專(zhuān)利名稱：直接醇類(lèi)燃料電池負(fù)極制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電極的制作方法，特別是直接醇類(lèi)燃料電池負(fù)極的制作方法，屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鑒于甲醇、乙醇等小分子醇類(lèi)燃料具有來(lái)源豐富、價(jià)格便宜、毒性小、常溫下為液體，便于攜帶、儲(chǔ)存和補(bǔ)充等突出優(yōu)點(diǎn)，以及相應(yīng)的直接醇類(lèi)燃料電池具有工作穩(wěn)定性高、無(wú)需充電、無(wú)噪音等優(yōu)良特性，直接醇類(lèi)燃料電池特別適合作為小型便攜式電子設(shè)備的配套電源。事實(shí)上，直接醇類(lèi)燃料電池作為質(zhì)子交換膜燃料電池的一種，除了采用的燃料不同外，其他部件材料及電堆結(jié)構(gòu)與質(zhì)子交換膜燃料電池均基本相同，在制備方法上也基本繼承了質(zhì)子交換膜燃料電池的工藝特點(diǎn)和技術(shù)路線。
為了提高質(zhì)子交換膜燃料電池負(fù)極的性能，人們提出了很多種制備方法，如噴涂法、刮涂法、轉(zhuǎn)壓法、過(guò)濾沉降法、絲網(wǎng)印刷法等，這些方法在一定程度上可以形成比較薄而均勻的催化層，有利于鉑的充分利用。但是實(shí)驗(yàn)證明，最靠近質(zhì)子交換膜的鉑或貴金屬利用率最高，遠(yuǎn)離質(zhì)子交換膜的鉑或貴金屬利用率大幅度降低。另外，最靠近膜的離子導(dǎo)電高聚物的含量高，會(huì)增加膜和催化劑的結(jié)合力，并提高質(zhì)子由催化劑表面向膜的擴(kuò)散速度。但是如果遠(yuǎn)離膜的離子導(dǎo)電高聚物的含量過(guò)高，反而會(huì)阻礙反應(yīng)物向內(nèi)部催化劑的擴(kuò)散。
而直接醇類(lèi)燃料電池負(fù)極作為其核心部件之一，其性能的優(yōu)劣和制作成本的高低將直接影響到直接醇類(lèi)燃料電池的性能和價(jià)格。然而目前尚沒(méi)有制備直接醇類(lèi)燃料電池負(fù)極的專(zhuān)用工藝技術(shù)，現(xiàn)行制備工藝仍沿用質(zhì)子交換膜燃料電池負(fù)極的制備方法，但是這些方法存在以下缺點(diǎn)(1)電極的均一性較差；(2)原材料利用率較低，從而導(dǎo)致較高的制作成本。因此，應(yīng)該設(shè)法在電極厚度方向上造成貴金屬鹽和離子導(dǎo)電高聚物的濃度梯度，提高鉑和貴金屬鹽的利用率，進(jìn)而提高電極的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種直接醇類(lèi)燃料電池負(fù)極的制備方法，提高電極厚度以及電極之間的均一性，同時(shí)在電極的厚度方向上造成鉑或貴金屬鹽和離子導(dǎo)電高聚物的濃度梯度，提高鉑或貴金屬鹽等原材料在電極制作過(guò)程和實(shí)際使用過(guò)程中的利用率，提高電極的性能，并降低電極的制作成本。相應(yīng)發(fā)明的內(nèi)容可描述如下第一步稱取一定量的鉑或貴金屬催化劑、碳纖維、粘結(jié)劑、醇和水。首先在超聲波粉碎機(jī)和行星式精密機(jī)械攪拌機(jī)中混合碳纖維、催化劑和醇5～35分鐘，同時(shí)在另外一個(gè)同樣的裝置中混合粘結(jié)劑與水5～35分鐘；然后將粘結(jié)劑與水的均勻混合物加入到分散好的碳纖維、催化劑和醇的混合液中繼續(xù)攪拌5～35分鐘。所用粘結(jié)劑為全氟磺酸溶液、PVDF、PVA中的一種或幾種，所用醇為甲醇、乙醇等小分子醇類(lèi)。
第二步將第一步制得的均勻混合液置于流延機(jī)的漿料斗中，采用聚乙烯或聚丙烯等塑料薄膜作為負(fù)極濕膜的載體，控制濕膜的厚度在30～320μm。
第三步將上述濕膜及載體經(jīng)機(jī)械拉動(dòng)進(jìn)入干燥處理裝置，控制溫度在60～100℃，時(shí)間1～12min。干燥處理在流動(dòng)的氬氣、氦氣、氮?dú)獾榷栊詺夥罩羞M(jìn)行。
第四步將干燥后的負(fù)極膜及載體繼續(xù)通過(guò)一個(gè)輥壓機(jī)，輥壓壓力為20～80kg/cm2；第五步對(duì)于厚度方向上不同濃度梯度負(fù)極的制作需要重復(fù)第一步至第四步的相應(yīng)步驟，一般3～5次，同時(shí)調(diào)節(jié)催化劑、碳纖維、粘結(jié)劑、醇和水的配置比例，按照在厚度方向上依次增大或依次減小的濃度梯度增加或減少催化劑的比例。
第六步最后將負(fù)極膜與載體剝離，負(fù)極膜進(jìn)入沖壓機(jī)采用所需要尺寸的沖模進(jìn)行沖切。
本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，即采用了較佳配比的漿料組成，以及能夠精確控制濕膜厚度的流延法來(lái)制備濕膜，結(jié)合干燥、輥壓等手段，在厚度方向上形成了依次增大或依次減小的鉑或貴金屬的濃度梯度，可以大大提高鉑或貴金屬等原材料在電極制作過(guò)程和實(shí)際使用過(guò)程中的利用率，提高了電極的性能，大幅度降低了直接醇類(lèi)燃料電池負(fù)極的制作成本，同時(shí)保證了電極厚度和電極之間的均一性。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
實(shí)施例1第一步稱取1.5g PtRu/C催化劑、1.8g碳纖維、0.5g全氟磺酸溶液、40g乙醇和4.5g水。首先在超聲波粉碎機(jī)和行星式精密機(jī)械攪拌機(jī)中混合碳纖維、催化劑和乙醇20分鐘，同時(shí)在另外一個(gè)同樣的裝置中混合全氟磺酸溶液與水20分鐘；然后將全氟磺酸與水的均勻混合物加入到分散好的碳纖維、催化劑和乙醇的混合液中繼續(xù)攪拌20分鐘。
第二步將第一步制得的均勻混合液置于流延機(jī)的漿料斗中，采用聚丙烯塑料薄膜作為負(fù)極濕膜的載體，控制濕膜的厚度在90μm。
第三步將上述濕膜及載體通過(guò)機(jī)械拉動(dòng)進(jìn)入干燥處理裝置，控制溫度在75℃，時(shí)間3min，在流動(dòng)的氮?dú)庵羞M(jìn)行干燥處理。
第四步將干燥后的負(fù)極膜及載體繼續(xù)通過(guò)一個(gè)輥壓機(jī)，輥壓壓力為32kg/cm2；隨后將負(fù)極膜與聚丙烯載體剝離，負(fù)極膜進(jìn)入沖壓機(jī)采用100nm×100mm的沖模進(jìn)行沖切。至此，負(fù)極制作完畢。
實(shí)施例2第一步稱取1.8g PtRu/C催化劑、2.0g碳纖維、0.6g全氟磺酸溶液、45g乙醇和5.0g水。首先在超聲波粉碎機(jī)和行星式精密機(jī)械攪拌機(jī)中混合碳纖維、催化劑和乙醇20分鐘，同時(shí)在另外一個(gè)同樣的裝置中混合全氟磺酸溶液與水20分鐘；然后將全氟磺酸與水的均勻混合物加入到分散好的碳纖維、催化劑和乙醇的混合液中繼續(xù)攪拌20分鐘。
第二步將第一步制得的均勻混合液置于流延機(jī)的漿料斗中，采用聚丙烯塑料薄膜作為負(fù)極濕膜的載體，控制濕膜的厚度在90μm。
第三步將上述濕膜及載體通過(guò)機(jī)械拉動(dòng)進(jìn)入干燥處理裝置，控制溫度在75℃，時(shí)間5min，在流動(dòng)的氬氣中進(jìn)行干燥處理。
第四步將干燥后的負(fù)極膜及載體繼續(xù)通過(guò)一個(gè)輥壓機(jī)，輥壓壓力為32kg/cm2。
第五步對(duì)于厚度方向上三種濃度催化劑負(fù)極的制作需要將第一步至第四步的相應(yīng)步驟重復(fù)2次，同時(shí)依次將催化劑的含量降低為1.2g和0.6g，碳纖維、全氟磺酸溶液、乙醇和水的重量與第一層相同；第二層濕膜的厚度控制在150μm；第三層濕膜的厚度控制在210μm。
第六步最后將負(fù)極膜與聚丙烯載體剝離，負(fù)極膜進(jìn)入沖壓機(jī)采用100mm×100mm的沖模進(jìn)行沖切。至此，負(fù)極制作完畢。
實(shí)施例3第一步稱取0.6g PtRu/C催化劑、2.0g碳纖維、0.6g全氟磺酸溶液、45g乙醇和5.0g水。首先在超聲波粉碎機(jī)和行星式精密機(jī)械攪拌機(jī)中混合碳纖維、催化劑和乙醇20分鐘，同時(shí)在另外一個(gè)同樣的裝置中混合全氟磺酸溶液與水20分鐘；然后將全氟磺酸與水的均勻混合物加入到分散好的碳纖維、催化劑和乙醇的混合液中繼續(xù)攪拌20分鐘。
第二步將第一步制得的均勻混合液置于流延機(jī)的漿料斗中，采用聚丙烯塑料薄膜作為負(fù)極濕膜的載體，控制濕膜的厚度在60μm。
第三步將上述濕膜及載體通過(guò)機(jī)械拉動(dòng)進(jìn)入干燥處理裝置，控制溫度在75℃，時(shí)間5min，在流動(dòng)的氮?dú)庵羞M(jìn)行干燥處理。
第四步將干燥后的負(fù)極膜及載體繼續(xù)通過(guò)一個(gè)輥壓機(jī)，輥壓壓力為32kg/cm2；第五步對(duì)于厚度方向上三種濃度催化劑負(fù)極的制作需要將第一步至第四步的相應(yīng)步驟重復(fù)2次，同時(shí)依次將催化劑的含量增加到1.2g和1.8g，碳纖維、全氟磺酸溶液、乙醇和水的重量與第一層相同；第二層濕膜的厚度控制在120μm；第三層濕膜的厚度控制在210μm。
第六步最后將負(fù)極膜與聚丙烯載體剝離，負(fù)極膜進(jìn)入沖壓機(jī)采用100mm×100mm的沖模進(jìn)行沖切。至此，負(fù)極制作完畢。
權(quán)利要求
1.一種直接醇類(lèi)燃料電池負(fù)極制備方法，其特征在于將碳纖維、粘結(jié)劑、鉑或貴金屬催化劑、醇和水按如下重量百分比鉑或貴金屬催化劑1～10％、碳纖維1～10％、粘結(jié)劑0.1～5％、醇60～90％、水5～15％混合成漿料，然后采用流延法形成濕膜，控制濕膜厚度為30～320μm，再在流動(dòng)的惰性氣氛中對(duì)該濕膜進(jìn)行干燥處理1～12min得到干膜，最后對(duì)干膜進(jìn)行輥壓和沖切來(lái)制備直接醇類(lèi)燃料電池負(fù)極。
2.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于碳纖維、粘結(jié)劑、鉑或貴金屬催化劑、醇和水等漿料的混合采用超聲波粉碎與機(jī)械攪拌相結(jié)合的方法。
3.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于漿料混合的順序?yàn)锳、混合碳纖維、鉑或貴金屬催化劑和醇，同時(shí)混合粘結(jié)劑與水；B、將粘結(jié)劑與水的均勻混合液在不斷進(jìn)行超聲波粉碎與機(jī)械攪拌的過(guò)程中加入到分散好的碳纖維、鉑或貴金屬催化劑、醇混合液中直至全部混合均勻。
4.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于可以根據(jù)電極在厚度方向上濃度梯度的不同要求，設(shè)置3個(gè)或3個(gè)以上的流延和輥壓工序，各工序中催化劑含量依次增大或減小。
5.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所用負(fù)極濕膜的載體為聚丙烯、聚乙烯等塑料薄膜中的一種或幾種。
6.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所用粘結(jié)劑為全氟磺酸溶液、PVDF、PVA中的一種或幾種。
7.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于干燥處理采用的惰性氣氛為氬氣、氦氣、氮?dú)庵械囊环N或幾種。
8.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于輥壓的壓力范圍為20～80Kg/cm2。
全文摘要
一種直接醇類(lèi)燃料電池負(fù)極制備方法。其主要步驟是將碳纖維、粘結(jié)劑、鉑或貴金屬催化劑、醇和水等按比例直接混合(不使用碳紙)，然后經(jīng)過(guò)流延、干燥、輥壓和沖切來(lái)實(shí)現(xiàn)電極的加工。本發(fā)明的制備方法易于控制電極的厚度，便于調(diào)節(jié)催化劑在厚度方向上的濃度梯度，所制備電極間的一致性好，鉑或貴金屬原料利用率達(dá)到90％以上，制作成本低，電極性能好，同時(shí)適合機(jī)械化規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01M4/88GK1514505SQ03157808
公開(kāi)日2004年7月21日 申請(qǐng)日期2003年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月17日
發(fā)明者佘沛亮, 孫延先, 胡信國(guó), 陳懷林, 楊善基 申請(qǐng)人:江蘇雙登電源有限公司