的烘箱中备用。扩散层制备取烧结好的多孔炭管一根，两端用聚四氟乙烯密封带封好，称 重后，将炭管浸入由1. 2g炭黑(Vulcan XC 72R)， 2. Og聚四氟乙烯乳液(60wt. %) 和100mL异丙醇经搅拌和超声分散后得到的浆料中，然后将炭管提拉出来，于空 气中自然干燥，重复此过程约15次，再将其置于氮气保护条件下的烧结炉中， 在34(TC下保温0.5小时，冷却后取出，称重后，计算得到的扩散层载量为 8. Omg/cm2。催化剂层制备称取1.5g Pt/C (Pt: 50wt.%)催化剂，然后加入60mL无水乙醇(分析纯)，搅拌两分钟后，再加入3.75g全氟磺酸固体聚合物电解质溶 液(5wtJ)，搅拌并超声分散均匀后，得到催化剂浆料。将表面覆盖扩散层的炭 管两端用聚四氟乙烯密封带封好，称重后，浸入催化剂浆料中，提拉出来，于空 气中自然干燥，重复此过程约10次，然后称重，计算计算得到的分散剂层载量 为2. 9mg/cm2。聚合物电解质膜制备用滴管吸取20wt. %全氟磺酸固体聚合物电解质溶液， 然后涂覆在已经称重的炭管的分散剂层表面，在空气中自然干燥，然后在表面温 度为135。C的加热台上(加热台表面覆盖厚度为lmm的聚四氟乙烯薄膜)，滚压3 分钟，使全氟磺酸固体聚合物电解质膜固化，然后称重，计算聚合物电解质膜的 载量为20. 5mg/cm2。将按照上述步骤制作的直接醇燃料电池的管状阴极进行发电性能测试，将按照上述步骤制作的直接醇燃料电池的管状阴极进行发电性能测试，测试条件为1)电解质溶液0.5 M H2S04+1.0M CH30H; 2)工作温度60 °C; 3)阴极氧气流 量20mL/min; 4)阴极催化剂(Pt/C， Pt:50。/。)载量3mg±0. lmg/cm2; 5)阳 极催化剂(PtRu/C， PtRu:50。/。)载量4 mg/cm2。其中，采用管状钛网阴极的直 接甲醇燃料电池的最大功率密度为14mW/ cm2，采用实施m例1中的炭管阴极的直 接甲醇燃料电池的最大功率密度为20 mW/ cm2，后者比前者性能高，说明实施例 2中的炭管阴极的性能高于管状钛网阴极。
权利要求
1、一种制备直接醇燃料电池管状阴极的方法，其特征在于，采用中间相沥青炭微球为原料，通过凝胶注模成型工艺和浸渍涂覆工艺制备直接醇燃料电池管状阴极首先，配制凝胶注模用单体溶液，在单体溶液中加入中间相沥青炭微球，搅拌均匀得到稳定的浆料，将浆料浇注到模具中，保温至单体与交联剂完全反应，得到中间相沥青炭微球管状素坯，将素坯烘干、烧结，将烧结好的炭管在丙酮中超声清洗，得到用于制备直接醇燃料电池管状阴极的炭管支撑体，在该支撑体表面，采用浸渍涂覆工艺分别制备扩散层和分散剂层，并将聚合物电解质膜覆盖在扩散层表面并在加热台上滚压固化，即得到直接醇燃料电池管状阴极。
2、 根据权利要求1所述的制备直接醇燃料电池管状阴极的方法，其特征是， 包含如下步骤(1) 配制凝胶注模用单体溶液，以丙烯酰胺为单体，以N， N'-亚甲基双 丙烯酰胺为交联剂，以吐温作为分散剂，以去离子水为分散介质，混合成为单体 溶液；(2) 将中间相沥青炭微球加到步骤(1)中得到的单体溶液中，将各成分混 合均匀，得到稳定的浆料；(3) 将步骤(2)中得到的浆料中加入过硫酸铵作为引发剂，同时加入催化 剂N， N， N'， N'-四甲基乙二胺，将浆料混合均匀后，注入到成型管状素坯的模 具中，然后保温，直到浆料中的单体分子聚合成为凝胶网络，脱模后，得到中间 相沥青炭微球素坯，将素坯干燥，得到质地坚硬，且无裂纹的管状中间相沥青炭 微球素坯；(4) 将步骤(3)中所得的管状中间相沥青炭微球素坯在真空条件下进行烧 结，得到作为直接醇燃料电池阴极用的炭管支撑体；(5) 将步骤(4)中烧结后的炭管表面采用浸渍、提拉和干燥的方法，在其 表面分别制备扩散层、催化剂层，并采用滴管滴涂的方式在分散剂层表面涂覆聚 合物电解质层，待电解质层干燥以后，在加热台表面上滚压固化之后，得到了用 于直接醇燃料电池的管状阴极。
3、 根据权利要求2所述的制备直接醇燃料电池的管状阴极的方法，其特征是，步骤(1)中，单体溶液各成分的重量百分比为单体5%-15%，交联剂 0. 25%-1.5%，分散剂0.4%-4%，分散介质94. 35%-79. 5%。
4、 根据权利要求2所述的制备直接醇燃料电池的管状阴极的方法，其特征 是，步骤(2)中，所述浆料，其各成分的重量百分比为中间相沥青炭微球 40%-80%，单体溶液20%-60%;所述中间相沥青炭微球，其粒径范围为5微米-30 微米，采用球磨方式混合浆料，使浆料均匀稳定。
5、 根据权利要求2所述的制备直接醇燃料电池的管状阴极的方法，其特征 是，步骤(3)中，所述将素坯干燥，是指将素坯在湿度为85%以上空气中于 常温干燥，直到素坯体积恒定，然后将素坯在IO(TC条件下于空气中再进行干燥。
6、 根据权利要求2所述的制备直接醇燃料电池的管状阴极的方法，其特征 是，步骤(4)中，所述烧结，分以下阶段进行第一阶段是室温到60(TC，升 温速度为3(TC-6(TC/小时，第二阶段是在60(TC下保温1-5小时，第三阶段是从 600。C升温到U00。C，升温速度为30。C/小时-60。C/小时，第四阶段是在IIOO'C 下保温l小时-5小时，第五阶段是从IIOO'C升到1450°C-1800°C，升温速度为 60。C/小时-12(TC/小时，第六阶段是在1450。C-1800'C下保温1小时-5小时，第 七阶段是从最高烧结温度180(TC到室温，降温速度控制在120。C/小时以下。
7、 根据权利要求2所述的制备直接醇燃料电池的管状阴极的方法，其特征 是，步骤(5)中，所述制备扩散层，具体为称取炭黑和聚四氟乙烯乳液置于 容器中，加入异丙醇为分散介质，经超声分散后得到用于制备扩散层的浆料，将 多孔炭管的两端孔采用聚四氟乙烯密封带密封，然后将炭管浸渍到该浆料中，再 提拉出来，并于空气中进行干燥，重复该过程，直到达到所要求的载量，将外表 面覆盖了扩散层的炭管在氮气保护条件下，于34(TC下进行热处理，在340'C下 保温至少0.5小时，然后在氮气保护条件下自然冷却到室温，即得到表面覆盖了 扩散层的炭管。
8、 根据权利要求2所述的制备直接醇燃料电池的管状阴极的方法，其特征 是，步骤(5)中，所述制备催化剂层，具体为配制以Pt碳为主的催化剂浆料， 该浆料以乙醇作为分散介质，加入5wt.。/。全氟磺酸固体聚合物电解质溶液和Pt 碳催化剂，超声分散后，在扩散层表面涂覆催化剂层，重复该过程，直到达到所 要求的载量，在进行下一步骤前，保证催化剂层在空气中于室温下完全干燥。
9、 根据权利要求2所述的制备直接醇燃料电池的管状阴极的方法，其特征是，步骤(5)中，所述制备聚合物电解质膜，具体为在表面分别覆盖扩散层 和催化剂层的炭管表面制备全氟磺酸固体聚合物电解质膜，在催化剂层表面用滴 管滴涂重量百分比20%全氟磺酸固体聚合物电解质溶液，并在空气中自然干燥， 重复该过程，直到达到所要求的载量。
10、根据权利要求2所述的制备直接醇燃料电池的管状阴极的方法，其特征 是，步骤(5)中，所述在加热台表面上滚压固化，是指将加热台表面预热到 TC-140。C,然后将表面覆盖全氟磺酸固体聚合物电解质膜的炭管进行滚压， 压制时间为3分钟-5分钟。
全文摘要
一种制备直接醇燃料电池管状阴极的方法，属于燃料电池领域。本发明首先配制凝胶注模用单体溶液，之后将中间相沥青炭微球加入到单体溶液中，搅拌均匀得到稳定的浆料，然后将浆料浇注到模具中，保温至单体与交联剂完全反应，得到炭管素坯，将素坯烘干、真空烧结后，在其表面采用浸渍工艺制备扩散层、催化剂层，然后采用滴管涂覆聚合物电解质膜，在加热台上对炭管进行滚压，使电解质膜固化。依以上步骤，即制得直接醇燃料电池管状阴极。本发明制作的直接醇燃料电池管状阴极具有机械强度高、重量轻、导电导热性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染、价格低廉的特点，可取代价格较高昂的管状钛网阴极。
文档编号H01M4/88GK101252192SQ20081003520
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月27日 优先权日2008年3月27日
发明者博 何, 倪红军, 洪 周, 孙宝德, 飞 李 申请人:上海交通大学