[发明专利]直接醇类燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种直接醇类燃料电池膜电极结构及其制备方法。

背景技术

能源问题是当今社会发展的一个重要话题。燃料电池技术被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，将广泛应用于航天、军事、通讯和交通等领域。其中，直接醇类燃料电池（DAFC）具有能量密度高、操作简单、燃料易于储存、环保清洁等诸多优点，已经成为便携式电子产品功能的最佳解决方案。

膜电极 (membrane electrode assembly，MEA) 是直接醇类燃料电池的核心部件，MEA通常由扩散层、催化层和质子交换膜组成。迄今为止，DAFC的膜电极仍然是以碳纸或者碳布为支撑层、包含微孔层和催化层的传统结构为主。石墨烯气凝胶是一种近两年来新开发的三维纳米材料，在保留石墨烯原有的独特的电学性能、化学性能以及机械性能的基础上具有超低密度（可低至10mg/cm³）、高表面积(1000m²/g)、高电导率（电导率可达1000S/m以上）以及高孔隙率（孔隙率可高达90%以上，孔的尺寸为微米或纳米量级）等特性，使其可以取代碳纸或者碳布进行DAFC膜电极的制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种直接醇类燃料电池膜电极及其制备方法，其中阴极扩散层和阳极扩散层由石墨烯气凝胶制成的。石墨烯气凝胶具有高比表面积、高孔隙率、高电导率以及良好的热导率和机械强度等优点，且其微结构可以通过氧化石墨烯溶液的溶胶凝胶化过程以及还原过程等工艺参数进行调控，可以有效抑制甲醇渗透、阴极水淹，增强氧气传质，加大催化活性面积，提高直接醇类燃料电池的输出功率，因此可以取代传统的以碳纸或者碳布为基础的气体扩散层进行质子交换膜燃料电池膜电极的制备。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种直接醇类燃料电池膜电极，依次由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层组成，即：阳极催化层位于质子交换膜左侧，阳极扩散层位于阳极催化层左侧；质子交换膜右侧依次为阴极催化层、阴极扩散层。其中，所述阳极扩散层和阴极扩散层由石墨烯气凝胶制得。

一种上述直接醇类燃料电池膜电极的制备方法，以石墨烯气凝胶为扩散层，多次涂覆催化剂浆液至催化剂载量达到一定值，然后热处理压制成膜电极，具体步骤如下：

（1）阴极扩散层和阳极扩散层的制备过程如下：

采用以下两类方法中的一种制备石墨烯气凝胶：1）以间苯二酚（R）和甲醛（F）经过溶胶凝胶聚合形成的酚醛聚合物RF为黏接剂，经过特殊干燥和高温热解还原制备石墨烯气凝胶；2）通过水热法直接由氧化石墨水分散液制得石墨烯气凝胶。根据需要控制工艺条件，制成所需参数的石墨烯气凝胶。依据要求将制得的石墨烯气凝胶裁剪成一定的大小、形状，即可作为阴极扩散层或阳极扩散层。

（2）阴极催化层的制备过程如下：

称取一定量的Pt/C催化剂，其中Pt占催化剂总重量的40~80%，与纯水混合，超声振荡，然后加入Nafion溶液和异丙醇，控制Nafion与Pt/C混合物的质量比为1/3~1/9，超声振荡、磁力搅拌至形成均匀的阴极催化剂浆料。将浆料通过刷涂或喷涂的方式覆于阴极扩散层表面，烘干，即可得到阴极催化层，阴极催化层载量为5~10mg/ cm²。

（3）阳极催化层的制备过程如下：

称取一定量的PtRu/C催化剂，其中Pt、Ru原子比为1:1~1:2，PtRu占催化剂总重量的60~90%，与纯水混合，超声振荡，然后加入Nafion溶液和异丙醇，控制Nafion与PtRu/C混合物的质量比为1/3~1/9，超声振荡、磁力搅拌至形成均匀的阳极催化剂浆料。将浆料通过刷涂或喷涂的方式覆于阳极扩散层表面，烘干，即可得到阳极催化层，阳极催化层载量为5~10mg/ cm²。

（4）热压形成膜电极过程如下：

将质子交换膜置于阳极催化层与阴极催化层的中间，三者对齐摆放，使用热压机在100-180kg.cm^-2的压强下、115-145℃的温度下热压3-8min，即制得膜电极。

本发明与具有传统膜电极结构的直接醇类燃料电池相比，具有以下优点：

1）采用石墨烯气凝胶作为阴极扩散层和阳极扩散层，完全替代了传统膜电极结构中的碳纸或碳布。石墨烯气凝胶具有高比表面积、高孔隙率、高电导率以及良好的热导率和机械强度等优点，且微结构通过改变工艺参数可以调控。