專利名稱：直接甲醇燃料電池固-膠流動相及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接甲醇燃料電池的流動相(flux phase)。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)具有能 耗少、能量密度高、甲醇來源豐富、價格便宜、系統(tǒng)簡單、運行便捷、 噪聲低等優(yōu)點，被認(rèn)為是未來汽車動力和其它交通工具最有希望的化學(xué) 電源，引起人們的廣泛關(guān)注。目前直接甲醇燃料電池發(fā)展面臨兩大關(guān)鍵 問題 一是在直接甲醇燃料電池中廣泛采用的固體電解質(zhì)膜是原來設(shè)計 用于氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池中的Nafion膜，有明顯的甲醇滲漏 (crossover)現(xiàn)象，甲醇直接穿透Nafion膜而流失，使甲醇燃料大量 損失，DMFC功率密度下降，同時甲醇滲漏到達(dá)陰極在陰極上發(fā)生反應(yīng)， 導(dǎo)致陰極催化劑中毒而大大縮短電池壽命；二是甲醇在陽極表面氧化速 度較慢，氧化過程中產(chǎn)生強烈吸附在陽極表面的羧基物種如C0，毒化電 極，使電極活性降低。目前大都研究作為質(zhì)子交換膜的固體電解質(zhì)膜的復(fù)合、改性等以降 低其對甲醇的滲漏。文獻(xiàn)[l]以氯磺酸溶液磺化和水解作用下四種單體 MeSt， tBuSt， DVB， BVPE聚合形成高化學(xué)穩(wěn)定性的ETFE膜，比Nafion 膜對甲醇的滲漏低6倍。文獻(xiàn)[2]制備了磺化PPEK摻雜磷鎢酸混合膜， 對甲醇的滲漏比Nafion 117膜低20多倍。雖然對甲醇的阻漏性能大大 提高，但仍沒有完全解決甲醇的滲漏問題。
因此，通過解決直接甲醇燃料電池中的甲醇滲漏問題，降低其對電 池陰極和陽極催化劑的毒化，提高電池的性能，簡化電池結(jié)構(gòu)，降低電 池的制造成本，可以推動直接甲醇燃料電池的市場化進(jìn)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能有效解決甲醇在質(zhì)子交換膜上的滲 透問題，提高直接甲醇燃料電池性能的直接甲醇燃料電池固一膠流動相 及制備方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種直接甲醇燃料電池固一膠流動相，其特征是包括固相，在固 相的兩側(cè)為凝膠流動相。固相為吸附了硫酸、甲醇電解質(zhì)溶液的高比表面、多孔材料。 所述高比表面、多孔材料是蒙脫土、硅藻土、白碳黑或活性炭。 凝膠流動相由下列重量成分的原料制成CH3OH 5 60%H2S04 10 30%H20 20 60%雜酸 3 10%導(dǎo)電聚合物和/或金屬粉末 2 6%金屬有機化合物或金屬鹽 5 30% 。金屬有機化合物是鈦酸酯類、硅酸酯類，金屬鹽是硅酸鈉。 雜酸是全氟磺酸、磷鎢酸、磷鉬酸、硅鎢酸或磷錫酸。 導(dǎo)電聚合物是聚苯胺或聚吡咯，金屬粉末是Cu、 Ag或Au粉末。 一種直接甲醇燃料電池固一膠流動相的制備方法，其特征是 (1)選擇高比表面、多孔材料作為固相；(2)在固相兩側(cè)設(shè)置凝膠流動相，制備凝膠流動相時，以金屬有 機化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動相中的甲醇為分散介質(zhì)，加入硫酸、 水，經(jīng)水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠，并進(jìn)一步摻雜雜酸、聚合物和/或金 屬粉末制成凝膠流動相。本發(fā)明首次提出以固相-凝膠相形式的流動相取代目前普遍使用的 硫酸、甲醇液相電解質(zhì)溶液流動相，從根本上解決甲醇滲漏的問題，降 低其對直接甲醇燃料電池陰極和陽極催化劑的毒化，可以提高直接甲醇 燃料電池的性能，簡化電池結(jié)構(gòu)，推動直接甲醇燃料電池的市場化進(jìn)程。 可以取代目前直接甲醇燃料電池中的硫酸、甲醇液相電解質(zhì)溶液使用， 根據(jù)燃料的不同，也適用于以其它原料如乙醇等作為燃料的燃料電池流 動相。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 附圖是本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示圖。
具體實施例方式
實施例1:(1) 選擇高比表面、多孔材料作為固相l(xiāng);(2) 在固相1兩側(cè)設(shè)置凝膠流動相2、 3，制備凝膠流動相時，以 金屬有機化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動相中的甲醇為分散介質(zhì)，加入 硫酸、水，經(jīng)水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠，并進(jìn)一步摻雜雜酸、聚合物和 /或金屬粉末制成凝膠流動相。固相為吸附了硫酸、甲醇電解質(zhì)溶液的高比表面、多孔材料。所述 高比表面、多孔材料是蒙脫土 (或硅藻土或白碳黑或活性炭)。 上述凝膠流動相制備中各原料的重量配比為CH3OHH2S04H20雜酸金屬粉末20%30%20%3%5%金屬有機化合物或金屬鹽 22%。金屬有機化合物是鈦酸酯類(或硅酸酯類，金屬鹽是硅酸鈉)。雜 酸是全氟磺酸(或磷鎢酸或磷鉬酸或硅鎢酸或磷錫酸)。金屬粉末是Cu (或Ag或Au粉末)。 實施例2:凝膠流動相制備中各原料的重量配比為CH3OHH2S04H20導(dǎo)電聚合物金屬有機化合物或金屬鹽 聚吡咯)。其余同實施例l。實施例3:凝膠流動相制備中各原料的重量配比為:CH3OH 50% H2S04 10% H20 10%40% 20% 20% 5% 3%12%。導(dǎo)電聚合物是聚苯胺(或
雜酸 10%導(dǎo)電聚合物 5%金屬有機化合物或金屬鹽 15%。 其余同實施例2。 實施例4:凝膠流動相制備中各原料的重量配比為:CH3OH 50%H2S04 感H20 10%雜酸 10%導(dǎo)電聚合物 2%金屬粉末 3% 金屬有機化合物或金屬鹽 15%。 其余同實施例2。 本發(fā)明的工作原理是一般DMFC中甲醇滲漏主要通過液相電解質(zhì)溶液流動相在質(zhì)子交換膜 表面的滲透作用進(jìn)行，Gd (凝膠)流動相雖然與質(zhì)子交換膜緊密接觸， 但Gd相為不具有流動性的半固相，Gd流動相中的甲醇與質(zhì)子交換膜 之間僅僅發(fā)生擴(kuò)散作用，與液相相比，擴(kuò)散速度很慢且可控，采用Gel 流動相可以解決甲醇在質(zhì)子交換膜上的滲漏問題，提高甲醇的利用率， 降低對陰極催化劑的毒化；同時，由于Gd相直接與陽極表面催化劑接 觸，且接觸面積較大，易于陽極氧化反應(yīng)的進(jìn)行，甲醇濃度梯度增大， 利于Gel相中甲醇向陽極表面的擴(kuò)散傳質(zhì)，另外，Gel相的孔結(jié)構(gòu)有利 于陽極氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體的傳輸，降低其對陽極催化劑的毒化，從而，
大大提高DMFC的性能。由于固相中吸附了大量硫酸、甲醇液態(tài)流動相，可以通過凝膠中的 微孔向質(zhì)子交換膜和陽極擴(kuò)散，補充甲醇和硫酸，使DMFC使用時間 延長，同時使用過程中還可以通過向固相中加入硫酸、甲醇液態(tài)流動相， 補充原料比較方便。
權(quán)利要求
1、一種直接甲醇燃料電池固-膠流動相，其特征是包括固相，在固相的兩側(cè)為凝膠流動相。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接甲醇燃料電池固一膠流動相，其特 征是固相為吸附了硫酸、甲醇電解質(zhì)溶液的高比表面、多孔材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的直接甲醇燃料電池固一膠流動相，其特 征是所述高比表面、多孔材料是蒙脫土、硅藻土、白碳黑或活性炭。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1 、 2或3所述的直接甲醇燃料電池固 一膠流動相， 其特征是凝膠流動相由下列重量成分的原料制成-CH3OH 5 60% H2S04 10 30% H20 20 60% 雜酸 3 10% 導(dǎo)電聚合物和/或金屬粉末 2 6% 金屬有機化合物或金屬鹽 5 30% 。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的直接甲醇燃料電池固一膠流動相，其特 征是金屬有機化合物是鈦酸酯類、硅酸酯類，金屬鹽是硅酸鈉。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的直接甲醇燃料電池固一膠流動相，其特 征是雜酸是全氟磺酸、磷鎢酸、磷鉬酸、硅鎢酸或磷錫酸。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的直接甲醇燃料電池固一膠流動相，其特 征是導(dǎo)電聚合物是聚苯胺或聚吡咯，金屬粉末是Cu、 Ag或Au粉末。
8、 一種直接甲醇燃料電池固一膠流動相的制備方法，其特征是 (1) 選擇高比表面、多孔材料作為固相；(2) 在固相兩側(cè)設(shè)置凝膠流動相，制備凝膠流動相時，以金屬有 機化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動相中的甲醇為分散介質(zhì)，加入硫酸、 水，經(jīng)水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠，并進(jìn)一步摻雜雜酸、聚合物和/或金 屬粉末制成凝膠流動相。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接甲醇燃料電池固-膠流動相及制備方法，產(chǎn)品包括固相，在固相的兩側(cè)為凝膠流動相。制備方法包括選擇高比表面、多孔材料作為固相，再在固相兩側(cè)設(shè)置凝膠流動相，制備凝膠流動相時，以金屬有機化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動相中的甲醇為分散介質(zhì)，加入硫酸、水，經(jīng)水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠，并進(jìn)一步摻雜雜酸、聚合物和/或金屬粉末制成凝膠流動相。本發(fā)明從根本上解決甲醇滲漏的問題，降低其對直接甲醇燃料電池陰極和陽極催化劑的毒化，可以提高直接甲醇燃料電池的性能，簡化電池結(jié)構(gòu)，推動直接甲醇燃料電池的市場化進(jìn)程。
文檔編號H01M8/10GK101118971SQ200710023789
公開日2008年2月6日 申請日期2007年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月11日
發(fā)明者倪紅軍, 平 華, 吳東輝, 蘇廣均, 鞠劍峰, 黃明宇 申請人:南通大學(xué)