[发明专利]直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体成形防变形方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体成形方法。

背景技术：

甲醇、乙醇和丙醇等，均可作为直接醇类燃料电池的燃料，其中，直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell，DMFC)和直接乙醇燃料电池(Direct ethanol fuel cell，DEFC)因其所用的甲醇或乙醇来源广泛，价格低廉，而且其能量利用效率高，环境友好的运行方式，常温可操作性以及便于携带等优点，从而成为新型燃料电池中的佼佼者，在军事、交通运输、电子通讯等领域具有着广泛的应用前景。

传统的直接醇类燃料电池主要由双极板(主要采用石墨或金属来制备)、催化-扩散层和聚合物电解质膜构成，燃料电池的形状多为平板式，阴极和阳极的催化-扩散层与聚合物电解质膜采用热压方式成型为“三合一”膜电极组件。但是平板型直接醇类燃料电池存在以下缺点：(1)采用具有复杂流场的双极板结构，制造成本高；(2)所制备的微型和大型DMFC重量、体积大；(3)阳极的结构不利于反应副产物(如二氧化碳)的排放，而阴极的结构也不利于反应副产物(如水)的排出，影响电池在长期工作下的性能稳定性；(4)其中的DMFC研究中均采用液态甲醇作为燃料，存在甲醇渗透现象，DMFC功率密度大大降低；(5)不能直接存储燃料，需要复杂的输入管路；(6)不适合罐装非液态的流动相(燃料)。

异型结构的直接醇类燃料电池的关键是圆形或者方形的阴极支撑体材料的选择和成形。在确定材料配方后，最重要的就是确定合理的成形工艺和防变形技术。如果选择不当，不仅产生制造成本昂贵、产业化应用困难的问题，而且容易使阴极支撑体成形困难及性能低下，如产生变形、开裂、导电性差、力学性能差，从而导致扩散层和催化层难以涂覆、膜层涂覆或者包裹不良等问题，从而降低了直接甲醇燃料电池的性能。

经对现有技术的文献检索发现，Zhi-Gang Shao等人在《Journal ofPower Sources》160(2006)1003-1008上发表的《A tubular direct methanolfuel cell with Ti mesh anode》一文，介绍了一种管状阴极与阳极的制备过程。其中阴极支撑体材料采用的是管状的钛网。在钛管网表面依次以浸渍涂覆的方法，制备扩散层和催化层，然后再在扩散层表面滴涂Nafion溶液，该溶液固化后成为聚合物电解质膜，从而制得阴极。但是，该论文中所使用的用于制作阴极支撑体的管状钛网由德国的Heggemann公司提供，因其纯度高(＞99.99％)并且采用激光焊接技术制作，成本昂贵，故难以普及使用。另外，由于采用的钛网力学性能低，容易变形，影响了扩散层和催化剂层的涂覆，也影响了膜层的涂覆或者包裹，降低了电池的性能。

经文献检索，李飞等人在《无机材料学报》20(2005)299-304上发表的《中间相碳微球悬浮体的流变性及凝胶注模成型工艺的研究》一文，介绍采用凝胶注模工艺成型质子交换膜燃料电池双极板素坯，并在1400℃进行真空烧结获得烧结体的研究成果，未见成型异型阴极支撑体的研究报道。其采用的凝胶体系为丙烯酰胺(单体)，N-N’亚甲基双丙烯酰胺(交联剂)，分散剂、引发剂和催化剂分别为Tween80、过硫酸铵和四甲基乙二胺。但是，采用凝胶注模加真空烧结孔工艺双极板过程中，在实际制备时，会出现如下几个重大缺陷：(a)素坯干燥过程容易变形，(b)中间相碳微球由于具有自烧结性质，在烧结过程中颗粒发生融合并形成了烧结体，烧结后的孔隙发生了融合，小孔隙融合形成了大孔隙，并出现了烧结颈，在烧结过程容易变形和开裂，(c)中间相碳微球，1800℃以上高温真空烧结才能够达到较高的石墨化度，可以确保较高的电导率，但是对设备和工艺要求非常高；低温真空烧结石墨化度小，电导率低，不能满足燃料电池电极高电导率的要求。文献资料中，均未提出解决上述问题的方法。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种阴极支撑体素坯和烧结体不产生变形的直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体成形防变形方法。

本发明的技术解决方案是：

一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体成形防变形方法，其特征是：依次包括下列步骤：

一、制作素坯：

(1)在凝胶注模浆料制备过程中，同时加入中间相碳微球和石墨粉作为主体成分制备浆料，两者质量百分比为：中间相碳微球50～100％、石墨粉0～50％；