CN101281971A - 直接甲醇燃料电池膜电极制备方法 - Google Patents

直接甲醇燃料电池膜电极制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，属于直接甲醇燃料电池领域。所述的膜电极采用质子交换膜为电解质膜，阳极为铂钌碳催化剂，阴极为铂碳催化剂，由阳极侧的支撑层、微孔层、催化层、质子交换膜以及阴极侧的支撑层、微孔层、催化层共七层所组成。所述的膜电极的制备工艺包括膜的制备与预处理、催化剂浆料的制备与催化层的制备、微孔层浆料的制备与微孔层的制备以及热压过程。本发明的优点在于：采用新工艺制备的微孔层和支撑层，具有较高的孔隙率，降低了膜电极的传质阻力，有利于改善微孔层或催化层与支撑层之间的界面，从而提高催化剂和反应物的三相接触面积，提高了电池的输出功率密度。

Description

直接甲醇燃料电池膜电极制备方法
技术领域
本发明涉及一种直接甲醇燃料电池材料的制备方法，属于直接甲醇燃料电池膜电极结构和制造技术领域。
背景技术
直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种将储存在燃料(甲醇)和氧化剂(氧气或空气)中的化学能直接转化为电能的发电装置，其显著的优点是：燃料(甲醇)来源丰富、成本低廉，能量密度较高，电池工作时燃料直接进料，无需重整处理，结构简单，响应时间短，操作方便，易携带和储存，是便携式电子设备、移动电话、摄像机和电动汽车理想的动力源，被认为最有可能实现商业化的应用。膜电极是由阳极的支撑层、微孔层、催化剂层、Nafion膜、阴极的催化剂层、微孔层、支撑层依次排列构成的层状叠合体，是DMFC的核心部件和物质传递、电化学反应发生的重要场所，其制备工艺直接影响到膜电极的微观结构和电池性能。虽然很多DMFC膜电极制备方法是从PEMFC借鉴过来的，但是与PEMFC膜电极不同之一在于DMFC膜电极的催化剂载量高，催化层相对很厚，由阳极侧的支撑层、微孔层、催化层、质子交换膜以及阴极侧的支撑层、微孔层、催化层共七层所组成。其制备工艺主要包括浆体制备、质子交换膜处理、浆体施涂、电极烧结、热压等工艺过程。直接甲醇燃料电池一般采用经过疏水处理的碳纸作为支撑层，而碳纸是一种多孔结构的支撑层，孔径一般在30um左右。要是在其表面直接制备微孔层和催化层，就会引起微孔层的碳颗粒(孔径一般在30nm左右)和催化剂颗粒(孔径一般在3nm左右)随着浆料深入支撑层。其一方面，堵住了支撑层的孔隙，造成支撑层孔隙率下降，阻碍了甲醇、空气以及产物的传输。另一方面，造成催化剂的浪费，降低了催化剂的利用率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更为优化的直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法。该膜电极有效地提高了支撑层的孔隙率，促进了燃料、氧化剂、反应产物二氧化碳和水在膜电极内地传递，降低了膜电极的传质阻力，有利于提高阴阳极催化剂的利用率，改善微孔层或催化层与支撑层之间的界面，从而提高了电池的输出功率密度。
本发明是采用下述方案加以实现的。该膜电极采用质子交换膜为电解质膜，阳极为铂钌碳催化剂，阴极为铂碳催化剂，支撑层为碳纸，由阳极侧的支撑层、微孔层、催化层、质子交换膜以及阴极侧的支撑层、微孔层、催化层共七层所组成，其特征在于，膜电极的微孔层和催化层是在支撑层加热到一定程度以后，再将微孔层或催化层浆料以雾状形式喷到支撑层上，使其迅速凝结在支撑层表面上，减少浆料的渗入而形成的。
上述膜电极的制备方法包括以下过程：
1.膜的制备与预处理。Nafion膜为美国Du Pont公司生产的Nafion115，离子形态为质子型。该膜在使用之前需要进行预处理，以去除膜表面的有机物和金属离子，其处理过程如下：将一定尺寸的Nafion膜在体积比为5％H2O2水溶液中80℃处理1小时以除去膜表面的有机物，接着放入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的双氧水，再用80℃的0.5mol·L-1H2SO4水溶液处理无机金属离子，然后置入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的H2SO4，处理之后的Nafion膜放在二次蒸馏水中备用。
2.催化剂浆料的制备及阴阳极催化层的制备。阳极选择20-70wt％PtRu/C或PtRublack催化剂作原料，2-20wt％Nafion溶液做粘结剂，正丙醇作分散剂，混合成阳极催化层浆体，然后用超声波细胞粉碎机超声分散均匀；将催化层浆体喷涂到转移介质上，并在常温下凉干。阴极选择20-70wt％Pt/C或Pt black催化剂作原料，2-20wt％Nafion溶液做粘结剂，正丙醇作分散剂制备阳极和阴极催化层浆体，用超声波细胞粉碎机超声分散均匀；将催化层浆体喷涂到转移介质上，并在常温下凉干。阴阳极催化剂载量均为1-4mg/cm2。
3.微孔层浆料的制备。微孔层浆料一般采用Vulcan XC-72碳黑作主体。阳极微孔层采用5-30wt％的Nafion作粘结剂，异丙醇或者正丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，Vulcan XC-72碳黑与醇分散剂的浆料浓度配比为5-25mg/ml。阴极微孔层采用5-30wt％的PTFE作粘结剂，异丙醇或者正丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，Vulcan XC-72碳黑与醇分散剂的浆料浓度配比为5-25mg/ml。
4.阴阳极微孔层的制备。加热喷雾法制备微孔层是将微孔层浆料以雾状形式喷到加热(60-140℃)后的支撑层上，并迅速凝结在支撑层表面上，形成多孔的微孔层。
5.热压。将载有阴阳极催化剂的转移介质置于步骤1处理好的电解质膜两侧，在6-12MPa压力、80-150℃下热压2-5分钟，热压成型，揭掉转移介质后得到催化剂和膜复合体CCM，再将步骤4得到的带有阴阳极微孔层的阴阳极支撑层放到CCM的两侧，在6-12MPa压力、80-150℃下热压2-5分钟，热压得到七合一的膜电极。
步骤3中微孔层碳黑的碳载体载量为1-4mg/cm2，配成的微孔层浆料溶液需要超声至均匀。
上述超声过程采用的是超声波细胞粉碎机。
与现有的技术相比，本发明的电极、膜电极制备方法和膜电极性能具有以下优点：
(1)支撑层具有较高的孔隙率。支撑层加热到一定程度以后，再将微孔层浆料以雾状形式喷到支撑层上，使其迅速凝结在支撑层表面上，减少浆料的渗入而形成的。
(2)提高了阴阳极催化剂的利用率。支撑层和微孔层孔隙率及孔径的改善降低了膜电极的传质阻力，有利于改善微孔层或催化层与支撑层之间的界面，从而提高催化剂和反应物的接触面积，提高了电池的输出功率密度，从原来滴涂法制备膜电极的34.2mW/cm2提高到现在加热喷涂法的75.61mW/cm2(55℃，常压)。
附图说明
实施例1至4的电池性能测试操作条件：电池温度为55℃，1.5M甲醇水溶液2.5ml/min进料，常压空气，流速为670ml/min。
图1为本发明实施例1膜电极开路电压性能曲线。
图2为本发明实施例1膜电极功率密度性能曲线。
图3为本发明实施例2膜电极开路电压性能曲线。
图4为本发明实施例2膜电极功率密度性能曲线。
图5为本发明实施例3膜电极开路电压性能曲线。
图6为本发明实施例3膜电极功率密度性能曲线。
图7为本发明实施例4膜电极开路电压性能曲线。
图8为本发明实施例4膜电极功率密度性能曲线。
图9为本发明实施例5膜电极的表面形貌图。
图10为本发明实施例5膜电极的横截面微观形貌图。
具体实施方式
实施例1
1.膜的制备与预处理。Nafion膜为美国Du Pont公司生产的Nafion115，离子形态为质子型。该膜在使用之前需要进行预处理：将一定尺寸的Nafion膜在体积比为5％H2O2水溶液中80℃处理1小时以除去膜表面的有机物，接着放入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的双氧水，再用80℃的0.5mol·L-1 H2SO4水溶液处理无机金属离子，然后置入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的H2SO4，处理之后的Nafion膜放在二次蒸馏水中备用。
2.催化剂浆料的制备及阴阳极催化层的制备。阳极和阴极分别选择PtRu black催化剂和Pt Black催化剂作原料，2％Nafion溶液做粘结剂，正丙醇作分散剂制备阳极和阴极催化层浆体，用超声波细胞粉碎机超声分散均匀；将催化层浆体喷涂到转移介质上，并在常温下凉干。阴阳极催化剂载量均为1mg/cm2。
3.微孔层浆料的制备与阴阳极微孔层的制备。微孔层浆料一般采用Vulcan XC-72碳黑作主体，浆料浓度配比为5mg/ml。阳极微孔层采用载量为1、2、3mg/cm2的VulcanXC-72碳黑，5wt％的Nafion作粘结剂，异丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，并超声至均匀。阴极微孔层采用20wt％的PTFE作粘结剂，异丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，并超声至均匀。加热喷雾法制备微孔层是将微孔层浆料以雾状形式喷到加热到70℃的支撑层上，并迅速凝结在支撑层表面上，形成多孔的微孔层。
4.热压。将载有阴阳极催化剂的转移介质置于步骤1处理好的电解质膜两侧，在6MPa压力、130℃下热压5分钟，热压成型，揭掉转移介质后得到CCM。将带有阴阳极微孔层的阴阳极支撑层放到CCM的两侧，在6MPa压力、130℃下热压5分钟，热压得到七合一的膜电极。
5.将制得的干的膜电极装入电池，电池温度保持在50℃。在阴阳极分别通入常压空气和甲醇水溶液，小电流放电10h活化后，进行电池性能的测试。
电池的性能曲线如图1、图2所示，说明阳极微孔层采用载量为1、2、3mg/cm2的Vulcan XC-72碳黑，20wt％的Nafion作粘结剂，制备的膜电极电压性能相近，功率密度以载量为2mg/cm2最高。
实施例2
1.膜的制备与预处理。Nafion膜为美国Du Pont公司生产的Nafion115，离子形态为质子型。该膜在使用之前需要进行预处理：将一定尺寸的Nafion膜在体积比为5％H2O2水溶液中80℃处理1小时以除去膜表面的有机物，接着放入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的双氧水，再用80℃的0.5mol·L-1H2SO4水溶液处理无机金属离子，然后置入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的H2SO4，处理之后的Nafion膜放在二次蒸馏水中备用。
2.催化剂浆料的制备及阴阳极催化层的制备。阳极和阴极分别选择20wt％PtRu/C催化剂和20wt％Pt/C催化剂作原料，18％Nafion溶液做粘结剂，正丙醇作分散剂制备阳极和阴极催化层浆体，用超声波细胞粉碎机超声分散均匀；将催化层浆体喷涂到转移介质上，并在常温下凉干。阴阳极催化剂载量均为4mg/cm2。
3.微孔层浆料的制备与阴阳极微孔层的制备。微孔层浆料一般采用Vulcan XC-72碳黑作主体，浆料浓度配比为10mg/ml。阳极微孔层采用载量为2mg/cm2的VulcanXC-72碳黑，10、20、30wt％的Nafion作粘结剂，正丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，并超声至均匀。阴极微孔层采用20wt％的PTFE作粘结剂，正丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，并超声数百次左右而形成。加热喷雾法制备微孔层是将微孔层浆料以雾状形式喷到加热到60℃的支撑层上，并迅速凝结在支撑层表面上，形成多孔的微孔层。
4.热压。将载有阴阳极催化剂的转移介质置于步骤1处理好的电解质膜两侧，在8MPa压力、110℃下热压4分钟，热压成型，揭掉转移介质后得到CCM。将带有阴阳极微孔层的阴阳极支撑层放到CCM的两侧，在8MPa压力、110℃下热压4分钟，热压得到七合一的膜电极。
5.将制得的干的膜电极装入电池，电池温度保持在50℃。在阴阳极分别通入常压空气和甲醇水溶液，小电流放电10h活化后，进行电池性能的测试。
电池的性能曲线如图3、图4所示，说明阳极微孔层采用载量为2mg/cm2的VulcanXC-72碳黑，10、20、30wt％的Nafion作粘结剂，制备的膜电极以20wt％Nafion作粘结剂时功率密度最高。
实施例3
1.膜的制备与预处理。Nafion膜为美国Du Pont公司生产的Nafion115，离子形态为质子型。该膜在使用之前需要进行预处理：将一定尺寸的Nafion膜在体积比为5％H2O2水溶液中80℃处理1小时以除去膜表面的有机物，接着放入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的双氧水，再用80℃的0.5mol·L-1H2SO4水溶液处理无机金属离子，然后置入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的H2SO4，处理之后的Nafion膜放在二次蒸馏水中备用。
2.催化剂浆料的制备及阴阳极催化层的制备。阳极和阴极分别选择40wt％PtRu/C催化剂和40wt％Pt/C催化剂作原料，15％Nafion溶液做粘结剂，正丙醇作分散剂制备阳极和阴极催化层浆体，用超声波细胞粉碎机超声分散均匀；将催化层浆体喷涂到转移介质上，并在常温下凉干。阴阳极催化剂载量均为2mg/cm2。
3.微孔层浆料的制备与阴阳极微孔层的制备。微孔层浆料一般采用Vulcan XC-72碳黑作主体，浆料浓度配比为15mg/ml。阳极微孔层采用载量为2mg/cm2的VulcanXC-72碳黑，20wt％的Nafion作粘结剂，正丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，并超声至均匀。阴极微孔层采用载量为1、2、3mg/cm2的Vulcan XC-72碳黑，采用5wt％的PTFE作粘结剂，正丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，并超声至均匀。加热喷雾法制备微孔层是将微孔层浆料以雾状形式喷到加热后(100℃)的支撑层上，并迅速凝结在支撑层表面上，形成多孔的微孔层。
4.热压。将载有阴阳极催化剂的转移介质置于步骤1处理好的电解质膜两侧，在10MPa压力、90℃下热压3分钟，热压成型，揭掉转移介质后得到CCM。将带有阴阳极微孔层的阴阳极支撑层放到CCM的两侧，10MPa压力、90℃下热压3分钟，热压得到七合一的膜电极。
5.将制得的干的膜电极装入电池，电池温度保持在50℃。在阴阳极分别通入常压空气和甲醇水溶液，小电流放电10h活化后，进行电池性能的测试。
电池的性能曲线如图5、图6所示，说明阴极微孔层采用载量为1、2、3mg/cm2的Vulcan XC-72碳黑，采用20wt％的PTFE作粘结剂，制备的膜电极以载量为2mg/cm2时功率密度最高，电压性能最好。
实施例4
1.膜的制备与预处理。Nafion膜为美国Du Pont公司生产的Nafion115，离子形态为质子型。该膜在使用之前需要进行预处理：将一定尺寸的Nafion膜在体积比为5％H2O2水溶液中80℃处理1小时以除去膜表面的有机物，接着放入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的双氧水，再用80℃的0.5mol·L-1H2SO4水溶液处理无机金属离子，然后置入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的H2SO4，处理之后的Nafion膜放在二次蒸馏水中备用。
2.催化剂浆料的制备及阴阳极催化层的制备。阳极和阴极分别选择60wt％PtRu/C催化剂和60wt％Pt/C催化剂作原料，10％Nafion溶液做粘结剂，正丙醇作分散剂制备阳极和阴极催化层浆体，用超声波细胞粉碎机超声分散均匀；将催化层浆体喷涂到转移介质上，并在常温下凉干。阴阳极催化剂载量均为2mg/cm2。
3.微孔层浆料的制备与阴阳极微孔层的制备。微孔层浆料一般采用Vulcan XC-72碳黑作主体，浆料浓度配比为18mg/ml。阳极微孔层采用载量为2mg/cm2的VulcanXC-72碳黑，20wt％的Nafion作粘结剂，正丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，并超声至均匀。阴极微孔层采用载量为2mg/cm2的Vulcan XC-72碳黑，采用10、20、30wt％的PTFE作粘结剂，正丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，并超声至均匀。加热喷雾法制备微孔层是将微孔层浆料以雾状形式喷到加热(110℃)后的支撑层上，并迅速凝结在支撑层表面上，形成多孔的微孔层。
4.热压。将载有阴阳极催化剂的转移介质置于步骤1处理好的电解质膜两侧，在12MPa压力、80℃下热压2分钟，热压成型，揭掉转移介质后得到CCM。将带有阴阳极微孔层的阴阳极支撑层放到CCM的两侧，在12MPa压力、80℃下热压2分钟，热压得到七合一的膜电极。
5.将制得的干的膜电极装入电池，电池温度保持在50℃。在阴阳极分别通入常压空气和甲醇水溶液，小电流放电10h活化后，进行电池性能的测试。
电池的性能曲线如图7、图8所示，说明阴极微孔层采用载量为2mg/cm2的VulcanXC-72碳黑，采用10、20、30wt％的PTFE作粘结剂，制备的膜电极以20wt％PTFE为粘结剂时性能最好。
实施例5
1.膜的制备与预处理。Nafion膜为美国Du Pont公司生产的Nafion115，离子形态为质子型。该膜在使用之前需要进行预处理：将一定尺寸的Nafion膜在体积比为5％H2O2水溶液中80℃处理1小时以除去膜表面的有机物，接着放入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的双氧水，再用80℃的0.5mol·L-1H2SO4水溶液处理无机金属离子，然后置入80℃的二次蒸馏水中处理1小时以洗涤膜表面的H2SO4，处理之后的Nafion膜放在二次蒸馏水中备用。
2.催化剂浆料的制备及阴阳极催化层的制备。阳极和阴极分别选择PtRu black催化剂和Pt Black催化剂作原料，5％Nafion溶液做粘结剂，正丙醇作分散剂制备阳极和阴极催化层浆体，用超声波细胞粉碎机超声分散均匀；将催化层浆体喷涂到转移介质上，并在常温下凉干。阴阳极催化剂载量均为4mg/cm2。
3.微孔层浆料的制备与阴阳极微孔层的制备。微孔层浆料一般采用Vulcan XC-72碳黑作主体，浆料浓度配比为20mg/ml。阳极微孔层采用载量为2mg/cm2的VulcanXC-72碳黑，10wt％的Nafion作粘结剂，异丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，并超声至均匀。阴极微孔层采用载量为2mg/cm2的Vulcan XC-72碳黑，采用20wt％的PTFE作粘结剂，异丙醇作分散剂，配成微孔层溶液，并超声至均匀。加热喷雾法制备微孔层是将微孔层浆料以雾状形式喷到加热(130℃)后的支撑层上，并迅速凝结在支撑层表面上，形成多孔的微孔层。
4.热压。将载有阴阳极催化剂的转移介质置于步骤1处理好的电解质膜两侧，在8MPa压力、110℃下热压4分钟，热压成型，揭掉转移介质后得到CCM。将带有阴阳极微孔层的阴阳极支撑层放到CCM的两侧，在8MPa压力、110℃下热压4分钟，热压得到膜电极。可以得到膜电极的微观结构(SEM图)如图9、图10所示。

Claims (4)

1、一种直接甲醇燃料电池膜电极制备方法，对Nafion膜进行预处理，其特征在于，包括下列过程：
1)催化剂浆料的制备及阴、阳极催化层的制备，分别选择20-70wt％PtRu/C或PtRu black催化剂作阳极催化层原料，20-70wt％Pt/C或Pt black催化剂作阴极催化层原料，同时采用2-20wt％Nafion溶液做粘结剂，正丙醇作分散剂，混合成阳极和阴极催化层浆体，然后超声分散均匀，再将催化层浆体喷涂到转移介质上，并在常温下凉干；
2)阴、阳微孔层的制备，采用Vulcan XC-72碳黑作主体，阳极微孔层采用5-30wt％的Nafion作粘结剂，异丙醇或者正丙醇作分散剂，配成微孔层浆料溶液，阴极微孔层采用5-30wt％的PTFE作粘结剂，异丙醇或者正丙醇作分散剂，配成微孔层浆料溶液，微孔层碳载体与醇分散剂的浆料浓度配比为5-25mg/ml，将微孔层浆料以雾状形式喷到加热到60-140℃后的支撑层上，并迅速凝结在支撑层表面上，形成多孔的微孔层；
3)进行热压，将载有阴、阳极催化剂的转移介质置于预处理后的Nafion电解质膜两侧，在6-12MPa压力、80-150℃下热压2-5分钟，热压成型，揭掉转移介质后得到催化剂和膜复合体CCM，将带有阴、阳极微孔层的阴、阳极支撑层放到CCM的两侧，在6-12MPa压力、80-150℃下热压2-5分钟，热压得到七合一的膜电极。
2、如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池膜电极制备方法，其特征在于，步骤2)中阴、阳微孔层碳黑的碳载体载量为1-4mg/cm2。
3、如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池膜电极制备方法，其特征在于，对步骤2)中配成的微孔层浆料溶液进行超声至均匀。
4、如权利要求1或3所述的直接甲醇燃料电池膜电极制备方法，其特征在于，超声采用超声波细胞粉碎机。
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