[發明專利]一種鋅-水燃料電池及其在發電產氫中的應用

在審

• 申請號: 201810116682.0
• 申請日: 2018-02-06
• 公開（公告）號: CN110034319A
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: 蔡平偉;溫珍海
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: H01M8/0606
• 分類號: H01M8/0606;H01M8/04;C25B1/02;C25B11/06;C25B11/08
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 王惠

本申請公開了一種鋅?水燃料電池，其特征在于，包括陽極、陰極、隔膜、陽極室電解液和陰極室電解液；其中，所述陰極包括陰極催化劑，所述陰極催化劑選自析氫催化劑中的至少一種；所述陽極為金屬鋅；所述陽極電解液和所述陰極電解液由所述隔膜隔開；所述陽極電解液為堿性溶液，所述陰極電解液為酸性溶液。該鋅?水燃料電池的最大功率密度為80mW cm^?2，產氫速率為0.166mL s^?1cm^?1，能量密度為934Wh kg^?2，在一定程度上降低了產氫成本，提高了產氫效率，加快了產氫速度，增大了產電量，提升了該裝置的實用性，在促進制氫業的發展方面具備極大的潛力和良好的應用前景。

技術領域

本申請涉及一種鋅-水燃料電池，屬于燃料電池和電解制氫領域。

背景技術

過度消耗化石能源導致的能源危機和環境污染問題極大地促進了包括風能、潮汐能和太陽能等新型環保可再生能源的發展。氫能能量效率高，燃燒值大，無污染，這使其有潛力代替化石能源，從而引起了研究者極大的興趣。工業中通常用電解或水蒸氣重組的方法來實現氫氣的生產，然而這種方法面臨著成本高效率低的問題。很顯然，開發出一些新的方法來生產氫氣很有意義。基于此，由于電催化全解水具有高的產氫效率，能夠獲得高純度的氫氣和無污染，被認為是一種很有前景的生產氫氣的方法。但是，由于過電勢比較高，限制了其反應速度。因此，減小全解水的過電勢對于加快產氫速率有非常大的作用。

在過去的幾十年里，大量的工作研究如何提高析氫和析氧反應的電催化活性來促進水的分解。雖然已經取得了巨大的進步，但還是需要消耗很大的能量來驅動水分解。比如說，理論上通常需要1.23V的電壓，但實際上需要更高。為了進一步減小產氫的能耗，研究者用一些有機物的氧化反應來代替析氧反應。這種策略不僅能夠獲得氫氣，還能夠得到一些工業上有價值的中間產物。近期，研究者開發出了一種鋰-水燃料電池，它能夠同時產生電能和生產氫氣。但是，氫氣產量低，有機電解液不安全，鋰資源短缺，隔膜昂貴，產電少等問題限制了它的發展。

發明內容

根據本申請的一個方面，提供了一種鋅-水燃料電池，該電池是一種廉價安全高效的既能產氫又能產電的裝置，能夠在一定程度上降低產氫成本，提高產氫效率，加快產氫速度，增大產電量，提升該裝置的實用性，在促進制氫業的發展方面具備極大的潛力和良好的應用前景。

所述鋅-水燃料電池包括陽極、陰極、隔膜、陽極室電解液和陰極室電解液；

其中，所述陰極包括陰極催化劑，所述陰極催化劑選自析氫催化劑中的至少一種；所述陽極為金屬鋅；

所述陽極電解液和所述陰極電解液由所述隔膜隔開；

所述陽極電解液為堿性溶液，所述陰極電解液為酸性溶液。

可選地，所述陽極室電解液中含有氫氧化鈉、氫氧化鉀中的至少一種；所述陰極室電解液中含有硫酸。

可選地，所述陽極室電解液為氫氧化鈉溶液；所述陰極室電解液為硫酸溶液。

可選地，所述氫氧化鈉溶液的濃度為3mol/L～5mol/L；所述硫酸溶液的濃度為1mol/L～3mol/L。

可選地，所述氫氧化鈉溶液的濃度為4.0mol/L；所述硫酸溶液的濃度為2.0mol/L。

可選地，所述析氫催化劑選自鉑納米粒子負載在碳納米管的復合材料、鉑碳或碳納米管中的至少一種。

可選地，所述陰極為所述析氫催化劑負載于碳布上形成；所述隔膜為雙極性膜。

可選地，所述碳布的尺寸為1cm×1～2cm。

可選地，所述碳布的尺寸為1cm×1cm。

可選地，所述析氫催化劑在所述陰極碳布上的負載量為0.5～1.5mg；