[發(fā)明專利]一種燃料電池及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410335627.2
• 申請(qǐng)日: 2014-07-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104091961B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王雅東;黃世強(qiáng);涂文懋;潘牧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/1004
• 分類號(hào): H01M8/1004;H01M4/90
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 王守仁

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池，特別是一種通過(guò)用I^-/I₃^-氧化還原偶對(duì)作為燃料電池陰極來(lái)改善燃料電池性能的方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子膜燃料電池(PEMFC)作為未來(lái)的清潔車載能源系統(tǒng)，用于替代低效高排放的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，被視為建立新能源經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有清潔、高效等眾多優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)多年的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)，質(zhì)子交換膜燃料電池用作汽車動(dòng)力的研究已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，微型質(zhì)子交換膜燃料電池便攜電源和小型質(zhì)子交換膜燃料電池移動(dòng)電源已達(dá)到產(chǎn)品化程度，中、大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的研究也取得了一定成果。

但是作為將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能源轉(zhuǎn)換裝置，其體系內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，這一復(fù)雜性對(duì)于陰極的氧還原反應(yīng)尤其突出。一方面，氧的電化學(xué)還原反應(yīng)歷程復(fù)雜，需要價(jià)格昂貴的高性能的貴金屬催化劑來(lái)改善和提高反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，保證高能量轉(zhuǎn)換效率的實(shí)現(xiàn)和避免反應(yīng)中間產(chǎn)物，如過(guò)氧化氫，對(duì)于整個(gè)電池體系的負(fù)面影響。另一方面，作為以氣體為活性材料的電催化反應(yīng)，電極反應(yīng)的發(fā)生又必須保證離子傳遞的通道和電子傳遞的通道，因此氧還原反應(yīng)的進(jìn)行還必須具有反應(yīng)過(guò)程所需的三相界面。同時(shí)由于質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)通常均在低于80℃條件下操作，反應(yīng)生成的水大部分是以液態(tài)形式存在的，液態(tài)水可能在流道和擴(kuò)散層中形成二相流，造成局部阻塞，使氧的流動(dòng)和擴(kuò)散減弱或中斷，進(jìn)而影響電池的工作；而部分氣態(tài)水作為多組份擴(kuò)散的成份之一，將改變氧的擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)氧的流動(dòng)和擴(kuò)散產(chǎn)生直接影響。針對(duì)前者，研究人員投入大量的精力，分別采用提高鉑貴金屬催化劑的利用率和采用貴金屬合金催化劑以及非貴金屬催化的方法，來(lái)降低催化劑在整個(gè)燃料電池體系中的過(guò)高的成本組成，同時(shí)希望通過(guò)協(xié)同效應(yīng)提高氧還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。但是作為動(dòng)力學(xué)緩慢的反應(yīng)，目前氧的電化學(xué)還原反應(yīng)在不同催化劑表面的電反應(yīng)的交換電流密度僅為10^-7～10^-10A/cm²,遠(yuǎn)低于常見(jiàn)的電池中的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而非貴金屬催化劑無(wú)論在催化性能還是在耐久性方面都遠(yuǎn)遜于鉑貴金屬催化劑。同時(shí)，在燃料電池的反應(yīng)過(guò)程中，氧的來(lái)源主要來(lái)源于空氣，而空氣中硫等雜質(zhì)與金屬催化劑的相互作用非常強(qiáng)以至于很難將其從金屬表面上除去，嚴(yán)重影響催化劑的活性。因此就目前的研究情況來(lái)看，氧還原催化劑在成本、耐久性、和動(dòng)力學(xué)改善方面仍然需要數(shù)量級(jí)的提高才能真正滿足實(shí)際的需求，而在實(shí)際應(yīng)用中如何有效降低S等雜質(zhì)的負(fù)面影響以及提高金屬催化劑的抗S中毒性也顯得非常緊迫。針對(duì)反應(yīng)過(guò)程中復(fù)雜的三相界面的要求方面，科研人員的研究工作主要集中在電極結(jié)構(gòu)的改善以及控制策略的優(yōu)化兩個(gè)方面。針對(duì)電極結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理的孔隙結(jié)構(gòu)的分布，微孔層的親憎水性，以及電極的立體化等，同時(shí)采用復(fù)雜的水熱控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)水在陰極內(nèi)的合理分布，保證在反應(yīng)區(qū)內(nèi)生成的水首先要經(jīng)過(guò)擴(kuò)散層傳遞到擴(kuò)散層－流道界面后被流道內(nèi)的氣體帶走，避免催化層會(huì)被水覆蓋，形成水淹，形成PEMFC內(nèi)的水平衡，保證電池能有穩(wěn)定的輸出性能。水管理系統(tǒng)也導(dǎo)致了燃料電池體系更為復(fù)雜。為了應(yīng)對(duì)燃料電池的中氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)低和水管理復(fù)雜的問(wèn)題，人們也提出了發(fā)展高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的思路。通過(guò)反應(yīng)在較高溫度下進(jìn)行，一方面可以提高氧氣的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，另一方面，使陰極生成的反應(yīng)產(chǎn)物為氣態(tài)水，降低了水管理的難度，雖然從理論上來(lái)看，高溫燃料電池可以降低燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性，然而，由于燃料電池在高溫條件下運(yùn)行，當(dāng)前普遍應(yīng)用的Nafion膜將不再使用，需要發(fā)展新型的高溫膜，而燃料電池的壽命也受到極大地沖擊。

氧化還原偶對(duì)具有電化學(xué)可逆性或可以通過(guò)其他的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)可逆循環(huán)。其作為過(guò)充添加劑廣泛應(yīng)用于鋰離子電池當(dāng)中。因此我們擬根據(jù)氧化還原偶對(duì)的特點(diǎn)，通過(guò)氧化還原偶對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料電池的陰極功能，形成半燃料電池。在此過(guò)程中，氧化還原偶對(duì)分子通過(guò)光催化氧化或氧的直接氧化生成氧化態(tài)，氧化態(tài)的分子在陰極上發(fā)生電還原反應(yīng)，釋放電能回到還原態(tài)后又通過(guò)光催化和氧的直接還原恢復(fù)到氧化態(tài)，如此往復(fù)，只要保證光能或氧氣的供應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種通過(guò)用I^-/I₃^-氧化還原偶對(duì)作為燃料電池陰極來(lái)改善燃料電池性能的方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用以下的技術(shù)方案：