一种基于cnt材料的高稳定性直接甲醇燃料电池膜电极的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，涉及一种直接甲醇燃料电池膜电极。
【背景技术】
[0002]得益于液体甲醇的高能量密度，直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell-DMFC)理论比能量可达4900Wh/L，接近锂电池的5倍。但是在实际应用中，Naf1n膜作为甲醇燃料电池的电解质膜，存在比较严重的甲醇渗透问题。这种甲醇渗透不仅会造成燃料的浪费和系统效率的降低，而且增加了阴极极化，降低了 DMFC的输出电压。同时，在DMFC中水大多以水蒸气的形式离开阴极。然而在较低的温度范围内如20~65°C，阴极处超过95%的水都以液态形式累积在阴极催化层内，导致催化剂的利用率下降，阻碍氧气传输，这种现象即为阴极水淹。阴极水淹会限制电池的能量密度和使用寿命，即直接甲醇燃料电池的稳定性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种基于CNT材料的高稳定性直接甲醇燃料电池膜电极，该膜电极不仅可以简化直接甲醇燃料电池的结构，减小其体积，同时很好地解决了直接甲醇燃料电池中阴极一侧的水淹问题，从而增加了阴极的氧气传质，提高了电池长时间持续工作的稳定性，并显著地减小了集流板与膜电极之间的接触电阻，而且避免了传统结构中使用PTFE作为传质阻挡层所带来的内阻增加的问题，提高了电池的性能。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种基于CNT材料的高稳定性直接甲醇燃料电池膜电极，由阳极扩散电极、Naf1n质子交换膜、阴极扩散电极组成，其中阴极扩散电极的扩散层由CNT (碳纳米管)材料制得，阴极扩散电极兼作液体水(阴极)的传质阻挡层以及阴极扩散电极的催化层支撑。
[0005]本发明的膜电极与传统的直接甲醇燃料电池膜电极相比，具有以下优点:
(I)CNT纸对其表面的水具有吸附作用和分散作用，能够减少传质困难带来的影响；同时CNT纸内部的毛细管状结构能够使水蒸气发生毛细凝聚现象，提高了电池的排水速率，可以有效地解决直接甲醇燃料电池的阴极水淹问题。
[0006](2)使用CNT纸制作阴极扩散电极，可以提高阴极催化层内水的浓度和压力，会增加水向阳极的反向传输，从而降低阳极催化层内的甲醇浓度，从而在实现DMFC高浓度甲醇供液的同时降低甲醇渗透，与传统电池相比，新型燃料电池可以工作在更高浓度的甲醇溶液条件下，这就提高了电池的功率密度。
[0007](3)阴极扩散电极兼作液体水(阴极)的传质阻挡层以及阴极扩散电极的催化层支撑。
[0008](4)本发明中CNT基新型阴极扩散电极的DMFC在高温高浓度下表现出很强的优越性，新型燃料电池的长时间放电稳定性得到提高，在30°C、6mol/L的甲醇浓度下，新型燃料电池的恒流放电时间为494min，超出传统电池的63.5%。
【附图说明】
[0009]图1为本发明的基于CNT高稳定性直接甲醇燃料电池膜电极的结构示意图；
图2为载有新型膜电极的直接甲醇燃料电池封装结构示意图；
图3为在30°C、6mol/L的甲醇浓度下，分别载有新型膜电极和传统膜电极的直接甲醇燃料电池工作电流密度，其中:C-paper:碳纸；CNT:碳纳米管。
【具体实施方式】
[0010]【具体实施方式】一:如图1所示，本实施方式的直接甲醇燃料电池膜电极由阳极扩散电极(阳极扩散层1、阳极催化层2)、质子交换膜3、阴极扩散电极(阴极催化层4、阴极扩散层5)组成，质子交换膜3的左侧依次为阳极催化层2、阳极扩散层I ;质子交换膜3右侧依次为阴极催化层4、阴极扩散层5。其中阳极扩散电极采用商用阳极扩散电极，而阴极扩散层5由CNT (碳纳米管)材料制得，同时上述两级也分别作为甲醇水溶液(阳极)和液体水(阴极)的传质阻挡层。
[0011]【具体实施方式】二:本实施方式提供了一种直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，其步骤如下:
(I)制备阴极催化层浆料:
称量30~50mg的Pt/C (Pt和C的混合物，其中Pt的含量为40wt.%)催化剂，加入0.1-0.5mL去离子水混合，用超声振荡仪振荡5~10分钟，直至催化剂被完全浸没。然后加入0.15-0.3ml浓度为5wt.%的Naf1n溶液和0.7-1.5mL异丙醇，再用超声振荡仪振荡并用磁力搅拌器充分搅拌1~2小时，制成阴极催化剂浆料。
[0012](2)制备阴极扩散电极:
将CNT材料纸用超纯水进行超声波冲洗干净，室温干燥，制成阴极扩散层；剪裁约2cmX2cm阴极扩散层CNT材料纸，固定并在其表面均匀刷涂约12~40mg阴极催化剂浆料，涂抹过程中每次刷涂之后在红外加热灯下烘干，即制得所述阴极扩散电极。
[0013]本步骤中，所述阴极催化层Pt载量为l~4mg/ cm2。
[0014](3)热压形成膜电极过程如下:
将商用阳极扩散电极、Naf1n质子交换膜以及阴极扩散电极，分别按从左到右的顺序排列好，并贴在一起，随后将三者在130~140°C的温度以及20MPa的压强下，热压大约5分钟，即制得一种基于CNT高稳定性直接甲醇燃料电池膜电极(MEA)。
[0015]【具体实施方式】三:如图2所示，首先使用阳极集流板8和阴极集流板9把新型膜电极10夹住并固定。然后使用两块中间为矩形开孔的有机玻璃端板7将阳极极集流板8、新型膜电极10和阴极集流板9三个部件一起固定住，最后将储液腔6同连接阳极一侧的有机玻璃端板7连接在一起。
[0016]封装完毕后，对电池进行活化并初步测试发现，载有新型膜电极的直接甲醇燃料电池比使用传统膜电极的电池具有更高的性能和长时间工作的稳定性，如图3所示。
[0017]上述实施方式只是对本专利的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于CNT材料的高稳定性直接甲醇燃料电池膜电极，由阳极扩散电极、Naf1n质子交换膜、阴极扩散电极组成，其特征在于所述阴极扩散电极的扩散层由CNT材料纸制得。
2.根据权利要求1所述的基于CNT材料的高稳定性直接甲醇燃料电池膜电极，其特征在于所述阴极扩散电极采用以下步骤制备: (1)称量30~50mg的Pt/C催化剂，加入0.1-0.5mL去离子水混合，用超声振荡仪振荡5-10分钟，然后加入0.15-0.3ml Naf1n溶液和0.7-1.5mL异丙醇，再用超声振荡仪振荡并用磁力搅拌器充分搅拌1~2小时，制成阴极催化剂浆料； (2)将CNT材料纸用超纯水冲洗干净，室温干燥，制成阴极扩散层电极的扩散层； (3)在扩散层表面均匀刷涂阴极催化剂浆料，即制得阴极扩散电极。
3.根据权利要求2所述的基于CNT材料的高稳定性直接甲醇燃料电池膜电极，其特征在于所述Pt/c催化剂中，Pt的含量为40wt.%。
4.根据权利要求2所述的基于CNT材料的高稳定性直接甲醇燃料电池膜电极，其特征在于所述阴极扩散电极中，CNT材料纸上Pt载量为l~4mg/ cm2。
5.根据权利要求2所述的基于CNT材料的高稳定性直接甲醇燃料电池膜电极，其特征在于所述Naf1n溶液的浓度为5wt.%。
【专利摘要】一种基于CNT材料的高稳定性直接甲醇燃料电池膜电极，属于质子交换膜燃料电池技术领域。所述膜电极由阳极扩散电极、Nafion质子交换膜、阴极扩散电极组成，其中阴极扩散电极的扩散层由CNT材料纸制得。本发明的膜电极不仅可以简化直接甲醇燃料电池的结构，减小其体积，同时很好地解决了直接甲醇燃料电池中阴极一侧的水淹问题，从而增加了阴极的氧气传质，提高了电池长时间持续工作的稳定性，并显著地减小了集流板与膜电极之间的接触电阻，而且避免了传统结构中使用PTFE作为传质阻挡层所带来的内阻增加的问题，提高了电池的性能。
【IPC分类】H01M8-22, H01M4-94, H01M8-02, H01M4-88
【公开号】CN104577147
【申请号】CN201510031477
【发明人】刘晓为, 邓慧超, 张宇峰, 张雪林
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月22日