專利名稱：直接醇類燃料電池異型多孔陰極支撐體成形防變形方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種直接醇類燃料電池異型多孔陰極支撐體成形方法。
背景技術：
甲醇、乙醇和丙醇等，均可作為直接醇類燃料電池的燃料，其中，
直接甲醇燃料電池(Direct methanol fliel cell, DMFC)和直接乙醇燃料 電池(Direct ethanolfbel cell, DEFC)因其所用的甲醇或乙醇來源廣泛， 價格低廉，而且其能量利用效率高，環(huán)境友好的運行方式，常溫可操作 性以及便于攜帶等優(yōu)點，從而成為新型燃料電池中的佼佼者，在軍事、 交通運輸、電子通訊等領域具有著廣泛的應用前景。
傳統(tǒng)的直接醇類燃料電池主要由雙極板(主要采用石墨或金屬來制 備)、催化-擴散層和聚合物電解質(zhì)膜構成，燃料電池的形狀多為平板 式，陰極和陽極的催化-擴散層與聚合物電解質(zhì)膜采用熱壓方式成型為 "三合一"膜電極組件。但是平板型直接醇類燃料電池存在以下缺點 (1)采用具有復雜流場的雙極板結構，制造成本高；(2)所制備的微 型和大型DMFC重量、體積大；(3)陽極的結構不利于反應副產(chǎn)物(如 二氧化碳)的排放，而陰極的結構也不利于反應副產(chǎn)物(如水)的排出， 影響電池在長期工作下的性能穩(wěn)定性；(4)其中的DMFC研究中均采用 液態(tài)甲醇作為燃料，存在甲醇滲透現(xiàn)象，DMFC功率密度大大降低；(5)不能直接存儲燃料，需要復雜的輸入管路；(6)不適合罐裝非液態(tài)的
流動相(燃料)。
異型結構的直接醇類燃料電池的關鍵是圓形或者方形的陰極支撐
體材料的選擇和成形。在確定材料配方后，最重要的就是確定合理的成
形工藝和防變形技術。如果選擇不當，不僅產(chǎn)生制造成本昂貴、產(chǎn)業(yè)化
應用困難的問題，而且容易使陰極支撐體成形困難及性能低下，如產(chǎn)生
變形、開裂、導電性差、力學性能差，從而導致擴散層和催化層難以涂
覆、膜層涂覆或者包裹不良等問題，從而降低了直接甲醇燃料電池的性能。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Zhi-Gang Shao等人在《Journal of Power Sources》160 (2006 ) 1003-1008上發(fā)表的《A tubular direct methanol fbel cell with Ti mesh anode》 一文，介紹了一種管狀陰極與陽極的制備 過程。其中陰極支撐體材料采用的是管狀的鈦網(wǎng)。在鈦管網(wǎng)表面依次以 浸漬涂覆的方法，制備擴散層和催化層，然后再在擴散層表面滴涂 Nafion溶液，該溶液固化后成為聚合物電解質(zhì)膜，從而制得陰極。但是， 該論文中所使用的用于制作陰極支撐體的管狀鈦網(wǎng)由德國的 Heggemann公司提供，因其純度高(>99.99%)并且采用激光焊接技術 制作，成本昂貴，故難以普及使用。另外，由于采用的鈦網(wǎng)力學性能低， 容易變形，影響了擴散層和催化劑層的涂覆，也影響了膜層的涂覆或者 包裹，降低了電池的性能。
經(jīng)文獻檢索，李飛等人在《無機材料學報》20 (2005) 299-304上 發(fā)表的《中間相碳微球懸浮體的流變性及凝膠注模成型工藝的研究》一 文，介紹采用凝膠注模工藝成型質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板素坯，并在 140(TC進行真空燒結獲得燒結體的研究成果，未見成型異型陰極支撐體的研究報道。其采用的凝膠體系為丙烯酰胺(單體)，N-N，亞甲基雙丙烯
酰胺(交聯(lián)劑)，分散劑、引發(fā)劑和催化劑分別為Tween80、過硫酸銨 和四甲基乙二胺。但是，采用凝膠注模加真空燒結孔工藝雙極板過程中， 在實際制備時，會出現(xiàn)如下幾個重大缺陷(a)素坯干燥過程容易變形， (b)中間相碳微球由于具有自燒結性質(zhì)，在燒結過程中顆粒發(fā)生融合 并形成了燒結體，燒結后的孔隙發(fā)生了融合，小孔隙融合形成了大孔隙， 并出現(xiàn)了燒結頸，在燒結過程容易變形和開裂，(c)中間相碳微球， 180CTC以上高溫真空燒結才能夠達到較高的石墨化度，可以確保較高的 電導率，但是對設備和工藝要求非常高；低溫真空燒結石墨化度小，電 導率低，不能滿足燃料電池電極高電導率的要求。文獻資料中，均未提 出解決上述問題的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種陰極支撐體素坯和燒結體不產(chǎn)生變形 的直接醇類燃料電池異型多孔陰極支撐體成形防變形方法。
本發(fā)明的技術解決方案是
一種直接醇類燃料電池異型多孔陰極支撐體成形防變形方法，其特 征是依次包括下列步驟 一、制作素坯
(1) 在凝膠注模漿料制備過程中，同時加入中間相碳微球和石墨
粉作為主體成分制備漿料，兩者質(zhì)量百分比為中間相碳微球50 100
%、石墨粉0 50%;
(2) 量取制備好的漿料，倒入器皿中，加入引發(fā)劑過硫酸銨(其加入量為中間相碳微球和石墨粉總質(zhì)量的0.02-0. 4%)并攪拌均勻，然
后加入催化劑四甲基乙二胺(其加入量為中間相碳微球和石墨粉總質(zhì)量
的0.01-0. 2%)，混合均勻后，將漿料注入帶型芯的模具中，再脫模，取 出素坯；
(3) 將素坯放入乙醇溶液中進行液態(tài)干燥，乙醇濃度范圍為 80-90%，液態(tài)干燥時間為2-24小時；
(4) 將素坯從乙醇溶液中取出，用熱風吹干表面的酒精液體，然
后將素坯放到加熱器上采取滾動加熱法干燥，首先在70-9(TC滾動干燥
15-30分鐘，然后將溫度調(diào)至140-160。C滾動干燥至恒重； 二、燒結體成型
(1) 將上述干燥好的素坯放到裝有石墨粉的石墨坩堝中，依次排
好；
(2) 用石墨粉將石墨坩堝內(nèi)空間填滿、壓緊，放入爐膛中；
(3) 以每小時300。C快速升溫至60(TC，保溫l小時；
(4) 以每小時100。C速度升溫至80(TC;
(5) 以每小時5(TC速度升溫至100(TC后，保溫2小時，再隨爐冷 卻，得產(chǎn)品。
本發(fā)明的優(yōu)點
(1)為了防止凝膠注模成型的MCMB異型醇類燃料電池陰極支撐體 素坯制備和燒結過程中產(chǎn)生變形，本發(fā)明采用了 (a)同時加入中間相 碳微球和石墨粉作為主體成分制備漿料，(b)素坯采用乙醇溶液中進行 液態(tài)干燥、熱風吹干和低、高溫滾動干燥以及(c)素坯燒結過程采用特殊的加熱升溫、保溫路線等技術路線，從而在滿足所獲得的陰極支撐 體性能要求的基礎上，確保陰極支撐體素坯和燒結體不產(chǎn)生變形。
(2) 陰極支撐體燒結采用了在100(TC及以下埋碳燒結技術，工藝
簡單，燒結溫度低，無需真空或者惰性氣體保護，既能夠有效防止高溫 燒結的變形，同時降低了制造成本。
(3) 用本發(fā)明防變形技術制備的直接醇類燃料電池異型多孔陰極 支撐體，可以是圓形、方形等，管徑可大可小，并可以通過改變模具型 號來實現(xiàn)。
(4) 本發(fā)明防變形技術也可以用于制備的直接醇類燃料電池異型 多孔陽極支撐體，可以是圓形、方形等，管徑可大可小，并可以通過改
變模具型號來實現(xiàn)。
(5) 用本發(fā)明防變形技術制備的直接醇類燃料電池異型多孔陰極 支撐體制作異型直接醇類燃料電池，重量輕、體積小，可以存儲燃料，
便于攜帶。
下面結合實施例對本實用新型作進一步說明
具體實施例方式
一種直接醇類燃料電池異型多孔陰極支撐體成形防變形方法，依次 包括下列步驟
一、制作素坯
(1)在凝膠注模漿料制備過程中，同時加入中間相碳微球和石墨
粉作為主體成分制備漿料，兩者質(zhì)量百分比為中間相碳微球50 100 % (例50%、 70%、 100%)、石墨粉0 50% (例50%、 30%、 0%);(2) 量取制備好的漿料，倒入器皿中，加入引發(fā)劑過硫酸銨(其
加入量為中間相碳微球和石墨,分總質(zhì)量的0.02-0. 4%)并攪拌均勻，然
后加入催化劑四甲基乙二胺(其加入量為中間相碳微球和石墨粉總質(zhì)量
的0.01-0. 2%)，混合均勻后，將漿料注入帶型芯的模具中，再脫模，取 出素坯；
(3) 將素坯放入乙醇溶液中進行液態(tài)干燥，乙醇濃度范圍為 80-90%，液態(tài)千燥時間為2-24小時(例2、 10、 23小時);
(4) 將素坯從乙醇溶液中取出，用熱風吹干表面的酒精液體，然
后將素坯放到加熱器上采取滾動加熱法干燥，首先在70-9(TC滾動干燥
15-30分鐘(例15、 25、 30分鐘)，然后將溫度調(diào)至140-160。C滾動干
燥至恒重；
二、燒結體成型
(1) 將上述干燥好的素坯放到裝有石墨粉的石墨坩堝中，依次排
好；
(2) 用石墨粉將石墨坩堝內(nèi)空間填滿、壓緊，放入爐膛中；
(3) 以每小時300。C快速升溫至60(TC，保溫l小時；
(4) 以每小時IO(TC速度升溫至800°C;
(5) 以每小時5(TC速度升溫至100(TC后，保溫2小時，再隨爐冷 卻，得產(chǎn)品。
權利要求
1、一種直接醇類燃料電池異型多孔陰極支撐體成形防變形方法，其特征是依次包括下列步驟一、制作素坯(1)在凝膠注模漿料制備過程中，同時加入中間相碳微球和石墨粉作為主體成分制備漿料，兩者質(zhì)量百分比為中間相碳微球50～100％、石墨粉0～50％；(2)量取制備好的漿料，倒入器皿中，加入引發(fā)劑過硫酸銨并攪拌均勻，然后加入催化劑四甲基乙二胺，混合均勻后，將漿料注入帶型芯的模具中，再脫模，取出素坯；(3)將素坯放入乙醇溶液中進行液態(tài)干燥，乙醇濃度范圍為80-90％，液態(tài)干燥時間為2-24小時；(4)將素坯從乙醇溶液中取出，用熱風吹干表面的酒精液體，然后將素坯放到加熱器上采取滾動加熱法干燥，首先在70-90℃滾動干燥15-30分鐘，然后將溫度調(diào)至140-160℃滾動干燥至恒重。二、燒結體成型(1)將上述干燥好的素坯放到裝有石墨粉的石墨坩堝中，依次排好；(2)用石墨粉將石墨坩堝內(nèi)空間填滿、壓緊，放入爐膛中；(3)以每小時300℃快速升溫至600℃，保溫1小時；(4)以每小時100℃速度升溫至800℃；(5)以每小時50℃速度升溫至1000℃后，保溫2小時，再隨爐冷卻，得產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接醇類燃料電池異型多孔陰極支撐體成形防變形方法，包括制作素坯、燒結體成型等步驟。本發(fā)明陰極支撐體素坯和燒結體不產(chǎn)生變形。
文檔編號H01M8/10GK101546833SQ200910031430
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權日2009年4月27日
發(fā)明者倪紅軍, 呂燦燦, 李志揚, 江學范, 東 湯, 汪興興, 銀銘強, 黃明宇 申請人:南通大學