[发明专利]一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法

说明书

一、技术领域：

本发明属于燃料电池领域，特别涉及一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法。

二、背景技术：

在当今化石能源日趋枯竭的形势下，使用可再生能源——氢能的燃料电池受到越来越多的关注。作为一种新型化学能源，燃料电池是继火电、水电与核电之后的第四代发电方式。它具有燃料多样化、环境友好、低噪声、可靠性高及维修方便等优点。而隶属于质子交换膜燃料电池范畴的直接甲醇燃料电池(DMFC)由于燃料(甲醇)来源丰富、成本低廉，能量密度较高，电池工作时燃料直接进料，无需重整处理，结构简单，响应时间短，操作方便，易携带和储存等优点，已经变得比常规氢燃料电池更具吸引力，可成为便携式电子设备、移动电话、摄像机和电动汽车理想的首选动力源，并被认为最有可能实现商业化的应用。

在20世纪末，直接甲醇燃料电池便已成为研发的热点，并取得了长足的进展。然而，直接甲醇燃料电池要达到实际应用还有许多科学技术问题有待于进一步解决。这其中除了所熟知的阳极催化剂催化活性较低和质子交换膜的透醇问题外，甲醇在阳极氧化时生成的二氧化碳气体所造成的“气封效应”问题同样得到了高度重视。作为甲醇氧化的最终产物二氧化碳必须及时有效的从电化学反应区域排出体系，一旦气体传输不畅，尤其在大电流密度放电时，将会有大量的气泡在催化反应位积聚，这一方面会造成催化剂为气泡所包裹，致使电化学活性比表面积大幅缩减；另一方面也阻碍了外部甲醇进入催化层反应区进行持续的甲醇氧化反应，从而产生严重的“气封效应”。气封效应一旦发生，必将降低整个电池的输出功率和稳定性。此外，气封效应还会导致流道内压力增加，造成更为严重的透醇问题；而且，二氧化碳气体的大量积聚还容易导致三合一的膜电极分离，使电极和膜的接触电阻增大，尤其在长期运行时，电极的完全剥离也就意味着电池寿命的终结。

为了阻止气封效应目前大量的研究工作主要集中于通过采用聚四氟乙烯(PTFE)或全氟磺酸树脂(Nafion)优化阳极扩散层和催化层的亲疏水性(中国专利CN 200810112212.3，CN200810038159.7，CN 200510033816.5，CN 200310115940.7，CN 200410018792.1和CN200710144768.6)以及通过在集流板与扩散层中间加入导电毛细芯层(CN 200620111585.5)和在气体扩散层中加入憎水的非金属微孔膜(CN 200510054562.5)等。然而憎水性较强的阳极结构会在电流密度增加的情况下导致甲醇供应不足，而亲水性较强的阳极结构又会在大电流密度下由于形成过多的二氧化碳气体不能及时排出而导致电压损失。而以Nafion为粘结剂制成完全亲水的阳极结构是当今传统的制作工艺以确保足够的甲醇供应，这同时却意味着二氧化碳失去了它自身所特有的气体传输通道，而只能通过溶解在甲醇水溶液中依靠扩散排出电极系统。然而二氧化碳在甲醇的水溶液中溶解度较低，随着电池温度升高溶解度会更低，因而在大电流密度以及电池工作温度较高的条件下气封效应问题难以避免。

从而可见上述方法并不能从根本上抑制直接甲醇燃料电池阳极因二氧化碳气体积聚所导致的气封效应问题。

三、发明内容：

本发明的目的是针对现有直接甲醇燃料电池传统的阳极抗气封效应的不足之处，提供一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法。气封效应产生的本质是电极微孔被甲醇水溶液阻塞二氧化碳传输通道缺失所致，如何能使电极中这些微孔不为甲醇水溶液所占据而又能确保二氧化碳传输通道的畅通是本发明的切入点。本发明采取在电极微孔中预先加入憎水性的硅油，与甲醇水溶液相比，二氧化碳在硅油中具有更高的溶解度，因而硅油可作为二氧化碳气体固有的传输通道，确保二氧化碳的传输不会因为甲醇水溶液的堵塞而中断，如图1所示。从而巧妙地解决了直接甲醇燃料电池阳极普遍存在的气封效应问题。

本发明的目的是这样实现的：一种直接甲醇燃料电池用抗气封效应阳极的制备方法，其具体方法步骤如下：

(1)、制备微孔层

首先，将碳布或碳纸浸泡在乙醇水溶液中，超声波条件下振荡30分钟，再将其在质量比浓度为15wt.％的PTFE乳液浸泡30分钟后置于马弗炉内340℃条件下焙烧40分钟得到憎水的扩散层；按碳粉(Vulcan XC-72)∶Nafion固含量的质量比为4∶1称取碳粉和Nafion溶液，然后以无水乙醇为分散剂在超声波条件下振荡均匀，分多次均匀涂布在憎水的扩散层上，最后将其置于鼓风干燥箱中140℃条件下烘干得到微孔层。

(2)、制备传统PtRu/C阳极