CN100463275C

CN100463275C - 一种硼氢化物碱性燃料电池

Info

Publication number: CN100463275C
Application number: CNB2007100182584A
Authority: CN
Inventors: 柳永宁; 王瑾; 马金福
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: CN101083334A

Abstract

本发明公开了一种具有电极制备低成本、并可显著提高电池在大电流下的放电电压以及放电功率、且性能稳定的碱性燃料电池。其包括阳极、阴极和阴阳极之间的含有硼氢化物碱性溶液的电解质，所述的阳极采用AB₅型储氢合金作为催化剂，其特征在于：所述的阴极采用钙钛矿型金属氧化物LaMO₃作为催化剂组成阴极催化层，其中的M为Co，Ni，Mn或Fe。本发明采用钙钛矿型金属氧化物作为阴极电催化剂的燃料电池可广泛应用于电动装置、电子设备和电动车辆等大电流、大功率的场合。

Description

一种硼氢化物碱性燃料电池

技术领域

本发明涉及一种电化学电池，特别涉及一种硼氢化物碱性燃料电池。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转换成电能的装置。它不必经过卡诺热机循环，不受卡诺最大能量转换效率理论限制，能量转换效率高。近年来，燃料电池技术倍受瞩目，它的实际应用除了在不计成本的宇航领域外，还可以应用到当前高速发展的电子、信息、交通运输等领域。近年来，各国政府、研究机构和公司己经投入大量的人力和物力进行相关研究和开发。

目前燃料电池研究开发主要集中在质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)。这两类燃料电池各有特色，但也存在不足：质子交换膜燃料电池就目前技术而言，受到贵金属催化剂和质子交换膜(Nafion膜)的资源和成本限制；直接甲醇燃料电池除了上述难题之外，还存在工作电压较低、甲醇渗透引起的电极性能衰减等问题。碱性燃料电池(AFC)的优点突出：离子导电性高、能量转化效率高、可采用非铂电催化剂和不需要昂贵的Nafion膜。直接硼氢化物碱性燃料电池是基于AFC及DMFC两者的原理及技术而构思的一种新型电池，该电池将两者的特点结合在一起，采用硼氢化物作为燃料，避免了氢气的存储和提纯工艺所带来的麻烦，是一种高效的燃料电池。中国专利CN 1901261A公开了一种用MnO₂和AB₅、AB₂储氢合金做阴阳极催化材料的硼氢化物碱性燃料电池，此燃料电池在5mA.cm^-2下获得了0.87V的工作电压，在180mA.cm^-2的电流密度下得到最大功率密度为70mW.cm^-2。但是，该电池在大电流、大功率工作条件下，比如电动汽车，还不能满足实际需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有电极制备低成本、并可显著提高电池在大电流下的放电电压以及放电功率、且性能稳定的碱性燃料电池。其可以广泛应用于电动装置、电子设备和电动车辆等大电流、大功率的场合。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种硼氢化物碱性燃料电池，包括阳极、阴极和阴阳极之间的电解质，所述的阳极采用AB₅型储氢合金作为催化剂，所述的阴极采用钙钛矿型金属氧化物LaMO₃作为催化剂组成的阴极催化层，其中的M为Co，Ni，Mn或Fe；其特征在于：所述的电解质为含有硼氢化物的碱性溶液；所述的阴极催化层按照：LaMO₃：活性炭：粘接剂＝30：50：20的重量比组成；LaMO₃的载量为3.5mg.cm^-2～12.5mg.cm^-2。

上述方案中，所述的硼氢化物为KBH₄或NaBH₄；碱性溶液为含有KOH或NaOH的溶液。LaMO₃最好为LaCoO₃；其载量为5.5mg.cm^-2。

本发明的硼氢化物碱性燃料电池的基本工作原理为：纯的氧气或者空气中的氧气在电池的正极(阴极)发生还原反应。其反应方程式为：

O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

溶解在碱性电解质(KOH或NaOH)中的氢化物(如KBH₄或NaBH₄等)在电池的负极(阳极)发生氧化反应。其反应方程式为：

BH₄ ^-+8OH^-→BO₂ ^-+6H₂O+8e^-

整个燃料电池的总反应方程式为；

BH₄ ^-+2O₂→BO₂ ^-+2H₂O

从以上方程式可以看出氧气和氢化物(如KBH₄或NaBH₄等)是该燃料电池的燃料。

本发明阳极制造方法采用传统方法制备。主要包括二部分：1)储氢合金制备，熔炼法制备储氢合金锭，用机械粉碎成小块，过200目筛；2)电极的制备，用该储氢合金粉末与添加剂及粘结剂以一定的比例混合，调成膏状填充在泡沫镍基体中，真空烘干后滚压成型，厚度为0.2～0.6mm。

本发明的特点在于，阴极是采用ABO₃型结构的钙钛矿氧化物作为催化剂，钙钛矿氧化物包括LaMO₃(M＝Co，Ni，Mn或Fe)。该氧化物催化剂可以用溶胶-凝胶法(即用La、Co的盐混合液和Ni、Mn、Fe的盐混合液，柠檬酸或草酸为络合剂)制备。将此溶液蒸发脱水，再在900℃下焙烧4h。焙烧后的催化剂再与粘结剂及碳粉混合均匀，采用滚压法制成催化层；气体扩散层制备步骤包括：用碳粉与粘结剂以一定比例混合均匀，用滚压法制备成膜。气体扩散层有大量微孔结构，可以使氧化剂(如氧气，空气)顺利通过到达催化剂层，进行氧的还原反应。气体扩散层另一特征是防止电解液扩散至气体室。阴极由催化层和气体扩散层在一定的压力下冷压成型，最后制成电极厚度在0.4～0.7mm。

本发明的碱性燃料电池与现有技术相比，具有以下优点：1)由于采用了廉价的钙钛矿型氧化物作为电池阴极的电催化剂，因此制造成本低，整个电池的制造成本可降低10％。2)电池性能优良，在放电电流密度达100mA.cm^-2下可获得0.79V的工作电压，在180mA.cm^-2的放电电流密度下可得到的最大功率密度为100mW.cm^-2；比背景技术的电池提高了30％，并且性能稳定。

附图说明

图1为本发明燃料电池的结构示意图。图中，1-阳极；2-阴极；3-电解质。

图2为本发明实施例1的燃料电池恒电流放电曲线。

图3为本发明实施例2的燃料电池恒电流放电曲线。

图4为本发明实施例3的燃料电池恒电流放电曲线。

图5为本发明实施例4的燃料电池恒电流放电曲线。

图6为本发明实施例1的燃料电池伏安、功率曲线。

图7为本发明实施例2的燃料电池伏安、功率曲线。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种钙钛矿氧化物为催化剂的碱性燃料电池，包括阳极1、阴极2和阴阳极之间的电解质3，阳极1为AB₅型储氢合金催化剂电极，该AB₅型储氢合金为MmNi_3.35Co_0.75Mn_0.4Al_0.3，其中的Mm为富铈混合稀土；阴极2为ABO₃型钙钛矿型氧化物催化剂电极，电解质3为含有KBH₄的KOH碱性溶液，将该溶液吸附在尼龙膜中。

实施例1

阳极1采用AB₅型储氢合金MmNi_3.35Co_0.75Mn_0.4Al_0.3作为催化剂，其中，B侧化学计量(AB₅)，A侧Mm为富Ce混合稀土金属，化学成分为：50wt％Ce、30wt％La、5wt％Pr、15wt％Nd。将合金粉末与添加剂、粘接剂混合均匀之后涂覆在泡沫镍上，低温烘干并在5Mpa下压制成型，MmNi_3.35Co_0.75Mn_0.4Al_0.3的载量为0.15g.cm^-2。阴极2采用LaCoO₃作为催化剂，催化层组成按照：LaCoO₃、活性炭，粘接剂＝30：50：20的重量比混合，经分散之后涂覆在泡沫镍上辊压成催化层。扩散层组成：乙炔黑：粘接剂＝60：40的重量比混合，滚压成膜。将催化层与扩散层在2Mpa冷压力制成厚度为0.6mm的氧电极，即阴极2。LaCoO₃的载量为5.5mg.cm^-2。在室温下，6mol.L^-1的KOH和0.8mol.L^-1的KBH₄电解质3中，本实施例电池的恒电流放电曲线如图2所示；电池的伏安、功率曲线如图6所示。粘接剂采用聚四氟乙烯乳液

实施例2

阴极2采用LaNiO₃作为催化剂，催化层组成按照：LaNiO₃、活性炭，粘接剂＝30：50：20的重量比混合，LaNiO₃的载量为7.5mg.cm^-2，其余按照实施例1中的步骤和条件制备阴阳电极。在室温下，6mol.L^-1的KOH和0.8mol.L^-1的KBH₄电解质3中，电池的恒电流放电曲线如图3所示；电池的伏安、功率曲线如图7所示。

实施例3

阴极2采用LaMnO₃作为催化剂，催化层组成按照：LaMnO₃、活性炭，粘接剂＝30：50：20的重量比混合，LaMnO₃的载量为3.5mg.cm^-2，其余按照实施例1中的步骤和条件制备阴阳电极。在室温下，6mol.L^-1的KOH和0.8mol.L^-1的MKBH₄电解质3中，电池的恒电流放电曲线如图4所示。

实施例4

阴极2采用LaFeO₃作为催化剂，催化层组成按照：LaFeO₃、活性炭，粘接剂＝30：50：20的重量比混合，LaFeO₃的载量为12.5mg.cm^-2，其余按照实施例1中的步骤和条件制备阴阳电极。在室温下，6mol.L^-1的KOH和0.8mol.L^-1的KBH₄电解质3中，电池的恒电流放电曲线如图5所示。

如图2、图3所示，从本发明实施例1和2的燃料电池的恒电流放电曲线可看出，在放电电流密度为100mA.cm^-2的放电电压可达0.7～0.8V。

如图6、图7所示，从本发明实施例1和2的燃料电池的伏安、功率曲线可看出，此燃料电池在5mA.cm^-2下可获得1.0～1.1V的工作电压，在180mA.cm^-2的电流密度下得到最大功率密度为87.5～100mW.cm^-2。

Claims

1.一种硼氢化物碱性燃料电池，包括阳极、阴极和阴阳极之间的电解质，所述的阳极采用AB₅型储氢合金作为催化剂，所述的阴极采用钙钛矿型金属氧化物LaMO₃作为催化剂组成的阴极催化层，其中的M为Co，Ni，Mn或Fe；其特征在于：所述的电解质为含有硼氢化物的碱性溶液；所述的阴极催化层按照：LaMO₃：活性炭：粘接剂＝30：50：20的重量比组成；所述的LaMO₃的载量为3.5mg.cm^-2～12.5mg.cm^-2。

2.按照权利要求1所述的硼氢化物碱性燃料电池，其特征在于，所述的硼氢化物为KBH₄或NaBH₄；碱性溶液为含有KOH或NaOH的溶液。

3.按照权利要求1所述的硼氢化物碱性燃料电池，其特征在于，所述的LaMO₃为LaCoO₃。

4.按照权利要求3所述的硼氢化物碱性燃料电池，其特征在于，所述的LaCoO₃的载量为5.5mg.cm^-2。