[发明专利]一种直接醇类燃料电池膜电极及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接醇类燃料电池膜电极。

本发明还涉及一种直接醇类燃料电池膜电极的制备方法。

背景技术

直接醇类燃料电池（DAFC）由于其高效、环境友好等特点，近年来受到各国研究机构的密切关注。其中以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池由于其体积小、安全性高，得到了更深入的研究。其核心部件膜电极（MEA）组件通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜热压组成。质子交换膜在膜电极中起着分隔阴、阳极室和传导质子的双重作用，其性能的好坏直接影响到燃料电池的性能和稳定性。

然而，在直接醇类燃料电池系统中，质子交换膜在传导质子的同时，甲醇在电渗和浓度梯度的作用下也发生了渗透。由阳极渗透至阴极的甲醇和O₂发生反应，不仅会增加甲醇在阴极的消耗，而且还会与O₂在Pt活性位上竞争吸附，在阴极形成混合电位，显著降低DAFC的阴极性能。因此提高质子交换膜的阻醇能力是DAFC商业化进程中亟待解决的关键问题之一。

DAFC用质子交换膜按聚合物基体不同，可分为以Nafion膜为代表的全氟磺酸膜和高性能聚芳膜等。其中，Nafion膜以其独特的物理化学性能仍然是DAFC的首选膜材料，而甲醇在Nafion膜上的渗透较严重是阻碍其应用的一个棘手问题。有关Nafion膜的改性研究有：通过低能电子束或等离子体改善Nafion膜的表面结构；通过表面溅射或压合工艺制备Pd-Nafion膜；与其它聚合物共混制备共混膜；向膜中加入吸水性的氧化物，如SiO₂、TiO₂等制备自保湿膜；聚合物和TiO₂-SO₄^2-等固体超强酸及其它无机材料的复合膜等。但采用上述方法制备的阻醇膜仍不能同时解决膜电阻高、稳定性差、制备过程复杂等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直接醇类燃料电池膜电极及其制备方法，该膜电极具有较高的阻燃料渗透性能，可应用于直接醇类燃料电池。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种直接醇类燃料电池的膜电极，包括依次叠合的阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层，所述膜电极在质子交换膜阳极侧与阳极催化层之间添加氧化石墨烯层。

所述氧化石墨烯层由氧化石墨烯和Nafion组成，氧化石墨烯与Nafion的质量比为5:1-1:5。

所述氧化石墨烯层的氧化石墨烯载量为0.01-0.5mg/cm²。

所述膜电极的制备方法，包括阳极扩散层的制备、CCM结构的阳极催化层的制备、GDE结构的阴极的制备，具体包括以下步骤，

1）氧化石墨烯浆液的制备：将氧化石墨烯超声分散于无水乙醇中，浓度为0.1-1mg/ml，加入Nafion，超声混合均匀，使氧化石墨烯与Nafion质量比为5:1-1:5；

2）氧化石墨烯层的制备：将制备好的氧化石墨烯浆液涂覆于质子交换膜的表面，使氧化石墨烯的载量为0.01-0.5mg/cm²，得质子交换膜-氧化石墨烯层；

3）CCM结构的阳极催化层的制备：于步骤2）所述质子交换膜-氧化石墨烯层表面制备阳极催化层，即得CCM结构的阳极催化层；

4）膜电极的制备：将上述阳极扩散层、CCM结构的阳极催化层、GDE结构的阴极在100-140℃下热压制得膜电极。

于步骤2）所述氧化石墨烯层表面喷涂Nafion层，得质子交换膜-氧化石墨烯-Nafion层。

采用真空热处理对所述质子交换膜-氧化石墨烯-Nafion层进行处理，所述真空热处理的温度为100-200℃。

采用NaBH₄水溶液对所述质子交换膜-氧化石墨烯-Nafion层进行浸渍处理。

所述石墨烯浆液的涂覆方法为喷涂法、刷涂法、刮涂法；所述阳极催化剂浆液的涂覆方法为喷涂法、刷涂法、刮涂法。

所述膜电极可应用于直接醇类燃料电池中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.通过在阳极催化层与质子交换膜之间加入氧化石墨烯层，在保证直接醇类燃料电池性能的同时有效地降低了膜电极的甲醇渗透率；

2.本发明所采用的制备方法简单易行，成本低廉；

3.氧化石墨烯前体材料原料来源广泛，制备方法成熟。

附图说明

图1为实施例1、实施例2、实施例3与比较例1所述各膜电极的扫描电子显微镜（SEM）测试结果。