CN103022515A

CN103022515A - 无极板微型甲醇燃料电池膜电极及其制备方法

Info

Publication number: CN103022515A
Application number: CN2012105217627A
Authority: CN
Inventors: 张雪林; 李洋; 张宇峰; 刘晓为; 金憾尘; 沈骞
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2013-04-03

Abstract

无极板微型甲醇燃料电池膜电极及其制备方法，属于质子交换膜燃料电池领域。本发明的无极板微型甲醇燃料电池膜电极由阳极半电极、质子交换膜和阴极半电极组成，所述阳极半电极和阴极半电极依次由不锈钢毡、微孔层和催化层组成，质子交换膜的外侧为催化层，催化层的外侧依次为微孔层和不锈钢毡，其制备方法为：将不锈钢毡裁成矩形并清洗；将微孔层浆料刮涂于不锈钢毡表面方形区域，烘干后将催化剂浆料涂抹于微孔层表面，烘干制得半电极；然后将阳极半电极、阴极半电极和质子交换膜热压成膜电极。本发明将集流板与扩散层一体化，有效的降低了膜电极内部传质阻力，进一步简化了微型甲醇燃料电池的整体结构。

Description

无极板微型甲醇燃料电池膜电极及其制备方法

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种微型甲醇燃料电池膜电极的结构和制备方法。

背景技术

微型直接甲醇燃料电池（μDirect Methanol Fuel Cell，μDMFC）是一种以甲醇为燃料，以氧气作为氧化剂，通过质子交换膜直接将化学能转化为电能的一种发电手段。甲醇燃料电池具有很高的能量转化效率，燃料利用率相比于基于火力发电的二次电池来说要高出50-100%，洁净更节能。且甲醇燃料的能量密度是一般二次电池的10-20倍，更有作为理想的便携式电源的潜力。

微型直接甲醇燃料电池可以分为主动式和被动式。主动式是指利用外加动力对燃料或氧化剂施加一定动力进行阳极和阴极的燃料供给；被动式指的是不需要外加动力，储液腔液体不流动，阴极暴露在空气中，通过自呼吸的方式来进行氧化剂的供给。两者相比，主动式性能更高，但由于外部燃料供应体系的存在使系统体积偏大；被动式性能偏低，但系统一体化程度高，结构简单，更适用于制作便携式电源。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于不锈钢毡的新型无极板微型甲醇燃料电池膜电极，将集流板与扩散层一体化，有效的降低了膜电极内部传质阻力，进一步简化了微型甲醇燃料电池的整体结构。

所述目的是通过如下方案实现的：

一种无极板微型甲醇燃料电池膜电极，由阳极半电极、质子交换膜和阴极半电极组成，所述阳极半电极为由阳极不锈钢毡、阳极微孔层、阳极催化层组成的阳极不锈钢毡半电极，阳极催化层位于质子交换膜的左侧，阳极催化层的左侧依次为阳极微孔层和阳极不锈钢毡，所述阴极半电极为由阴极催化层、阴极微孔层和阴极不锈钢毡组成的阴极不锈钢毡半电极，阴极催化层位于质子交换膜的右侧，阴极催化层的右侧依次为阴极微孔层和阴极不锈钢毡。

本发明的目的之二是提供一种上述无极板微型甲醇燃料电池膜电极的制备方法。

所述目的是通过如下技术方案实现的：（1）将不锈钢毡裁成矩形并清洗；（2）将PTFE加入乙二醇溶剂中超声震荡，随后加入5~9倍于PTFE质量的碳粉，充分混合后将微孔层浆料刮涂于不锈钢毡表面方形区域，并烘干；（3）称量一定量的PtRu/C催化剂，其中Pt、Ru原子比为1:1~1:2，PtRu占催化剂总重量的60~90%，加水使催化剂完全湿润，然后加入一定量的Nafion水溶液充分混合，控制Nafion与PtRu/C混合物的质量比为1/3~1/9，随后将阳极催化剂浆料涂抹于微孔层表面，并烘干，制得阳极不锈钢毡半电极；（4）称量一定量的Pt/C催化剂，其中Pt占催化剂总重量的40~80%，加水使催化剂完全湿润，然后加入一定量的Nafion水溶液充分混合，控制Nafion与Pt/C混合物的质量比为1/3~1/9，随后将阴极催化剂浆料涂抹于微孔层表面，并烘干，制得阴极不锈钢毡半电极；（5）然后将阳极不锈钢毡半电极、质子交换膜和阴极不锈钢毡半电极在100~145℃、15~20Mpa条件下热压成一体，得到无极板微型甲醇燃料电池膜电极（MEA），用夹具将储液腔、阳极极板和膜电极固定在一起，便可以成为一个完整的发电单元。

本发明的基于不锈钢毡的膜电极一体化制备技术具有以下优点：

（1）本发明的膜电极结构的创新之处在于采用不锈钢毡同时作为阳极和阴极的扩散层与集流板，起到传输反应物，支撑微孔层和催化层，收集电流的作用，大大简化了电池整体结构。

（2）使用本发明的膜电极结构可以大幅提升低浓度下微型甲醇燃料电池性能，对其他条件下的电池整体功率密度也有提升。

（3）提供了另一种途径解决集流板开孔率的优化问题。

（4）与传统双极板式微型甲醇燃料电池相比，该结构更加的一体化，且对微型甲醇燃料电池在低浓度、低温时性能提升，抑制甲醇渗透，提高燃料利用率方面有很好的表现。

附图说明

图1为本发明的无极板式甲醇燃料电池膜电极结构图；

图2为本发明的无极板式电池装配示意图；

图3为传统电池装配示意图；

图4为60℃、1mol/L甲醇浓度下无极板式电池与传统双极板式电池功率密度比较；

图5为无极板式电池与采用碳纸作为阴极的传统双极板式电池20mA阴极半电池交流阻抗谱比较；

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式的无极板微型甲醇燃料电池膜电极由阳极不锈钢毡半电极、质子交换膜4和阴极不锈钢毡半电极组成，所述阳极不锈钢毡半电极由阳极不锈钢毡1、阳极微孔层2、阳极催化层3组成，阳极催化层3位于质子交换膜4的左侧，阳极催化层3的左侧依次为阳极微孔层2和阳极不锈钢毡1，所述阴极不锈钢毡半电极由阴极催化层5、阴极微孔层6和阴极不锈钢毡7组成，阴极催化层5位于质子交换膜4的右侧，阴极催化层5的右侧依次为阴极微孔层6和阴极不锈钢毡7。

本实施方式中，所用不锈钢毡可以根据需要选用不同型号的开孔率和厚度并进行一定的孔隙率和润湿性的改进。

本实施方式中，所述的不锈钢毡可以用其他金属编织物、金属氧化物编织物或导电聚合物编织物替代。

具体实施方式二：本实施方式按照如下方法制备无极板微型甲醇燃料电池膜电极：

1、不锈钢毡的剪裁、清洗：

将不锈钢毡裁成与夹具大小相符的矩形，用超纯水超声波清洗5min去除水溶性污物，再用无水乙醇溶液超声波清洗30min去除有机物表面污物，随后80℃下烘干。

2、微孔层浆料的配制：

将一定量的PTFE加入乙二醇溶剂中并超声震荡5min，随后将5~9倍于PTFE质量的纳米级碳粉加入，并加入适量乙二醇，使碳粉完全被浸没。将试管中的浆料使用磁力搅拌器搅拌1min后进行超声震荡30min，随后再放入磁力搅拌器，搅拌均匀。

3、阳极催化剂浆料的配制：

称量一定量的PtRu/C(Pt、Ru原子比为1:1，Pt，Ru占催化剂总重量的60%催化剂，加水使催化剂完全湿润，然后加入一定量的Nafion水溶液，使Nafion质量与PtRu/C混合物质量比为1/5。磁力搅拌1min后，进行超声振荡30min，再放入磁力搅拌器搅拌均匀。

4、阴极催化剂浆料的配制：

称量一定量的Pt/C(Pt占催化剂总重量的40%)催化剂，加水使催化剂完全湿润，然后加入一定量的Nafion水溶液，使Nafion质量与Pt/C混合物质量比为1/5。磁力搅拌1min后，进行超声振荡30min，再放入磁力搅拌器搅拌1h。

5、膜电极（MEA）的制备：

分别将阳极微孔层浆料和阴极微孔层浆料各刮涂于一片矩形不锈钢毡上一端的方形区域，每一次刮涂前先在80℃烘干台上烘干再进行下一次刮涂，直至微孔层总增重达到4~8mg/cm²；随后将涂有微孔层的不锈钢毡先后进行0.5h、240℃和1h、340℃的高温处理，使微孔层中的PTFE重新构型，再将阳极和阴极催化剂浆料分别涂抹或喷涂于两片经过处理的涂覆了微孔层的不锈钢毡片上，使之分别增重5~10mg/ cm²，形成阳极不锈钢毡半电极和阴极不锈钢毡半电极。

将阳极不锈钢毡半电极、质子交换膜（Nafion膜）和阴极不锈钢毡半电极在135℃、15~20Mpa的条件下热压成一体，形成新型MEA膜电极。

6、电池的封装与测试：

封装示意图如图2所示，使用两块中间为矩形开孔的有机玻璃端板9将新型膜电极10夹住固定，在阳极一侧再固定上储液腔8，使用螺丝将整体结构固定住，便完成了无极板微型甲醇燃料电池的封装。传统微型甲醇燃料电池封装示意图如图3所示，其不同之处在于首先使用阳极极板11和阴极极板12将传统膜电极13夹住，再使用有机玻璃端板9将阳极极板11、阴极极板12和传统膜电极13三个部件一起固定住。相比较于传统微型甲醇燃料电池，无极板微型甲醇燃料电池膜电极的发明使燃料电池无需再使用极板收集电流，使电池的结构更加一体化。

对封装完毕的电池进行初步测试后发现，低浓度下无极板甲醇燃料电池的性能表现明显高于传统双极板电池，如图4所示；半电池交流阻抗测试表明，无极板甲醇燃料电池的不锈钢毡阴极的传质阻力远小于传统双极板电池的阴极，如图5所示。

上述实施方式只是对本专利的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。

Claims

1.无极板微型甲醇燃料电池膜电极，由阳极半电极、质子交换膜（4）和阴极半电极组成，其特征在于所述阳极半电极为由阳极不锈钢毡（1）、阳极微孔层（2）、阳极催化层（3）组成的阳极不锈钢毡半电极，阳极催化层（3）位于质子交换膜（4）的左侧，阳极催化层（3）的左侧依次为阳极微孔层（2）和阳极不锈钢毡（1），所述阴极半电极为由阴极催化层（5）、阴极微孔层（6）和阴极不锈钢毡（7）组成的阴极不锈钢毡半电极，阴极催化层（5）位于质子交换膜（4）的右侧，阴极催化层（5）的右侧依次为阴极微孔层（6）和阴极不锈钢毡（7）。

2.根据权利要求1所述的无极板微型甲醇燃料电池膜电极，其特征在于所述不锈钢毡可以用其他金属编织物、金属氧化物编织物或导电聚合物编织物替代。

3.一种无极板微型甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

（1）将不锈钢毡裁成矩形并清洗；

（2）将PTFE加入乙二醇溶剂中超声震荡，随后加入5~9倍于PTFE质量的碳粉，充分混合后将微孔层浆料刮涂于不锈钢毡表面方形区域，并烘干；

（3）称量一定量的PtRu/C催化剂，其中Pt、Ru原子比为1:1~1:2，PtRu占催化剂总重量的60~90%，加水使催化剂完全湿润，然后加入一定量的Nafion水溶液充分混合，控制Nafion与PtRu/C混合物的质量比为1/3~1/9，随后将阳极催化剂浆料涂抹于微孔层表面，并烘干，制得阳极不锈钢毡半电极；

（4）称量一定量的Pt/C催化剂，其中Pt占催化剂总重量的40~80%，加水使催化剂完全湿润，然后加入一定量的Nafion水溶液充分混合，控制Nafion与Pt/C混合物的质量比为1/3~1/9，随后将阴极催化剂浆料涂抹于微孔层表面，并烘干，制得阴极不锈钢毡半电极；

（5）然后将阳极不锈钢毡半电极、质子交换膜和阴极不锈钢毡半电极在100~145℃、15~20Mpa条件下热压成一体，得到无极板微型甲醇燃料电池膜电极。

4.根据权利要求3所述的无极板微型甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述微孔层总增重为4~8mg/cm²。

5.根据权利要求3所述的无极板微型甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述阳极催化层增重为5~10mg/ cm²。

6.根据权利要求3所述的无极板微型甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述阴极催化层增重为5~10mg/ cm²。

7.根据权利要求3所述的无极板微型甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

（1）不锈钢毡的剪裁、清洗：

将不锈钢毡裁成与夹具大小相符的矩形，用超纯水超声波清洗去除水溶性污物，再用无水乙醇溶液超声波清洗去除有机物表面污物，随后烘干；

（2）微孔层浆料的配制：

将一定量的PTFE加入乙二醇溶剂中并超声震荡，随后将5~9倍于PTFE质量的碳粉加入，并加入适量乙二醇，使碳粉完全被浸没，充分混合；

（3）阳极催化剂浆料的配制：

称量一定量的PtRu/C催化剂，其中Pt、Ru原子比为1:1，PtRu占总重量的60%，加水使催化剂完全湿润，然后加入一定量的Nafion水溶液充分混合，控制Nafion与PtRu/C混合物的质量比为1/5；

（4）阴极催化剂浆料的配制：

称量一定量的Pt/C催化剂，其中Pt占总重量的40%，加水使催化剂完全湿润，然后加入一定量的Nafion水溶液充分混合，控制Nafion与Pt/C混合物的质量比为1/5；

（5）膜电极的制备：

分别将微孔层浆料各刮涂于一片矩形不锈钢毡上，每一次刮涂前先烘干再进行下一次刮涂，直至微孔层总增重达到4~8mg/cm²；随后将阳极和阴极催化剂浆料分别涂抹或喷涂于两片经过处理的涂覆了微孔层的不锈钢毡片上，使之分别增重5~10mg/ cm²，形成阳极不锈钢毡半电极和阴极不锈钢毡半电极；将阳极不锈钢毡半电极、质子交换膜和阴极不锈钢毡半电极在135℃、15~20Mpa的条件下热压成一体。