[發(fā)明專利]一種酸性溶液中的無膜直接醇燃料電池及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410236531.0
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN104037440A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 易清風(fēng);楚浩;陳清華;陽錚;劉小平
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號: H01M8/22
• 分類號: H01M8/22;H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 張家界市慧誠商標(biāo)專利事務(wù)所 43209
• 代理人: 高紅旺

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)與新能源材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種在酸性溶液中無離子交換膜的直接醇燃料電池及其制造方法。

背景技術(shù)

直接醇燃料電池以甲醇、乙醇、丙醇（及其異構(gòu)體）和丁醇（及其異構(gòu)體）為燃料，以氧氣（或空氣）為氧化劑，在電催化劑作用下實現(xiàn)電能的不斷輸出。這種燃料電池的陽極反應(yīng)為醇的氧化反應(yīng)，陰極反應(yīng)為氧氣還原反應(yīng)，要實現(xiàn)這陽極和陰極反應(yīng)的順利進行，必須有催化活性強的催化劑作為陽極和陰極。目前，直接醇燃料電池采用的陽極催化劑主要為Pt/C,?陰極催化劑主要為PtRu/C，并且陽極和陰極要用離子交換膜隔開，以防止作為燃料的醇遷移到陰極催化劑表面，從而導(dǎo)致陰極催化劑毒化而失去活性。這種離子交換膜的使用不僅使電池的組裝復(fù)雜、維修困難，而且更重要的是導(dǎo)致電池成本大大增加，并且由于離子交換膜在使用過程中的破損，可能導(dǎo)致電池短路等嚴(yán)重情況。目前，這種使用離子交換膜的醇燃料電池中，離子膜的成本占電池總成本的20-30%。因此，研究、開發(fā)無膜的直接醇燃料電池具有重要的實際應(yīng)用價值。

直接醇燃料電池可以在堿性溶液中運行，也可以在酸性溶液中運行。對于氧還原反應(yīng)，它在酸性溶液中的起始電位比堿性溶液中更高，并且具有更大的電流密度；此外，直接醇燃料電池在酸性溶液中運行時，不會像堿性溶液中那樣產(chǎn)生由于吸收空氣中的二氧化碳而導(dǎo)致碳酸鹽的析出，這些不導(dǎo)電的碳酸鹽附著在電極表面以及離子交換膜表面，使電池的性能急劇下降。因此，制造酸性溶液中運行的無膜的直接醇燃料電池具有重要的實際意義。

對于在酸性溶液中無膜子交換膜的直接醇燃料電池來說，陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)都是在同一電解質(zhì)（酸性溶液）中進行。因此，要保證這種燃料電池能正常運行，作為燃料的醇在陽極的氧化反應(yīng)，以及作為氧化劑的氧氣在陰極的還原反應(yīng)都應(yīng)能夠正常進行，且相互不受干擾。對于醇氧化這一陽極反應(yīng)，陰極上的氧氣對它的影響很有限，即氧氣的存在不會影響醇的氧化反應(yīng)；而對于氧還原這一陰極反應(yīng)，醇的存在可能會對它產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，這一結(jié)果取決于陰極所采用的催化劑。目前，陰極催化劑主要采用PtRu/C材料，但在醇存在下，該催化劑會產(chǎn)生嚴(yán)重的毒化效應(yīng)，從而對氧還原反應(yīng)的催化活性急劇下降。因此，在酸性溶液中，PtRu/C材料不能應(yīng)用于無膜的直接醇燃料電池。

綜上所述，要開發(fā)出在酸性溶液中的無膜直接醇燃料電池，關(guān)鍵是制造出在有醇存在的情況下，能夠在酸性溶液中對氧還原保持穩(wěn)定的電催化活性的陰極催化劑。由此制造的無膜直接醇燃料電池能夠在酸性溶液中穩(wěn)定放電，并且這種燃料電池具有制造簡單、成本較低的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種在酸性溶液中的無膜的直接醇燃料電池，該燃料電池沒有采用離子交換膜，陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)在同一電解質(zhì)溶液（即酸性溶液）中進行，使得電池結(jié)構(gòu)簡單，電池維護方便，成本降低。本發(fā)明的目的還提供了一種在酸性溶液中的無膜的直接醇燃料電池的制備方法。

為達到上述目的，本發(fā)明的實施方案為：一種在酸性溶液中的無膜的直接醇燃料電池，包括氣體擴散電極、陽極片和電解液，所述氣體擴散電極由催化層、不銹鋼網(wǎng)和防水透氣層依次疊放經(jīng)熱壓成型而成，防水透氣層與空氣直接接觸；在氣體擴散電極與陽極片之間設(shè)置有塑料網(wǎng)格隔板片，塑料網(wǎng)格隔板片與陽極片及塑料網(wǎng)格隔板片與催化層之間分別有橡膠墊圈；

所述催化層是將氯化鈀、氯化鈷和氯化銅與乙二胺四乙酸二鈉鹽的混合，加入多壁碳納米管，往形成的混合物中緩慢加入硼氫化鈉溶液，制得鈀-鈷-銅納米催化劑材料，然后將碳粉、鈀-鈷-銅納米催化劑材料加入到無水乙醇中，充分?jǐn)嚢杈鶆颍?5℃水浴中加入聚四氟乙烯乳狀液，攪拌成均勻的凝膏，再經(jīng)碾壓呈片狀、干燥制成；

所述陽極片是以Nafion溶液為粘結(jié)劑，將Pt/C顆粒涂覆在不銹鋼網(wǎng)表面制備而成；

所述的電解液為含有醇的硫酸溶液。所述醇為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇或仲丁醇，硫酸濃度為0.5?mol?L^-1。

本發(fā)明還提供一種在酸性溶液中的無膜的直接醇燃料電池的制造方法，包括以下步驟：

（1）將多壁碳納米管、氯化鈀溶液、氯化鈷溶液以及氯化銅溶液混合，隨后加入乙二胺四乙酸二鈉鹽，將混合物充分?jǐn)嚢?小時，滴加氫氧化鈉溶液直至混合物的pH=6，?繼續(xù)攪拌，緩慢滴加硼氫化鈉溶液，滴加完畢后再繼續(xù)攪拌混合物1小時，將混合物過濾，所得固體用水洗至中性，室溫真空干燥，得到多壁碳納米管負載的鈀-鈷-銅納米復(fù)合材料；