專利名稱：直接甲醇燃料電池的溶膠－凝膠流動(dòng)相及制備方法
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(dòng)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(lái)源豐富、價(jià)格便宜、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行便捷、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)汽車動(dòng)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(lái)設(shè)計(jì)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(shí)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(yáng)極表面氧化速度較慢，氧化過程中產(chǎn)生強(qiáng)烈吸附在陽(yáng)極表面的羧基物種如CO，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(duì)甲醇的滲漏。有文獻(xiàn)報(bào)道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(duì)甲醇的滲漏低6倍。另有文獻(xiàn)報(bào)道制備了磺化PPEK摻雜磷鎢酸混合膜，對(duì)甲醇的滲漏比Nafion 117膜低20多倍。雖然對(duì)甲醇的阻漏性能大大提高，但仍沒有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(duì)電池陰極和陽(yáng)極催化劑的毒化，提高電池的性能，簡(jiǎn)化電池結(jié)構(gòu)，降低電池的制造成本，可以推動(dòng)直接甲醇燃料電池的市場(chǎng)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的溶膠—凝膠流動(dòng)相及制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種用于直接甲醇燃料電池的溶膠—凝膠流動(dòng)相，其特征是由下列重量成分的原料制成CH3OH5～60％H2SO410～30％H2O 20～60％雜酸 3～10％導(dǎo)電聚合物和/或金屬粉末 2～6％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽10～30％。
雜酸是全氟磺酸、磷鎢酸、磷鉬酸、硅鎢酸或磷錫酸等。
導(dǎo)電聚合物是聚苯胺或聚吡咯，金屬粉末是Cu、Ag或Au粉末等。
金屬有機(jī)化合物是鈦酸酯類、硅酸酯類，金屬鹽是硅酸鈉等。
用于直接甲醇燃料電池的溶膠—凝膠流動(dòng)相，由下列重量成分的原料制成CH3OH20％H2SO430％H2O 20％
雜酸 3％金屬粉末 5％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽22％。
用于直接甲醇燃料電池的溶膠—凝膠流動(dòng)相，由下列重量成分的原料制成CH3OH40％H2SO420％H2O 20％雜酸 5％導(dǎo)電聚合物3％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽12％。
用于直接甲醇燃料電池的溶膠—凝膠流動(dòng)相，由下列重量成分的原料制成CH3OH50％H2SO410％H2O 10％雜酸 10％導(dǎo)電聚合物5％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽15％。
用于直接甲醇燃料電池的溶膠—凝膠流動(dòng)相，由下列重量成分的原料制成CH3OH50％H2SO410％H2O 10％
雜酸 10％導(dǎo)電聚合物2％金屬粉末 3％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽15％。
一種用于直接甲醇燃料電池的溶膠—凝膠流動(dòng)相的制備方法，其特征是依次包括下列步驟以金屬有機(jī)化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動(dòng)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(dòng)相。
本發(fā)明在直接甲醇燃料電池中取代硫酸、甲醇液相電解質(zhì)溶液使用。一般DMFC中甲醇滲漏主要通過液相電解質(zhì)溶液流動(dòng)相在質(zhì)子交換膜表面的滲透作用進(jìn)行，Sol-Gel(溶膠—凝膠)流動(dòng)相雖然與質(zhì)子交換膜緊密接觸，但Gel(凝膠)相為不具有流動(dòng)性的半固相，Sol-Gel流動(dòng)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Sol-Gel流動(dòng)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(duì)陰極催化劑的毒化；同時(shí)，由于Gel相直接與陽(yáng)極表面催化劑接觸，且接觸面積較大，易于陽(yáng)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(yáng)極表面的擴(kuò)散傳質(zhì)，另外，Gel相的孔結(jié)構(gòu)有利于陽(yáng)極氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體的傳輸，降低其對(duì)陽(yáng)極催化劑的毒化，從而，大大提高DMFC的性能。本發(fā)明使甲醇滲漏率下降80％以上，DMFC功率密度可以達(dá)到60mW/cm2(60℃)。本發(fā)明Sol-Gel流動(dòng)相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)分散介質(zhì)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(dòng)相。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1用于直接甲醇燃料電池的溶膠—凝膠流動(dòng)相，由下列重量成分的原料制成CH3OH 20％H2SO430％H2O 20％雜酸 3％金屬粉末 5％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽。
制備時(shí)以22％重量的金屬有機(jī)化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動(dòng)相中的20％重量甲醇為分散介質(zhì)，加入30％重量硫酸、20％重量水，經(jīng)水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠，并進(jìn)一步摻雜3％重量的雜酸、5％重量的金屬粉末制成凝膠流動(dòng)相。
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、Ag或Au粉末。
金屬有機(jī)化合物是鈦酸酯類、硅酸酯類，金屬鹽是硅酸鈉。
實(shí)施例2用于直接甲醇燃料電池的溶膠—凝膠流動(dòng)相，由下列重量成分的原料制成CH3OH 40％H2SO420％H2O 20％雜酸 5％
導(dǎo)電聚合物 3％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 12％。
制備時(shí)以12％重量的金屬有機(jī)化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動(dòng)相中的40％重量甲醇為分散介質(zhì)，加入20％重量硫酸、20％重量水，經(jīng)水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠，并進(jìn)一步摻雜5％重量的雜酸、3％重量的導(dǎo)電聚合物制成凝膠流動(dòng)相。
雜酸是全氟磺酸(或磷鎢酸或磷鉬酸或硅鎢酸或磷錫酸)。
導(dǎo)電聚合物是聚苯胺或聚吡咯。
金屬有機(jī)化合物是鈦酸酯類、硅酸酯類，金屬鹽是硅酸鈉。
實(shí)施例3用于直接甲醇燃料電池的溶膠—凝膠流動(dòng)相，由下列重量成分的原料制成CH3OH50％H2SO410％H2O 10％雜酸 10％導(dǎo)電聚合物5％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽15％。
制備時(shí)以15％重量的金屬有機(jī)化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動(dòng)相中的50％重量甲醇為分散介質(zhì)，加入10％重量硫酸、10％重量水，經(jīng)水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠，并進(jìn)一步摻雜10％重量的雜酸、5％重量的導(dǎo)電聚合物制成凝膠流動(dòng)相。
雜酸是全氟磺酸(或磷鎢酸或磷鉬酸或硅鎢酸或磷錫酸)。
導(dǎo)電聚合物是聚苯胺或聚吡咯。
金屬有機(jī)化合物是鈦酸酯類、硅酸酯類，金屬鹽是硅酸鈉。
實(shí)施例4用于直接甲醇燃料電池的溶膠—凝膠流動(dòng)相，由下列重量成分的原料制成CH3OH 50％H2SO410％H2O 10％雜酸 10％導(dǎo)電聚合物 2％金屬粉末 3％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 15％。
制備時(shí)以15％重量的金屬有機(jī)化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動(dòng)相中的50％重量甲醇為分散介質(zhì)，加入10％重量硫酸、10％重量水，經(jīng)水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠，并進(jìn)一步摻雜10％重量的雜酸、2％重量的導(dǎo)電聚合物、3％重量的金屬粉末制成凝膠流動(dòng)相。
雜酸是全氟磺酸(或磷鎢酸或磷鉬酸或硅鎢酸或磷錫酸)。
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。
金屬有機(jī)化合物是鈦酸酯類、硅酸酯類，金屬鹽是硅酸鈉。
權(quán)利要求
1.一種用于直接甲醇燃料電池的溶膠-凝膠流動(dòng)相，其特征是由下列重量成分的原料制成CH3OH 5～60％H2SO410～30％H2O 20～60％雜酸 3～10％導(dǎo)電聚合物和/或金屬粉末 2～6％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 10～30％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直接甲醇燃料電池的溶膠-凝膠流動(dòng)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直接甲醇燃料電池的溶膠-凝膠流動(dòng)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直接甲醇燃料電池的溶膠-凝膠流動(dòng)相，其特征是金屬有機(jī)化合物是鈦酸酯類、硅酸酯類，金屬鹽是硅酸鈉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的用于直接甲醇燃料電池的溶膠-凝膠流動(dòng)相，其特征是由下列重量成分的原料制成CH3OH 20％H2SO430％H2O 20％雜酸 3％金屬粉末 5％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 22％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的用于直接甲醇燃料電池的溶膠-凝膠流動(dòng)相，其特征是由下列重量成分的原料制成CH3OH 40％H2SO420％H2O 20％雜酸 5％導(dǎo)電聚合物 3％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 12％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的用于直接甲醇燃料電池的溶膠-凝膠流動(dòng)相，其特征是由下列重量成分的原料制成CH3OH 50％H2SO410％H2O 10％雜酸 10％導(dǎo)電聚合物 5％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 15％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的用于直接甲醇燃料電池的溶膠-凝膠流動(dòng)相，其特征是由下列重量成分的原料制成CH3OH 50％H2SO410％H2O 10％雜酸 10％導(dǎo)電聚合物 2％金屬粉末 3％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 15％。
9.一種用于直接甲醇燃料電池的溶膠-凝膠流動(dòng)相的制備方法，其特征是依次包括下列步驟以金屬有機(jī)化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動(dòng)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(dòng)相。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于直接甲醇燃料電池的溶膠－凝膠流動(dòng)相及制備方法，由甲醇、硫酸、水、雜酸、導(dǎo)電聚合物和/或金屬粉末、金屬有機(jī)化合物或金屬鹽為原料制成。制備時(shí)以金屬有機(jī)化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動(dòng)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、導(dǎo)電聚合物、金屬粉末制成凝膠流動(dòng)相。本發(fā)明使甲醇滲漏率下降80％以上，DMFC功率密度可以達(dá)到60mW/cm
文檔編號(hào)C10L1/02GK101047262SQ20071002018
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月2日
發(fā)明者鞠劍峰, 倪紅軍 申請(qǐng)人:南通大學(xué)