CN104600323A

CN104600323A - 一种基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极

Info

Publication number: CN104600323A
Application number: CN201510031476.6A
Authority: CN
Inventors: 刘晓为; 邓慧超; 张宇峰; 张雪林
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2015-05-06

Abstract

一种基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极，属于质子交换膜燃料电池技术领域。所述膜电极由阳极扩散电极、质子交换膜和阴极扩散电极组成，其中阳极扩散电极由碳纳米管纸材料制得，阴极气体扩散电极的扩散层由Pt/C碳纸制得。本发明的膜电极不仅可以简化直接甲醇燃料电池的结构，减小其体积，同时很好地解决了直接甲醇燃料电池中由阳极一侧向阴极一侧的甲醇渗透问题，从而阳极甲醇渗透压增加了甲醇的有效利用率，提高了电池的输出功率，并显著地减小了集流板与膜电极之间的接触电阻，而且避免了传统结构中使用PTFE作为传质阻挡层所带来的内阻增加的问题，提高了电池的性能。

Description

一种基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，涉及一种直接甲醇燃料电池膜电极。

背景技术

得益于液体甲醇的高能量密度，直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell﹣DMFC）理论比能量可达4900Wh/L，接近锂电池的5倍。但是在实际应用中，Nafion膜作为甲醇燃料电池的电解质膜，存在比较严重的甲醇渗透问题。这种甲醇渗透不仅会造成燃料的浪费和系统效率的降低，而且增加了燃料电池中阴阳两极的极化，降低了DMFC的输出电压，减小了输出功率，传统的DMFC中阳极的扩散层不利于CO₂气体的排除，因而导致了在阳极反应一侧，甲醇参与催化反应的有效利用率很低，降低了燃料电池的输出功率和性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极，该膜电极不仅可以简化直接甲醇燃料电池的结构，减小其体积，同时很好地解决了直接甲醇燃料电池中由阳极一侧向阴极一侧的甲醇渗透问题，从而阳极甲醇渗透压增加了甲醇的有效利用率，提高了电池的输出功率，并显著地减小了集流板与膜电极之间的接触电阻，而且避免了传统结构中使用PTFE作为传质阻挡层所带来的内阻增加的问题，提高了电池的性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极，由阳极扩散电极、质子交换膜和阴极扩散电极组成，其中阳极扩散电极由碳纳米管材料制得，而阴极扩散电极的扩散层由Pt/C碳纸制得，同时上述两级的扩散层也分别作为阳极甲醇溶液的传质阻挡层以及膜电极中催化层的支撑，并且扩散层可以收集燃料电池阴极阳极中电化学反应中产生的电流。

本发明的膜电极与传统的直接甲醇燃料电池膜电极相比，具有以下优点：

（1）CNT纸对其表面的水具有吸附作用和分散作用，能够减少电池阳极一侧CO₂气体的排除的困难；同时CNT纸内部的毛细管状结构能够使水蒸气发生毛细凝聚现象，可以有效的提高直接甲醇燃料电池的阳极一侧的水的吸聚，降低了甲醇的浓度并减小了阳极一侧甲醇的渗透压，从而明显改善了传统膜电极甲醇渗透的问题，与传统电池相比，新型燃料电池可以工作在更高浓度的甲醇溶液条件下，这就提高了电池的长时间持续工作的稳定性。

（2）使用CNT纸制作阳极扩散电极，可以替代传统膜电极中阳极的阻挡层，简化了燃料电池膜电极的结构，使燃料电池体积更小，更加轻便。

（3）本发明中基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极的DMFC在高温高浓度下表现出很强的优越性，新型燃料电池的工作时的输出功率性得到提高，甲醇浓度为8mol/L，在室温条件下，传统电池的最大输出功率约为18.33mW/cm2，而采用本发明的直接甲醇燃料电池最大输出功率约为27.23mW/cm2，比传统电池高出了将近32.7%。

附图说明

图1为本发明的膜电极结构示意图；

图2为载有新型膜电极的直接甲醇燃料电池封装结构示意图；

图3为在60℃、不同甲醇浓度下，分别载有新型膜电极和传统膜电极的直接甲醇燃料电池工作电流密度。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式的直接甲醇燃料电池膜电极由阳极扩散层1、阳极催化层2、质子交换膜3、阴极催化层4、阴极扩散层5组成。其中阳极扩散电极由CNT（碳纳米管）纸制得，而阴极扩散电极的扩散层由普通碳纸材料制得，同时上述两级的扩散层也分别作为甲醇水溶液（阳极）和液体水（阴极）的传质阻挡层。阳极催化层2位于质子交换膜3左侧，阳极扩散层1位于阳极催化层2左侧；质子交换膜3右侧依次为阴极催化层4、阴极扩散层5。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，具体制备步骤为：

（1）制备阴极催化层浆料：

称量30~50mg的Pt/C（Pt和C的混合物）催化剂，其中Pt占催化剂总重量的20~60%，加入0.1~0.5mL离子水混合，用超声振荡仪振荡5~10分钟，然后加入0.15~0.3ml浓度为5wt.%的Nafion溶液和0.7~1.5mL异丙醇，再用超声振荡仪振荡并搅拌1~2小时，制成阴极催化剂浆料。

（2）制备阳极催化层浆料：

将50~100mg的PtRu/C催化剂与0.2~0.5mL纯水混合，其中Pt、Ru原子比为1:1~1:2，PtRu总质量占催化剂总质量的40~80%，随后进行超声振荡使其充分混合，然后加入0.2~0.6mLNafion溶液和0.5~2.0mL异丙醇，控制Nafion溶液与PtRu/C混合物的质量比为1/4~1/9，使用超声振荡仪振荡10~30分钟，之后搅拌2~4小时，制成阳极催化层浆料。

（3）制备阳极扩散电极：

将CNT材料纸用超纯水冲洗干净，室温干燥，制成阳极扩散层电极的扩散层。剪裁2cm×2cm CNT纸，固定在滤纸上，在CNT纸扩散层上均匀刷涂 10mg阳极催化剂浆料，涂抹过程中每次刷涂之后要在红外加热灯下烘干，即制得阳极扩散电极。

本步骤中，所述阳极催化层Pt载量为1~5 mg/ cm²。

（4）制备阴极扩散电极：

将商用纸用超纯水冲洗干净，室温干燥，制成阳极扩散层电极的扩散层。随后将浆料均匀刷涂在阴极商用碳纸上，涂抹过程中每次刷涂之后要在红外加热灯下烘干，制成阴极扩散电极。

本步骤中，所述阴极催化层Pt载量为3~6 mg/ cm²。

（5）热压形成膜电极：

将质子交换膜Nafion膜置于阳极扩散电极与阴极扩散电极的中间，三者对齐摆放，使用热压机在100~180 kg.cm^-2的压强下、135 ℃的温度下热压5 min，即制得直接甲醇燃料电池膜电极。

具体实施方式三：如图2所示，首先使用阳极集流板8和阴极集流板9把新型膜电极10夹住并固定。然后使用两块中间为矩形开孔的有机玻璃端板7将阳极极板8、新型膜电极10和阴极集流板9三个部件一起固定住，有机玻璃端板7阳极一侧与储液腔6连接。

封装完毕后，对电池进行活化并初步测试发现，载有新型膜电极的直接甲醇燃料电池比使用传统膜电极的电池具有更高的性能和长时间工作的稳定性，如图3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

1.一种基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极，由阳极扩散电极、质子交换膜和阴极扩散电极组成，其特征是所述阳极扩散电极的扩散层由碳纳米管纸制得。

2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极，其特征在于所述阴极扩散电极的扩散层由Pt/C碳纸制得。

3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极，其特征在于所述阳极扩散电极采用以下步骤制备：

（1）将50~100mg的PtRu/C催化剂与0.2~0.5mL纯水混合，其中Pt、Ru原子比为1:1~1:2，PtRu总质量占催化剂总质量的40~80%，随后进行超声振荡使其充分混合，然后加入0.2~0.6mLNafion溶液和0.5~2.0mL异丙醇，控制Nafion溶液与PtRu/C混合物的质量比为1/4~1/9，使用超声振荡仪振荡10~30分钟，之后搅拌2~4小时，制成阳极催化层浆料；

（2）将CNT材料纸用超纯水冲洗干净，室温干燥，制成CNT纸扩散层；

（3）在CNT纸扩散层上均匀刷涂阳极催化剂浆料，即制得阳极扩散电极；

根据权利要求3所述的基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极，其特征在于所述阳极极扩散电极中，CNT纸扩散层上Pt载量为1~5 mg/ cm²。

4.根据权利要求3所述的基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极，其特征在于所述阳极极扩散电极中，CNT纸扩散层上Ru载量为0.5~2.5 mg/ cm²。

5.根据权利要求3所述的基于碳纳米管纸阳极的高输出功率直接甲醇燃料电池膜电极，其特征在于所述Nafion溶液的浓度为5wt.%。