專利名稱：直接醇類燃料電池負極制備方法
技術領域：
本發明涉及一種電極的制作方法，特別是直接醇類燃料電池負極的制作方法，屬于燃料電池技術領域。
背景技術：
鑒于甲醇、乙醇等小分子醇類燃料具有來源豐富、價格便宜、毒性小、常溫下為液體，便于攜帶、儲存和補充等突出優點，以及相應的直接醇類燃料電池具有工作穩定性高、無需充電、無噪音等優良特性，直接醇類燃料電池特別適合作為小型便攜式電子設備的配套電源。事實上，直接醇類燃料電池作為質子交換膜燃料電池的一種，除了采用的燃料不同外，其他部件材料及電堆結構與質子交換膜燃料電池均基本相同，在制備方法上也基本繼承了質子交換膜燃料電池的工藝特點和技術路線。
為了提高質子交換膜燃料電池負極的性能，人們提出了很多種制備方法，如噴涂法、刮涂法、轉壓法、過濾沉降法、絲網印刷法等，這些方法在一定程度上可以形成比較薄而均勻的催化層，有利于鉑的充分利用。但是實驗證明，最靠近質子交換膜的鉑或貴金屬利用率最高，遠離質子交換膜的鉑或貴金屬利用率大幅度降低。另外，最靠近膜的離子導電高聚物的含量高，會增加膜和催化劑的結合力，并提高質子由催化劑表面向膜的擴散速度。但是如果遠離膜的離子導電高聚物的含量過高，反而會阻礙反應物向內部催化劑的擴散。
而直接醇類燃料電池負極作為其核心部件之一，其性能的優劣和制作成本的高低將直接影響到直接醇類燃料電池的性能和價格。然而目前尚沒有制備直接醇類燃料電池負極的專用工藝技術，現行制備工藝仍沿用質子交換膜燃料電池負極的制備方法，但是這些方法存在以下缺點(1)電極的均一性較差；(2)原材料利用率較低，從而導致較高的制作成本。因此，應該設法在電極厚度方向上造成貴金屬鹽和離子導電高聚物的濃度梯度，提高鉑和貴金屬鹽的利用率，進而提高電極的性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種直接醇類燃料電池負極的制備方法，提高電極厚度以及電極之間的均一性，同時在電極的厚度方向上造成鉑或貴金屬鹽和離子導電高聚物的濃度梯度，提高鉑或貴金屬鹽等原材料在電極制作過程和實際使用過程中的利用率，提高電極的性能，并降低電極的制作成本。相應發明的內容可描述如下第一步稱取一定量的鉑或貴金屬催化劑、碳纖維、粘結劑、醇和水。首先在超聲波粉碎機和行星式精密機械攪拌機中混合碳纖維、催化劑和醇5～35分鐘，同時在另外一個同樣的裝置中混合粘結劑與水5～35分鐘；然后將粘結劑與水的均勻混合物加入到分散好的碳纖維、催化劑和醇的混合液中繼續攪拌5～35分鐘。所用粘結劑為全氟磺酸溶液、PVDF、PVA中的一種或幾種，所用醇為甲醇、乙醇等小分子醇類。
第二步將第一步制得的均勻混合液置于流延機的漿料斗中，采用聚乙烯或聚丙烯等塑料薄膜作為負極濕膜的載體，控制濕膜的厚度在30～320μm。
第三步將上述濕膜及載體經機械拉動進入干燥處理裝置，控制溫度在60～100℃，時間1～12min。干燥處理在流動的氬氣、氦氣、氮氣等惰性氣氛中進行。
第四步將干燥后的負極膜及載體繼續通過一個輥壓機，輥壓壓力為20～80kg/cm2；第五步對于厚度方向上不同濃度梯度負極的制作需要重復第一步至第四步的相應步驟，一般3～5次，同時調節催化劑、碳纖維、粘結劑、醇和水的配置比例，按照在厚度方向上依次增大或依次減小的濃度梯度增加或減少催化劑的比例。
第六步最后將負極膜與載體剝離，負極膜進入沖壓機采用所需要尺寸的沖模進行沖切。
本發明由于采用了以上技術方案，即采用了較佳配比的漿料組成，以及能夠精確控制濕膜厚度的流延法來制備濕膜，結合干燥、輥壓等手段，在厚度方向上形成了依次增大或依次減小的鉑或貴金屬的濃度梯度，可以大大提高鉑或貴金屬等原材料在電極制作過程和實際使用過程中的利用率，提高了電極的性能，大幅度降低了直接醇類燃料電池負極的制作成本，同時保證了電極厚度和電極之間的均一性。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步說明本發明的具體實施方式
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實施例1第一步稱取1.5g PtRu/C催化劑、1.8g碳纖維、0.5g全氟磺酸溶液、40g乙醇和4.5g水。首先在超聲波粉碎機和行星式精密機械攪拌機中混合碳纖維、催化劑和乙醇20分鐘，同時在另外一個同樣的裝置中混合全氟磺酸溶液與水20分鐘；然后將全氟磺酸與水的均勻混合物加入到分散好的碳纖維、催化劑和乙醇的混合液中繼續攪拌20分鐘。
第二步將第一步制得的均勻混合液置于流延機的漿料斗中，采用聚丙烯塑料薄膜作為負極濕膜的載體，控制濕膜的厚度在90μm。
第三步將上述濕膜及載體通過機械拉動進入干燥處理裝置，控制溫度在75℃，時間3min，在流動的氮氣中進行干燥處理。
第四步將干燥后的負極膜及載體繼續通過一個輥壓機，輥壓壓力為32kg/cm2；隨后將負極膜與聚丙烯載體剝離，負極膜進入沖壓機采用100nm×100mm的沖模進行沖切。至此，負極制作完畢。
實施例2第一步稱取1.8g PtRu/C催化劑、2.0g碳纖維、0.6g全氟磺酸溶液、45g乙醇和5.0g水。首先在超聲波粉碎機和行星式精密機械攪拌機中混合碳纖維、催化劑和乙醇20分鐘，同時在另外一個同樣的裝置中混合全氟磺酸溶液與水20分鐘；然后將全氟磺酸與水的均勻混合物加入到分散好的碳纖維、催化劑和乙醇的混合液中繼續攪拌20分鐘。
第二步將第一步制得的均勻混合液置于流延機的漿料斗中，采用聚丙烯塑料薄膜作為負極濕膜的載體，控制濕膜的厚度在90μm。
第三步將上述濕膜及載體通過機械拉動進入干燥處理裝置，控制溫度在75℃，時間5min，在流動的氬氣中進行干燥處理。
第四步將干燥后的負極膜及載體繼續通過一個輥壓機，輥壓壓力為32kg/cm2。
第五步對于厚度方向上三種濃度催化劑負極的制作需要將第一步至第四步的相應步驟重復2次，同時依次將催化劑的含量降低為1.2g和0.6g，碳纖維、全氟磺酸溶液、乙醇和水的重量與第一層相同；第二層濕膜的厚度控制在150μm；第三層濕膜的厚度控制在210μm。
第六步最后將負極膜與聚丙烯載體剝離，負極膜進入沖壓機采用100mm×100mm的沖模進行沖切。至此，負極制作完畢。
實施例3第一步稱取0.6g PtRu/C催化劑、2.0g碳纖維、0.6g全氟磺酸溶液、45g乙醇和5.0g水。首先在超聲波粉碎機和行星式精密機械攪拌機中混合碳纖維、催化劑和乙醇20分鐘，同時在另外一個同樣的裝置中混合全氟磺酸溶液與水20分鐘；然后將全氟磺酸與水的均勻混合物加入到分散好的碳纖維、催化劑和乙醇的混合液中繼續攪拌20分鐘。
第二步將第一步制得的均勻混合液置于流延機的漿料斗中，采用聚丙烯塑料薄膜作為負極濕膜的載體，控制濕膜的厚度在60μm。
第三步將上述濕膜及載體通過機械拉動進入干燥處理裝置，控制溫度在75℃，時間5min，在流動的氮氣中進行干燥處理。
第四步將干燥后的負極膜及載體繼續通過一個輥壓機，輥壓壓力為32kg/cm2；第五步對于厚度方向上三種濃度催化劑負極的制作需要將第一步至第四步的相應步驟重復2次，同時依次將催化劑的含量增加到1.2g和1.8g，碳纖維、全氟磺酸溶液、乙醇和水的重量與第一層相同；第二層濕膜的厚度控制在120μm；第三層濕膜的厚度控制在210μm。
第六步最后將負極膜與聚丙烯載體剝離，負極膜進入沖壓機采用100mm×100mm的沖模進行沖切。至此，負極制作完畢。
權利要求
1.一種直接醇類燃料電池負極制備方法，其特征在于將碳纖維、粘結劑、鉑或貴金屬催化劑、醇和水按如下重量百分比鉑或貴金屬催化劑1～10％、碳纖維1～10％、粘結劑0.1～5％、醇60～90％、水5～15％混合成漿料，然后采用流延法形成濕膜，控制濕膜厚度為30～320μm，再在流動的惰性氣氛中對該濕膜進行干燥處理1～12min得到干膜，最后對干膜進行輥壓和沖切來制備直接醇類燃料電池負極。
2.按權利要求1所述的制備方法，其特征在于碳纖維、粘結劑、鉑或貴金屬催化劑、醇和水等漿料的混合采用超聲波粉碎與機械攪拌相結合的方法。
3.按權利要求1所述的制備方法，其特征在于漿料混合的順序為A、混合碳纖維、鉑或貴金屬催化劑和醇，同時混合粘結劑與水；B、將粘結劑與水的均勻混合液在不斷進行超聲波粉碎與機械攪拌的過程中加入到分散好的碳纖維、鉑或貴金屬催化劑、醇混合液中直至全部混合均勻。
4.按權利要求1所述的制備方法，其特征在于可以根據電極在厚度方向上濃度梯度的不同要求，設置3個或3個以上的流延和輥壓工序，各工序中催化劑含量依次增大或減小。
5.按權利要求1所述的制備方法，其特征在于所用負極濕膜的載體為聚丙烯、聚乙烯等塑料薄膜中的一種或幾種。
6.按權利要求1所述的制備方法，其特征在于所用粘結劑為全氟磺酸溶液、PVDF、PVA中的一種或幾種。
7.按權利要求1所述的制備方法，其特征在于干燥處理采用的惰性氣氛為氬氣、氦氣、氮氣中的一種或幾種。
8.按權利要求1所述的制備方法，其特征在于輥壓的壓力范圍為20～80Kg/cm2。
全文摘要
一種直接醇類燃料電池負極制備方法。其主要步驟是將碳纖維、粘結劑、鉑或貴金屬催化劑、醇和水等按比例直接混合(不使用碳紙)，然后經過流延、干燥、輥壓和沖切來實現電極的加工。本發明的制備方法易于控制電極的厚度，便于調節催化劑在厚度方向上的濃度梯度，所制備電極間的一致性好，鉑或貴金屬原料利用率達到90％以上，制作成本低，電極性能好，同時適合機械化規模生產。
文檔編號H01M4/88GK1514505SQ03157808
公開日2004年7月21日 申請日期2003年8月27日 優先權日2003年4月17日
發明者佘沛亮, 孫延先, 胡信國, 陳懷林, 楊善基 申請人:江蘇雙登電源有限公司