一種微型直接甲醇燃料電池膜電極及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于質子交換膜燃料電池領域，涉及一種微型直接甲醇燃料電池膜電極及制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著電子及信息技術的不斷發展，各類微型便攜式電子產品如手機、筆記本電腦、數碼影像設備、個人數字助理(PDA)等飛速發展，同時對輕便、清潔、高能量密度的新型微小電源提出了新的要求。燃料電池技術作為新型能源技術，其直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能，其所具有的高可靠性、高能量密度、環境友好等優點使其成為研究的熱點之一。微型直接甲醇燃料電池使用甲醇作為燃料，氧氣或空氣作為氧化劑，其具有結構簡單、燃料價格低廉且易于補充、污染小、便攜性好等優勢，在便攜式微能源方向如個人移動通訊設備、微型機器人、微型工作站等均有著廣闊的應用前景。
[0003]膜電極(Membrane Electrode Assembly，MEA)是燃料電池的核心部件，其性能優劣直接決定的燃料電池的輸出性能好壞。膜電極通常由陽極擴散層(包括陽極支撐層和陽極微孔層)、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層、陰極擴散層(包括陰極微孔層和陰極支撐層)所組成，其中包含各種微結構所組成的氣體擴散通道，而常用材料的微結構通常不具有很好的氣體傳輸性質和電阻性質。石墨烯氣凝膠作為一種新興的三維結構納米材料，其具有高孔隙率、高電導率、高表面積的特點，同時具有獨特的電學特性、機械特性和化學特性，能夠很好的滿足燃料電池結構材料的要求。
【發明內容】
[0004]本發明的目的旨在提供一種微型直接甲醇燃料電池膜電極及其制備方法，在膜電極的陽極催化層使用PtRu/C催化劑或PtRu/黑催化劑并使用石墨烯氣凝膠構建微通道結構。與傳統的膜電極相比，由于在催化層使用高電導率、高孔隙率、高比表面積的石墨烯氣凝膠進行構建，在不增加膜電極整體電阻的同時，構建了微結構特性優秀的陽極微通道，提高陽極催化層的孔隙率，加強了陽極甲醇燃料的傳質特性，同時使得陽極氣體反應產物更容易排出，使得電池的整體輸出特性提高，輸出功率和輸出效率增加。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種微型直接甲醇燃料電池膜電極，由陽極擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層和陰極擴散層所組成，其中所述的陽極催化層使用PtRu/C或PtRu/黑催化劑、Naf1n及石墨稀氣凝膠進行構建，石墨稀氣凝膠、Naf1n與PtRu/C或PtRu/黑催化劑的質量比為5?10:5?20:70?90。
[0006]—種上述微型直接甲醇燃料電池膜電極的制備方法，具體制備步驟如下:
一、陰極和陽極擴散層的制備:
稱取一定量的炭黑及聚四氟乙烯乳液備用，其中炭黑占固體總質量的90。/『95%，聚四氟乙烯占固體總質量的5。/『10% ;將稱好的炭黑和聚四氟乙烯乳液分散于異丙醇水溶液中，超聲震蕩0.5h~lh，之后磁力攪拌0.5h~lh，形成均勻的微孔層漿料；將微孔層漿料逐次噴涂或刷涂在支撐層上，在80~120°C下進行烘干，之后在300°C ~400°C溫度下、惰性氣體保護氛圍下焙燒20~40min，即得擴散層，其中擴散層的載量為l~5mg.cm2。
[0007]二、陽極催化層的制備:
稱取一定量的PtRu/C或PtRu/黑催化劑與Naf1n溶液，備用；稱取一定量的石墨稀氣凝膠并將其均勻分散，備用；將PtRu/C或PtRu/黑催化劑、Naf1n溶液和分散好的石墨烯氣凝膠分散于異丙醇水溶液中，其中石墨烯氣凝膠占固體總質量的5%~10%，Naf1n占總質量的5%~20%，催化劑占固體總質量的70%~90% ;超聲振蕩0.5h~lh，形成均勻的催化劑漿料；之后通過多次刷涂將催化劑均勻的涂覆在陽極擴散層表面，在80°C ~120°C條件下烘干，即得涂覆催化劑的陽極擴散電極，其中催化劑的載量為2~5 mg.cm 2。
[0008]三、陰極催化層的制備:
稱取一定量的Pt/c或Pt/黑催化劑與Naf1n溶液，備用；將Pt/C或Pt/黑催化劑和Naf1n溶液分散于異丙醇水溶液中，其中Naf1n占總質量的5%~20%，催化劑占固體總質量的80%~95% ;超聲振蕩0.5h~lh，形成均勻的催化劑漿料；經過刮涂或刷涂的方式多次將催化劑漿料均勻涂覆在陰極擴散層表面，并在80°C ~120°C條件下烘干，即得涂覆催化劑的陰極擴散電極，其中催化劑的載量為2~5 mg.cm 2。
[0009]四、熱壓形成膜電極:
將陽極擴散電極(包含陽極擴散層和陽極催化層)、質子交換膜、陰極擴散電極(包含陰極催化層和陰極擴散層)按上述順序對齊并合在一起，與110~200kg.cm-2、110~140°C條件下熱壓3~8min，即得膜電極。
[0010]本發明與傳統的膜電極相比，其優點如下:
(O陽極催化層中應用石墨烯氣凝膠進行微通道構建，在不增加膜電極的整體內阻的同時，構建了優秀的陽極微通道，增加電池陽極催化層孔隙率，改善了陽極甲醇傳質，同時使得陽極氣體產物更易排出；
(2)所采用的石墨烯氣凝膠的孔隙率、比表面積等微結構特性可通過工藝參數控制的方法進行改變，即可得到所需的石墨烯微結構，可應用于不同需求的燃料電池。
【附圖說明】
[0011]圖1為所述的陽極催化層使用石墨烯氣凝膠進行微通道構建的膜電極結構示意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的說明，但不局限于此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的保護范圍中。
[0013]實施例1:
如圖1所示，本實施方式的微型直接甲醇燃料電池膜電極由陽極擴散層(包含陽極支撐層I和陽極微孔層2)、陽極催化層3、質子交換膜4、陰極催化層5、陰極擴散層(包含陰極微孔層6和陰極支撐層7)組成，其中陽極催化層使用石墨烯氣凝膠進行微通道構建。具體實施步驟如下:
稱取5mg質量百分比濃度為10%的PTFE乳液分散于2ml異丙醇水溶液中(異丙醇與水的體積比為1:1)，稱取9mg炭黑加入上述分散液中，超聲震蕩50min，之后磁力攪拌30min，形成均勻的微孔層漿料。取IcmXl cm的碳紙，