[发明专利]直接醇类燃料电池的膜电极集合体的阴极结构和制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及到直接醇类燃料电池膜电极集合体结构及制作方法，特别是 涉及一种直接醇类燃料电池膜电极集合体的阴极结构，所述的制作方法的使 用可以提高燃料电池膜电极集合体的氧传输效率和返水能力，有效地提高电 池的性能及其稳定性。

背景技术

燃料电池具有高的能量转换效率和能量密度，低污染，是未来理想的动 力电源，因而受到世界各国的广泛关注，近年来，世界各国都投入了大量人 力、物力和财力进行研究。近十多年来，各种便携式电子产品(如手机、掌上 电脑、MP3等)的迅速普及，用户对高比能量化学电源的要求日益高涨。为 了适应各种新型电子产品对电池高能量密度的需求，从20世纪90年代中期 开始，世界各国许多知名公司和科研机构不断努力试图开发小功率的燃料电 池，将其作为便携式电源应用，如手机、笔记本电脑和数码相机等小型电子 设备的工作电源。

直接醇燃料电池使用甲醇或乙醇等液体作为燃料，具有燃料来源丰富、 价格低廉、燃料易于运输和储存、能量密度高和易于微小型化等优点，适合 作为便携式电源，具有十分广阔的应用前景。其中最具代表性的是直接甲醇 燃料电池(DMFC)。DMFC具有较高的能量密度，操作方便，但甲醇易透过 Nafion膜，导致阴极的混合电位效应，使电池性能降低。而由使用低浓度甲 醇作为燃料产生的阴极水淹问题也困扰着它的实际应用。就目前电池研制的 现状，它们的功率密度也还达不到实用化程度，同时电池的寿命还有待进一 步提高。膜电极集合体(MEA)被称之为燃料电池发电的“心脏”，其性能和稳 定性的高低直接决定了燃料电池性能的优劣。因此，高性能膜电极集合体及 其制备对燃料电池性能的提高和实用化进程的推进至关重要。

发明内容

本发明目的在于提供了一种直接醇类燃料电池膜电极集合体及制作方 法，通过改变阴极微孔层的结构和组成，显著提高了燃料电池的功率密度和 稳定性。

本发明提供了一种直接醇类燃料电池膜电极集合体(MEA)的结构。 所述的MEA以碳纸或碳布为支撑层，然后根据需要涂覆由各种碳材料与聚 四氟乙烯粘结剂组成的阳极微孔层和阴极微孔层，再涂覆贵金属基催化剂和 Nafion树脂组成的墨水，通过合适的热处理等步骤，将阳极、阴极和Nafion 膜在一定条件下热压，即制得MEA。所述的阴极微孔层为内、外两层的双微 孔层。现将各步骤分述如下：

1、微孔层碳浆液的制备：将一定量的碳材料和粘结剂聚四氟乙烯(PTFE) 超声分散于异丙醇水溶液中，超声搅拌2～8h，形成均匀的碳浆液。按每毫 克碳粉0.01～0.5mL量加入异丙醇和水的混合溶液，其中异丙醇和水的体积比 控制在0.5～3，粘结剂占总固体量的5～60％。所用碳材料可以为XC-72(Cabot 公司)、XC-72R(Cabot公司)、Black Pearls 2000(Cabot公司)、乙炔黑、 Ketjen Black(日本KBIC)和碳纳米管等。阴极的内外两个微孔层可以使用 相同的碳材料，也可以使用不同的碳材料或不同碳材料的混合物。其中，阳 极微孔层的碳浆液的粘结剂含量为5～30％，阴极外微孔层的碳浆液粘结剂含 量为5～30％，阴极内微孔层的碳浆液粘结剂含量为30～60％。

2、阴极双微孔层和阳极微孔层的制备：以厚度10μm～2mm的ETEK碳 纸或碳布或其它商业化的碳纸作为电极的支撑层，将步骤(1)所制得的碳浆 液通过刷涂、刮涂或喷涂均匀涂覆在碳纸或碳布等支撑层上，经约320～360℃ 空气或氮气或氩气中热处理0.5～3h，即得到支撑层负载的微孔层，其中微孔 层碳载量控制为0.3～4mgcm^-2。其中，阳极微孔层所用碳材料可以为XC-72、 XC-72R、Black Pearls 2000、乙炔黑、Ketjen Black及碳纳米管，PTFE含量 控制在5～30％。阴极外微孔层所用碳材料可以为XC-72(Cabot公司)、XC-72R (Cabot公司)、Black Pearls 2000(Cabot公司)、乙炔黑、Ketjen Black(日 本KBIC)及碳纳米管，PTFE含量控制在5～30％(质量百分含量，下同)。 阴极内微孔层所用碳材料可以为XC-72、XC-72R、Black Pearls 2000、乙炔 黑、Ketjen Black和碳纳米管的一种或两种以上的混合物，PTFE含量控制在 30～60％。(质量百分含量，下同)