[发明专利]被动式直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及被动式直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池（DMFC）是将储存于甲醇和氧气中的化学能直接转换成电能的发电装置，具有理论比能量高、能量转换效率高、环境友好等优点，其中液体甲醇的使用可以提供高能量密度，且能快速、便捷地实现燃料补给，同时也可低温操作，从而使得DMFC系统结构非常简单，在便携式移动电源等方面具有广阔的应用前景。

其中，膜电极（MEA）作为DMFC的核心部件，通常由阳极、质子交换膜与阴极三部分组成，甲醇在阳极被氧化释放出二氧化碳和质子，质子通过质子交换膜到达阴极，与传递到阴极的空气中的氧气反应生成水，同时放出电能。直接甲醇燃料电池的工作原理如下：

阳极反应：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极反应：3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

总反应为：CH₃OH+3/2O₂→CO₂+2H₂O

由以上反应式可以看出，阳极反应的产物为CO₂，图1为阳极中CO₂气体、CH₃OH溶液与固体催化剂三相传质示意图，其中a为催化层，b为碳纸，c为微孔层，d为Nafion117膜。由图1可知，CH₃OH溶液传输至阳极催化剂层中发生反应，生成的CO₂气体从固体催化剂上脱附之后将依次通过阳极催化剂层、阳极微孔层、阳极碳纸的微孔通道排出至燃料腔CH₃OH溶液中。当电流密度增大时，反应生成的CO₂气体也随之增多，并且随着反应的进行，生成的大量CO₂气体在微孔通道内由于来不及排出而越积越多，CO₂气体的累积会逐渐形成大气泡，将催化剂的活性位点封闭，使得CH₃OH溶液供应不上，导致该活性位点的反应停止；同时，逐渐累积的大量CO₂气体也会在阳极、阴极两侧形成一个逐渐增大的气压差，阳极的CH₃OH溶液在气压差的作用下会通过Nafion膜透过到阴极，易产生混合电位，从而降低电池电压，导致电池性能下降；另外，CH₃OH溶液的透过也导致了燃料的浪费，缩短了电池的运行时间。

由于直接甲醇燃料电池分为主动式和被动式两种，而对于主动式直接甲醇燃料电池来说，CH₃OH溶液是在燃料泵的作用下从外部的混合池输送至阳极，产生的CO₂气体可以通过提高CH₃OH溶液的流速来排出，但被动式直接甲醇燃料电池中的CH₃OH溶液是从电池内部的燃料腔通过浓度差扩散至催化层，因此，被动式直接甲醇燃料电池中阳极CO₂气体的管理对于电池性能的提高和寿命的延长至关重要。

对于被动式直接甲醇燃料电池中如何管理CO₂气体已有许多研究，但是这些研究都是通过加入某些物质吸收或构建气体通道来排出CO₂气体，而这些物质或多或少均会对电池的性能产生不良的影响。

Lundin等通过在阳极催化层中添加某些CO₂气体的吸收剂如KOH或LiOH等来吸收CO₂，但此类物质的加入易导致电解质碳酸盐化同时堵塞传质的通道，导致传质阻力增大（Lundin MD,McCready MJ.J Power Sources2007；172:553-559）。

Krishnamurthy等在催化层中加入疏水性的PTFE或者亲水性的Nafion粘结剂来改变催化层中的孔状结构而促进CO₂的排出，但是加入PTFE构建疏水性的电极结构容易阻碍亲水性的CH₃OH溶液传质到催化层内部，而加入Nafion构建亲水性的电极结构则容易导致CH₃OH溶液的透过增加（Krishnamurthy B,Deepalochani S.Int J Hydrogen Energy2009；34:446-52）。