[发明专利]一种微型直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种微型直接甲醇燃料电池膜电极及制备方法。

背景技术

随着电子及信息技术的不断发展，各类微型便携式电子产品如手机、笔记本电脑、数码影像设备、个人数字助理（PDA）等飞速发展，同时对轻便、清洁、高能量密度的新型微小电源提出了新的要求。燃料电池技术作为新型能源技术，其直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，其所具有的高可靠性、高能量密度、环境友好等优点使其成为研究的热点之一。微型直接甲醇燃料电池使用甲醇作为燃料，氧气或空气作为氧化剂，其具有结构简单、燃料价格低廉且易于补充、污染小、便携性好等优势，在便携式微能源方向如个人移动通讯设备、微型机器人、微型工作站等均有着广阔的应用前景。

膜电极（MembraneElectrodeAssembly，MEA）是燃料电池的核心部件，其性能优劣直接决定的燃料电池的输出性能好坏。膜电极通常由阳极扩散层（包括阳极支撑层和阳极微孔层）、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层（包括阴极微孔层和阴极支撑层）所组成，其中包含各种微结构所组成的气体扩散通道，而常用材料的微结构通常不具有很好的气体传输性质和电阻性质。石墨烯气凝胶作为一种新兴的三维结构纳米材料，其具有高孔隙率、高电导率、高表面积的特点，同时具有独特的电学特性、机械特性和化学特性，能够很好的满足燃料电池结构材料的要求。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种微型直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法，在膜电极的阳极催化层使用PtRu/C催化剂或PtRu/黑催化剂并使用石墨烯气凝胶构建微通道结构。与传统的膜电极相比，由于在催化层使用高电导率、高孔隙率、高比表面积的石墨烯气凝胶进行构建，在不增加膜电极整体电阻的同时，构建了微结构特性优秀的阳极微通道，提高阳极催化层的孔隙率，加强了阳极甲醇燃料的传质特性，同时使得阳极气体反应产物更容易排出，使得电池的整体输出特性提高，输出功率和输出效率增加。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种微型直接甲醇燃料电池膜电极，由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层所组成，其中所述的阳极催化层使用PtRu/C或PtRu/黑催化剂、Nafion及石墨烯气凝胶进行构建，石墨烯气凝胶、Nafion与PtRu/C或PtRu/黑催化剂的质量比为5~10：5~20：70~90。

一种上述微型直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，具体制备步骤如下：

一、阴极和阳极扩散层的制备：

称取一定量的炭黑及聚四氟乙烯乳液备用，其中炭黑占固体总质量的90%~95%，聚四氟乙烯占固体总质量的5%~10%；将称好的炭黑和聚四氟乙烯乳液分散于异丙醇水溶液中，超声震荡0.5h~1h，之后磁力搅拌0.5h~1h，形成均匀的微孔层浆料；将微孔层浆料逐次喷涂或刷涂在支撑层上，在80~120℃下进行烘干，之后在300℃~400℃温度下、惰性气体保护氛围下焙烧20~40min，即得扩散层，其中扩散层的载量为1~5mg.cm^-2。

二、阳极催化层的制备：

称取一定量的PtRu/C或PtRu/黑催化剂与Nafion溶液，备用；称取一定量的石墨烯气凝胶并将其均匀分散，备用；将PtRu/C或PtRu/黑催化剂、Nafion溶液和分散好的石墨烯气凝胶分散于异丙醇水溶液中，其中石墨烯气凝胶占固体总质量的5%~10%，Nafion占总质量的5%~20%，催化剂占固体总质量的70%~90%；超声振荡0.5h~1h，形成均匀的催化剂浆料；之后通过多次刷涂将催化剂均匀的涂覆在阳极扩散层表面，在80℃~120℃条件下烘干，即得涂覆催化剂的阳极扩散电极，其中催化剂的载量为2~5mg.cm^-2。

三、阴极催化层的制备：

称取一定量的Pt/C或Pt/黑催化剂与Nafion溶液，备用；将Pt/C或Pt/黑催化剂和Nafion溶液分散于异丙醇水溶液中，其中Nafion占总质量的5%~20%，催化剂占固体总质量的80%~95%；超声振荡0.5h~1h，形成均匀的催化剂浆料；经过刮涂或刷涂的方式多次将催化剂浆料均匀涂覆在阴极扩散层表面，并在80℃~120℃条件下烘干，即得涂覆催化剂的阴极扩散电极，其中催化剂的载量为2~5mg.cm^-2。

四、热压形成膜电极：