专利名称：一种新型直接硼氢化钠燃料电池阴极工业生产技术的制作方法
技术领域：
本技术涉及电极制备领域，特别涉及直接硼氢化钠燃料电池阴极制备领域。
背景技术：
燃料电池是一种直接将储存在燃料中的化学能转化为电能的发电技术，由于其具有能量转换效率高、低排放、无污染和无噪音等优 点，被认为是继火力、水力、核能之外的第四种发电方法。开发非贵金属催化剂一直是降低燃料电池成本，推动燃料电池技术实用化的关键问题之一 [Michel Lefevre, Eric Proietti, Frederic Jaouen, et al.,Science, 2009， 324:71-74]。石墨烯是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体材料，它具有独特的物理化学性质，如高理论比表面积(约2630 m2 g—1)、高化学稳定性、高电导率(106S cnT1)和易功能化等[Dongsheng Geng , Songlan Yang, Yong Zhang, et al.,Applied Surface Science, 2011, 257:9193 - 9198]，具有重要的科学研究意义和广泛的应用前景。最近氮掺杂石墨烯的合成及其电化学特性的研究受到广泛关注[DongshengGeng, Songlan Yang, Yong Zhang, et al. , Applied Surface Science, 2011，257:9193 - 9198; Yuyan Shao, Sheng Zhang, Mark H，et al. , Journal of MaterialsChemistry, 2010，20:7491 - 7496; Liangti Quj Yong Liu, Jong-Beom Baekj et al.,Nano, 2010, 4:1321 - 1326] 0研究表明，氮掺杂石墨烯后可以有效提高石墨烯的电导率和耐腐蚀性[Dongsheng Geng, Songlan Yang, Yong Zhang, et al. , Applied SurfaceScience, 2011, 257:9193 - 9198];而Shao等人研究表明，由于氮功能团和表面结构缺陷的引入，氮掺杂石墨烯对氧气和双氧水还原反应的催化活性明显高于纯石墨烯[YuyanShao, Sheng Zhang, Mark H， et al. , Journal of Materials Chemistry, 2010,20:7491 - 7496] 0由此可见，氮掺杂石墨烯是一种非常有潜力应用到燃料电池非贵金属阴极催化剂的新型材料。石墨烯的物理化学性能与石墨烯的层数密切相关，理论上而言单原子层的石墨烯具有最佳的物理化学性能。研究发现在金属镍表面容易生长多层石墨烯，且在生长过程中难以通过控制反应组元、温度等参数简单调控石墨烯的层数。另一方面，自从燃料电池技术发展以来，低温燃料电池中最常用的两种燃料电池膜电极的制备方法仍是1)将催化剂层应用于气体扩散层，而后增加膜；2)将催化剂层应用于膜，而后增加气体扩散层[马欣、王胜开，陈国顺等译，燃料电池设计与制造，电子工业出版社，2008年]。以上两种方法的催化剂层的制备中都添加憎水材料(聚四氟乙烯)来实现三相反应界面，然而憎水材料添加量的变化直接影响到催化剂层的催化反应速率和燃料电池的发电效率，在一定程度上影响了电池实际使用性能。同时憎水处理过程增加了电池电极制备流程，提高了电池生产成本。为了同时解决电极憎水处理和开发新型高催化活性的阴极，本发明提供了一种新型高催化活性的阴极的规模化工业生产技术
发明内容
为开发催化活性高、能规模化工业生产且能简化憎水处理过程的阴极制备方法，本发明运用以下思路解决上述问题利用一套反应装置实现石墨烯的生长和氮掺杂的一步法连续制备，且该生长方法能通过石墨烯的生长时间调控其层数，利用石墨烯本身具有良好的憎水性免除常规阴极的憎水处理，利用石墨烯良好的导电性和多孔透气性充当气体扩散层和导电层，同时在石墨烯表面进行氮掺杂，利用氮掺杂形成的C-N活性位催化氧气还原作用充当催化剂层，实现电池的正常工作。本发明的具体实施过程如下在密闭的可抽真空和通气氛的安装有电动收卷放卷装置的反应器中，将泡沫镍卷放在左侧转轴，抽出泡沫镍一头穿过中间反应区固定于右侧收卷机构。将反应器抽真空至10_2 Pa并充氮气再抽真空，反复数次使反应器内氧气残余量小于10_4 Pa。将中间反应区温度升至1000 °C，开始通入甲烷、氨气和氮气混合气体，同时开动右侧传动收卷机构使泡沫镍连续通过中间反应区。当泡沫镍完全收卷于右侧后停止加热和通气，使反应器内温度降低 至100 0C以下后打开反应器取出泡沫镍卷。根据燃料电池流场面积，从泡沫镍卷中裁剪适当尺寸的泡沫镍，并压薄至I mm。将压薄的泡沫镍与碳毡、质子交换膜、阳极组装成膜电极(MEA)，之后与流场极板装配为直接硼氢化钠燃料电池。本发明的有益效果实现了氮掺杂石墨烯原位一体地应用于直接硼氢化钠燃料电池阴极并使电池获得高的发电性能；免去难控制的憎水工序，极大地简化了电池阴极的制备技术；实现阴极大批次规模化工业生产，提高电池生产率并降低生产成本。
图I原位反应装置示意图 图2 MEA结构图
具体实施例方式实施例I :
在如图I所示的反应器中，将泡沫镍卷放在左侧转轴,抽出泡沫镍一头穿过中间反应区固定于右侧收卷机构。将反应器抽真空至10_2 Pa并充氮气再抽真空，反复数次使反应器内氧气残余量小于10_4 Pa。将中间反应区温度升至1050 °C，开始通入甲烷、氨气和氮气混合气体(三者体积比为10:30:60),同时开动右侧传动收卷机构使泡沫镍以I mm/min的速率连续通过中间反应区。当泡沫镍完全收卷于右侧后停止加热和通气，使反应器内温度降低至100 °C以下后打开反应器取出泡沫镍卷。根据燃料电池流场面积，从泡沫镍卷中裁剪适当尺寸的泡沫镍，并压薄至I _。将压薄的泡沫镍与碳毡、质子交换膜、Ni-Pd阳极按图2结构组装成MEA，之后与流场极板装配为直接硼氢化钠燃料电池。该电池以IOwt. %Na0H-5wt. %NaBH4为燃料在80 0C的最大输出功率密度可达到240 mW/cm2。
实施例2
在如图I所示的反应器中，将泡沫镍卷放在左侧转轴,抽出泡沫镍一头穿过中间反应区固定于右侧收卷机构。将反应器抽真空至10_2 Pa并充氮气再抽真空，反复数次使反应器内氧气残余量小于10_4 Pa。将中间反应区温度升至1050 °C，开始通入甲烷、氨气和氮气混合气体(三者体积比为20:40:40),同时开动右侧传动收卷机构使泡沫镍以10 mm/min的速率连续通过中间反应区。当泡沫镍完全收卷于右侧后停止加热和通气，使反应器内温度降低至100 °c以下后打开反应器取出泡沫镍卷。根据燃料电池流场面积，从泡沫镍卷中裁剪适当尺寸的泡沫镍，并压薄至I _。将压薄的泡沫镍与碳毡、质子交换膜、Ni-Pd阳极按图2结构组装成MEA，之后与流场极板装配为直接硼氢化钠燃料电池。该电池以IOwt. %NaOH-5wt. %NaBH4为燃料在80 0C的最大输出功率密度可达到280 mW/cm2。
实施例3
在如图I所示的反应器中，将泡沫镍卷放在左侧转轴,抽出泡沫镍一头穿过中间反应区固定于右侧收卷机构。将反应器抽真空至10_2 Pa并充氮气再抽真空，反复数次使反应器内氧气残余量小于10_4 Pa。将中间反应区温度升至1050 °C，开始通入甲烷、氨气和氮气混合气体(三者体积比为40:20:40)，同时开动右侧传动收卷机构使泡沫镍以100 mm/min的速率连续通过中间反应区。当泡沫镍完全收卷于右侧后停止加热和通气，使反应器 内温度降低至100 °C以下后打开反应器取出泡沫镍卷。根据燃料电池流场面积，从泡沫镍卷中裁剪适当尺寸的泡沫镍，并压薄至I _。将压薄的泡沫镍与碳毡、质子交换膜、Ni-Pd阳极按图2结构组装成MEA，之后与流场极板装配为直接硼氢化钠燃料电池。该电池以IOwt. %Na0H-5wt. %NaBH4为燃料在80 0C的最大输出功率密度可达到300 mW/cm2。
不脱离本发明的范围和原理，本发明的不同改变和变化对于本领域普通技术人员是显而易见的，应当理解本发明不限于在上文提出的示例性实施方式。
权利要求
1.一种直接硼氢化钠燃料电池阴极的工业生产技术，包括如下步骤 1)在密闭的可抽真空和通气氛的安装有电动收卷放卷装置的容器中，将泡沫镍卷放在左侧转轴，抽出泡沫镍一头穿过中间反应区固定于右侧收卷机构，将反应装置抽真空至10_2 Pa并充氮气再抽真空，反复数次使反应器内氧气残余量小于10_4 Pa;将中间反应区温度升至1050 °C，开始通入甲烷、氨气和氮气混合气体，同时开动右侧传动收卷机构使泡沫镍连续通过中间反应区，当泡沫镍完全收卷于右侧后停止加热和通气，使反应器内温度降低至100 0C以下后打开反应器取出泡沫镍卷； 2)根据燃料电池流场面积，从泡沫镍卷中裁剪适当尺寸的泡沫镍，并压薄至I将压薄的泡沫镍与碳毡、质子交换膜、阳极组装成膜电极。
2.如权利要求I所述的一种直接硼氢化钠燃料电池阴极的工业生产技术，其特征在于甲烷、氨气和氮气混合气体的体积比例为甲烷为10% 40% ;氨气为20% 40% ;氮气为40% 60%。
3.如权利要求I所述的一种直接硼氢化钠燃料电池阴极的工业生产技术，其特征在于泡沫镍通过中间反应区的速度为100 mm/min。
4.如权利要求I所述的一种直接硼氢化钠燃料电池阴极的工业生产技术，其特征在于所制备的泡沫镍表层充分覆盖石墨烯，且石墨烯的层数为1飞0，石墨烯结构内掺杂有氮元素，氮元素含量不低于0.005% (原子百分比)。
5.如权利要求I所述的一种直接硼氢化钠燃料电池阴极的工业生产技术，其特征在于碳毡位于泡沫镍与质子交换膜之间。
6.一种直接硼氢化钠燃料电池，其特征是其具备权利要求f 5中任一项所述的阴极。
全文摘要
本发明公开了一种新型直接硼氢化钠燃料电池阴极的规模化工业生产技术，该技术以不含有贵金属元素的碳氮材料为核心催化剂，包括多孔石墨烯网络载体的制备、氮掺杂的一体化处理。所制备的阴极具有超高的电导率、比表面积和优异的催化活性。该技术生产阴极过程简单可控，对推动直接硼氢化钠燃料电池实用化有重要作用。
文档编号H01M8/10GK102760890SQ20121026379
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月29日 优先权日2012年7月29日
发明者何燕, 刘嘉斌, 季振国, 李爱国, 王娟, 王宏涛, 秦海英 申请人:刘嘉斌