[發明專利]直接甲醇燃料電池用的復合陽極及制作方法

無效

• 申請號: 200810038159.7
• 申請日: 2008-05-28
• 公開（公告）號: CN101286564A
• 公開（公告）日: 2008-10-15
• 發明（設計）人: 楊輝;袁婷;黃慶紅;鄒志青;杜翀;夏保佳
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及到直接甲醇燃料電池用的復合陽極及制作方法，更確切地說涉及一種能夠提高直接甲醇燃料電池性能及其穩定性的復合陽極及制作方法，該復合陽極的使用可以提高液態燃料的傳質效率，有效地提高了電池的性能及其穩定性。

背景技術

近十年來，隨著便攜式電子產品(如手機、掌上電腦、MP3等)的迅猛發展與普及，用戶要求高比能量化學電源的呼聲日益高漲。為了適應各種新型微電子產品對電池高能量密度的需求，從20世紀90年代中期開始，世界各國的許多知名公司和科研機構不斷努力試圖發展小功率的燃料電池，期望能將其應用于便攜式電源，如作為手提電腦、數碼相機和移動電話電源等小型電子設備的電源。

直接醇類燃料電池(DAFCs)是一類使用甲醇、甲酸和乙醇等液體燃料的燃料電池，它們具有以下優點：燃料來源豐富，價格低廉，且便于攜帶和儲存；系統簡單，燃料直接氧化；理論比能量密度高，結構緊湊、使用液態燃料操作安全可靠；微型化潛力大，與氫氧質子交換膜燃料電池相比，直接醇類燃料電池不存在氫儲存和運輸時的安全性問題，能更有效地實現燃料電池的微型化設計和應用。所以，DAFC是小型電子設備供電的優選便攜式電源，具有廣闊的商業化前景。

在20世紀末，以醇類直接為燃料的燃料電池，尤其是直接甲醇燃料電池(DMFC)成為研發的熱點，并取得了長足的進展。然而，直接甲醇燃料電池要達到實際應用還有許多科學的和技術的問題有待進一步解決，主要面臨兩個技術問題：(1)甲醇電氧化速率慢。由于甲醇氧化是一種自中毒過程，氧化過電位高，使得實際輸出電壓較理論電勢低很多；(2)甲醇易通過固體電解質膜滲透到陰極，不但降低了燃料利用率，還使得陰極催化劑對氧還原活性的降低，在氧陰極上產生“混合電位”，導致電池性能降低。陽極燃料濃度越高，燃料跨膜傳輸的速率就越快、單位時間內滲透到陰極的甲醇量就越多，導致電池性能的衰減就越大。因此，為了緩解甲醇的跨膜傳輸、提升DMFC等直接醇燃料電池的功率密度，通常要將甲醇溶液的使用濃度降低。但當采用低濃度的甲醇溶液作為燃料時，甲醇溶液在電極內部的傳輸速度受限，導致電池在相對低的電流下就受傳質控制，使得燃料電池系統的功率密度很低。而直接甲酸燃料電池也同樣存在傳質受限的問題，甲酸在催化劑表面的催化氧化速度很快，倘若傳質跟不上將直接導致電池體系性能不佳。因此，如何在直接醇燃料電池系統中實現燃料有效的傳質技術，保持適宜的燃料傳輸速度是十分重要的。

發明內容

本發明提供了一種直接醇類燃料電池復合陽極、制備方法，有效地提高了液體燃料在電極內部的傳輸，確保了燃料向催化劑表面的高效傳質，從而提高了燃料電池系統的性能及其穩定性。

本發明提供了一種能夠提高直接甲醇燃料電池性能及其穩定性的復合陽極、制備方法。所述的復合陽極是由支撐層、擴散層和催化層構成。所述的復合陽極是以碳紙或碳布為支撐層，先涂覆分散均勻的碳納米管基的碳材料和粘結劑的混合物作為擴散層，然后根據需要再涂覆一層能催化醇類燃料發生電氧化的貴金屬催化劑，如鉑-釕等，通過合適的熱處理等步驟，制備獲得能高效傳輸液態燃料并催化其發生電化學反應的復合陽極。其特征在于擴散層由碳納米管構成網絡通道的結構。

現將各步驟分述如下：

1、陽極擴散層漿料的制備：將一定量的碳納米管或碳納米管與其它碳材料的混合物經超聲分散于異丙醇的水溶液中。按每毫克碳粉0.02-2mL量加入水和異丙醇混合溶液，其中水和異丙醇的體積比控制在0.5-3。碳納米管可以為不同型號和不同管徑的單壁、雙壁或多壁碳納米管(SWNTs、DWMTs、MWNTs)，其它碳材料可以為商業化的XC-72碳、XC-72R碳、BP-2000和Ketjen黑活性碳等，碳納米管與其它碳材料的混合物中，碳納米管的質量百分含量控制在100％-20％范圍內。將上述混合物機械攪拌或超聲攪拌0.5-4h即可得到分散均勻的漿液A。

2、向漿料A中添加一定量的聚四氟乙烯作為粘結劑，經過機械攪拌或超聲攪拌0.5-4h，形成均的漿液B。其中粘結劑占碳材料質量百分數的10-40％。