直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，首先把適量的丙烯酰胺和N，N'?亞甲基雙丙烯酰胺用去離子水溶解，然后加入中間相碳微球、石墨粉、氯化銨及適量的Tween 80進(jìn)行超聲分散、攪拌。得到具有流變性能的漿料。取合適的漿料作為一次成型的材料，在漿料中加入適量的過硫酸銨和四甲基乙二胺，倒入模具，得到相應(yīng)形狀的生坯。把生坯在乙醇溶液中浸泡，然后干燥、燒結(jié)，得到陰極基體。本發(fā)明中氯化銨的加入可提高微納米孔孔隙率，更有利于空氣或氧氣的傳輸，這是因為氯化銨易于受熱分解的特點，有利于微納米孔陰極基體孔隙成型。
【專利說明】
直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，尤其涉及一種直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]甲醇、乙醇和丙醇等均可作為直接醇類燃料電池的燃料，其中，乙醇是一種清潔、無毒、能量密度高、來源廣泛的可再生資源，可通過生物質(zhì)發(fā)酵制得的，受到了人們的高度關(guān)注，開發(fā)直接乙醇燃料電池對解決能源短缺和環(huán)境保護(hù)具有重要意義，在小型獨立電源、國防通訊、單兵作戰(zhàn)武器電源以及移動電話、攝像機(jī)和筆記本電腦電源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]凝膠注模工藝是一種近凈尺寸成型工藝。最大的優(yōu)點就在于其所用原材料為流動性良好的漿料，所以該工藝可以非常容易地成型各種復(fù)雜形狀的器件；同時所用溶劑為水，是一種對環(huán)境沒有害處的成型方法。采用凝膠注模成型工藝制備直接乙醇燃料電池微納米孔陰極，具有易于成型，制備簡單等特點。倪紅軍等采用此方法制備了直接醇類燃料電池異型多孔陰極支撐體。在制備過程中采用埋碳燒結(jié)的方法，采用此方法具有如下缺點:燒結(jié)時不僅溫度高而且溫度較難控制;埋碳燒結(jié)過程中會引起支撐體變形，導(dǎo)致成型率降低;采用埋碳燒結(jié)操作室粉塵較多，不利于環(huán)保。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對以上不足，本發(fā)明提供了一種直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，使用該方法制備的陰極為圓形或方形，無復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、成本低，具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和孔隙率，能夠優(yōu)化電池陰極的傳質(zhì)、熱量傳遞、電子傳導(dǎo)。
[0006]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，包括以下步驟:
(I)將丙烯酰胺和N，N ’ -亞甲基雙丙烯酰胺加入去離子水中攪拌溶解；
(2 )將中間相碳微球(MCMB)、石墨粉、氯化銨加入步驟(I)的溶液中攪拌均勻；
(3 )將分散劑加入步驟(2 )的溶液中攪拌，得到具有流變性能的漿料；
(4)取適量漿料加入過硫酸銨和四甲基乙二胺，倒入模具中，形成生坯；
(5 )將生坯放在乙醇溶液中浸泡，取出晾干；
(6)將生坯在平板加熱器上進(jìn)行干燥；
(7)將干燥后的生坯放進(jìn)通入氮氣的真空管式爐進(jìn)行燒結(jié)；
其中，各原料按質(zhì)量份計分別為:丙烯酰胺4?5份，N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺I份，去離子水40?45份，氯化錢0.8?4份，分散劑0.18?0.42份，中間相碳微球和石墨粉共40?45份，過硫酸錢0.8?I份，四甲基乙二胺0.08?0.1份。
[0007]作為優(yōu)選，各原料按質(zhì)量份計分別為:丙烯酰胺4份，N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺I份，去離子水40份，氯化銨0.8?4份，分散劑0.18-0.42份，中間相碳微球和石墨粉共40份，過硫酸銨0.8?I份，四甲基乙二胺0.08?0.1份。
[0008]作為優(yōu)選，步驟(2)中，所述中間相碳微球占中間相碳微球和石墨粉總質(zhì)量的50%
?100%O
[0009]作為優(yōu)選，步驟(3)中，用磁力攪拌機(jī)攪拌I小時，
作為優(yōu)選，步驟(3)中，分散劑為Tween SOc3TweenSO在本發(fā)明中能夠改善楽料中各種構(gòu)成相之間的表面張力，使之形成均勻穩(wěn)定的分散體系。
[0010]作為優(yōu)選，步驟(4)中，所述的模具為圓形或方形。制備得到的產(chǎn)品無復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)，自由形成的微納米級多孔結(jié)構(gòu)，可以成為氧氣或者空氣傳輸?shù)耐ǖ馈?br>[0011]步驟(5)中，生坯在乙醇溶液中的浸泡時間為12小時-15小時最佳。浸泡時間過短，生坯中水分過多不易干燥;如果浸泡時間過長，生坯脆性增加，干燥的時候容易斷裂。
[0012]作為優(yōu)選，步驟(5)中，乙醇的質(zhì)量濃度為85%_95%。
[0013]作為優(yōu)選，步驟(6)中，先在50-60°C條件下干燥I小時，然后在100°C進(jìn)行干燥，直至體積恒定。先低溫后高溫是因為如果直接高溫的話，生坯干燥的時候容易變形。而在100°(:時，生坯中的水分和乙醇就能夠完全揮發(fā)，不需要更高的溫度。
[0014]作為優(yōu)選，步驟(7)中，真空管式爐內(nèi)的燒結(jié)溫度為:從室溫以每分鐘2°C的速度升高到600 °C，在600 0C保溫I小時;從600 °C以每分鐘2 V的速度升高到1200 °C，在1200 °C保溫兩小時;最后自然冷卻至室溫。主要因為可以使生坯中的揮發(fā)物質(zhì)能充分揮發(fā)，另外可以有效防止生坯在燒結(jié)的過程中變形。
[0015]本發(fā)明以中間相碳微球(MCMB)、石墨粉、氯化銨為原料，采用凝膠注模成型工藝及燒結(jié)工藝制備直接乙醇燃料電池用微納米孔陰極基體。首先把適量的丙烯酰胺和N，N ’ -亞甲基雙丙烯酰胺用去離子水溶解，然后加入中間相碳微球(MCMB)、石墨粉、氯化銨及適量的Tween 80進(jìn)行超聲分散、攪拌。得到具有流變性能的漿料。取合適的漿料作為一次成型的材料，在漿料中加入適量的過硫酸銨和四甲基乙二胺，倒入模具，得到相應(yīng)形狀的生坯。把生坯在乙醇溶液中浸泡，然后干燥、燒結(jié)，得到陰極基體。一方面氯化銨可以提高孔隙率，另一方面石墨的細(xì)小顆?？梢云鸬皆龃罂紫堵实淖饔?。此外，石墨較好的導(dǎo)電性能。
[0016]本發(fā)明具有以下有益效果:
(I)本發(fā)明中氯化銨的加入可提高微納米孔孔隙率，更有利于空氣或氧氣的傳輸，這是因為氯化銨易于受熱分解的特點，有利于微納米孔陰極基體孔隙成型。
[0017](2)本發(fā)明采用通入氮氣的真空管式爐進(jìn)行燒結(jié)，防止碳被氧化，最高溫度1200°C就可以形成具有較高機(jī)械強(qiáng)度、良好導(dǎo)熱導(dǎo)電性能的陰極基體，避免了埋碳處理引起的變形等缺陷，環(huán)保、便捷、成型率高達(dá)99%以上。
[0018](3 )本發(fā)明采用中間相碳微球和石墨粉為原料制備的直接乙醇燃料電池陰極基體，無復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)，自由形成的微納米級多孔結(jié)構(gòu)，可以成為氧氣或者空氣傳輸?shù)耐ǖ?，常常做成自呼吸結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，有利于物質(zhì)傳輸。
【具體實施方式】
[0019]下面通過【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。實施例1?3選擇合肥科晶材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GSL — 1600X真空管式高溫爐進(jìn)行燒結(jié)，在制備過程中，根據(jù)實際情況可選擇其他機(jī)型。
[0020]實施例1
首先將2g丙烯酰胺和0.5gN，N ’ -亞甲基雙丙烯酰胺放入燒杯中，用20g去離子水進(jìn)行溶解;然后加入1g中間相碳微球(MCMB)、1g石墨粉、0.5g氯化錢攪拌均勾；放入0.1gTween80進(jìn)行超聲分散、磁力攪拌Ih，得到具有流變性能的楽料；向楽料中加入0.4g過硫酸錢和0.05g四甲基乙二胺，快速攪拌后倒入模具中，形成生坯;將生坯從模具中脫模放入乙醇溶液中浸泡12小時；取出生坯在室溫下晾I小時，然后放在平板加熱器上進(jìn)行干燥，在600C干燥I小時，后在100°C干燥直至體積恒定，干燥過程中要不停翻滾生坯，以便加熱均勻；干燥好的生坯放在燃燒舟內(nèi)，然后一起放入真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，通氮氣進(jìn)行氣體保護(hù)。燒結(jié)溫度設(shè)定為:0°C —600°C升溫300分鐘，在600°C保溫I小時;600°C—1200°C升溫300分鐘，在1200 0C保溫兩小時;最后自然冷卻到室溫。
[0021 ]按照上述步驟制備的直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體進(jìn)行性能測試，陰極基體密度為1.02g/cm3，孔隙率為46%，拉伸強(qiáng)度大于8Mpa，彎曲強(qiáng)度大于12Mpa，電導(dǎo)率大于200S/cm。
[0022]實施例2
首先將2g丙烯酰胺和0.5gN，N ’ -亞甲基雙丙烯酰胺放入燒杯中，用20g去離子水進(jìn)行溶解;然后加入1g中間相碳微球(MCMB)、1g石墨粉、Ig氯化錢攪拌均勾；放入0.1gTween 80進(jìn)行超聲分散、磁力攪拌I小時，得到具有流變性能的漿料；向漿料中加入0.4g過硫酸銨和
0.05g四甲基乙二胺，快速攪拌后倒入模具中，形成生坯;將生坯從模具中脫模放入乙醇溶液中浸泡12小時；取出生坯在室溫下晾I小時，然后放在平板加熱器上進(jìn)行干燥，在600C干燥I小時，后在100°C干燥直至體積恒定，干燥過程中要不停翻滾生坯，以便加熱均勻；干燥好的生坯放在燃燒舟內(nèi)，然后一起放入真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，通氮氣進(jìn)行氣體保護(hù)。燒結(jié)溫度設(shè)定為:0°C —600°C升溫300分鐘，在600°C保溫I小時;600°C—1200°C升溫300分鐘，在1200 0C保溫兩小時;最后自然冷卻到室溫。
[0023]按照上述步驟制備的直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體進(jìn)行性能測試，陰極基體密度為0.95g/cm3，孔隙率為50%，拉伸強(qiáng)度大于6.5Mpa，彎曲強(qiáng)度大于9Mpa，電導(dǎo)率大于200S/cm。
[0024]實施例3
首先將2g丙烯酰胺和0.5gN，N ’ -亞甲基雙丙烯酰胺放入燒杯中，用20g去離子水進(jìn)行溶解;然后加入1g中間相碳微球(MCMB)、1g石墨粉、1.5g氯化錢攪拌均勾；放入0.1gTween80進(jìn)行超聲分散、磁力攪拌I小時，得到具有流變性能的漿料；向漿料中加入0.4g過硫酸銨和0.05g四甲基乙二胺，快速攪拌后倒入模具中，形成生坯;將生坯從模具中脫模放入乙醇溶液中浸泡12小時；取出生坯在室溫下晾I小時，然后放在平板加熱器上進(jìn)行干燥，在60°C干燥I小時，后在100°C干燥直至體積恒定，干燥過程中要不停翻滾生坯，以便加熱均勻；干燥好的生坯放在燃燒舟內(nèi)，然后一起放入真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，通氮氣進(jìn)行氣體保護(hù)。燒結(jié)溫度設(shè)定為:0°C —600°C升溫300分鐘，在600°C保溫I小時;600°C—1200°C升溫300分鐘，在1200 °C保溫兩小時;最后自然冷卻到室溫。
[0025]按照上述步驟制備的直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體進(jìn)行性能測試，陰極基體密度為0.90g/cm3，孔隙率為58%，拉伸強(qiáng)度大于4Mpa，彎曲強(qiáng)度大于5Mpa，電導(dǎo)率大于200S/cm。
[0026]本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實例。
【主權(quán)項】
1.直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，其特征是，包括以下步驟: (1)將丙烯酰胺和N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺加入去離子水中攪拌溶解； (2)將中間相碳微球、石墨粉、氯化銨加入步驟(I)的溶液中攪拌均勻； (3 )將分散劑加入步驟(2 )的溶液中攪拌，得到具有流變性能的漿料； (4)取適量漿料加入過硫酸銨和四甲基乙二胺，倒入模具中，形成生坯； (5 )將生坯放在乙醇溶液中浸泡，取出晾干； (6)將生坯在平板加熱器上進(jìn)行干燥； (7)將干燥后的生坯放進(jìn)通入氮氣的真空管式爐進(jìn)行燒結(jié)； 其中，各原料按質(zhì)量份計分別為:丙烯酰胺4-5份，N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺I份，去離子水40-45份，氯化銨0.8?4份，分散劑0.18?0.42份，中間相碳微球和石墨粉共40-45份，過硫酸銨0.8?I份，四甲基乙二胺0.08?0.1份。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，其特征是，步驟(2)中，所述中間相碳微球占中間相碳微球和石墨粉總質(zhì)量的50%?100%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，其特征是，步驟(3)中，用磁力攪拌機(jī)攪拌I小時。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，其特征是，步驟(3)中，分散劑為Tween 80。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，其特征是，步驟(4)中，所述的模具為圓形或方形。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，其特征是，步驟(5)中，生坯在乙醇溶液中的浸泡時間為12小時-15小時。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，其特征是，步驟(5)中，乙醇的質(zhì)量濃度為85%-95%。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，其特征是，步驟(6)中，先在50-60 0C條件下干燥I小時，然后在100 0C進(jìn)行干燥，直至體積恒定。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接乙醇燃料電池微納米孔陰極基體的制備方法，其特征是，步驟(7)中，真空管式爐內(nèi)的燒結(jié)溫度為:從室溫以每分鐘2°C的速度升高到600°C，在600°C保溫I小時;從600 °C以每分鐘2 0C的速度升高到1200 °C，在1200 °C保溫兩小時;最后自然冷卻至室溫O
【文檔編號】H01M8/1011GK105870463SQ201610317568
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】侯全會, 湯東
【申請人】鹽城工學(xué)院