[发明专利]一种含三维立体多孔碳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，具体地涉及一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池及其制备方法。

背景技术

随着科技的发展，移动电子设备不断地微型化，对于微型高效的电源需求越来越大。微型燃料电池具有高能量转换效率、高比功率、高容量、体积小及环境友好等优点，能够在一定程度上满足移动电子设备日益增长的能源需求，随着各类移动电子设备的日益普及，微型燃料电池的需求将更加突出，是一种有潜力的技术。

微型无膜燃料电池是一种无需质子交换膜的新型微型燃料电池,它充分利用微流体粘滞性较强而出现的共层流属性，即氧化剂和燃料两股液流在微沟道内交互通过时彼此接触面出现较少混合的特性。液流接触面起到质子交换膜的作用，故可以视液流接触面为虚拟质子交换膜，微型无膜燃料电池无需质子交换膜也能实现质子的选择透过性从而保持电池工作时内电路畅通。

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。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。目前的微型无膜燃料电池均是以金属材料作为电极，在电极上涂刷或沉积催化剂，或在电极上涂刷负载有催化剂的载体材料等。但通过这些方法制备的电极氧化还原反应局限在二维平面，反应活性区域面局限，燃料利用率和功率密度低。

发明内容

为了解决现有技术中燃料电池燃料利用率低和功率密度低的问题，本发明提供了一种含三维立体多孔碳电极的微型无膜燃料电池及其制备方法。

一种含三维立体多孔碳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负载有碳纳米管或碳纤维，所述碳纳米管或碳纤维上负载有催化剂，所述金属电极引线和负载有催化剂的碳纳米管或碳纤维构成了三维立体多孔碳电极，所述微型无膜燃料电池的燃料和氧化剂分别以渗透的形式透过负载有催化剂的三维立体多孔碳电极发生氧化还原反应，所述基板材料与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属薄膜电极引线。

上述方案中，所述多孔碳纳米管或碳纤维的厚度为0.1～1mm。

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。

一种制备上述含三维立体多孔碳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）在金属电极引线上负载碳纳米管或碳纳米纤维；

（3）在碳纳米管或碳纳米纤维上负载催化剂；

（4）将上述基板材料与盖片粘结封装后得到微型无膜燃料电池。

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，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，所述多孔碳纳米管或碳纳米纤维的负载方法为：直接沉淀法、电泳沉积法或直接生长法。

上述直接沉淀法的步骤为：将碳纳米管或碳纤维超声分散于丙酮溶液中，将混合液滴加到所述金属引线表面沉淀，再经50℃～80℃、15～30min烘干即可。

上述电泳沉积法的步骤为：取浓度为0.5～2g/l的碳纳米管水溶液或碳纤维水溶液，沉积电压为1～2v，沉积时间为5～10h。