CN109713319A - 碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用 - Google Patents

碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用 Download PDF

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张雪林
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Abstract

本发明公开了一种碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用，所述微型直接甲醇燃料电池的膜电极结构包括：阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层，碳气凝胶阴极吸水层位于阴极催化层与质子交换膜之间。本发明将碳气凝胶作为被动式直接甲醇燃料电池的阴极吸水层，通过在阴极催化层中建立液体压力，将更多的水从阴极输送回阳极，从而提高燃料电池可承受的甲醇浓度，进而提升燃料电池的输出性能。

Description

碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中 的应用
技术领域
本发明涉及一种吸水性能优异的碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用。
背景技术
在全球范围内，小型便携式电子设备(1-50W)的市场不断的增长，如智能手机、笔记本电脑、平板电脑、全球定位系统(GPS)等，吸引了各国科学家对改进电源系统研究的关注。直接甲醇燃料电池可以满足各类用电器的能量密度的要求，并且可以方便快速地进行充电。此外，直接甲醇燃料电池不需要外加供给设备如泵、阀等，能够以被动模式操作，依靠扩散和自然对流来提供燃料和氧气，这种被动设计极大地简化了燃料电池的系统结构，具有易于集成化、便于携带等特点，吸引了各国科研工作者的关注。但是，相比于在主动模式下，被动式直接甲醇燃料电池的质量传输性能较差，其中水的传输问题是传质问题之一。
水管理是解决被动式直接甲醇燃料电池输出性能问题的常用方法之一。在阴极上，由于氧还原反应而产生的水以及从阳极渗透到阴极的水可以在扩散层内积聚。与那些空气流可以带走水的主动式直接甲醇燃料电池不同，被动式直接甲醇燃料电池只能利用重力或润湿性梯度将液态水从阴极扩散层中排出，这使得容易产生所谓的水淹问题并且严重地阻碍了氧气从环境空气中传递到阴极催化层。在阳极上，水/甲醇分子比大于1：1的甲醇溶液以完全6电子氧化反应需要水，否则在甲醇氧化反应过程中会形成一些中间体如甲酸和甲醛等，对燃料电池系统产生一定的副作用。因此，通过膜电极组件(MEA)的结构设计可以从阴极到阳极回收一些水，这不仅可以减轻直接甲醇燃料电池的阴极水淹问题，而且可以减少甲醇渗透，从而使直接甲醇燃料电池能够运行高甲醇浓度。
发明内容
本发明的目的是提供一种吸水性能与导电性良好的碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用。本发明将碳气凝胶作为被动式直接甲醇燃料电池的阴极吸水层，通过在阴极催化层中建立液体压力，将更多的水从阴极输送回阳极，从而提高燃料电池可承受的甲醇浓度，进而提升燃料电池的输出性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用，所述微型直接甲醇燃料电池的膜电极结构包括：阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层，碳气凝胶阴极吸水层位于阴极催化层与质子交换膜之间，其中：
碳气凝胶的制备步骤如下：
步骤一、取2～5ml的质量分数为5％的氧化石墨烯于洁净的烧杯中，加入8～20ml的去离子水、0.2～0.6g的间苯二酚与0.15～0.75ml的甲醛，搅拌15～30min以充分反应；
步骤二、将步骤一所得溶液置于水热釜中，在80～90℃的恒温箱中水热20～25h；将所得样品在液氮中冷却，置于真空干燥箱中干燥；
步骤三、将步骤二干燥后得到的样品在氨气气氛下，以5～10℃/min的升温速率，在800～1000℃下煅烧1～3h，冷却至室温后，得到碳气凝胶。
阳极扩散层与阴极扩散层的制备步骤如下：将碳材料与聚四氟乙烯乳液分散于异丙醇水溶液，超声振荡0.5～1h，之后磁力搅拌0.5h形成均匀的浆料，其中PTFE占固体总含量的30～50％；然后通过刷涂或者刮涂的方式将浆料经多次涂覆在支撑层上，在80～120℃的条件下烘干，然后在300～380℃的条件下焙烧20～40min，即得扩散层，其中微孔层的载量为1～5mg.cm-2，催化层的载量为3～6mg.cm-2；
阳极催化层的制备过程如下：将PtRu/C催化剂与Nafion溶液分散于异丙醇与水组成的混合溶液中，超声振荡1h形成均匀的催化剂浆料，其中Nafion树脂占固体总含量的10～40％；通过喷涂的方式将催化剂浆料分多次涂覆在阳极扩散层的表面，在80～120℃的条件下烘干，即得阳极扩散电极，其中Pt的载量为1～5mg.cm-2；
阴极催化层的制备过程如下：将Pt-C催化剂与Nafion溶液分散于异丙醇与水组成的混合溶液中，超声振荡1h形成均匀的催化剂浆料，其中Nafion树脂占固体总含量的10～40％；通过喷涂的方式将催化剂浆料分多次涂覆在阴极扩散层的表面，在80～120℃的条件下烘干，即得阴极扩散电极，其中Pt的载量为0.5～5mg.cm-2；
阴极吸水层的制备过程如下：将碳气凝胶与铂黑溶解于乙醇溶液中，加入Nafion溶液，混合均匀；将混合物喷涂在阴极催化层表面，烘干，得到带有碳气凝胶吸水层的阴极扩散电极，阴极吸水层的参数设定如下：阴极吸水层中碳气凝胶与Pt黑的质量比为40～60：40～60，Pt载量为0.1～2mg.cm-2，Nafion含量为10～40％；
膜电极的制备过程如下：将带有碳气凝胶吸水层的阴极扩散电极、阳极扩散电极与质子交换膜热压，得到膜电极结构。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明通过合成制备亲水性能出色且导电性能良好的碳气凝胶，并将其作为被动式直接甲醇燃料电池的阴极吸水层，以达到将阴极的水输送回阳极的目的，对燃料电池的系统进行了有效的水管理，使燃料电池可以承受高浓度的甲醇，提高了燃料电池的性能，对于构建大功率的燃料电池系统有着极大的帮助。
附图说明
图1为扫描电子显微镜下的碳气凝胶形貌图；
图2为不同水管理层的DMFC极化曲线图，(a)商业膜电极DMFC功率密度曲线图，(b)吸水层铂黑载量为0.25mgcm-2DMFC极化曲线图，(c)吸水层铂黑载量为0.5mg cm-2的DMFC极化曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
本实施例提供了一种碳气凝胶的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一、取4ml的质量分数为5％的氧化石墨烯于洁净的烧杯中，加入16ml的去离子水、0.495g的间苯二酚与0.665ml的甲醛，搅拌20min以充分反应；
步骤二、将步骤一得到的溶液置于水热釜中，在85℃的恒温箱中水热24h；将所得样品在液氮中冷却，置于真空干燥箱中干燥；
步骤三、将步骤二干燥后得到的样品在氨气气氛下，以5℃/min的升温速率，在800℃下煅烧2h，冷却至室温后，得到碳气凝胶。
实施例2：
本实施例提供了一种碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用，所述微型直接甲醇燃料电池的膜电极结构包括：阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层，碳气凝胶阴极吸水层位于阴极催化层与质子交换膜之间，其中：
阳极扩散层与阴极扩散层的制备步骤如下：将碳材料与聚四氟乙烯乳液分散于异丙醇水溶液，超声振荡01h，之后磁力搅拌0.5h形成均匀的浆料，其中PTFE占固体总含量的30％；然后通过刷涂或者刮涂的方式将浆料经多次涂覆在支撑层上，在80℃的条件下烘干，然后在380℃的条件下焙烧40min，即得扩散层，其中微孔层的载量为5mg.cm-2。
阳极催化层的制备过程如下：将PtRu/C催化剂与Nafion溶液分散于异丙醇与水组成的混合溶液中，超声振荡1h形成均匀的催化剂浆料，其中Nafion树脂占固体总含量的20％；通过喷涂的方式将催化剂浆料分多次涂覆在阳极扩散层的表面，在800℃的条件下烘干，即得阳极气体扩散电极，其中Pt的载量为2mg.cm-2。
阴极催化层的制备过程如下：将Pt-C催化剂与Nafion溶液分散于异丙醇与水组成的混合溶液中，超声振荡1h形成均匀的催化剂浆料，其中Nafion树脂占固体总含量的20％；通过喷涂的方式将催化剂浆料分多次涂覆在阳极扩散层的表面，在80℃的条件下烘干，即得阴极气体扩散电极，其中Pt的载量为2mg.cm-2。
阴极吸水层的制备过程如下：将碳气凝胶与铂黑的混合物(质量比为2：3)溶解于乙醇溶液中，加入Nafion溶液，通过破碎仪、超声波震荡等方式混合均匀，以喷涂的方式将混合物涂在阴极扩散电极表面，在60℃下烘干，得到带有碳气凝胶吸水层的阴极扩散电极，阴极吸水层的参数设定如下：阴极吸水层Pt载量为0.5mg/cm2；Nafion树脂占吸水层的质量分数为30％。
膜电极的制备过程如下：将带有碳气凝胶吸水层的阴极扩散电极、阳极扩散电极与Nafion质子交换膜在135℃、5MPa的条件下热压5min，得到膜电极结构。
将膜电极组装在被动式直接接触燃料电池系统中，通过扩散的方式对系统供给甲醇和空气。在0.45mm的不锈钢板上镀上约200nm的金，作为燃料电池的集流板，以减少接触电阻。阳极集流板为平行沟道，开孔率约为43.2％，阴极集流板为多孔沟道，开孔率为40.7％。
图1为在扫描电子显微镜下观察到的碳气凝胶的形貌图，图1中清楚地展示了通过石墨烯的片状结构交联形成的三维多孔结构，该结构的存在以及在氨气氛围下碳化所引入的大量N原子的掺杂使得碳气凝胶具有优异的亲水性能与良好的导电性以及出色的吸水性，是本发明中阴极吸水层构建的保障。
图2为包含了商用膜电极的直接甲醇燃料电池以及不同碳气凝胶载量的直接甲醇燃料电池的极化曲线图。通过实验数据的对比分析，可以得出结论：阴极吸水层的设计使得直接甲醇燃料电池的最大输出功率密度从20mW增加到22mW，最大输出功率的甲醇浓度从2M增加到4M。这说明了阴极吸水层能够提高直接甲醇燃料电池的输出功率和耐甲醇浓度，对于直接甲醇燃料电池的进一步研究和发展有着积极的作用。

Claims (5)

1.一种碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用。
2.根据权利要求1所述的碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用，其特征在于所述微型直接甲醇燃料电池的膜电极结构包括：阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层，碳气凝胶阴极吸水层位于阴极催化层与质子交换膜之间。
3.根据权利要求2所述的碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用，其特征在于所述碳气凝胶阴极吸水层的制备方法如下：将碳气凝胶与铂黑的混合物溶解于乙醇溶液中，加入Nafion溶液，混合均匀；将混合物喷涂在阴极催化层表面，烘干，得到带有碳气凝胶吸水层的阴极扩散电极。
4.根据权利要求3所述的碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用，其特征在于所述碳气凝胶的制备步骤如下：
步骤一、取2～5ml的质量分数为5％的氧化石墨烯于洁净的烧杯中，加入8～20ml的去离子水、0.2～0.6g的间苯二酚与0.15～0.75ml的甲醛，搅拌15～30min以充分反应；
步骤二、将步骤一所得溶液置于水热釜中，在80～90℃的恒温箱中水热20～25h；将所得样品在液氮中冷却，置于真空干燥箱中干燥；
步骤三、将步骤二干燥后得到的样品在氨气气氛下，以5～10℃/min的升温速率，在800～1000℃下煅烧1～3h，冷却至室温后，得到碳气凝胶。
5.根据权利要求3所述的碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用，其特征在于所述碳气凝胶阴极吸水层的参数设定如下：阴极吸水层中碳气凝胶与Pt黑的质量比为40～60：40～60，Pt载量为0.1～2mg.cm-2，Nafion含量为10～40％。
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