[发明专利]一种直接醇类燃料电池膜电极集合体的结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种能提高直接醇类燃料电池性能和稳定性的膜电极集合体的结构和制备方法，采用该方法可以有效提高燃料电池阴极的氧传输效率、返水能力和催化剂利用率。属于直接醇类染料电池领域。

背景技术

近几十年来，随着社会经济发展与能源短缺、环境污染之间的矛盾日益突出，绿色能源的开发越来越成为全球关注的焦点。燃料电池具有高的能量密度和能量转换效率，低污染，是未来理想的动力电源，受到世界各国的广泛关注。近年来，世界各国都投入了大量人力、物力和财力对其进行研究。特别是现在各种便携式电子产品(如手机、掌上电脑、MP3等)的迅速普及，用户对高比能量化学电源的要求日益高涨。为了适应各种新型电子产品对电池高能量密度的需求，从20世纪90年代中期开始，世界各国许多知名公司和科研机构不断努力试图开发小功率的燃料电池，将其作为便携式电子产品，如手机、笔记本电脑和数码相机等小型电子设备的工作电源。

直接醇类燃料电池使用甲醇或乙醇等液体作为燃料，具有燃料来源丰富、价格低廉、燃料易于运输和储存、能量密度高和易于微小型化等优点，适合作为便携式电源，具有十分广阔的应用前景。其中最具代表性的是直接甲醇燃料电池(DMFC)。DMFC具有持续供电时间长，储存方便等优点，但甲醇易透过Nafion膜，导致阴极产生“混合电位”效应，降低电池性能。为了缓解甲醇的跨膜传输，阳极通常使用低浓度的甲醇溶液作为燃料。但是，由使用低浓度甲醇作为燃料产生的阴极“水淹”困扰着它的实际应用。膜电极集合体(MEA)被称之为燃料电池发电的“心脏”，其性能和稳定性的高低直接决定了燃料电池性能的优劣，高性能膜电极集合体及其制备对燃料电池性能的提高和实用化进程的推进至关重要。阴极催化层是氧还原反应发生的场所，优化阴极结构亲疏水性和孔隙率，处理好水、气、质子和电子的传质通道对缓解阴极“水淹”，提高电池性能具有至关重要的意义。

发明内容

本发明目的在于提供了一种提高直接醇类燃料电池性能的膜电极集合体(MEA)结构和制备方法，通过优化阴极催化层的结构，显著提高了燃料电池的功率密度和放电稳定性。

本发明提供了一种直接醇类燃料电池膜电极集合体结构，所述的膜集合体依次包括支撑层、阳极微孔层、阳极催化层、Nafion膜、阴极催化层、阴极微孔层和阴极支撑层，其特征在于所述的阴极催化层为疏水性，且呈梯度分布，即制备的疏水性阴极催化层逐渐变化的双层、三层或多层阴极催化层；与阴极微孔层接触的双层阴极的催化层中外层(A)层是由贵金属Pt/C纳米催化剂、Nafion溶液、PTFE憎水剂和异丙醇的水溶液组成，其中Nafion树脂占催化剂干重的5-20％(以催化剂干重为基准，下同)，PTFE占催化剂干重的20-5％，双层催化层中的内层(B)层是由Pt/C纳米催化剂、Nafion树脂和异丙醇的水溶液组成，其中Nafion树脂占催化剂干重的15-30％，且大于(A)层中的含量；所述疏水性呈梯度分布的三层或多层阴极催化层是指介于(A)层和(B)层之间的中间层(C)是由Pt/C纳米催化剂、Nafion树脂、PTFE憎水剂和异丙醇的水溶液组成，但中间层中Nafion的含量介于外层(A)和内层(B)之间，在接近(B)层时PTFE逐渐减少，接近零。中间层(C)为一层时构成的阴极催化层为三层，依次类推。

本发明还提供了一种直接醇类燃料电池膜电极集合体的结构的制备方法，特征在于所述的MEA以碳纸或碳布为支撑层，然后根据需要涂覆由各种碳材料与聚四氟乙烯粘结剂组成的微孔扩散层，再涂覆贵金属基催化剂、Nafion树脂等组成的浆液，通过合适的热处理等步骤，将阳极、阴极和Nafion膜在一定条件下热压，即制得MEA。现将各步骤分述如下：

1、微孔层的制备：将一定量的碳材料和粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)超声分散于异丙醇水溶液中，超声搅拌0.5～8h，形成均匀的碳浆液。按每毫克碳粉加入0.01～0.5mL异丙醇和水的混合溶液，其中异丙醇和水的体积比控制在0.5～3，粘结剂占总固体量的5～60％。所用碳材料可以为XC-72(Cabot公司)、XC-72R(Cabot公司)、Black Pearls 2000(Cabot公司)、乙炔黑、Ketjen Black(日本KBIC)和碳纳米管等。以厚度10μm～2mm的ETEK碳纸或碳布或其它商业化的碳纸作为电极的支撑层，将制得的碳浆液通过刷涂、刮涂或喷涂多次均匀涂覆在碳纸或碳布等支撑层上，经320～360℃空气或氮气或氩气中热处理0.5～3h，即得到支撑层负载的微孔层，其中微孔层碳载量控制为0.3～4mgcm^-2；