[發(fā)明專利]一種直接甲醇燃料電池雙催化層膜電極及其制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110318483.6
• 申請(qǐng)日: 2011-10-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102386420A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-03-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王樹(shù)博;謝曉峰;王金海;王要武;尚玉明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池制備領(lǐng)域，具體涉及一種直接甲醇燃料電池雙催化層膜電極及其制備方法。

技術(shù)背景

隨著傳統(tǒng)化石能源日趨枯竭，能源問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今世界上的熱點(diǎn)話題，而燃料電池作為一種區(qū)別于傳統(tǒng)儲(chǔ)電電池的一種發(fā)電裝置，已經(jīng)成為解決能源問(wèn)題的一個(gè)重要途徑。直接甲醇燃料電池(DMFC)由于使用的是液態(tài)燃料而且工作溫度低，因此被認(rèn)為是一種十分理想的可移動(dòng)電源，極具發(fā)展前途。

膜電極是DMFC的核心組成部分，由陰陽(yáng)極擴(kuò)散層、陰陽(yáng)極催化層和質(zhì)子交換膜組成。傳統(tǒng)膜電極的制備方法可分為兩大類，一類是GDE法，另一類是CCM法。GDE(Gas?Diffusion?Electrode)法，是分別將陰極和陽(yáng)極催化層制備在陰極用和陽(yáng)極用的氣體擴(kuò)散層(GDL，Gas?Diffusion?Layer)上而得到陰陽(yáng)極GDE，再將GDE與質(zhì)子交換膜熱壓在一起從而制備膜電極的方法。CCM(Catalyst?Coated?Membrane)法，是分別將陰極和陽(yáng)極催化層制備在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)，經(jīng)熱壓步驟得到CCM，再與GDL熱壓在一起從而得到膜電極的制備方法。GDE法源于氫氧燃料電池的膜電極制備方法，由于氫氣相對(duì)于甲醇反應(yīng)活性高，從而GDE法適用于氫氧燃料電池膜電極的制備。而CCM法較GDE法，由于其直接將催化層制備于質(zhì)子交換膜上，可大大提高催化層與質(zhì)子交換膜的結(jié)合強(qiáng)度，從而大大減小催化層與膜之間的阻抗，從而可以明顯提高催化劑催化氧化甲醇而發(fā)電的能力，因此CCM法是制備DMFC膜電極的主要方法。

由于DMFC長(zhǎng)時(shí)間工作工程中，會(huì)出現(xiàn)膜電極中催化層與質(zhì)子交換膜的剝離現(xiàn)象，而導(dǎo)致催化層與膜之間的阻抗增大，DMFC發(fā)電性能顯著降低，從而明顯影響DMFC的穩(wěn)定性。上述剝離現(xiàn)象發(fā)生的原因主要是由于催化層與膜之間的不融合而導(dǎo)致的?，F(xiàn)有的膜電極制備技術(shù)中，催化層均與質(zhì)子交換膜直接接觸，為了最大限度的發(fā)揮催化劑催化氧化甲醇的能力，催化層中Nafion的含量一般只能控制在10％～35％重量百分比之間，也就是說(shuō)催化層中催化劑含量高，而由于催化劑與膜是完全兩種體系，兩者不相容，僅通過(guò)催化層中含量較少的Nafion作為粘結(jié)劑來(lái)實(shí)現(xiàn)催化劑與膜之間的結(jié)合，不能滿足膜電極長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后催化層與膜之間的緊密結(jié)合，從而出現(xiàn)催化層與膜之間的剝離現(xiàn)象，最終導(dǎo)致DMFC電池的長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有直接甲醇燃料電池膜電極制備技術(shù)中現(xiàn)存的膜電極運(yùn)行過(guò)程中催化層與質(zhì)子交換膜之間的剝離問(wèn)題，提供一種雙催化層膜電極制備技術(shù)，所述雙催化層是指催化層和“催化膠水”層，從而提高DMFC的工作穩(wěn)定性。

一種直接甲醇燃料電池雙催化層膜電極，該雙催化層膜電極包括陰極擴(kuò)散層、陽(yáng)極擴(kuò)散層、陰極催化層、陽(yáng)極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極“催化膠水”層和陽(yáng)極“催化膠水”層，其中，質(zhì)子交換膜的一側(cè)依次為陰極“催化膠水”層、陰極催化層和陰極擴(kuò)散層，另一側(cè)依次為陽(yáng)極“催化膠水”層、陽(yáng)極催化層和陽(yáng)極擴(kuò)散層，陽(yáng)極“催化膠水”層及陰極“催化膠水”層均含有60～80wt％的Nafion和20～40wt％的催化劑。

所述陽(yáng)極催化層含有10％～15％重量比的Nafion和85％～90％重量比的催化劑，所述陰極催化層含有30％～35％重量比的Nafion和65％～70％重量比的催化劑，陽(yáng)極催化層和陽(yáng)極“催化膠水”層使用的催化劑優(yōu)選PtRu黑催化劑，陰極催化層和陰極“催化膠水”層使用的催化劑優(yōu)選60％Pt/C催化劑。

上述直接甲醇燃料電池雙催化層膜電極的制備方法，該方法包括如下步驟：將質(zhì)子交換膜預(yù)處理后，在質(zhì)子交換膜兩側(cè)分別制備陰極“催化膠水”層和陽(yáng)極“催化膠水”層，然后在陰極“催化膠水”層表面制備陰極催化層，陽(yáng)極“催化膠水”層表面制備陽(yáng)極催化層，再經(jīng)熱壓制備成CCM，將CCM與擴(kuò)散層共同熱壓制備成直接甲醇燃料電池雙催化層膜電極；

所述制備陰極“催化膠水”層的方法為：將催化劑、分散劑和Nafion溶液混合，經(jīng)攪拌、超聲震蕩得到混合均勻的陰極“催化膠水”層漿料，將該漿料涂覆于質(zhì)子交換膜的陰極一側(cè)；

所述制備陽(yáng)極“催化膠水”層的方法為：將催化劑、分散劑和Nafion溶液混合，經(jīng)攪拌、超聲震蕩得到混合均勻的陽(yáng)極“催化膠水”層漿料，將該漿料涂覆于質(zhì)子交換膜的陽(yáng)極一側(cè)。

所述制備陰極催化層的方法為：將催化劑、分散劑和Nafion溶液混合，經(jīng)攪拌、超聲震蕩得到混合均勻的陰極催化層漿料，將該漿料涂覆于陰極“催化膠水”層的表面。