[發明專利]一種基于空氣陰極的微型直接甲酸燃料電池

無效

• 申請號: 201110026165.2
• 申請日: 2011-01-21
• 公開（公告）號: CN102136590A
• 公開（公告）日: 2011-07-27
• 發明（設計）人: 廖世軍;洪平;黃新建;鐘軼良;羅凡
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/04;H01M4/86;H01M4/90;B01J23/44;B01J23/42
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技術領域

本發明涉及燃料電池領域，特別是涉及一種基于空氣陰極微型直接甲酸燃料電池及其陽極催化劑。

背景技術

伴隨著個人便攜式用電設備如手機、筆記本電腦、個人數字設備(PDA)等大量新型電子產品不斷進入人們的生活，人們開始對電源的要求迅速提高，常用的一次和二次電池已無法滿足人們的需求。而燃料電池作為一種能直接將化學能轉化為電能的裝置，較普通電池具有高效、環保、啟動迅速、質量比能量高等顯著優點。因此，研究和開發基于燃料電池的新型電源具有重要的意義。目前的研究主要致力于質子交換膜燃料電池(PEMFC)和直接甲醇燃料電池(DMFC)。按照有關資料公布的2008年調查報告顯示：2008年全球生產的便攜式設備用燃料電池中，質子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池分別占70％和24％。但是，以上兩類電池均存在著一定的問題。

PEMFC的主要問題是氫的存儲及攜帶的安全性，以及氣態的氫氣體積能源密度低(僅為39.1Wh/L)。盡管已經開發出新型的儲氫材料代替常用的高壓氣瓶儲氫，常用的儲氫材料主要是稀土系、鎂系、鈦系。但普遍存在吸放氫條件苛刻、儲氫量少等缺點。例如MgH₂儲氫量僅為7.6％(質量百分數)，吸放氫溫度達到280～320℃。LaNi₅合金儲氫量僅為1.4％(質量百分數)，TiFe和TiMn合金的儲氫量也只有2.0％(質量百分數)。上述難題限制著PEMFC的發展。

使用液體燃料的直接醇類燃料電池備受關注，DMFC以液體甲醇為燃料，其理論體積能量密度高(約為4900Wh/L)，且相比PEMFC而言在燃料的安全性方面有著突出的優點。但是甲醇的電氧化活性遠不及H₂，同時甲醇能透過質子交換膜(PEM)，且有較高的透過率，大大降低甲醇的利用率，透過PEM的甲醇會在陰極氧化形成混合電位，降低電池性能，40％的燃料因甲醇滲透而被浪費。為保證良好的電池性能只能使用低濃度的甲醇作為燃料(通常為1M～2M)，使用過程中無疑需頻繁更換燃料，使DMFC的續航能力差，降低了DMFC工作效率。

甲醇陽極氧化的副產物CO對催化劑的毒化也一直未能得到很好的解決。當然甲醇所固有的揮發性、毒性和易燃性也是DMFC商業化必須考慮的問題。據報道，甲醇對人的致死量為75ml(約60g)，屬“中等毒”范圍，誤入人眼會造成永久性失明。同樣是鑒于安全方面的考慮，東芝公司原定2009年4月量產的封裝在手機和筆記本電腦的DMFC被迫推遲上市時間。甲醇的諸多不足，大大限制著DMFC商業化進程。

鑒于以上PEMFC和DMFC的不足，人們開始尋求新型的可替代甲醇的燃料，目前研究的有甲酸、乙醇、乙二醇、丙醇、2-丙醇、1-甲氧基-2-丙醇、丁醇、2-丁醇、異丁醇、叔丁醇、二甲醚、二甲氧基甲烷、三甲氧基甲烷等。而甲酸成為首選，直接甲酸燃料電池(DFAFC)且被認為最有可能率先實現商業化的燃料電池。甲酸在室溫下為液體，不易燃，存儲和運輸安全。低濃度的甲酸被美國食品和藥品管理部門列為安全的食品添加劑。在比較了各類型直接液體燃料電池燃料(DLFC)安全性后，人們總結出了直接甲酸燃料電池的四大優點：一是甲酸較甲醇更容易被氧化；二是甲酸可燃性低，比甲醇更安全；三是甲酸的環境毒性更低；四是甲酸的膜穿透率遠遠低于甲醇。由于甲酸在溶液中形成的HCOO^-與PEM表面磺酸基團的排斥作用，甲酸對PEM的穿透率極低。單純膜條件下大約為甲醇的1/100，在單電池測試條件下，綜合考慮催化劑等因素影響，甲酸的膜透過率也僅為甲醇的1/6。由于甲酸較低的膜穿透率，因此DFAFC對甲酸濃度適應范圍廣，采用20M甲酸為燃料時電池也能正常工作，使用10M甲酸時電池工作效率最佳。另外，甲酸作為一種酸性電解質，有利于提高陽極室的質子電導率，降低電池內阻。甲酸在催化劑表面有較高的電化學活性，理論開路電壓1.48V，較甲醇的1.21V和氫氣的1.23V均高。選擇合適的催化劑采用脫氫的直接路徑機理時，不產生CO中間體，不存在著催化劑中毒問題。

目前針對DFAFC主要的研究方向包括：陽極催化劑、陰極催化劑、小型電池、測試用電池等。常見的陽極催化劑制備采用NaBH₄還原，普遍存在著催化劑顆粒度大，團聚現象嚴重等問題。而小型電池由于采用的電極板材料及主動供料需附加設備等問題，普遍存在著甲酸腐蝕、加工難度大、不易攜帶等問題，這些都將直接影響到電池的宿命和實用型。