[發(fā)明專利]直接甲醇燃料電池高效膜電極的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210568646.0
• 申請日: 2012-12-25
• 公開（公告）號: CN103000912A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王新東;劉桂成;王萌;王一拓;周紅偉;劉高陽;姜穎;蔣鉅明;吳旭蘋;彭冰霜
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 北京金智普華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種直接甲醇燃料電池高效催化層結(jié)構(gòu)的制備方法，屬于直接甲醇燃料電池的高效膜電極組件結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

直接甲醇燃料電池被認為是本世紀最有可能實現(xiàn)商業(yè)化的用于填補電子產(chǎn)品行業(yè)“電力鴻溝”的便攜式能源。然而較低的電池性能是制約其商業(yè)化的主要因素之一，尤其是在電池放電過程中，陽極具有較陰極高的過電位。現(xiàn)有文獻大部分是針對新型高催化活性催化劑及其載體、新型高阻醇性能質(zhì)子交換膜的研發(fā)或Nafion膜的改性、擴散層和微孔層材料以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、陰陽極流場板的改進與設(shè)計、單池和電堆的活化技術(shù)、催化層造孔工藝及催化劑漿料成分匹配的研究等。

膜電極是直接甲醇燃料電池（DMFC）中電化學反應(yīng)的唯一場所，是保證電化學反應(yīng)能高效運行的核心部件，同時它還是物質(zhì)傳遞、電化學反應(yīng)發(fā)生的重要場所。CCM法是目前制備膜電極較為普遍的方法。將催化劑負載到質(zhì)子交換膜上，然后熱壓上擴散層，制備膜電極，其中包括轉(zhuǎn)移法、噴涂法和真空濺射法等。使用CCM法可以將膜電極制備的很薄，且解決了催化層與質(zhì)子交換膜結(jié)合不牢等問題。CCM法以其特有的優(yōu)勢發(fā)展很快。

諸多學者，如Fiseher等、Liu?Peng等、余耀倫，等，在諸多著名期刊發(fā)表其研究成果：采用添加造孔劑以及制備雙層催化層的方法制備了高性能膜電極，實現(xiàn)了催化層和擴散層中孔徑的梯度分布，顯著提高了電極內(nèi)物料傳質(zhì)性能。而在有序電導結(jié)構(gòu)方面，研究較少。Middleman等提出理想的高效催化層結(jié)構(gòu)：將諸如XC-72等電子導體材料成長為納米尺度的長鏈狀電子導體通道，該通道方向垂直于電解質(zhì)膜平面，在電子導體表面高度均勻分散電催化劑納米顆粒后覆蓋一層約10?nm厚的質(zhì)子導體聚合物薄層，增加電解質(zhì)流動性后施加強電場使聚合物定向流動，在催化層內(nèi)規(guī)則分布。該理想催化層結(jié)構(gòu)擁有100%的催化劑利用率。在實際實驗中，這種理想化的模型雖然不可能達到，但該思路啟發(fā)了研究者的思路和開拓點。由于電子通道材料制備納米材料較為成熟，所以以建立電子通道為核心理念的成果也呈現(xiàn)在最近的《Journal?of?Power?Sources》中，Mohammad?Zhiani等提出采用具有電子導電性的聚苯胺納米線上生長催化劑顆粒的方法制備陽極催化層，使得陽極電子通道順暢，催化層有效活性面積得到擴大，進而提高電池性能至105?mW/cm²。在此之前，華南理工大學的Z.?X.?Liang等于2010年在國際能源著名期刊《International?Journal?of?Hydrogen?Energy》發(fā)表成果：在Nafion膜的親水孔隙中生長Pt或Pd的納米線在保證電子、質(zhì)子傳質(zhì)的同時減小通道達到阻醇滲透的目的，最終實現(xiàn)單池性能的提高，在75℃常壓氧氣條件，電池的功率密度峰值達到約55?mW/cm²。也有學者嘗試著建立質(zhì)子通道的納米材料，且取得進展。張余于《電池工業(yè)》中提出在催化層中建立Nafion的梯度分布，實現(xiàn)電子通道與離子通道更連貫的銜接，并在取得良好傳質(zhì)特性的同時減小膜電極電阻。劉桂成在近期的《電池》中提出對催化層加熱立體化的技術(shù)，使得Nafion在質(zhì)子交換膜一側(cè)得到富集，以實現(xiàn)質(zhì)子通道的建立。

從催化劑漿料的配制可得出，貴金屬顆粒的體積遠大于Nafion粘結(jié)劑的體積，所以，質(zhì)子通道的建立相對電子通道的建立更困難些。然而，以上技術(shù)均未在催化層中建立連貫的質(zhì)子通道，且膜電極的制備工藝較為復雜，難以保證膜電極性能的一致性；同時，均沒有能改變催化劑顆粒的團聚形貌，催化劑漿料中的質(zhì)子聚合物掩埋催化劑活性點的現(xiàn)象未能解決和緩解。

本發(fā)明依據(jù)Nafion分子在不同溫度、不同組分分散劑下的固化成型機理，將溫度場應(yīng)用到超聲噴涂技術(shù)中，在催化層中制備了具有納米質(zhì)子通道的微結(jié)構(gòu)，其目的是在催化層中形成質(zhì)子通道，增大催化層中的三相界面，建立質(zhì)子、電子的有序傳導，進而提高催化劑的利用率，使得催化層有效的活性面積增大、提高電池性能。依據(jù)本發(fā)明方法所制備的膜電極性能得到很大幅度的提高，最大的功率密度可達250?mW/cm²。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明公開了一種直接甲醇燃料電池用高效膜電極微結(jié)構(gòu)及其制備方法。該方法依據(jù)Nafion分子在不同溫度、不同組分分散劑下的固化成型機理，提出通過調(diào)節(jié)分散劑組分并將溫度場應(yīng)用到超聲噴涂技術(shù)中，在催化層中制備具有質(zhì)子傳導能力的納米線結(jié)構(gòu)，最終增大催化層電化學活性表面積，建立連續(xù)的質(zhì)子通道，降低電池內(nèi)阻，近而使得膜電極更高效。

本發(fā)明膜電極的制備方法包括以下過程：