一種微型直接甲醇燃料電池膜電極及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，涉及一種微型直接甲醇燃料電池膜電極及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子及信息技術(shù)的不斷發(fā)展，各類微型便攜式電子產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼影像設(shè)備、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)等飛速發(fā)展，同時(shí)對(duì)輕便、清潔、高能量密度的新型微小電源提出了新的要求。燃料電池技術(shù)作為新型能源技術(shù)，其直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其所具有的高可靠性、高能量密度、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)使其成為研究的熱點(diǎn)之一。微型直接甲醇燃料電池使用甲醇作為燃料，氧氣或空氣作為氧化劑，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃料價(jià)格低廉且易于補(bǔ)充、污染小、便攜性好等優(yōu)勢(shì)，在便攜式微能源方向如個(gè)人移動(dòng)通訊設(shè)備、微型機(jī)器人、微型工作站等均有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]膜電極(Membrane Electrode Assembly，MEA)是燃料電池的核心部件，其性能優(yōu)劣直接決定的燃料電池的輸出性能好壞。膜電極通常由陽極擴(kuò)散層(包括陽極支撐層和陽極微孔層)、陽極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層、陰極擴(kuò)散層(包括陰極微孔層和陰極支撐層)所組成，其中包含各種微結(jié)構(gòu)所組成的氣體擴(kuò)散通道，而常用材料的微結(jié)構(gòu)通常不具有很好的氣體傳輸性質(zhì)和電阻性質(zhì)。石墨烯氣凝膠作為一種新興的三維結(jié)構(gòu)納米材料，其具有高孔隙率、高電導(dǎo)率、高表面積的特點(diǎn)，同時(shí)具有獨(dú)特的電學(xué)特性、機(jī)械特性和化學(xué)特性，能夠很好的滿足燃料電池結(jié)構(gòu)材料的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的旨在提供一種微型直接甲醇燃料電池膜電極及其制備方法，在膜電極的陽極催化層使用PtRu/C催化劑或PtRu/黑催化劑并使用石墨烯氣凝膠構(gòu)建微通道結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的膜電極相比，由于在催化層使用高電導(dǎo)率、高孔隙率、高比表面積的石墨烯氣凝膠進(jìn)行構(gòu)建，在不增加膜電極整體電阻的同時(shí)，構(gòu)建了微結(jié)構(gòu)特性優(yōu)秀的陽極微通道，提高陽極催化層的孔隙率，加強(qiáng)了陽極甲醇燃料的傳質(zhì)特性，同時(shí)使得陽極氣體反應(yīng)產(chǎn)物更容易排出，使得電池的整體輸出特性提高，輸出功率和輸出效率增加。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種微型直接甲醇燃料電池膜電極，由陽極擴(kuò)散層、陽極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層和陰極擴(kuò)散層所組成，其中所述的陽極催化層使用PtRu/C或PtRu/黑催化劑、Naf1n及石墨稀氣凝膠進(jìn)行構(gòu)建，石墨稀氣凝膠、Naf1n與PtRu/C或PtRu/黑催化劑的質(zhì)量比為5?10:5?20:70?90。
[0006]—種上述微型直接甲醇燃料電池膜電極的制備方法，具體制備步驟如下:
一、陰極和陽極擴(kuò)散層的制備:
稱取一定量的炭黑及聚四氟乙烯乳液備用，其中炭黑占固體總質(zhì)量的90。/『95%，聚四氟乙烯占固體總質(zhì)量的5。/『10% ;將稱好的炭黑和聚四氟乙烯乳液分散于異丙醇水溶液中，超聲震蕩0.5h~lh，之后磁力攪拌0.5h~lh，形成均勻的微孔層漿料；將微孔層漿料逐次噴涂或刷涂在支撐層上，在80~120°C下進(jìn)行烘干，之后在300°C ~400°C溫度下、惰性氣體保護(hù)氛圍下焙燒20~40min，即得擴(kuò)散層，其中擴(kuò)散層的載量為l~5mg.cm2。
[0007]二、陽極催化層的制備:
稱取一定量的PtRu/C或PtRu/黑催化劑與Naf1n溶液，備用；稱取一定量的石墨稀氣凝膠并將其均勻分散，備用；將PtRu/C或PtRu/黑催化劑、Naf1n溶液和分散好的石墨烯氣凝膠分散于異丙醇水溶液中，其中石墨烯氣凝膠占固體總質(zhì)量的5%~10%，Naf1n占總質(zhì)量的5%~20%，催化劑占固體總質(zhì)量的70%~90% ;超聲振蕩0.5h~lh，形成均勻的催化劑漿料；之后通過多次刷涂將催化劑均勻的涂覆在陽極擴(kuò)散層表面，在80°C ~120°C條件下烘干，即得涂覆催化劑的陽極擴(kuò)散電極，其中催化劑的載量為2~5 mg.cm 2。
[0008]三、陰極催化層的制備:
稱取一定量的Pt/c或Pt/黑催化劑與Naf1n溶液，備用；將Pt/C或Pt/黑催化劑和Naf1n溶液分散于異丙醇水溶液中，其中Naf1n占總質(zhì)量的5%~20%，催化劑占固體總質(zhì)量的80%~95% ;超聲振蕩0.5h~lh，形成均勻的催化劑漿料；經(jīng)過刮涂或刷涂的方式多次將催化劑漿料均勻涂覆在陰極擴(kuò)散層表面，并在80°C ~120°C條件下烘干，即得涂覆催化劑的陰極擴(kuò)散電極，其中催化劑的載量為2~5 mg.cm 2。
[0009]四、熱壓形成膜電極:
將陽極擴(kuò)散電極(包含陽極擴(kuò)散層和陽極催化層)、質(zhì)子交換膜、陰極擴(kuò)散電極(包含陰極催化層和陰極擴(kuò)散層)按上述順序?qū)R并合在一起，與110~200kg.cm-2、110~140°C條件下熱壓3~8min，即得膜電極。
[0010]本發(fā)明與傳統(tǒng)的膜電極相比，其優(yōu)點(diǎn)如下:
(O陽極催化層中應(yīng)用石墨烯氣凝膠進(jìn)行微通道構(gòu)建，在不增加膜電極的整體內(nèi)阻的同時(shí)，構(gòu)建了優(yōu)秀的陽極微通道，增加電池陽極催化層孔隙率，改善了陽極甲醇傳質(zhì)，同時(shí)使得陽極氣體產(chǎn)物更易排出；
(2)所采用的石墨烯氣凝膠的孔隙率、比表面積等微結(jié)構(gòu)特性可通過工藝參數(shù)控制的方法進(jìn)行改變，即可得到所需的石墨烯微結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于不同需求的燃料電池。
【附圖說明】
[0011]圖1為所述的陽極催化層使用石墨烯氣凝膠進(jìn)行微通道構(gòu)建的膜電極結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明，但不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0013]實(shí)施例1:
如圖1所示，本實(shí)施方式的微型直接甲醇燃料電池膜電極由陽極擴(kuò)散層(包含陽極支撐層I和陽極微孔層2)、陽極催化層3、質(zhì)子交換膜4、陰極催化層5、陰極擴(kuò)散層(包含陰極微孔層6和陰極支撐層7)組成，其中陽極催化層使用石墨烯氣凝膠進(jìn)行微通道構(gòu)建。具體實(shí)施步驟如下:
稱取5mg質(zhì)量百分比濃度為10%的PTFE乳液分散于2ml異丙醇水溶液中(異丙醇與水的體積比為1:1)，稱取9mg炭黑加入上述分散液中，超聲震蕩50min，之后磁力攪拌30min，形成均勻的微孔層漿料。取IcmXl cm的碳紙，