[发明专利]一种含碳纳米管立体电极的微型无膜燃料电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种含碳纳米管立体电极的微型无膜燃料电池及其制备方法。

背景技术

随着移动便携设备的发展与普及，以往的能源设备以无法满足人类的要求，对于能量密度高且尺寸微小的能源设备的需求迫在眉睫。微型无膜燃料电池由于具有结构简单、高效、清洁、实用等一系列优势，同时由于没有质子交换膜，制作工艺简单、成本低廉。

在燃料电池中，所有的氧化还原反应都是基于平面电极表面进行的，由于反应几乎只在电极附近进行，电极与工作物质的接触面积较小。现有的微型无膜燃料电池的电极一般为长条形平面状，分布在微流通道的两侧，燃料和氧化剂分别在阳极和阴极表面流过而发生氧化还原反应，这种二维平面电极的有效利用面积小，燃料利用率和功率密度低。

发明内容

本发明为解决现有技术中平面电极电池燃料利用率低和功率密度低的问题，提供了一种含碳纳米管立体电极的微型无膜燃料电池及其制备方法。

一种含碳纳米管立体电极的微型无膜燃料电池，所述微型无膜燃料电池的基板材料表面上有金属电极引线，所述金属电极引线上定位生长有多个碳纳米管立体电极和多个碳纳米管导流网板，所述碳纳米管立体电极上负载有催化剂，所述基板材料与含有沟槽的盖片粘结封装后得到微型无膜燃料电池。

上述方案中，所述基板材料为硅片或玻璃片。

上述方案中，所述金属电极引线为铬-金双层金属薄膜电极引线。

上述方案中，所述碳纳米管立体电极是由众多碳纳米管成束状构成，每一个所述碳纳米管立体电极的面积为20～10000μm²，立体电极的高为20～200μm，；碳纳米管立体电极与碳纳米管立体电极之间的间距为20～100μm；所述碳纳米管导流网板由碳纳米管组成，呈线条型，每一个导流网板的宽度为10～50μm，高为20～200μm，导流网板与导流网板之间的间距为20～100μm。

上述方案中，所述催化剂为铂、钯、铜、金、银的金属催化剂或合金催化剂。

上述方案中，所述沟槽的深度与碳纳米管电极和碳纳米管导流网板的高度一致，所述沟槽的长宽尺寸与金属电极引线上定位生长的碳纳米管电极和碳纳米管导流网板的区域尺寸相一致。

一种制备上述含碳纳米管立体电极的微型无膜燃料电池的方法，包括如下步骤：

（1）在基板材料上制备金属电极引线；

（2）采用微接触印刷法，利用PDMS转移印章在上述金属电极引线上印刷用于催化碳纳米管生长的催化剂浆料，该催化剂浆料在金属电极引线上的印刷位置由碳纳米管立体电极和碳纳米管导流网板在金属电极引线上的位置决定；

（3）在上述印刷有催化剂浆料的金属电极引线上，采用化学气相沉淀法定位生长碳纳米管立体电极和碳纳米管导流网板；

（4）在上述碳纳米管立体电极上负载用于氧化燃料和还原氧化剂的催化剂；

（5）将含沟槽的盖片与基板材料粘结封装后，得到含碳纳米管立体电极的微型无膜燃料电池。

上述方案中，所述金属电极引线的制备方法为：首先在基板材料上制备金属膜；然后在所述金属膜表面涂覆一层光刻胶；再对所述光刻胶进行光刻和显影处理，使所述金属膜上残余的光刻胶呈现所需的电极图形，随后将其放入刻蚀液中进行刻蚀，得到所需的电极形状；最后碳化刻蚀后的所述光刻胶，将所述刻蚀后的光刻胶放入高温炉中进行热处理。

上述基板材料为硅片或玻璃，上述金属膜为铬-金双层金属薄膜，上述刻蚀液为铬刻蚀液和金刻蚀液，上述制备金属膜的方法为溅射法、磁控溅射法或热蒸发镀法；具体地，所述磁控溅射法制备所述金属膜的工艺参数为：腔体压力为0.5～0.6Pa，溅射功率为80～100W，氩气流速为10～12cm²/min，溅射时间为2～3min；采用匀胶法在所述金属膜表面涂覆一层所述光刻胶，所述匀胶法的工艺参数为：转速为700～800rpm，时间为6～9s，再经转速为3500rpm，时间为20～30s；所述热处理的工艺参数为：以1～2℃/min的速度升温，在150℃的温度条件下，保温0.5h，然后以5℃/min的速度升温至350～380℃，保温0.5h后，随炉冷却。

上述方案中，所述催化剂浆料为铁、钴、镍纳米金属颗粒或含铁、钴、镍的金属盐与有机粘接剂的混合物，所述有机粘接剂优选聚乙二醇或聚丙烯酰胺。