CN101409348A - 一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，属于燃料电池技术领域。本发明是将铂钌黑催化剂、全氟磺酸树脂溶液和无水乙醇在超声波条件下混合均匀，采用涂刷或印制的方法将混合物均匀涂布到碳布或碳纸的微孔层上，干燥后制得直接甲醇燃料电池用传统PtRu/C阳极；然后将硅油渗入到传统PtRu/C阳极催化层和扩散层的孔隙中，干燥后制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。采用本发明制备的直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极能够有效的防止在直接甲醇燃料电池阳极中因二氧化碳产物不能及时排出催化层所导致的气封效应问题，具有工艺简单，成本低廉的优点，特别适合不宜采用辅助设施的小功率直接甲醇燃料电池电堆。
Description
一、技术领域：
本发明属于燃料电池领域，特别涉及一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法。
二、背景技术：
在当今化石能源日趋枯竭的形势下，使用可再生能源——氢能的燃料电池受到越来越多的关注。作为一种新型化学能源，燃料电池是继火电、水电与核电之后的第四代发电方式。它具有燃料多样化、环境友好、低噪声、可靠性高及维修方便等优点。而隶属于质子交换膜燃料电池范畴的直接甲醇燃料电池(DMFC)由于燃料(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，易携带和储存等优点，已经变得比常规氢燃料电池更具吸引力，可成为便携式电子设备、移动电话、摄像机和电动汽车理想的首选动力源，并被认为最有可能实现商业化的应用。
在20世纪末，直接甲醇燃料电池便已成为研发的热点，并取得了长足的进展。然而，直接甲醇燃料电池要达到实际应用还有许多科学技术问题有待于进一步解决。这其中除了所熟知的阳极催化剂催化活性较低和质子交换膜的透醇问题外，甲醇在阳极氧化时生成的二氧化碳气体所造成的“气封效应”问题同样得到了高度重视。作为甲醇氧化的最终产物二氧化碳必须及时有效的从电化学反应区域排出体系，一旦气体传输不畅，尤其在大电流密度放电时，将会有大量的气泡在催化反应位积聚，这一方面会造成催化剂为气泡所包裹，致使电化学活性比表面积大幅缩减；另一方面也阻碍了外部甲醇进入催化层反应区进行持续的甲醇氧化反应，从而产生严重的“气封效应”。气封效应一旦发生，必将降低整个电池的输出功率和稳定性。此外，气封效应还会导致流道内压力增加，造成更为严重的透醇问题；而且，二氧化碳气体的大量积聚还容易导致三合一的膜电极分离，使电极和膜的接触电阻增大，尤其在长期运行时，电极的完全剥离也就意味着电池寿命的终结。
为了阻止气封效应目前大量的研究工作主要集中于通过采用聚四氟乙烯(PTFE)或全氟磺酸树脂(Nafion)优化阳极扩散层和催化层的亲疏水性(中国专利CN 200810112212.3，CN200810038159.7，CN 200510033816.5，CN 200310115940.7，CN 200410018792.1和CN200710144768.6)以及通过在集流板与扩散层中间加入导电毛细芯层(CN 200620111585.5)和在气体扩散层中加入憎水的非金属微孔膜(CN 200510054562.5)等。然而憎水性较强的阳极结构会在电流密度增加的情况下导致甲醇供应不足，而亲水性较强的阳极结构又会在大电流密度下由于形成过多的二氧化碳气体不能及时排出而导致电压损失。而以Nafion为粘结剂制成完全亲水的阳极结构是当今传统的制作工艺以确保足够的甲醇供应，这同时却意味着二氧化碳失去了它自身所特有的气体传输通道，而只能通过溶解在甲醇水溶液中依靠扩散排出电极系统。然而二氧化碳在甲醇的水溶液中溶解度较低，随着电池温度升高溶解度会更低，因而在大电流密度以及电池工作温度较高的条件下气封效应问题难以避免。
从而可见上述方法并不能从根本上抑制直接甲醇燃料电池阳极因二氧化碳气体积聚所导致的气封效应问题。
三、发明内容：
本发明的目的是针对现有直接甲醇燃料电池传统的阳极抗气封效应的不足之处，提供一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法。气封效应产生的本质是电极微孔被甲醇水溶液阻塞二氧化碳传输通道缺失所致，如何能使电极中这些微孔不为甲醇水溶液所占据而又能确保二氧化碳传输通道的畅通是本发明的切入点。本发明采取在电极微孔中预先加入憎水性的硅油，与甲醇水溶液相比，二氧化碳在硅油中具有更高的溶解度，因而硅油可作为二氧化碳气体固有的传输通道，确保二氧化碳的传输不会因为甲醇水溶液的堵塞而中断，如图1所示。从而巧妙地解决了直接甲醇燃料电池阳极普遍存在的气封效应问题。
本发明的目的是这样实现的：一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，其具体方法步骤如下：
(1)、制备微孔层
首先，将碳布或碳纸浸泡在乙醇水溶液中，超声波条件下振荡30分钟，再将其在质量比浓度为15wt.％的PTFE乳液浸泡30分钟后置于马弗炉内340℃条件下焙烧40分钟得到憎水的扩散层；按碳粉(Vulcan XC-72)∶Nafion固含量的质量比为4∶1称取碳粉和Nafion溶液，然后以无水乙醇为分散剂在超声波条件下振荡均匀，分多次均匀涂布在憎水的扩散层上，最后将其置于鼓风干燥箱中140℃条件下烘干得到微孔层。
(2)、制备传统PtRu/C阳极
按PtRu black(Ru含量20wt.％)催化剂∶5wt.％Nafion溶液的质量比为3∶20的比例称取PtRu black催化剂和5wt.％Nafion溶液，控制金属担载量为3.5mg/cm2，然后以无水乙醇为分散剂在超声波条件下振荡均匀，分多次均匀涂布在微孔层上，最后将其置于鼓风干燥箱中90℃条件下烘干得到直接甲醇燃料电池传统的PtRu/C阳极。
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为5～100mPa·s的硅油∶易挥发性溶剂按体积比为1∶0.1～9混合均匀，得到硅油混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加硅油混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤1～10分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中100～125℃条件下保温1～10分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
其中易挥发性溶剂为四氯化碳、二氯甲烷、汽油、煤油、丙酮、异丙醇的其中之一；硅油为二甲基硅油、甲基苯基硅油、甲基含氢硅油、二乙基硅油、乙基含氢硅油、甲基烷氧基硅油的其中之一。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下优点：
(1)、大电流密度下催化剂利用率高。本发明在直接甲醇燃料电池传统的PtRu/C阳极中渗入了硅油，硅油能够牢固占据电极中的部分孔隙，从而在大电流密度下确保二氧化碳传输通道的畅通，显著增强了二氧化碳的传质能力，进而也确保了电化学反应有效的三相界面，从一定程度上提高了催化剂的利用率。
(2)、应用效果好。利用本发明制备的直接甲醇燃料电池性能较之由传统PtRu/C阳极制成的燃料电池性能有了显著提高，尤其是在大电流工作条件下，效果更佳。
采用由本发明制备出的抗气封效应阳极组装成的直接甲醇燃料电池，不仅可用于电动汽车，各种航天器，更可广泛用于各种便携式电子设备，如作为摄像机，笔记本电脑，电动玩具等的动力电源。
四、附图说明：
图1为直接甲醇燃料电池阳极的结构示意图。
图中：a为传统PtRu/C阳极出现气封效应情况下催化层的微观结构示意图。
b为抗气封效应阳极催化层的微观结构示意图。
标示1为甲醇的水溶液，2为气体扩散层，3为二氧化碳气泡，4为催化层，5为Nafion膜，6为催化剂颗粒，7为碳粉颗粒，8为孔隙中的硅油。
图2为对比试验1和实施例1～3的单电池极化曲线图。
图中：曲线a为由对比试验1所制备的PtRu/C阳极组装的单电池的电压-电流密度(V-j)曲线，操作条件：电池温度60℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线A为由对比试验1所制备的PtRu/C阳极组装的单电池的功率密度-电流密度(P-j)曲线，操作条件：电池温度60℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线b为由实施例3所制备的抗气封效应阳极组装的单电池的电压-电流密度(V-j)曲线，操作条件：电池温度60℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线B为由实施例3所制备的抗气封效应阳极组装的单电池的功率密度-电流密度(P-j)曲线，操作条件：电池温度60℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线c为由实施例2所制备的抗气封效应阳极组装的单电池的电压-电流密度(V-j)曲线，操作条件：电池温度60℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线C为由实施例2所制备的抗气封效应阳极组装的单电池的功率密度-电流密度(P-j)曲线，操作条件：电池温度60℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线d为由实施例1所制备的抗气封效应阳极组装的单电池的电压-电流密度(V-j)曲线，操作条件：电池温度60℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线D为由实施例1所制备的抗气封效应阳极组装的单电池的功率密度-电流密度(P-j)曲线，操作条件：电池温度60℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
图3为对比试验1和实施例4和5的单电池极化曲线图。
图中：曲线a为由对比试验1所制备的PtRu/C阳极组装的单电池的电压-电流密度(V-j)曲线，操作条件：电池温度70℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线A为由对比试验1所制备的PtRu/C阳极组装的单电池的功率密度-电流密度(P-j)曲线，操作条件：电池温度70℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线b为由实施例5所制备的抗气封效应阳极组装的单电池的电压-电流密度(V-j)曲线，操作条件：电池温度70℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线B为由实施例5所制备的抗气封效应阳极组装的单电池的功率密度-电流密度(P-j)曲线，操作条件：电池温度70℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线c为由实施例4所制备的抗气封效应阳极组装的单电池的电压-电流密度(V-j)曲线，操作条件：电池温度70℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
曲线C为由实施例4所制备的抗气封效应阳极组装的单电池的功率密度-电流密度(P-j)曲线，操作条件：电池温度70℃，以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa。
图4为对比试验2和实施例6的恒电位下的电流-时间曲线图。
图中：曲线1为对比试验2所制得的PtRu/C阳极在室温条件下2mol/L甲醇和0.5mol/硫酸的混合溶液中恒电位1V(相对于银/氯化银参比电极)的电流-时间曲线。
曲线2为实施例6所制得的抗气封效应阳极在室温条件下2mol/L甲醇和0.5mol/L硫酸的混合溶液中恒电位1V(相对于银/氯化银参比电极)的电流-时间曲线。
五、具体实施方式：
下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。
实施例1、
制备含有二甲基硅油的直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的具体步骤如下：
(1)、制备微孔层
首先，将碳布或碳纸浸泡在乙醇水溶液中，超声波条件下振荡30分钟，再将其在质量比浓度为15wt.％的PTFE乳液浸泡30分钟后置于马弗炉内340℃条件下焙烧40分钟得到憎水的扩散层；按碳粉(Vulcan XC-72)∶Nafion固含量的质量比为4∶1称取碳粉和Nafion溶液，然后以无水乙醇为分散剂在超声波条件下振荡均匀，分多次均匀涂布在憎水的扩散层上，最后将其置于鼓风干燥箱中140℃条件下烘干得到微孔层。
(2)、制备传统PtRu/C阳极
按PtRu black(Ru含量20wt.％)催化剂∶5wt.％Nafion溶液的质量比为3∶20的比例称取PtRu black催化剂和5wt.％Nafion溶液，控制金属担载量为3.5mg/cm2，然后以无水乙醇为分散剂在超声波条件下振荡均匀，分多次均匀涂布在微孔层上，最后将其置于鼓风干燥箱中90℃条件下烘干得到直接甲醇燃料电池用传统PtRu/C阳极。
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为15mPa·s的二甲基硅油∶异丙醇按体积比为1∶0.3混合均匀，得到二甲基硅油异丙醇混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加二甲基硅油异丙醇混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤3分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中100℃条件下保温2分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
(4)、直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的单电池性能评价
按照第(1)和(2)步类似的方法制备直接甲醇燃料电池用传统阴极，用经过30wt.％的PTFE乳液处理过的憎水性碳纸或碳布作为支撑层，微孔层组成为1mg/cm2的碳粉(VulcanXC-72)和20wt.％的PTFE，催化层由铂载量为2mg/cm2和25wt.％的Nafion构成。然后将第(3)步和第(4)步所得电极分别均匀涂布0.6mg/cm2的Nafion，80℃条件下干燥后分别置于Nafion 117膜两侧，在137℃和5MPa压力下热压120秒后，取出冷却至室温，制得直接甲醇燃料电池的“膜电极”组件。然后将“膜电极”组件装入燃料电池夹具进行评价。以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa，电池温度60℃。记录电位随电流密度的变化情况，对应图2中曲线d；记录功率密度随电流密度的变化情况，对应图2中曲线D。
实施例2、
制备含有甲基含氢硅油的直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的具体步骤如下：
步骤(1)-(2)同实施例1中步骤(1)-(2)。
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为5mPa·s的甲基含氢硅油∶二氯甲烷按体积比为1∶0.1混合均匀，得到甲基含氢硅油二氯甲烷混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加甲基含氢硅油二氯甲烷混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤1分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中100℃条件下保温1分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
(4)、直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的单电池性能评价
操作步骤同实施例1中步骤(4)。记录电位随电流密度的变化情况，对应图2中曲线c；记录功率密度随电流密度的变化情况，对应图2中曲线C。
实施例3、
制备含有甲基苯基硅油的直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的具体步骤如下：
步骤(1)-(2)同实施例1中步骤(1)-(2)。
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为20mPa·s的甲基苯基硅油∶四氯化碳按体积比为1∶2混合均匀，得到甲基苯基硅油四氯化碳混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加甲基苯基硅油四氯化碳混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤5分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中110℃条件下保温5分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
(4)、直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的单电池性能评价
操作步骤同实施例1中步骤(4)。记录电位随电流密度的变化情况，对应图2中曲线b；记录功率密度随电流密度的变化情况，对应图2中曲线B。
实施例4、
制备含有二乙基硅油的直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的具体步骤如下：
步骤(1)-(2)同实施例1中步骤(1)-(2)。
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为50mPa·s的二乙基硅油∶汽油按体积比为1∶4混合均匀，得到二乙基硅油汽油混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加二乙基硅油汽油混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤6分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中115℃条件下保温6分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
(4)、直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的单电池性能评价
“膜电极”组件制备的操作步骤同实施例1中步骤(4)。将“膜电极”组件装入燃料电池夹具进行评价。以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa，电池温度70℃。记录电位随电流密度的变化情况，对应图3中曲线c；记录功率密度随电流密度的变化情况，对应图3中曲线C。
实施例5、
制备含有乙基含氢硅油的直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的具体步骤如下：
步骤(1-)(2)同实施例1中步骤(1)-(2)。
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为70mPa·s的乙基含氢硅油∶煤油按体积比为1∶7混合均匀，得到乙基含氢硅油煤油混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加乙基含氢硅油煤油混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤10分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中120℃条件下保温10分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
(4)、直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的单电池性能评价
“膜电极”组件制备的操作步骤同实施例1中步骤(4)。将“膜电极”组件装入燃料电池夹具进行评价。以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa，电池温度70℃。记录电位随电流密度的变化情况，对应图3中曲线b；记录功率密度随电流密度的变化情况，对应图3中曲线B。
实施例6、
制备含有甲基烷氧基硅油的直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的具体步骤如下：
步骤(1)-(2)同实施例1中步骤(1)-(2)。
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为100mPa·s的甲基烷氧基硅油∶丙酮按体积比为1∶9混合均匀，得到甲基烷氧基硅油丙酮混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加甲基烷氧基硅油丙酮混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤10分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中125℃条件下保温10分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
(4)、直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极在电解质水溶液中抗气封效应的性能评价
采用三电极体系，以2mol/L甲醇和0.5mol/L硫酸的混合溶液为电解质溶液，步骤(3)制备的直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂丝为辅助电极，在Auto Lab电化学工作站上在室温环境中采用恒电位(1V)计时电流法记录电流随时间的变化情况，对应图4中曲线2。
对比试验：
对比试验1、
传统PtRu/C阳极的单电池极化曲线评价：
以实施例1中步骤(2)所制得的传统PtRu/C阳极作为直接甲醇燃料电池单电池的阳极，按照实施例1中步骤(4)所述方法得到“膜电极”组件并装入燃料电池夹具进行评价。以2mol/L的甲醇水溶液为燃料，纯氧为氧化剂，甲醇流速2.5ml/min，氧气背压0.2MPa，电池温度60℃。记录电位随电流密度的变化情况，对应图2中曲线a；记录功率密度随电流密度的变化情况，对应图2中曲线A。
升高电池工作温度为70℃，记录电位随电流密度的变化情况，对应图3中曲线a；记录功率密度随电流密度的变化情况，对应图3中曲线A。
对比试验2、
传统PtRu/C阳极在电解质水溶液中的性能评价：
采用三电极体系，以2mol/L甲醇和0.5mol/L硫酸的混合溶液为电解质溶液，以实施例1中步骤(2)所制得的传统PtRu/C阳极为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂丝为辅助电极，在Auto Lab电化学工作站上在室温环境中采用恒电位(1V)计时电流法记录电流随时间的变化情况，对应图4中曲线1。
本发明的试验结果：
图2和3为分别采用传统PtRu/C阳极和抗气封效应阳极组装成直接甲醇燃料电池的单电池极化曲线图，从图2的对比表明，含传统PtRu/C阳极的燃料电池仅能输出40mW/cm2的功率密度(曲线A)，而含有硅油的抗气封效应阳极的输出功率要优于前者，特别是含有二甲基硅油的电池其最大输出功率密度高达50mW/cm2(曲线D)；此外在大电流密度区含传统PtRu/C阳极的燃料电池出现了明显的浓差扩散限制，而含有硅油的电池这一现象并不明显，从而获得了375mA/cm2的输出电流密度大大高于前者的250mA/cm2。而在测试条件完全相同且采用相同阴极的情况下，燃料电池性能的提高无疑要归因于阳极加入硅油后使得二氧化碳气体得以及时排出确保了甲醇的持续供应，从而有效的阻止了气封效应的产生。
图4的恒电位计时电流曲线更能说明抗气封效应阳极优异的抗气封效应性能。传统PtRu/C阳极催化甲醇氧化的极化电流密度随时间的延长迅速衰减，表明随着二氧化碳气体在催化层的积聚而不能及时排出大大阻碍了甲醇的持续到达电化学活性位，至1200秒电极反应便迅速崩塌(曲线1)。而抗气封效应阳极不仅获得更高的甲醇氧化的电流密度，而且电极反应更趋稳定，在整个测试过程中并没有显著的电流衰减(曲线2)，表明硅油的加入确保了电极中的二氧化碳传输通道不为甲醇水溶液所占据，持续不断的将二氧化碳排出催化层，较为完美的阐释了抗气封效应阳极优异的抗气封效应性能。
Claims (9)
1、一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，具体的方法步骤如下，
(1)、制备微孔层
首先，将碳布或碳纸浸泡在乙醇水溶液中，超声波条件下振荡30分钟，再将其在质量比浓度为15wt.％的PTFE乳液浸泡30分钟后置于马弗炉内340℃条件下焙烧40分钟得到憎水的扩散层；按碳粉(Vulcan XC-72)∶Nafion固含量的质量比为4∶1称取碳粉和Nafion溶液，然后以无水乙醇为分散剂在超声波条件下振荡均匀，分多次均匀涂布在憎水的扩散层上，最后将其置于鼓风干燥箱中140℃条件下烘干得到微孔层；
(2)、制备传统PtRu/C阳极
按PtRu black(Ru含量20wt.％)催化剂∶5 wt.％Nafion溶液的质量比为3∶20的比例称取PtRu black催化剂和5 wt.％Nafion溶液，控制金属担载量为3.5mg/cm2，然后以无水乙醇为分散剂在超声波条件下振荡均匀，分多次均匀涂布在微孔层上，最后将其置于鼓风干燥箱中90℃条件下烘干得到直接甲醇燃料电池用传统PtRu/C阳极；
其特征在于：
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为5～100mPa·s的硅油∶易挥发性溶剂按体积比为1∶0.1～9混合均匀，得到硅油混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加硅油混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤1～10分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中100～125℃条件下保温1～10分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
2、按照权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，其特征在于步骤(3)所述的硅油为二甲基硅油、甲基苯基硅油、甲基含氢硅油、二乙基硅油、乙基含氢硅油、甲基烷氧基硅油的其中之一。
3、按照权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，其特征在于步骤(3)所述的易挥发性溶剂为四氯化碳、二氯甲烷、汽油、煤油、丙酮、异丙醇的其中之一。
4、按照权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，其特征在于具体制备方法的步骤(3)：
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为15mPa·s的二甲基硅油∶异丙醇按体积比为1∶0.3混合均匀，得到二甲基硅油异丙醇混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加二甲基硅油异丙醇混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤3分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中100℃条件下保温2分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
5、按照权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，其特征在于具体制备方法的步骤(3)：
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为5 mPa·s的甲基含氢硅油∶二氯甲烷按体积比为1∶0.1混合均匀，得到甲基含氢硅油二氯甲烷混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加甲基含氢硅油二氯甲烷混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤1分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中100℃条件下保温1分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
6、按照权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，其特征在于具体制备方法的步骤(3)：
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为20mPa·s的甲基苯基硅油∶四氯化碳按体积比为1∶2混合均匀，得到甲基苯基硅油四氯化碳混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加甲基苯基硅油四氯化碳混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤5分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中110℃条件下保温5分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
7、按照权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，其特征在于具体制备方法的步骤(3)：
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为50mPa·s的二乙基硅油∶汽油按体积比为1∶4混合均匀，得到二乙基硅油汽油混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加二乙基硅油汽油混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤6分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中115℃条件下保温6分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
8、按照权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，其特征在于具体制备方法的步骤(3)：
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为70mPa·s的乙基含氢硅油∶煤油按体积比为1∶7混合均匀，得到乙基含氢硅油煤油混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加乙基含氢硅油煤油混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤10分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中120℃条件下保温10分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
9、按照权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，其特征在于具体制备方法的步骤(3)：
(3)、制备直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极
将粘度为100mPa·s的甲基烷氧基硅油∶丙酮按体积比为1∶9混合均匀，得到甲基烷氧基硅油丙酮混合液；然后将第(2)步制备出的传统PtRu/C阳极放置在布氏漏斗上，滴加甲基烷氧基硅油丙酮混合液于传统PtRu/C阳极的催化层上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤10分钟。待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中125℃条件下保温10分钟后冷却至室温，从而制得直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极。
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|---|---|---|---|---|
| CN104868130A (zh) * | 2014-02-21 | 2015-08-26 | 深圳华粤宝电池有限公司 | 一种燃料电池膜电极的制备方法 |
| CN105720274A (zh) * | 2016-04-15 | 2016-06-29 | 厦门大学 | 一种在燃料电池催化层中防止孔道水淹的方法 |
| CN114094242A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-02-25 | 重庆大学 | 处理脱硫废水同时还原二氧化碳的流动式光电化学电池 |
-
2008
- 2008-11-21 CN CNA2008102330937A patent/CN101409348A/zh active Pending
Cited By (5)
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| CN104868130B (zh) * | 2014-02-21 | 2017-04-12 | 深圳华粤宝电池有限公司 | 一种燃料电池膜电极的制备方法 |
| CN105720274A (zh) * | 2016-04-15 | 2016-06-29 | 厦门大学 | 一种在燃料电池催化层中防止孔道水淹的方法 |
| CN114094242A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-02-25 | 重庆大学 | 处理脱硫废水同时还原二氧化碳的流动式光电化学电池 |
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