[发明专利]直接甲醇燃料电池的膜电极复合体及其制备方法和直接甲醇燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及直接甲醇燃料电池的膜电极复合体及其制备方法和直接甲醇燃料电池。 

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的发电装置，于1839年由Gove首次提出。相对于传统的能量转换系统，燃料电池具有诸多优点：首先，其不受卡诺循环的限制，能量转换效率高；其次，产物通常为水，对环境污染小。燃料电池的高效和无污染的特性使其近年来受到越来越多的关注。 

现阶段的燃料电池主要为氢氧燃料电池，但是鉴于此种燃料电池在氢的产生、储运、运输和安全上的技术问题使其不能大规模应用。为此，人们将研究重点转向了有机小分子燃料电池，如甲醇、甲酸等。与气体燃料相比，此种有机小分子液体燃料易于储备和运输，具有较高的能量转换效率，无需外重整及氢气净化装置，便于携带和储存，反应常务主要为水和少量的二氧化碳，是环境友好型的绿色能源。 

有机小分子类燃料电池中，直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cells，DMFC)被认为是最有市场化潜力的一种燃料电池。直接甲醇燃料电池是将电池阴极直接暴露在自然空气中，空气中的氧气通过浓度差扩散和空气对流等扩散等传递形式到达阴极催化层进行电化学还原反应。它无需甲醇蠕动泵、空气泵等电池辅助设备以及加热系统，具有结构简单、体积能量密度高、燃料携带和储存安全、燃料补充快速等特点，适合作为笔记本和手机等便携式设备的电源，具有广阔的市场前景。 

现有的直接甲醇燃料电池包括燃料储存腔、膜电极复合体、集流网和极板。其中，膜电极复合体包括依次设置的：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。其制备方法如下： 将阳极催化层和阴极催化层分别喷涂在阳极扩散层和阴极扩散层上，将质子交换膜置于阳极扩散层和阴极扩散层之间，并使用热压方法将其压为一体，得到膜电极复合体。现有的直接甲醇燃料电池的工作过程如下：甲醇溶液透过阳极进入燃料电池，氧气由阴极进入燃料电池，在催化剂的作用下，甲醇所含的氢原子裂解成质子与电子，其中质子被氧吸引到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后到达阴极，与氧气形成水，反应式如下： 

阳极反应：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极反应：3/2O₂+6H⁺+→3H₂O 

电池反应：CH₃OH+3/2O₂→CO₂+2H₂O 

尽管直接甲醇燃料电池具有上述优点，但是其也有自身缺陷，这主要体现在较为严重的燃料渗透，这主要是由于质子交换膜为高分子聚合材料，质子在质子交换膜中主要通过Vehicle机理的模式传输，质子以水合态形式从阳极透过膜到达阴极，与此同时阳极侧的甲醇也随水合质子中的水共同迁移至阴极侧。这样，不仅会给阴极侧带来混合电势，降低电池输出电压；同时这种燃料渗透也会带来电池寿命下降，燃料利用率低和运行时间短等问题。 

为了解决直接甲醇燃料电池的燃料渗透问题，现有技术提供了多种方案，主要为设计新型的质子交换膜和对现有的质子交换膜进行改性：例如申请号为200910089689.9的中国专利公开了一种可降低甲醇渗透的非水合质子交换膜的制备方法。又如申请号为200210010338.6的中国专利公开了一种应用于微型直接甲醇燃料电池的质子交换膜的改性方法，该方法是对Nafion膜首先进行伽马射线照射，然后再进行表面化学镀钯处理。上述方法虽可降低甲醇燃料的渗透率，但是会造成质子交换膜的质子电导率的下降，带来DMFC的性能下降，稳定性存在问题，同时还影响电池寿命。 

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种具有较高电导率和较低燃料渗透速率的直接甲醇燃料电池的膜电极复合体及其制备方法和直接 甲醇燃料电池。 

有鉴于此，本发明提供一种直接甲醇燃料电池的膜电极复合体，包括：依次设置的阳极复合膜层、液体电解质层和阴极复合膜层； 

所述阳极复合膜层包括依次设置的：阳极扩散层、阳极催化层和阳极质子交换膜；

所述液体电解质层包括：多孔材料和吸附于所述多孔材料上的液体电解质； 

所述阴极复合膜层包括依次设置的：阴极扩散层、阴极催化层和阴极质子交换膜。

优选的，所述阳极催化剂层为PtRu黑或PtRu/C电催化剂。