[發明專利]碳氣凝膠作為陰極吸水層在微型直接甲醇燃料電池膜電極中的應用

在審

• 申請號: 201811613526.1
• 申請日: 2018-12-27
• 公開（公告）號: CN109713319A
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 張宇峰;張雪林;劉曉為;侯陳鋆
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/04291
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

本發明公開了一種碳氣凝膠作為陰極吸水層在微型直接甲醇燃料電池膜電極中的應用，所述微型直接甲醇燃料電池的膜電極結構包括：陽極擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層和陰極擴散層，碳氣凝膠陰極吸水層位于陰極催化層與質子交換膜之間。本發明將碳氣凝膠作為被動式直接甲醇燃料電池的陰極吸水層，通過在陰極催化層中建立液體壓力，將更多的水從陰極輸送回陽極，從而提高燃料電池可承受的甲醇濃度，進而提升燃料電池的輸出性能。

技術領域

本發明涉及一種吸水性能優異的碳氣凝膠作為陰極吸水層在微型直接甲醇燃料電池膜電極中的應用。

背景技術

在全球范圍內，小型便攜式電子設備(1-50W)的市場不斷的增長，如智能手機、筆記本電腦、平板電腦、全球定位系統(GPS)等，吸引了各國科學家對改進電源系統研究的關注。直接甲醇燃料電池可以滿足各類用電器的能量密度的要求，并且可以方便快速地進行充電。此外，直接甲醇燃料電池不需要外加供給設備如泵、閥等，能夠以被動模式操作，依靠擴散和自然對流來提供燃料和氧氣，這種被動設計極大地簡化了燃料電池的系統結構，具有易于集成化、便于攜帶等特點，吸引了各國科研工作者的關注。但是，相比于在主動模式下，被動式直接甲醇燃料電池的質量傳輸性能較差，其中水的傳輸問題是傳質問題之一。

水管理是解決被動式直接甲醇燃料電池輸出性能問題的常用方法之一。在陰極上，由于氧還原反應而產生的水以及從陽極滲透到陰極的水可以在擴散層內積聚。與那些空氣流可以帶走水的主動式直接甲醇燃料電池不同，被動式直接甲醇燃料電池只能利用重力或潤濕性梯度將液態水從陰極擴散層中排出，這使得容易產生所謂的水淹問題并且嚴重地阻礙了氧氣從環境空氣中傳遞到陰極催化層。在陽極上，水/甲醇分子比大于1：1的甲醇溶液以完全6電子氧化反應需要水，否則在甲醇氧化反應過程中會形成一些中間體如甲酸和甲醛等，對燃料電池系統產生一定的副作用。因此，通過膜電極組件(MEA)的結構設計可以從陰極到陽極回收一些水，這不僅可以減輕直接甲醇燃料電池的陰極水淹問題，而且可以減少甲醇滲透，從而使直接甲醇燃料電池能夠運行高甲醇濃度。

發明內容

本發明的目的是提供一種吸水性能與導電性良好的碳氣凝膠作為陰極吸水層在微型直接甲醇燃料電池膜電極中的應用。本發明將碳氣凝膠作為被動式直接甲醇燃料電池的陰極吸水層，通過在陰極催化層中建立液體壓力，將更多的水從陰極輸送回陽極，從而提高燃料電池可承受的甲醇濃度，進而提升燃料電池的輸出性能。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種碳氣凝膠作為陰極吸水層在微型直接甲醇燃料電池膜電極中的應用，所述微型直接甲醇燃料電池的膜電極結構包括：陽極擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層和陰極擴散層，碳氣凝膠陰極吸水層位于陰極催化層與質子交換膜之間，其中：

碳氣凝膠的制備步驟如下：

步驟一、取2～5ml的質量分數為5％的氧化石墨烯于潔凈的燒杯中，加入8～20ml的去離子水、0.2～0.6g的間苯二酚與0.15～0.75ml的甲醛，攪拌15～30min以充分反應；

步驟二、將步驟一所得溶液置于水熱釜中，在80～90℃的恒溫箱中水熱20～25h；將所得樣品在液氮中冷卻，置于真空干燥箱中干燥；

步驟三、將步驟二干燥后得到的樣品在氨氣氣氛下，以5～10℃/min的升溫速率，在800～1000℃下煅燒1～3h，冷卻至室溫后，得到碳氣凝膠。

陽極擴散層與陰極擴散層的制備步驟如下：將碳材料與聚四氟乙烯乳液分散于異丙醇水溶液，超聲振蕩0.5～1h，之后磁力攪拌0.5h形成均勻的漿料，其中PTFE占固體總含量的30～50％；然后通過刷涂或者刮涂的方式將漿料經多次涂覆在支撐層上，在80～120℃的條件下烘干，然后在300～380℃的條件下焙燒20～40min，即得擴散層，其中微孔層的載量為1～5mg.cm^-2，催化層的載量為3～6mg.cm^-2；