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的結構及制備方法。
【背景技術】
[0002]能源問題已經成為當今社會發展的重要話題之一，開發清潔、污染小、可再生的新型能源技術已經成為研究人員的工作熱點之一。燃料電池技術作為新型能源技術，其具有高可靠性、高能量密度、環境友好等特點，同時其可以與微機械加工技術相結合的特點使其在性能與價格上更具有優勢。微型直接甲醇燃料電池使用甲醇作為燃料，空氣或氧氣作為氧化劑，不僅燃料價格低廉、易于補充，同時環境污染小、能量密度高、便攜性好，其在微機電系統、微型機器人、微型醫療器械、個人移動通訊設備中均有廣泛的應用前景。
[0003]石墨烯氣凝膠是新興的三維納米結構材料，其在包含石墨烯原有的優良機械特性、化學特性、電學特性的基礎上，同時具有高電導率、高比表面積、高孔隙率的特點，在微結構設計方面有著優秀的應用前景。膜電極作為燃料電池的核心部件，起著反應物傳質、生成物排出、反應質子傳輸和電子阻隔等等作用，其性能優劣決定了燃料電池的輸出高低，而其性能很大程度上決定于所使用的膜結構材料特性。現有的膜電極結構材料如Naf1n、PTFE等一般孔隙率較低，不能夠很好的滿足燃料電池對氣體傳輸的要求。
【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，在膜電極的陰極催化層使用Pt/C催化劑或Pt/黑催化劑并使用石墨烯氣凝膠構建疏水型陰極擴散電極。與現有的膜電極制備方法相比，本發明可以有效提高陰極催化層的孔隙率，構建優良的氣體傳輸通道，改善陰極燃料氧氣的傳質特性，同時不增加膜電極的整體電阻，使得電池的整體輸出功率提高。
[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，其中所述的陰極催化層使用Pt/C催化劑或Pt/黑催化劑并使用石墨烯氣凝膠構建疏水型陰極擴散電極，石墨烯氣凝膠與Pt/C催化劑或Pt/黑催化劑的質量比為 5~20:80~95 ο
[0006]—種微型直接甲醇燃料電池膜電極的制備方法，其具體制備步驟如下:
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，其中微孔層的載量為l~5mg.cm 2。
[0007]二、陰極催化層的制備:
稱取一定量的Pt/C或Pt/黑催化劑備用；稱取一定量的石墨烯氣凝膠并將其均勻分散，備用；將Pt/C或Pt/黑催化劑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[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；之后通過多次刷涂將催化劑均勻的涂覆在陰極擴散層表面，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2~5mg.cm 2o
[0008]三、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；將PtRu/C或PtRu/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%~10%，催化劑占固體總質量的90%~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陽極擴散層表面，并在80°C ~120°C條件下烘干，即得涂覆催化劑的陽極擴散電極。，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:
(1)陰極催化層中使用了石墨烯氣凝膠代替傳統材料進行微結構構建，增大了陰極催化層的孔隙率以及陰極催化劑活性面積，為陰極氧氣的傳質提供了更優秀的傳質通道，增加了陰極燃料的濃度，同時提高了陰極反應效率；
(2)陰極催化層使用石墨烯氣凝膠，在改善陰極微結構的同時并沒有增大陰極電阻，從而提高了電池的整體性能；
(3)石墨烯氣凝膠可以通過多種方式進行構建，可根據不同的結構要求構建不同的石墨烯氣凝膠微結構，應用范圍廣；
(4)膜電極的構建過程操作簡單、便捷。
【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，其中陰極催化層使用石墨烯氣凝膠構建疏水型的陰極擴散電極。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，