專(zhuān)利名稱(chēng)：直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體及其制備方法和直接甲醇燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，特別涉及直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體及其制備方法和直接甲醇燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，于1839 年由Gove首次提出。相對(duì)于傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，燃料電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)首先，其不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高；其次，產(chǎn)物通常為水，對(duì)環(huán)境污染小。燃料電池的高效和無(wú)污染的特性使其近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注?，F(xiàn)階段的燃料電池主要為氫氧燃料電池，但是鑒于此種燃料電池在氫的產(chǎn)生、儲(chǔ)運(yùn)、運(yùn)輸和安全上的技術(shù)問(wèn)題使其不能大規(guī)模應(yīng)用。為此，人們將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了有機(jī)小分子燃料電池，如甲醇、甲酸等。與氣體燃料相比，此種有機(jī)小分子液體燃料易于儲(chǔ)備和運(yùn)輸， 具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，無(wú)需外重整及氫氣凈化裝置，便于攜帶和儲(chǔ)存，反應(yīng)常務(wù)主要為水和少量的二氧化碳，是環(huán)境友好型的綠色能源。有機(jī)小分子類(lèi)燃料電池中，直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cells, DMFC)被認(rèn)為是最有市場(chǎng)化潛力的一種燃料電池。直接甲醇燃料電池是將電池陰極直接暴露在自然空氣中，空氣中的氧氣通過(guò)濃度差擴(kuò)散和空氣對(duì)流等擴(kuò)散等傳遞形式到達(dá)陰極催化層進(jìn)行電化學(xué)還原反應(yīng)。它無(wú)需甲醇蠕動(dòng)泵、空氣泵等電池輔助設(shè)備以及加熱系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積能量密度高、燃料攜帶和儲(chǔ)存安全、燃料補(bǔ)充快速等特點(diǎn)，適合作為筆記本和手機(jī)等便攜式設(shè)備的電源，具有廣闊的市場(chǎng)前景?，F(xiàn)有的直接甲醇燃料電池包括燃料儲(chǔ)存腔、膜電極復(fù)合體、集流網(wǎng)和極板。其中， 膜電極復(fù)合體包括依次設(shè)置的陽(yáng)極擴(kuò)散層、陽(yáng)極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層和陰極擴(kuò)散層。其制備方法如下將陽(yáng)極催化層和陰極催化層分別噴涂在陽(yáng)極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層上，將質(zhì)子交換膜置于陽(yáng)極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層之間，并使用熱壓方法將其壓為一體， 得到膜電極復(fù)合體?，F(xiàn)有的直接甲醇燃料電池的工作過(guò)程如下甲醇溶液透過(guò)陽(yáng)極進(jìn)入燃料電池，氧氣由陰極進(jìn)入燃料電池，在催化劑的作用下，甲醇所含的氫原子裂解成質(zhì)子與電子，其中質(zhì)子被氧吸引到薄膜的另一邊，電子則經(jīng)由外電路形成電流后到達(dá)陰極，與氧氣形成水，反應(yīng)式如下陽(yáng)極反應(yīng):CH30H+H20 — C02+6H++6e"陰極反應(yīng)3/2&+6Η++— 3H20電池反應(yīng)CH30H+3/2A — C02+2H20盡管直接甲醇燃料電池具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是其也有自身缺陷，這主要體現(xiàn)在較為嚴(yán)重的燃料滲透，這主要是由于質(zhì)子交換膜為高分子聚合材料，質(zhì)子在質(zhì)子交換膜中主要通過(guò)Vehicle機(jī)理的模式傳輸，質(zhì)子以水合態(tài)形式從陽(yáng)極透過(guò)膜到達(dá)陰極，與此同時(shí)陽(yáng)極側(cè)的甲醇也隨水合質(zhì)子中的水共同遷移至陰極側(cè)。這樣，不僅會(huì)給陰極側(cè)帶來(lái)混合電勢(shì)，降低電池輸出電壓；同時(shí)這種燃料滲透也會(huì)帶來(lái)電池壽命下降，燃料利用率低和運(yùn)行時(shí)間短等問(wèn)題。為了解決直接甲醇燃料電池的燃料滲透問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)提供了多種方案，主要為設(shè)計(jì)新型的質(zhì)子交換膜和對(duì)現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜進(jìn)行改性例如申請(qǐng)?zhí)枮?00910089689.9 的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種可降低甲醇滲透的非水合質(zhì)子交換膜的制備方法。又如申請(qǐng)?zhí)枮?200210010338.6的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種應(yīng)用于微型直接甲醇燃料電池的質(zhì)子交換膜的改性方法，該方法是對(duì)Nafion膜首先進(jìn)行伽馬射線(xiàn)照射，然后再進(jìn)行表面化學(xué)鍍鈀處理。 上述方法雖可降低甲醇燃料的滲透率，但是會(huì)造成質(zhì)子交換膜的質(zhì)子電導(dǎo)率的下降，帶來(lái) DMFC的性能下降，穩(wěn)定性存在問(wèn)題，同時(shí)還影響電池壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種具有較高電導(dǎo)率和較低燃料滲透速率的直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體及其制備方法和直接甲醇燃料電池。有鑒于此，本發(fā)明提供一種直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體，包括依次設(shè)置的陽(yáng)極復(fù)合膜層、液體電解質(zhì)層和陰極復(fù)合膜層；所述陽(yáng)極復(fù)合膜層包括依次設(shè)置的陽(yáng)極擴(kuò)散層、陽(yáng)極催化層和陽(yáng)極質(zhì)子交換膜；所述液體電解質(zhì)層包括多孔材料和吸附于所述多孔材料上的液體電解質(zhì)；所述陰極復(fù)合膜層包括依次設(shè)置的陰極擴(kuò)散層、陰極催化層和陰極質(zhì)子交換膜。優(yōu)選的，所述陽(yáng)極催化劑層為PtRu黑或PtRu/C電催化劑。優(yōu)選的，所述陰極催化劑層為Pt黑或Pt/C電催化劑。優(yōu)選的，所述陽(yáng)極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層為碳紙或碳布。優(yōu)選的，所述質(zhì)子陽(yáng)極交換膜和陰極質(zhì)子交換膜為全氟磺酸質(zhì)子交換膜。優(yōu)選的，所述液體電解質(zhì)為濃度為0. 5mol/L 2mol/L硫酸溶液或磷酸溶液。
優(yōu)選的，所述多孔材料為PEFE膜。優(yōu)選的，所述多孔材料的厚度為Imm 5mm。本發(fā)明還提供一種直接甲醇燃料電池膜電極復(fù)合體的制備方法，包括在陽(yáng)極擴(kuò)散層表面噴涂陽(yáng)極催化劑，得到陽(yáng)極；在陰極擴(kuò)散層表面噴涂陰極催化劑，得到陰極；將所述陽(yáng)極與陽(yáng)極質(zhì)子交換膜熱壓復(fù)合，得到陽(yáng)極復(fù)合膜層；將所述陰極與陰極質(zhì)子交換膜熱壓復(fù)合，得到陰極復(fù)合膜層；將所述陽(yáng)極復(fù)合膜層、液體電解質(zhì)層和陰極復(fù)合膜層進(jìn)行固定，所述陽(yáng)極復(fù)合膜層的陽(yáng)極催化劑與液體電解質(zhì)相接觸，所述陰極復(fù)合膜層的陰極催化劑與液體電解質(zhì)層相接觸，得到直接甲醇燃料電池膜電極復(fù)合體；所述液體電解質(zhì)層包括多孔材料和吸附于所述多孔材料上的液體電解質(zhì)。本發(fā)明還提供一種直接甲醇燃料電池，包括燃料儲(chǔ)存腔、陽(yáng)極極板、陽(yáng)極集流網(wǎng)、 膜電極復(fù)合體、陰極集流網(wǎng)和陰極極板，其特征在于，所述膜電極復(fù)合體為權(quán)利要求1所述的膜電極復(fù)合體。本發(fā)明提供一種直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體，包括陽(yáng)極復(fù)合膜層、陰極復(fù)合膜層，和置于陽(yáng)極復(fù)合膜層和陰極復(fù)合膜層之間的液體電解質(zhì)層。相對(duì)于現(xiàn)有的膜電極復(fù)合體，本發(fā)明在陽(yáng)極復(fù)合膜層和陰極復(fù)合膜層之間引入液體電解質(zhì)層，當(dāng)質(zhì)子傳導(dǎo)至電解質(zhì)層，質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理遵循h(huán)opping機(jī)理，由于此機(jī)理不涉及水的遷移，所以在質(zhì)子交換膜中伴隨質(zhì)子傳導(dǎo)滲透的甲醇在液體電解質(zhì)層中被抑制；同時(shí)由于質(zhì)子在液體電解質(zhì)中仍具有較高的電導(dǎo)率，因此，采用本發(fā)明提供的直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體具有較低的甲醇滲透速率和較高的質(zhì)子電導(dǎo)率，其能適應(yīng)較高的甲醇濃度，進(jìn)而為甲醇燃料電池帶來(lái)更高的能量密度，同時(shí)提高燃料利用率。


圖1為本發(fā)明提供的直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1和比較例1制得直接甲醇燃料電池極化曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的限制。本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種用于直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體，如圖1所示為本發(fā)明提供的直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括依次設(shè)置的陽(yáng)極復(fù)合膜層1、液體電解質(zhì)層2和陰極復(fù)合膜層3 ；陽(yáng)極復(fù)合膜層包括依次設(shè)置的陽(yáng)極擴(kuò)散層11、陽(yáng)極催化層12和陽(yáng)極質(zhì)子交換膜 13 ；液體電解質(zhì)層2包括多孔材料和吸附于多孔材料上的液體電解質(zhì)；所述陰極復(fù)合膜層包括陰極擴(kuò)散層31、陰極催化層32和陰極質(zhì)子交換膜33。相對(duì)于現(xiàn)有的膜電極復(fù)合體，本發(fā)明提供的電池膜電極復(fù)合體中在陽(yáng)極復(fù)合膜層和陰極復(fù)合膜層之間引入液體電解質(zhì)層，在液體電解質(zhì)層中，質(zhì)子仍具有較好的電導(dǎo)率，并且質(zhì)子傳導(dǎo)完全遵循h(huán)opping機(jī)理，而此機(jī)理不涉及水的遷移，所以在質(zhì)子交換膜中伴隨質(zhì)子傳導(dǎo)滲透的甲醇在液體電解質(zhì)層中被抑制。因此，本發(fā)明提供的直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體具有較低的甲醇滲透速率和較高的質(zhì)子電導(dǎo)率。本發(fā)明提供的上述膜電極復(fù)合體中陽(yáng)極復(fù)合膜層1由陽(yáng)極和陽(yáng)極質(zhì)子交換膜13 復(fù)合而成，陰極復(fù)合膜層3由陰極和陰極質(zhì)子交換膜33復(fù)合而成。上述陽(yáng)極質(zhì)子交換膜 13和陰極質(zhì)子交換膜33的作用為在保證質(zhì)子傳導(dǎo)順暢的同時(shí)防止液體電解質(zhì)的流失，具體為陰極質(zhì)子交換膜33防止液體電解質(zhì)層中的液體電解質(zhì)透過(guò)陰極催化層32和陰極擴(kuò)散層31流出電池；陽(yáng)極質(zhì)子交換膜13防止液體電解質(zhì)層中的質(zhì)子酸進(jìn)入陽(yáng)極側(cè)甲醇溶液。 上述陽(yáng)極質(zhì)子交換膜和陰極質(zhì)子交換膜均優(yōu)選采用全氟磺酸質(zhì)子交換膜。上述膜電極復(fù)合體中的陽(yáng)極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層均優(yōu)選采用碳紙或碳布。陽(yáng)極催化劑層優(yōu)選為PtRu黑或PtRu/C電催化劑。陰極催化劑優(yōu)選采用Pt黑或Pt/C電催化劑。陽(yáng)
極催化層和陰極催化層的厚度優(yōu)選為8 μ m 12 μ m，貴金屬的載量?jī)?yōu)選為;3mg/cm2 5mg/
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cm ο液體電解質(zhì)層為吸附有液體電解質(zhì)的多孔材料，其一方面用于傳導(dǎo)質(zhì)子，另一方
5面用于抑制甲醇的滲透。液體電解質(zhì)層的多孔材料是液體電解質(zhì)的載體，起到支撐作用，使液體電解質(zhì)層易于與陽(yáng)極復(fù)合膜層和陰極復(fù)合膜層進(jìn)行固定，同時(shí)降低電池接觸電阻。多孔材料優(yōu)選為PEFE膜。多孔材料的厚度優(yōu)選為Imm 5mm，多孔材料過(guò)厚則會(huì)造成質(zhì)子的傳導(dǎo)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，多孔材料過(guò)薄則會(huì)造成對(duì)甲醇的抑制效果不明顯，為此，本發(fā)明更優(yōu)選控制多孔材料的厚度為2mm 4mm。液體電解質(zhì)層中的液體電解質(zhì)優(yōu)選為濃度為0. 5mol/L 2mol/L硫酸溶液或磷酸溶液，上述液體電解質(zhì)對(duì)質(zhì)子具有較好的傳導(dǎo)能力，有助于提高提高質(zhì)子的電導(dǎo)率。本發(fā)明提供的上述直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體的工作原理如下甲醇在陽(yáng)極催化層發(fā)生電氧化反應(yīng)CH30H+H20 — α)2+6Η++6θ_，生成的電子通過(guò)外電路傳輸?shù)竭_(dá)陰極，所生成的質(zhì)子依次透過(guò)陽(yáng)極質(zhì)子交換膜，液體電解質(zhì)層和陰極質(zhì)子交換膜，達(dá)到陰極催化層，并與從空氣擴(kuò)散至陰極催化層的氧氣以及通過(guò)外電路傳輸?shù)竭_(dá)陰極的電子發(fā)生如下反應(yīng)3/202+6Η++ — 3Η20,反應(yīng)所生成的水通過(guò)陰極擴(kuò)散層排出電池。在陰陽(yáng)極催化層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，陽(yáng)極側(cè)的甲醇也通過(guò)不同途徑達(dá)到陰極側(cè)。由于質(zhì)子在質(zhì)子交換膜中的傳導(dǎo)的主要機(jī)理為vehicle機(jī)理，在陽(yáng)極質(zhì)子交換膜中甲醇除了濃度擴(kuò)散部分，還有一部分甲醇跟隨水合質(zhì)子以電滲拖曳的方式向陰極方向傳輸。而當(dāng)質(zhì)子到達(dá)液體電解質(zhì)層時(shí)，由于質(zhì)子傳導(dǎo)完全遵循h(huán)opping機(jī)理，傳導(dǎo)過(guò)程不涉及水分子的移動(dòng)， 所以甲醇傳輸中的電滲拖曳部分被完全抑制，在液體電解質(zhì)層/陰極催化層界面的甲醇濃度非常低。在陰極質(zhì)子交換膜中的甲醇傳輸也由濃度擴(kuò)散和電滲拖曳兩部分組成。所以液體電解質(zhì)層能夠有效抑制甲醇在上述直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體中的滲透。滲透至陰極催化層的甲醇與從空氣擴(kuò)散至陰極催化層發(fā)生如下反應(yīng)CH30H+3/2A — C02+2H20，進(jìn)而在陰極形成混合電位，降低電池性能，并影響甲醇利用率。所以，與傳統(tǒng)直接甲醇燃料電池膜電極復(fù)合體比較，本發(fā)明提供的上述直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體可有效抑制甲醇滲透，提高電池性能和甲醇利用率。由上述方案可知，本發(fā)明提供的上述直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體，在陽(yáng)極復(fù)合膜層和陰極復(fù)合膜層之間引入液體電解質(zhì)層，當(dāng)質(zhì)子傳導(dǎo)至電解質(zhì)層，質(zhì)子傳導(dǎo)遵循 hopping機(jī)理，由于此機(jī)理不涉及水的遷移，所以在質(zhì)子交換膜中伴隨質(zhì)子傳導(dǎo)滲透的甲醇在液體電解質(zhì)層中被抑制；同時(shí)由于質(zhì)子在液體電解質(zhì)中仍具有較好的電導(dǎo)率，因此，采用本發(fā)明提供的直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體具有較低的甲醇滲透速率和較高的質(zhì)子電導(dǎo)率，其能適應(yīng)較高的甲醇濃度，進(jìn)而為甲醇燃料電池帶來(lái)更高的能量密度，同時(shí)提高燃料利用率。本發(fā)明還提供一種上述直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體的制備方法，包括如下步驟在陽(yáng)極擴(kuò)散層表面噴涂陽(yáng)極催化劑，得到陽(yáng)極；在陰極擴(kuò)散層表面噴涂陰極催化劑，得到陰極；將所述陽(yáng)極與陽(yáng)極質(zhì)子交換膜熱壓復(fù)合，得到陽(yáng)極復(fù)合膜層；將所述陰極與陰極質(zhì)子交換膜熱壓復(fù)合，得到陰極復(fù)合膜層；將所述陽(yáng)極復(fù)合膜層、液體電解質(zhì)層和陰極復(fù)合膜進(jìn)行固定，陽(yáng)極復(fù)合膜層的陽(yáng)極催化劑與液體電解質(zhì)相接觸，陰極復(fù)合膜層的陰極催化劑與液體電解質(zhì)層相接觸，得到直接甲醇燃料電池膜電極復(fù)合體；其中，液體電解質(zhì)層包括多孔材料和吸附于所述多孔材料上的液體電解質(zhì)。上述制備方法中，極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層均優(yōu)選采用碳紙或碳布。陽(yáng)極催化劑層優(yōu)選為PtRu黑或PtRu/C電催化劑。陰極催化劑優(yōu)選采用Pt黑或Pt/C電催化劑。陽(yáng)極催化層和陰極催化層的厚度優(yōu)選為8 μ m 12 μ m，貴金屬的載量?jī)?yōu)選為;3mg/cm2 5mg/cm2。 液體電解質(zhì)層的多孔材料優(yōu)選為PEFE膜。多孔材料的厚度優(yōu)選為Imm 5mm，更優(yōu)選為 2mm 4mm。液體電解質(zhì)層中的液體電解質(zhì)優(yōu)選為濃度為0. 5mol/L 2mol/L硫酸溶液或磷酸溶液。熱壓復(fù)合過(guò)程中，壓力優(yōu)選設(shè)為3Mpa 5Mpa，溫度優(yōu)選為60°C 150°C。陽(yáng)極復(fù)合膜層、液體電解質(zhì)層和陰極復(fù)合膜層的固定方式優(yōu)選為通過(guò)螺栓固定。由上述方法制備的直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體具有較低的甲醇滲透速率和較高的質(zhì)子電導(dǎo)率，其能適應(yīng)較高的甲醇濃度，進(jìn)而為甲醇燃料電池帶來(lái)更高的能量密度，同時(shí)提高燃料利用率。本發(fā)明還提供一種直接甲醇燃料電池，其包括燃料儲(chǔ)存腔、陽(yáng)極極板、陽(yáng)極集流網(wǎng)、上述膜電極復(fù)合體、陰極集流網(wǎng)和陰極板。上述直接甲醇燃料電池可以按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法制備，具體如依次將陽(yáng)極極板、陽(yáng)極集流網(wǎng)、膜電極復(fù)合體、陰極集流網(wǎng)、陰極極板固定在窗口式燃料儲(chǔ)存腔上，進(jìn)行密封。陽(yáng)極集流網(wǎng)和陰極集流網(wǎng)起到集流的作用；陽(yáng)極極板和陰極極板起到支撐的作用。上述支撐極板可由金屬板、不飽和聚脂板或石墨板經(jīng)雕刻制成，陰極集流網(wǎng)和陽(yáng)極集流網(wǎng)可為鍍金不銹鋼網(wǎng)或石墨網(wǎng)。本發(fā)明提供的直接甲醇燃料電池與現(xiàn)有的直接甲醇燃料電池的區(qū)別在于本發(fā)明采用上述膜電極復(fù)合體，由于該質(zhì)子交換膜具有較低的甲醇滲透速率，因此采用該膜電極復(fù)合體的直接甲醇燃料電池具有較好的電化學(xué)性能，其能適應(yīng)較高的甲醇濃度，能量密度和燃料利用率均較高。為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體進(jìn)行描述，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。實(shí)施例1本實(shí)施例使用的陽(yáng)極質(zhì)子交換膜和陰極質(zhì)子交換膜均為購(gòu)自DuPont公司的 Nafion 112全氟磺酸質(zhì)子交換膜，其厚度為50μπι;陽(yáng)極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層均為購(gòu)自日本TORAY公司的TGP-H-060碳紙，其厚度為 0. 19mm ；陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑均為購(gòu)自Johnson Matthey公司的電催化劑，陰極側(cè)催化劑為Hispec IOOOPt黑，陽(yáng)極側(cè)催化劑為Hispec 6000 PtRu黑，其載量均為5mg/cm2。具體操作如下1、在陽(yáng)極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層表面分別均勻噴涂陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑，陽(yáng)極催化層和陰極催化層厚度均為 ο μ m，得到陽(yáng)極和陰極，尺寸為3cmX3cm。2、將載有陽(yáng)極催化層的陽(yáng)極擴(kuò)散層和陰極催化層的和陰極擴(kuò)散層分別與一片陽(yáng)極質(zhì)子交換膜和陰極質(zhì)子交換膜熱壓復(fù)合，得到陽(yáng)極復(fù)合膜層和陰極復(fù)合膜層，熱壓過(guò)程中設(shè)置熱壓溫度為120°C，壓力為4Mpa，熱壓時(shí)間為aiiin。3、取厚度為3mm的PEFE多孔膜置于濃度為lmol/L的硫酸溶液后取出，得到液體電解質(zhì)層；將液體電解質(zhì)層置于陽(yáng)極復(fù)合膜層和陰極復(fù)合膜層之間，使用螺栓將三者固定，得到膜電極復(fù)合體。4、將步驟3制備的膜電極復(fù)合體兩側(cè)電極的相應(yīng)位置分別與陽(yáng)極集流網(wǎng)和陰極集流網(wǎng)貼緊，最外層分別是支撐極板，依次將陽(yáng)極極板、陽(yáng)極集流網(wǎng)、膜電極、陰極集流網(wǎng)、 陰極極板固定在窗口式燃料儲(chǔ)存腔上，使用螺栓進(jìn)行固定密封，得到自呼吸被動(dòng)式直接甲醇電池。比較例1本比較例使用的質(zhì)子交換膜均為購(gòu)自DuPont公司的Nafionll2全氟磺酸質(zhì)子交換膜，其厚度為50μπι;陽(yáng)極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層均為日本購(gòu)自TORAY公司的TGP-H-060碳紙，其厚度為 0. 19mm ；催化劑均為購(gòu)自Johnson Matthey公司的電催化劑，陰極側(cè)催化層4為Hispec IOOOPt黑，陽(yáng)極側(cè)催化層2為Hispec 6000 PtRu黑，其載量均為5mg/cm2。具體操作如下1、在陽(yáng)極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層表面分別均勻噴涂陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑，陽(yáng)極催化層和陰極催化層厚度均為 ο μ m，得到陽(yáng)極和陰極，尺寸為3cmX3cm。2、將質(zhì)子交換膜置于陽(yáng)極和陰極之間進(jìn)行熱壓復(fù)合，得到膜電極復(fù)合體，熱壓過(guò)程中設(shè)置熱壓溫度為120°C，壓力為4Mpa，熱壓時(shí)間為aiiin。3、將步驟2制備的膜電極復(fù)合體兩側(cè)電極的相應(yīng)位置分別與陽(yáng)極集流網(wǎng)和陰極集流網(wǎng)貼緊，最外層分別是支撐極板，依次將陽(yáng)極極板、陽(yáng)極集流網(wǎng)、膜電極、陰極集流網(wǎng)、 陰極極板固定在窗口式燃料儲(chǔ)存腔上，使用螺栓進(jìn)行固定密封，得到自呼吸被動(dòng)式直接甲醇電池。對(duì)實(shí)施例1和比較例1制備的自呼吸被動(dòng)式直接甲醇燃料電池分別進(jìn)行極化曲線(xiàn)測(cè)試，測(cè)試都是在由美國(guó)Arbin公司生產(chǎn)的燃料電池測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行的。所述電化學(xué)測(cè)試是在20°C下進(jìn)行的，兩種電池使用的燃料都為3. Omol/L甲醇溶液，陰極側(cè)直接暴露在空氣中。圖2所示為實(shí)施例1和比較例1制得直接甲醇燃料電池極化曲線(xiàn)，圖2中實(shí)心點(diǎn)連接線(xiàn)和空心點(diǎn)連接線(xiàn)分別為實(shí)施例1和比較例1制得的直接甲醇燃料電池極化曲線(xiàn)。由圖2可知采用本發(fā)明提供的新型燃料電池膜電極復(fù)合體的性能明顯高于傳統(tǒng)型自呼吸直接甲醇燃料電池。對(duì)于所有被測(cè)的電流密度，本發(fā)明提供的直接甲醇燃料電池的電壓都比傳統(tǒng)型自呼吸直接甲醇燃料電池高。將電流密度與相對(duì)應(yīng)的電池電壓相乘可以得到電池功率密度，發(fā)明提供的直接甲醇燃料電池的最高功率密度比傳統(tǒng)型自呼吸直接甲醇燃料電池高30%。由于兩種電池中使用的材料都相同，只有電池結(jié)構(gòu)不同，由此可知液體電解質(zhì)層的引入是電池性能提高的原因。液體電解質(zhì)層減少了甲醇滲透，從而降低了在陰極催化層的混合電勢(shì)，最終提升電池電壓，使得電池性能更高。以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的
8一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體，其特征在于，包括依次設(shè)置的陽(yáng)極復(fù)合膜層、液體電解質(zhì)層和陰極復(fù)合膜層；所述陽(yáng)極復(fù)合膜層包括依次設(shè)置的陽(yáng)極擴(kuò)散層、陽(yáng)極催化層和陽(yáng)極質(zhì)子交換膜；所述液體電解質(zhì)層包括多孔材料和吸附于所述多孔材料上的液體電解質(zhì)；所述陰極復(fù)合膜層包括依次設(shè)置的陰極擴(kuò)散層、陰極催化層和陰極質(zhì)子交換膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極復(fù)合體，其特征在于，所述陽(yáng)極催化劑層為PtRu黑或 PtRu/C電催化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極復(fù)合體，其特征在于，所述陰極催化劑層為Pt黑或 Pt/c電催化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極復(fù)合體，其特征在于，所述陽(yáng)極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層為碳紙或碳布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極復(fù)合體，其特征在于，所述質(zhì)子陽(yáng)極交換膜和陰極質(zhì)子交換膜為全氟磺酸質(zhì)子交換膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極復(fù)合體，其特征在于，所述液體電解質(zhì)為濃度為 0. 5mol/L 2mol/L硫酸溶液或磷酸溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極復(fù)合體，其特征在于，所述多孔材料為PEFE膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極復(fù)合體，其特征在于，所述多孔材料的厚度為Imm .5mm ο
9.一種直接甲醇燃料電池膜電極復(fù)合體的制備方法，包括在陽(yáng)極擴(kuò)散層表面噴涂陽(yáng)極催化劑，得到陽(yáng)極；在陰極擴(kuò)散層表面噴涂陰極催化劑，得到陰極；將所述陽(yáng)極與陽(yáng)極質(zhì)子交換膜熱壓復(fù)合，得到陽(yáng)極復(fù)合膜層；將所述陰極與陰極質(zhì)子交換膜熱壓復(fù)合，得到陰極復(fù)合膜層；將所述陽(yáng)極復(fù)合膜層、液體電解質(zhì)層和陰極復(fù)合膜層進(jìn)行固定，所述陽(yáng)極復(fù)合膜層的陽(yáng)極催化劑與液體電解質(zhì)相接觸，所述陰極復(fù)合膜層的陰極催化劑與液體電解質(zhì)層相接觸，得到直接甲醇燃料電池膜電極復(fù)合體；所述液體電解質(zhì)層包括多孔材料和吸附于所述多孔材料上的液體電解質(zhì)。
10.一種直接甲醇燃料電池，包括燃料儲(chǔ)存腔、陽(yáng)極極板、陽(yáng)極集流網(wǎng)、膜電極復(fù)合體、陰極集流網(wǎng)和陰極極板，其特征在于，所述膜電極復(fù)合體為權(quán)利要求1所述的膜電極復(fù)合體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體及其制備方法和直接甲醇燃料電池。上述直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體，包括依次設(shè)置的陽(yáng)極復(fù)合膜層、液體電解質(zhì)層和陰極復(fù)合膜層；陽(yáng)極復(fù)合膜層包括依次設(shè)置的陽(yáng)極擴(kuò)散層、陽(yáng)極催化層和陽(yáng)極質(zhì)子交換膜；液體電解質(zhì)層包括多孔材料和吸附于多孔材料上的液體電解質(zhì)；陰極復(fù)合膜層包括依次設(shè)置的陰極擴(kuò)散層、陰極催化層和陰極質(zhì)子交換膜。采用本發(fā)明提供的直接甲醇燃料電池的膜電極復(fù)合體具有較低的甲醇滲透速率和較高的質(zhì)子電導(dǎo)率，其能適應(yīng)較高的甲醇濃度，進(jìn)而為甲醇燃料電池帶來(lái)更高的能量密度，同時(shí)提高燃料利用率。
文檔編號(hào)H01M4/86GK102361088SQ201110341650
公開(kāi)日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者馮立綱, 劉長(zhǎng)鵬, 李晨陽(yáng), 梁亮, 蔡衛(wèi)衛(wèi), 邢巍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所