CN101546832A - 直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料，由中间相碳微球粉末、石墨粉末及氧化锌、氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁或二氧化硅混合后，采用凝胶注模或模压成型，再在经埋碳烧结制成产品。用本发明获得的直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体制作异型直接醇类燃料电池，重量轻、体积小，可以存储燃料，便于携带。

Description

直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料

技术领域：

本发明涉及一种电池阴极支撑体材料。

背景技术：

甲醇、乙醇和丙醇等，均可作为直接醇类燃料电池的燃料，其中，直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell，DMFC)和直接乙醇燃料电池(Direct ethanol fuel cell，DEFC)因其所用的甲醇或乙醇来源广泛，价格低廉，而且其能量利用效率高，环境友好的运行方式，常温可操作性以及便于携带等优点，从而成为新型燃料电池中的佼佼者，在军事、交通运输、电子通讯等领域具有着广泛的应用前景。

传统的直接醇类燃料电池主要由双极板(主要采用石墨或金属来制备)、催化-扩散层和聚合物电解质膜构成，燃料电池的形状多为平板式，阴极和阳极的催化-扩散层与聚合物电解质膜采用热压方式成型为“三合一”膜电极组件。但是平板型直接醇类燃料电池存在以下缺点：(1)采用具有复杂流场的双极板结构，制造成本高；(2)所制备的微型和大型DMFC重量、体积大；(3)阳极的结构不利于反应副产物(如二氧化碳)的排放，而阴极的结构也不利于反应副产物(如水)的排出，影响电池在长期工作下的性能稳定性；(4)其中的DMFC研究中均采用液态甲醇作为燃料，存在甲醇渗透现象，DMFC功率密度大大降低；(5)不能直接存储燃料，需要复杂的输入管路；(6)不适合罐装非液态的流动相(燃料)。

异型结构的直接醇类燃料电池的关键是圆形或者方形的阴极支撑体材料的选择。如果选择不当，不仅产生制造成本昂贵、产业化应用困难的问题，而且容易使阴极支撑体成形困难及性能低下，如产生变形、开裂、导电性差、力学性能差、扩散层和催化层难以涂覆等问题。

经对现有技术的文献检索发现，Zhi-Gang Shao等人在《Journal ofPower Sources》160(2006)1003-1008上发表的《A tubular directmethanol fuel cell with Ti mesh anode》一文，该文介绍了一种管状阴极与阳极的制备过程。其中阴极支撑体材料采用的是管状的钛网。在钛管网表面依次以浸渍涂覆的方法，制备扩散层和催化层，然后再在扩散层表面滴涂Nafion溶液，该溶液固化后成为聚合物电解质膜，从而制得阴极。但是，该论文中所使用的用于制作阴极支撑体的管状钛网由德国的Heggemann公司提供，因其纯度高(>99.99％)并且采用激光焊接技术制作，成本昂贵，故难以普及使用。另外，由于采用的钛网力学性能低，容易变形，影响了扩散层和催化剂层的涂覆，降低了电池的性能。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种所采用的材料相对钛网来源广、成本低廉，高电导率、低成本、重量轻、体积小、无毒害与污染的直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料。

本发明的技术解决方案是：

一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料，其特征是：由下列质量成分制成：

中间相碳微球粉末           50～100％

石墨粉末                   0～50％

氧化锌、氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁或二氧化硅 0～30％。

所述的直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料，由下列质量成分制成：

中间相碳微球粉末                                 50～90％

石墨粉末                                         5～40％

氧化锌、氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁或二氧化硅 5～30％。

一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料的制造方法，其特征是：将下列质量成分混合后，采用凝胶注模或模压成型，再经埋碳烧结制成产品：

中间相碳微球粉末                                 50～100％

石墨粉末                                         0～50％

氧化锌、氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁或二氧化硅 0～30％。

所述的直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料的制造方法是：将下列质量成分混合后，采用凝胶注模或模压成型，再经埋碳烧结制成产品：

中间相碳微球粉末                                 50～100％

石墨粉末                                         5～40％

氧化锌、氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁或二氧化硅 5～30％。

本发明用中间相碳微球粉末、石墨粉末和氧化锌(或者氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁、二氧化硅)等作为直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料配方，并采用凝胶注模或者模压成形后，在1000-1600℃下埋碳烧结，然后用酸或碱去除掺杂物，制成异型多孔阴极支撑体，用于取代目前国外采用的Ti网或者Ti管，所采用的材料来源广、成本低廉，不需要进口，可以实现高力学性能、高电导率、低成本，并易于涂覆扩散层和催化层，有利于提高直接醇类燃料电池的性能和寿命，并且无毒害与污染。用本发明配方获得直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体制作异型直接醇类燃料电池，重量轻、体积小，可以存储燃料，便于携带。本发明配方，也可以用于制备直接醇类燃料电池异型多孔阳极极支撑体材料。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式：

实施例1：

一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料，将下列质量成分混合：中间相碳微球粉末100％，石墨粉末0％，氧化锌(或者氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁、二氧化硅)0％。

然后采用凝胶注模或者模压成形后，在1000-1600℃下埋碳烧结的产品。异型阴极支撑体烧结体的抗压强度为：≥50MPa，抗弯强度：≥30MPa，电导率：≥200S/cm，孔隙率：≥30％，孔径：5-20μm。

实施例2：

一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料，将下列质量成分混合：中间相碳微球粉末90％，石墨粉末0％，氧化锌(或者氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁、二氧化硅)10％。

然后采用凝胶注模或者模压成形后，在1000-1600℃下埋碳烧结的产品。异型阴极支撑体烧结体的抗压强度为：≥40MPa，抗弯强度：≥25MPa，电导率：≥150S/cm，孔隙率：≥40％，孔径：5-30μm。

实施例3：

一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料，将下列质量成分混合：中间相碳微球粉末80％，石墨粉末5％，氧化锌(或者氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁、二氧化硅)15％。

然后采用凝胶注模或者模压成形后，在1000-1600℃下埋碳烧结的产品。异型阴极支撑体烧结体的抗压强度为：≥35MPa，抗弯强度：≥20MPa，电导率：≥160S/cm，孔隙率：≥50％，孔径：5-40μm。

实施例4：

一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料，将下列质量成分混合：中间相碳微球粉末70％，石墨粉末30％，氧化锌(或者氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁、二氧化硅)0％。

然后采用凝胶注模或者模压成形后，在1000-1600℃下埋碳烧结的产品。异型阴极支撑体烧结体的抗压强度为：≥30MPa，抗弯强度：≥18MPa，电导率：≥210S/cm，孔隙率：≥30％，孔径：5-20μm。

实施例5：

一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料，将下列质量成分混合：中间相碳微球粉末60％，石墨粉末10％，氧化锌(或者氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁、二氧化硅)30％。

然后采用凝胶注模或者模压成形后，在1000-1600℃下埋碳烧结的产品。异型阴极支撑体烧结体的抗压强度为：≥25MPa，抗弯强度：≥15MPa，电导率：≥200S/cm，孔隙率：≥60％，孔径：5-60μm。

实施例6：

一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料，将下列质量成分混合：中间相碳微球粉末50％，石墨粉粉末50％，氧化锌(或者氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁、二氧化硅)0％。

然后采用凝胶注模或者模压成形后，在1000-1600℃下埋碳烧结的产品。异型阴极支撑体烧结体的抗压强度为：≥20MPa，抗弯强度：≥10MPa，电导率：≥250S/cm，孔隙率：≥30％，孔径：5-20μm。

Claims (2)

1、一种直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料，其特征是：由下列质量成分制成：

中间相碳微球粉末                                  50～100％

石墨粉末                                          0～50％

氧化锌、氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁或二氧化硅  0～30％。

2、根据权利要求1所述的直接醇类燃料电池异型多孔阴极支撑体材料，其特征是：由下列质量成分制成：

中间相碳微球粉末                                  50～90％

石墨粉末                                          5～40％

氧化锌、氧化钙、碳酸氨、碳酸钙、氧化镁或二氧化硅  5～30％。