[发明专利]一种直接甲醇燃料电池膜电极及制备和应用

说明书

本发明将制备一种直接甲醇燃料电池膜电极，这种膜电极具有较传统膜电极气体扩散层厚度大幅降低的阳极气体扩散层结构，扩散层厚度约为传统扩散层的1/2至1/50，以及非贵金属催化剂担载的阴极结构，此结构的电极阳极气体扩散层材料由碳纤维、碳纳米管以及粘结剂等构成，阴极催化剂由过渡金属及/或氮掺杂的碳材料等非贵金属催化剂及粘结剂构成，可作为直接液体燃料电池膜电极。

技术领域

本发明涉及一种新型直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法，具体地说这种膜电极具有较传统膜电极气体扩散层厚度大幅降低的阳极结构，以及非贵金属催化剂担载的阴极结构，其可用于直接甲醇等直接液体燃料电池等电极中。

本发明还涉及上述膜电极的制备方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池作为一种直接将液体甲醇的化学能转化为电能的能量转换装置，由于其具有较高的能量密度与能量转换效率，被认为是未来极具潜力的新型移动电源技术，在民用与国防领域，都具有广阔的应用前景。但与此同时，直接甲醇燃料电池阴阳极通常需要使用较高载量的贵金属基催化剂，导致直接甲醇燃料电池成本急剧上升，严重制约了其实际应用。近年来，基于氮掺杂碳以及金属掺杂碳的非贵金属催化剂，在燃料电池阴极氧还原电催化过程中取得了重要进展，酸性条件下氧还原性能接近商品铂基电催化剂，同时在氢氧燃料电池中实现较好的应用结果。但是在直接甲醇燃料电池中，由于阳极采用液体甲醇水溶液进料，其燃料渗透特性显著改变了阴极的物质传输过程，其电极结构优化策略与传统贵金属基燃料电池截然不同。目前来说，采用非贵金属基阴极催化剂的直接甲醇燃料电池仍难以满足性能与寿命的应用需求。因此，亟待开发新型的电极设计与制备策略，在保证电池性能与寿命的前提下，降低直接甲醇燃料电池的成本。

发明内容

本发明将制备一种直接甲醇燃料电池膜电极，这种膜电极具有较传统膜电极气体扩散层厚度大幅降低的阳极气体扩散层结构，扩散层厚度约为传统扩散层的1/2至1/50，以及非贵金属催化剂担载的阴极结构，此结构的电极阳极气体扩散层材料由碳纤维、碳纳米管以及粘结剂等构成，阴极催化剂由过渡金属及/或氮掺杂的碳材料等非贵金属催化剂及粘结剂构成，可作为直接液体燃料电池膜电极。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种直接甲醇燃料电池膜电极，包括依次层叠的阳极气体扩散层、阳极催化层、电解质膜、阴极催化层、阴极气体扩散层：

所述阳极气体扩散层具有超薄结构，其厚度为5至100微米，孔隙率为20至90％；

所述阳极气体扩散层的构成组分为电子导体材料和粘结剂，其中电子导体材料包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯、半导体纤维中的一种或两种以上，粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟磺酸聚合物、聚苯并咪唑中的一种或两种以上。

阳极气体扩散层材料中电子导体材料与粘结剂质量比为19:1至3:2，优选范围为9:1至3:1；阳极气体扩散层厚度优选为5至100微米，孔隙率优选为50-80％。

所述半导体纤维包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铟锡中的一种或两种以上。

所述阴极催化层构成组分为非贵金属催化剂和离子导体聚合物；

所述阴极非贵金属催化剂包括氮掺杂碳、铁氮碳、镍氮碳、钴氮碳、金属氧化物中的一种或两种以上；所述离子导体聚合物包括全氟磺酸聚合物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯并咪唑中的一种或两种以上。

所述非贵金属催化剂与离子导体聚合物的质量比为9:1至1:2。

所述膜电极的制备方法，包括阳极的制备、阴极的制备和膜电极的压合：

所述阳极的制备过程包括以下步骤，