用于制造被動式直接甲醇燃料電池的方法及被動式直接甲醇燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及由化學(xué)燃料發(fā)電和燃料電池的領(lǐng)域，并且更具體地涉及用于制造被動式直接甲醇燃料電池的方法以及被動式直接甲醇燃料電池。根據(jù)本發(fā)明的被動式直接甲醇燃料電池(21，22，23)具有膜電極組件結(jié)構(gòu)(8，12，16，27)，它包括質(zhì)子交換膜(9，13，17，24，26)，通過超聲波焊接附著到所述質(zhì)子交換膜(9，13，7，24，26)兩側(cè)的集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)，和施加到所述結(jié)構(gòu)之上和之內(nèi)的催化劑涂層(11，20)。根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇型燃料電池相比于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的直接甲醇燃料電池，在尺寸體積和重量上非常緊湊，顯著節(jié)約了制造成本。
【專利說明】用于制造被動式直接甲醇燃料電池的方法及被動式直接甲醇燃料電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及由化學(xué)燃料發(fā)電和燃料電池的領(lǐng)域，并且更具體地涉及用于制造被動式直接甲醇燃料電池(passive direct methanol fuel cell)的方法以及被動式直接甲醇燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池，是通過與氧或其它氧化劑的化學(xué)反應(yīng)將來自燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電的裝置。燃料電池有許多類型，但它們都由陽極(負(fù)極側(cè))，陰極(正極側(cè))以及使電荷在燃料電池的兩側(cè)之間移動的電解質(zhì)。在典型的燃料電池中具有被夾持在一起的三部分(陽極，電解質(zhì)和陰極)。取氫燃料電池為例，當(dāng)燃料電池工作時，氫氣被供給到燃料電池的陽極。氧氣(或空氣)通過陰極進(jìn)入燃料電池。通過催化劑的催化，氫原子分裂成質(zhì)子和電子，其選取不同的路徑到達(dá)陰極。質(zhì)子通過電解質(zhì)傳遞。電子創(chuàng)建出單獨(dú)的通路，在它們返回到陰極，與氫和氧被再結(jié)合成水分子之前可以加以利用。燃料電池有不同的類型，如堿性燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池，以及高溫燃料電池，例如固體氧化物燃料電池或熔融碳酸鹽燃料電池。
[0003]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，也被稱為聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池，是針對傳輸?shù)膽?yīng)用，以及固定燃料電池的應(yīng)用和便攜式燃料電池的應(yīng)用而開發(fā)的燃料電池的類型。質(zhì)子交換膜燃料電池可以被使用在較低的溫度/壓力范圍內(nèi)(O到100°C)，且其具有特殊的質(zhì)子交換膜，如聚合物電解質(zhì)膜。為了實(shí)現(xiàn)功能，該膜必須傳導(dǎo)氫離子(質(zhì)子)而非電子，因?yàn)槠鋾谷剂想姵匕l(fā)生實(shí)際上的“短路”。該膜還必須不能讓燃料或氣體傳遞到電池的另一側(cè)而產(chǎn)生被稱之為交換(crossover)的問題。最后,該膜必須能耐受陰極處的還原環(huán)境以及陽極處的苛刻氧化環(huán)境。該P(yáng)EMFC由于其緊湊性成為了車輛以及小至手機(jī)的其他各種尺寸的移動應(yīng)用中的主要候選者。
[0004]目前直接甲醇燃料電池或DMFC中使用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)以及使用甲醇作為燃料。DMFC可以被歸為其中使用甲醇作為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池子類別。
[0005]直接甲醇燃料電池在便攜式電源的應(yīng)用中贏得了越來越多的興趣，因?yàn)镈MFC在室溫下工作時具有良好的能量密度。這顯著降低了小型DMFC系統(tǒng)中熱管理的難度，這樣可延長用戶便攜式電子設(shè)備的待機(jī)時間。此外，相比于氫燃料電池，其燃料很易于補(bǔ)充、恢復(fù)和傳輸。DMFC技術(shù)有望占到用于便攜式設(shè)備的能源中的很大一部分。
[0006]在下文中，參照所附的圖1對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行說明，其中示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的直接甲醇燃料電池的基本結(jié)構(gòu)。
[0007]圖1提供了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的直接甲醇燃料電池的基本結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有技術(shù)直接甲醇燃料電池(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)的典型結(jié)構(gòu)通常為堆疊結(jié)構(gòu)。該堆疊結(jié)構(gòu)是夾層狀，在中間具有聚合物電解質(zhì)膜層I (PEM, Polymer Electrolyte Membrane)。在PEM層I的兩側(cè)有催化劑層2，3。在圖1中，陽極催化劑層2和陰極催化劑層3顯示在PEM層I的兩側(cè)。催化劑層2，3的兩側(cè)有氣體擴(kuò)散層4，5。此外，氣體擴(kuò)散層4，5的兩側(cè)上具有集流體(current collector) 6, 7。在圖1中，陽極集流體6和陰極集流體7顯示在氣體擴(kuò)散層4,5的兩側(cè)。陽極集流體6中具有用于引導(dǎo)甲醇燃料流動的通道。相應(yīng)地，陰極集流體7中具有用于引導(dǎo)氧化劑流動的通道。在集流體6，7的兩側(cè)，可有額外的導(dǎo)電板對燃料電池產(chǎn)生的電力提供更好的導(dǎo)電性。
[0008]在直接甲醇燃料電池的陽極側(cè)，甲醇燃料被供給至陽極集流體6。甲醇燃料和水通過氣體擴(kuò)散層4擴(kuò)散至陽極催化劑層2。DMFC依賴于在陽極催化劑層2上的甲醇氧化形成二氧化碳。在陽極側(cè)的半反應(yīng)是:
[0009]CH30H+H20 — 6H++6e>C02
[0010]該半反應(yīng)表明，催化劑，通常為鉬催化劑，促使甲醇和水分裂成正氫離子和帶負(fù)電的電子，這形成二氧化碳。水在陽極側(cè)被消耗。質(zhì)子(H+)穿過該質(zhì)子交換膜層I被輸送到陰極側(cè)。電子(e_)被通過外部通路從陽極側(cè)輸送至陰極側(cè)，這向所連接的裝置提供電力。它們隨后也都與氧反應(yīng)，生成水，這完成另一半反應(yīng)。
[0011]在直接甲醇燃料電池的陰極側(cè)，氧化劑被供給至陰極集流體7。氧由陰極催化劑層3擴(kuò)散通過氣體擴(kuò)散層5。陰極側(cè)的半反應(yīng)為:
[0012]3/202+6H++6e_ — 3H20
[0013]該半反應(yīng)表明，在陰極側(cè)，電子和帶正電的氫離子與氧結(jié)合形成水，其流出直接甲醇燃料電池。直接甲醇燃料電池的總反應(yīng)可因此寫為:
[0014]CH30H+3/202 — 2H20+C02
[0015]典型的DMFC堆疊結(jié)構(gòu)在液體/氣體運(yùn)輸和甲醇交換方面具有優(yōu)勢。然而，這種結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了額外的阻抗、重量和體積。例如，集流體會占燃料電池堆疊體總成本的10-15%，超過堆疊體重量的80%，以及幾乎所有的堆疊體體積。用于被動式DMFC的結(jié)構(gòu)與主動型DMFC的結(jié)構(gòu)相同。然而，如果沒有額外的功率消耗，被動式系統(tǒng)通常工作在較低的電流密度下，產(chǎn)生的冷卻負(fù)荷降低，水處理的問題少，發(fā)熱小并且需求的燃料輸送率較低。有些DMFC領(lǐng)域的研究，討論了對現(xiàn)有技術(shù)的DMFC結(jié)構(gòu)進(jìn)行較小調(diào)整。但在改變被動式DMFC的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方面仍然沒有討論或指示。
[0016]正如上面提到的，在目前的被動式DMFC的結(jié)構(gòu)有很多缺陷。在市場上明顯需要比目前現(xiàn)有技術(shù)的被動式直接甲醇燃料電池的解決方案更好、更有效的新型被動式直接甲醇燃料電池以及用于制造新型的被動式直接甲醇燃料電池的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]因而本發(fā)明的一個目的是提供一種方法以及用于實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，以克服上述的問題并緩解上述缺點(diǎn)。
[0018]本發(fā)明的目的通過一種用于制造被動式直接甲醇燃料電池的方法所實(shí)現(xiàn)，該其方法包括以下步驟:
[0019]-通過利用超聲波焊接將集流體網(wǎng)格附著在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)以制造膜電極組件結(jié)構(gòu)，以及
[0020]-在所述結(jié)構(gòu)之上和之內(nèi)施加催化劑涂層。
[0021]優(yōu)選地，在該方法中，將第一集流體網(wǎng)格焊接到質(zhì)子交換膜的一側(cè)上，然后將另一個集流體網(wǎng)格焊接到質(zhì)子交換膜的另一側(cè)，然后將催化劑涂層施加到所述結(jié)構(gòu)之上和之內(nèi)。
[0022]可選地，在該方法中，第一集流體網(wǎng)格被同時焊接到質(zhì)子交換膜的兩側(cè)，然后將催化劑涂層施加于所述結(jié)構(gòu)之上和之內(nèi)。
[0023]進(jìn)一步可選地，在該方法中，第一催化劑涂料施加至指質(zhì)子交換膜之上和之內(nèi)，之后集流體網(wǎng)格被焊接至所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)。
[0024]進(jìn)一步可選地，在該方法中，第一催化劑涂料施加至質(zhì)子交換膜之上和之內(nèi)以及集流體網(wǎng)格之上和之內(nèi)，之后所述集流體網(wǎng)格被焊接至所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)。
[0025]進(jìn)一步可選地，在該方法中，第一催化劑涂料被施加至集流體網(wǎng)格之上和之內(nèi)，之后將所述集流體網(wǎng)格焊接至所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)。
[0026]優(yōu)選地，所述集流體網(wǎng)格是由任何金屬，金屬合金或者具有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性的復(fù)合材料制成的，其厚度在1-500 μ m的范圍內(nèi)，通常為10-200 μ m,網(wǎng)眼尺寸在10-1000 μ m的范圍內(nèi)，通常為20-300 μ m。優(yōu)選地，所述催化劑涂層通過絲網(wǎng)印刷施加?；蛘?，所述催化劑涂層通過噴霧施加，例如使用空氣刷。
[0027]優(yōu)選地，所述被動式直接甲醇燃料電池通過適于快速測量燃料電池的特殊的燃料電池測量系統(tǒng)進(jìn)行測試，諸如對所述燃料電池的電壓/電流的測量以及阻抗/頻率的測量。
[0028]此外，本發(fā)明的目的通過被動式直接甲醇燃料電池所實(shí)現(xiàn)，該被動式直接甲醇燃料電池具有膜電極組件結(jié)構(gòu)，其包括質(zhì)子交換膜、通過超聲波焊接附著在所述質(zhì)子交換膜兩側(cè)的集流體網(wǎng)格，以及施加于所述結(jié)構(gòu)之上和之內(nèi)的催化劑涂層。
[0029]優(yōu)選地，在所述膜電極組件結(jié)構(gòu)中，在超聲波焊接之前將該催化劑涂層施加至質(zhì)子交換膜之上和之內(nèi)和/或集流器網(wǎng)格之上和之內(nèi)。
[0030]優(yōu)選地，所述集流體的網(wǎng)格是由任何金屬，金屬合金或者具有適當(dāng)導(dǎo)電性的復(fù)合材料制成的，其厚度在1-500 μ m的范圍內(nèi)，通常為10-200 μ m,網(wǎng)眼的尺寸在10-1000 μ m的范圍內(nèi)，通常為20-300 μ m。優(yōu)選地，所述催化劑涂層通過絲網(wǎng)印刷施加?；蛘?，所述催化劑涂層通過噴霧施加，例如使用空氣刷。
[0031]優(yōu)選地，在所述膜電極組件結(jié)構(gòu)中，燃料借助由亞麻，棉，大麻或相關(guān)的芯材料制成的芯被輸送到膜電極組件表面。優(yōu)選地，所述膜電極組件的結(jié)構(gòu)具有條紋結(jié)構(gòu)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的直接甲醇燃料電池的基本結(jié)構(gòu)；
[0033]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件結(jié)構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)；
[0034]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件結(jié)構(gòu)的另一個實(shí)施方案；
[0035]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件結(jié)構(gòu)的第三個實(shí)施方案；
[0036]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的直接甲醇燃料電池；
[0037]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的直接甲醇燃料電池；
[0038]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的制造過程中采用絲網(wǎng)印刷作為催化劑裝填技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；[0039]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的制造過程中采用絲網(wǎng)印刷作為催化劑裝填技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的截面圖；
[0040]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的制造過程中采用絲網(wǎng)印刷作為催化劑裝填技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯微圖；
[0041]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件的測試排列；
[0042]圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件的電壓-電流測量的測試結(jié)果；以及
[0043]圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件根據(jù)功率密度vs電流密度的電壓-電流測試測量的測試結(jié)果。
[0044]圖1中現(xiàn)有技術(shù)的圖已在之前進(jìn)行了介紹。在下文中，將參照圖2至圖12的附圖，通過優(yōu)選實(shí)施方案對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地描述。
[0045]發(fā)明詳述圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件的部分結(jié)構(gòu)。如圖2所示,膜電極組件的部分結(jié)構(gòu)8 (MEA,Membrane Electrode Assembly)具有聚合物電解質(zhì)膜層9 (PEM, Ploymer Electrolyte Membrane)。在根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池中，集流體層、氣體擴(kuò)散層、催化劑層被嵌入在一起。在不同層之間沒有明顯的層邊界。如圖2所示，網(wǎng)格10，通常為金屬網(wǎng)格10，已被直接焊接到PEM層9上，并在此之后將催化劑油墨11噴到MEA結(jié)構(gòu)8中。在根據(jù)本發(fā)明直接甲醇燃料電池的膜電極組件結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)格10擔(dān)負(fù)著最重的功能責(zé)任。該網(wǎng)格10用作支撐催化劑的電極，該網(wǎng)格10也構(gòu)成了氣體/水?dāng)U散層和機(jī)械支撐體的一部分。
[0046]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施方案。如圖3所示,該膜電極組件結(jié)構(gòu)12的另一實(shí)施例包括PEM層(PEM, proton exchangemembrane) 13和網(wǎng)格層14，15，該網(wǎng)格層14，15已利用超聲波被焊接到PEM層13上。超聲波焊接是使用高頻率的超聲波振動作為能量來源的焊接類型。通過使用超聲波焊接將PEM層13和網(wǎng)格層14，15焊接在一起，而不會產(chǎn)生損壞和短路。焊接結(jié)果的橫截面圖示于圖3。
[0047]在制造根據(jù)本發(fā)明的被動式直接甲醇燃料電池中，質(zhì)子交換膜可以是常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)膜?？梢允褂萌魏谓饘?，金屬合金或者具有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性的復(fù)合材料用作網(wǎng)格材料。當(dāng)電導(dǎo)率是一項(xiàng)所需特性時，鐵和金都是網(wǎng)格中常用的金屬。該網(wǎng)格可具有的厚度可以在1-500 μ m的范圍內(nèi)，通常在10-200 μ m的范圍內(nèi)，且網(wǎng)眼尺寸在10-1000 μ m的范圍內(nèi)，通常在20-300 μ m的范圍內(nèi)。
[0048]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件結(jié)構(gòu)的第三個實(shí)施方案。如圖4中所示，膜電極組件結(jié)構(gòu)16的第三個實(shí)施方案包括PEM層17和網(wǎng)格層18，19，其中網(wǎng)格層18，19已被焊接到PEM層17上。
[0049]將網(wǎng)格層18，19焊接到PEM層17上后，將催化劑油墨20噴霧到MEA結(jié)構(gòu)16中。在根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)格層18，19被用作支撐催化劑的電極，且網(wǎng)格層18,19也能構(gòu)成氣體/水的擴(kuò)散層和機(jī)械支持體的一部分。
[0050]與傳統(tǒng)的膜電極組件結(jié)構(gòu)相比，根據(jù)本發(fā)明的MEA結(jié)構(gòu)16可承受一定程度的卷曲。這意味著，該結(jié)構(gòu)可被用于無法使用流場的場合，例如拱形或曲面結(jié)構(gòu)。此外，根據(jù)本發(fā)明的MEA結(jié)構(gòu)16是焊接后的現(xiàn)成產(chǎn)品，可以直接使用。在結(jié)構(gòu)中不需要機(jī)械壓力將各個層擠壓在一起。[0051]在制造根據(jù)本發(fā)明的被動式直接甲醇燃料電池中，催化劑涂層可以是常規(guī)的催化劑涂層。該催化劑涂層可以在焊接前被施加在質(zhì)子交換膜之上和之內(nèi)和/或集流體之上和之內(nèi)。可選地，催化劑涂層可以被施加至焊接的膜電極組件之上或之內(nèi)。
[0052]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的直接甲醇燃料電池。在圖5所示的根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池中，DMFC的網(wǎng)格層已通過超聲波焊接被焊接至該DMFC的PEM層中。其后催化劑以0.5mg/cm2的量由空氣刷施加于DMFC的表面。最終的9cm2直接甲醇燃料電池21如圖5所示。
[0053]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的直接甲醇燃料電池。同樣，在圖6所示的根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池中，DMFC的網(wǎng)格層已通過超聲波焊接被焊接至DMFC的PEM層中。其后催化劑以0.5mg/cm2的量由空氣刷施加于DMFC的表面。最終的Icm2直接甲醇燃料電池22，23如圖6所示。
[0054]在根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池裝置中，燃料可利用毛細(xì)管作用被送入。燃料可以駐留在與MEA結(jié)構(gòu)相同的空間中或者可選地在單獨(dú)的燃料室中。燃料借助于由亞麻，棉，大麻或相關(guān)芯材料制成的“芯”被輸送到MEA表面。芯材料可以是例如厚的機(jī)織織物。當(dāng)芯材料與燃料有一定接觸后，由于毛細(xì)管作用它把燃料輸送到所述材料的所有部分。因而當(dāng)芯材料與MEA表面直接接觸后，它將燃料輸送到所述電極的表面。在一個替代的解決方案中，MEA芯與集流體的網(wǎng)格層相結(jié)合，即該芯材料包括有集流體的金屬絲。此外，在另一替代解決方案中，MEA芯與膜電極組件結(jié)構(gòu)、集流體網(wǎng)格和被施加于所述結(jié)構(gòu)之上或之內(nèi)的催化劑涂層相結(jié)合。
[0055]在DMFC的MEA的制造中，催化劑可以被加載于氣體擴(kuò)散層上，或者是膜上。然而，在MEA的裝配中，主要挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)膜、氣體擴(kuò)散層和催化劑層之間的良好接觸，因?yàn)樵陔姵氐倪\(yùn)行中，良好的接觸能夠最大限度地提高催化劑的利用率。建議通過使用催化劑涂覆膜的方法使催化劑層和電解質(zhì)膜之間良好接觸，其可以有效地減少催化劑載量而不犧牲電池的性能。
[0056]已開發(fā)了若干種方法用于將催化劑層施加至DMFC，例如涂覆，噴霧，濺射，上漆，絲網(wǎng)印刷，貼附(decaling)，電沉積，蒸發(fā)沉積法以及浸潰還原。最常用的實(shí)現(xiàn)加載催化劑的方法是用刮刀涂覆或用空氣刷技術(shù)進(jìn)行噴霧。
[0057]噴霧通常是指使用空氣刷加載催化劑油墨的過程。噴霧可以是手動或自動的過程。據(jù)作者所知，目前沒有文獻(xiàn)使用自動噴霧過程，但是對應(yīng)的機(jī)械已經(jīng)是可獲得的。在這個過程中，經(jīng)常使用液體油墨。在噴霧過程中的加載量通常為0.1至2.0mg/cm2。
[0058]該噴涂法可容許各種不同的催化劑含量。金屬粉末或附著于炭黑的金屬，或與PTFE和離子交聯(lián)聚合物混合的催化劑，都是適合的。該方法還可以應(yīng)用到自動裝配線中，盡管加載過程消耗時間。每次噴霧后，油墨應(yīng)再次重新混合或者將該油墨在噴霧過程中混合，因?yàn)橐簯B(tài)的油墨容易凝聚。在噴霧過程中，部分催化劑被留在空氣中，部分催化劑被噴射于載體材料上。在這兩種情況下?lián)p失的鉬無法回收。
[0059]涂覆是指通過使用刮刀或類似裝置加載催化劑層。在這個過程中，漿料/糊劑被滴或擠壓到GDL或膜的表面上。然后通過使用自動或手工工具抹平表面，以確保均勻的催化劑層。由涂覆方法得到的加載量通常為大于lmg/cm2。
[0060]絲網(wǎng)印刷是另一種在DMFC的MEA的制造中常用的加載催化劑的方法。在絲網(wǎng)印刷中可以采用糊劑或液體/懸浮液來作為沉積材料。常規(guī)的絲網(wǎng)印刷機(jī)被設(shè)計(jì)成保持絲網(wǎng)平行于且靠近于基材。印刷刮板(squeegee)可以用來提供迫使糊劑通過開口到達(dá)基材上所需的力。絲網(wǎng)印刷工藝可處理始于0.2mg/cm2的薄催化劑層，其通過催化劑層的高度或重量控制。這個過程和涂覆方法具有相似的原理，但絲網(wǎng)印刷工藝已被廣泛應(yīng)用于電子制造業(yè)中因而在加載過程中更具可控性。
[0061]在涂覆和絲網(wǎng)印刷中，催化劑的加載過程是快速和穩(wěn)定的，且催化劑層可在單個過程中成型。糊劑并不需要像噴霧工藝中那樣頻繁的再混合，但需要注意溶劑揮發(fā)。這兩種方法均是有效的；大部分催化劑可以得到使用和回收。這些方法也都具有高的雜質(zhì)耐受性。但是加載受到了工具和設(shè)備的限制。某種催化劑如鉬黑則很少使用在這些方法中，因?yàn)榧兘饘偌虞d產(chǎn)生的非常薄的層，其不能通過這些方法處理。
[0062]已實(shí)驗(yàn)了采用絲網(wǎng)印刷作為用于DMFC的MEA的制造中的催化劑加載技術(shù)。在這個實(shí)驗(yàn)中該加載過程的最終目標(biāo)是在新結(jié)構(gòu)上獲得0.5mg/cm2的催化劑層。
[0063]在本實(shí)驗(yàn)中用于陰極的催化劑糊劑內(nèi)容物為炭黑上的Pt60% 16.7mg，5mg的Fumion,炭黑173.3mg,蒸懼水5ml和異丙醇10ml。對應(yīng)的,用于陽極的催化劑糊劑內(nèi)容物為炭黑上的Pt30% Ru30% 16.7mg, 5mg的Fumion,炭黑173.3mg,蒸溜水5ml,以及異丙醇IOml0
[0064]得到可用的糊劑，使用絲網(wǎng)印刷機(jī)(AP25型，MPM公司)用于在所述膜上加載催化齊U。焊接的帶網(wǎng)格的膜作為基材被連接至PCB的表面。催化劑油墨被用作糊劑，且將帶有IcmX Icm開口的不銹鋼用作模板。
[0065]在這個實(shí)驗(yàn)中使用的膜是Fumapem F14100 (干燥厚度:100120 μ m, FumatechGmbH)。此膜進(jìn)行如下預(yù)處理:膜樣品放置于IOwt %的HNO3水溶液中在t = 80°C下持續(xù)12h，然后在t = 80°C下在蒸餾水中處理lh，最后用蒸餾水沖洗。催化劑油墨是通過將碳負(fù)載的 Pt/PtRu(BASF)分散到碳黑中，然后和 30wt%的 Fumion(FLNA905 型,Fumatech GmbH)一起加入異丙醇:水為5:1的溶液。
[0066]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明在制造直接甲醇燃料電池中采用絲網(wǎng)印刷作為催化劑的加載技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該催化劑涂覆膜用24標(biāo)號標(biāo)記。當(dāng)對膜24的催化劑層進(jìn)行物理刮擦?xí)r，顯示該催化劑已經(jīng)進(jìn)入了膜網(wǎng)格的內(nèi)部。絲網(wǎng)印刷實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，絲網(wǎng)印刷法可被應(yīng)用于本發(fā)明的新型結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的膜電極組件結(jié)構(gòu)可以例如具有條紋結(jié)構(gòu)。
[0067]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明在制造直接甲醇燃料電池中采用絲網(wǎng)印刷作為催化劑加載技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的截面圖。該催化劑涂覆膜以標(biāo)號24標(biāo)記，從圖8的橫截面可以看出，該催化劑層是與膜24相同厚的均勻的層。
[0068]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明在制造直接甲醇燃料電池中采用絲網(wǎng)印刷作為催化劑加載技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯微圖。在圖9的顯微圖中示出，該催化劑已經(jīng)進(jìn)入膜網(wǎng)格的內(nèi)部。
[0069]在根據(jù)本發(fā)明的新結(jié)構(gòu)中，不存在膜膨脹和起皺的問題。該膜可直接使用。本發(fā)明方法的其他優(yōu)點(diǎn)是過程快速，糊劑容易制備，浪費(fèi)低，催化劑加載范圍大，具有耐雜質(zhì)性(impurity toluene),并且該方法很容易擴(kuò)大規(guī)模。
[0070]根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件可以使用特殊的燃料電池測量系統(tǒng)來測量。根據(jù)本發(fā)明的特殊的燃料電池測量系統(tǒng)可具有控制單元，信號處理單元和耦合單元。燃料電池測量系統(tǒng)的控制單元可以包括微控制器單元或微處理器系統(tǒng)，例如筆記本電腦。燃料電池測量系統(tǒng)的信號處理單元可以包括信號處理器單元。燃料電池測量系統(tǒng)的率禹合單元可以包括A/D轉(zhuǎn)換器,D/A轉(zhuǎn)換器和I/O接口(interfacing)連接器。測量序列被編程到所述信號處理單元并存儲到計(jì)算機(jī)的存儲器中。電壓和電流都可以被用作測量值。根據(jù)本發(fā)明的特殊的燃料電池測量系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)用于燃料電池的快速測量，例如所述燃料電池的電壓/電流測量以及阻抗/頻率的測量。測定結(jié)果被存儲到計(jì)算機(jī)的存儲器中。測量結(jié)果的后續(xù)處理，例如傅立葉變換處理，在計(jì)算機(jī)單元中所執(zhí)行。
[0071]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的用于直接甲醇燃料電池的膜電極組件的測試布置。在測試布置中，普通的燃料箱25被用于測試中。在測試布置中膜26被定位成使得該溶液28以及燃料和水被供給到膜電極組件27的陽極側(cè)，而膜電極組件27的陰極側(cè)開放于空氣中。
[0072]如圖10所示，整個DMFC是一種無泵系統(tǒng)并由電化學(xué)反應(yīng)自激活。在這個特定的實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的催化劑的含量為0.5mg/cm2，有效面積為3X3cm，且甲醇濃度為2M。實(shí)驗(yàn)的全部部分都在環(huán)境室溫(20°C )進(jìn)行。
[0073]圖11顯示根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件的電壓-電流測量的試驗(yàn)結(jié)果。在試驗(yàn)布置中，電壓-電流的測量在甲醇溶液與電池接觸20分鐘后開始。每個數(shù)據(jù)點(diǎn)表示在指定的電流密度下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)5分鐘后測定的典型的穩(wěn)態(tài)電壓。不同網(wǎng)格的電壓-電流測量對比試驗(yàn)結(jié)果示于圖11。
[0074]圖12示出根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的膜電極組件的根據(jù)功率密度vs電流密度的電壓-電流測試的試驗(yàn)結(jié)果。功率密度VS電流密度針對不同的網(wǎng)格的對比試驗(yàn)結(jié)果示于圖12。
[0075]圖11和圖12表示，在陽極和陰極側(cè)都使用鍍金的網(wǎng)格提高了被動式DMFC的性能。最大可用電流密度增大，開路電池電壓增加到120mV，隨后在電子負(fù)載啟動時電壓降低，然后電壓保持在與其他測試電池幾乎相似的水平。這表明，在集流體特性在連接負(fù)載之前對燃料電池的性能有很大的影響。當(dāng)負(fù)載連接后，電流密度受電化學(xué)反應(yīng)所限，且集流體不再具備這種顯著的影響。在這種情況下，如果考慮到DMFC的成本和性能，更薄的耐酸鋼網(wǎng)格是最好的選擇，因?yàn)榻鹁W(wǎng)格和耐酸網(wǎng)格之間在加載中沒有顯著差異。
[0076]根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池相比于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的直接甲醇燃料電池，顯著節(jié)約了制造成本。
[0077]根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池相比于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的直接甲醇燃料電池，在尺寸體積和重量方面也非常緊湊。此外，根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池是容易粘接或附著到電子裝置上。
[0078]根據(jù)本發(fā)明的直接甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)簡單，并因此比現(xiàn)有技術(shù)的直接甲醇燃料電池的解決方案更可靠。根據(jù)本發(fā)明的的直接甲醇燃料電池相比于現(xiàn)有技術(shù)方案，在實(shí)施在電子設(shè)備上時具有節(jié)約性，高效性和可靠性。
[0079]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，隨著技術(shù)的進(jìn)步，顯然本發(fā)明的概念可以以各種方式實(shí)施。本發(fā)明及其實(shí)施方案并不局限于上述的例子，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化。
【權(quán)利要求】
1.用于制造被動式直接甲醇燃料電池(21，22，23)的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: -通過利用超聲波焊接將集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)附著于質(zhì)子交換膜(9，13，17，24,26)的兩側(cè)以制造膜電極組件結(jié)構(gòu)(8，12，16，27)，以及 -將催化劑涂層(11，20)施加至該結(jié)構(gòu)之上和之內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在該方法中，第一集流體網(wǎng)格(10，14，18)被焊接到質(zhì)子交換膜(9，13，17，24，26)的一側(cè)，然后另一個集流體網(wǎng)格(15，19)被焊接到質(zhì)子交換膜(9，13，17，24，26)的另一側(cè)，然后將催化劑涂層(11，20)施加至該結(jié)構(gòu)之上和之內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在該方法中，第一集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)被同時焊接到質(zhì)子交換膜(9，13，17，24，26)的兩側(cè)，然后將催化劑涂層(11，20)施加至該結(jié)構(gòu)之上和之內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在該方法中，第一催化劑涂層(11，20)被施加至質(zhì)子交換膜(9，13，17，24，26)之上和之內(nèi)，然后集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)被焊接到所述質(zhì)子交換膜(9，13，17，24，26)的兩側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在該方法中，第一催化劑涂層(11，20)被施加至質(zhì)子交換膜(9，13，17，24，26)之上和之內(nèi)，和施加至集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)之上和之內(nèi)，然后所述集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)被焊接到所述質(zhì)子交換膜(9，13，17，24，26)的兩側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在該方法中，第一催化劑涂層(11，20)被施加至集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)之上和之內(nèi)，然后所述集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)被焊接到質(zhì)子交換膜(9，13，17，24，26)的兩側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)是由任何金屬、金屬合金或者具有適當(dāng)導(dǎo)電性的復(fù)合材料制成，具有1-500 μ m的厚度范圍，通常在10-200μπι的范圍內(nèi)，網(wǎng)眼尺寸在10-1000 μ m的范圍內(nèi)，通常在20-300 μ m的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該催化劑涂層(11，20)通過絲網(wǎng)印刷施加。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該催化劑涂層(11，20)通過噴霧施加，如使用空氣刷。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述被動式直接甲醇燃料電池是用適合于快速測量燃料電池的特定燃料電池測量系統(tǒng)所測試，例如對所述燃料電池的電壓/電流測量和阻抗/頻率測量。
11.被動式直接甲醇燃料電池，其特征在于，所述被動式直接甲醇燃料電池(21，22，23)具有膜電極組件結(jié)構(gòu)(8，12，16，27)，其包括質(zhì)子交換膜(9，13，17，24，26)、通過超聲波焊接附著到所述質(zhì)子交換膜(9，13，17，24，26)兩側(cè)的集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)和施加至所述結(jié)構(gòu)之上或之內(nèi)的催化劑涂層(11，20)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的被動式直接甲醇燃料電池，其特征在于，在所述膜電極組件結(jié)構(gòu)(8，12，16，27)中，所述催化劑涂層(11，20)在超聲波焊接之前被施加至質(zhì)子交換膜(9，.13，17，24，26)之上和之內(nèi)和/或施加至集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)之上和之內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12被動式直接甲醇燃料電池，其特征在于，所述集流體網(wǎng)格(10，14，15，18，19)是由任何金屬、金屬合金或者具有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性的復(fù)合材料制成，具有1-500 μ m的厚度范圍，通常在10-200 μ m的范圍內(nèi)，且網(wǎng)眼尺寸在10-1000 μ m的范圍內(nèi)，通常在20-300 μ m的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)的被動式直接甲醇燃料電池，其特征在于，所述催化劑涂層(11，20)通過絲網(wǎng)印刷施加。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)的被動式直接甲醇燃料電池，其特征在于，所述催化劑涂層(11，20)通過噴霧施加，例如使用空氣刷。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項(xiàng)的被動式直接甲醇燃料電池，其特征在于，在所述膜電極組件結(jié)構(gòu)(8，12，16，27)中，燃料借助于由亞麻，棉，大麻或相關(guān)芯材料制成的芯被輸送到膜電極組件表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至16中任一項(xiàng)所述的被動式直接甲醇燃料電池，其特征在于，所述膜電極組件結(jié)構(gòu)(8，12，16，27)具有條紋結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01M8/02GK103975471SQ201280054004
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月1日
【發(fā)明者】A·圖奧明恩, A·蘇奧明恩, R·喬金恩, M·方塞爾, H·拉格蘭茨, J·梅克勒, 鄭伍魁 申請人:圖爾庫大學(xué)