CN102881934B - 一种甲醇燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种甲醇燃料电池，包括位于电池中间位置的质子交换膜、质子交换膜的左侧由内向外依次是阴极催化剂层、气体扩散层和氧化剂层，质子交换膜的右侧由内向外依次是阳极催化剂层、气体扩散层和燃料剂层，阳极催化剂层里的催化剂为镍合金，本发明甲醇燃料电池的优点在于，阳极催化剂层里的催化剂采用镍合金金属，而现有技术中采用的催化剂是铂金，镍合金相对于铂金来说成本必然显著地降低了，而且镍合金作为催化剂也会防止镍蠕变现象，对于甲醇的电化学活性也起到了提高的作用，最大限度的防止甲醇渗透到阴极中，避免了阴极混电位现象，使整个化学反应更稳定，从而提高电池的各方面性能。
Description
技术领域
本发明属于电化学的燃料电池技术领域，具体涉及到一种甲醇燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。目前，燃料电池的类型有碱性燃料电池、甲醇燃料电池、磷酸燃料电池等。其中，甲醇燃料电池体积小，组装容易，操作简便、工作温度在80～90°之间，更接近环境温度，能量利用率最高，其理论燃料转化率高达83%，是最具有商业价值的便携式电源机动车辆等使用的燃料电池。
甲醇燃料电池是指以甲醇溶液为燃料、以空气或氧气为氧化剂的化学能直接转化为电能的一种发电装置，但是甲醇氧化的电化学活性低，和氧元素相比较，其氧化能力比氧要低三个数量级别，所以，一般甲醇电池都有催化剂层，且催化剂一般都是昂贵的铂金。现有的甲醇燃料电池防渗性不佳，甲醇会从阳极向阴极渗透，造成燃料浪费和阴极混合电位，从而使电池的能力降低，作为绿色能源，甲醇燃料电池发展潜力无限，显然，在催化剂和防渗性这些方面有待于逐步完善。
发明内容
为解决上述现有技术存在的缺陷，本发明公开了一种成本低，提高甲醇氧化活性和解决渗透问题的甲醇燃料电池。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种甲醇燃料电池，包括位于电池中间位置的质子交换膜、质子交换膜的左侧由内向外依次是阴极催化剂层、气体扩散层和氧化基层，质子交换膜的右侧由内向外依次是阳极催化剂层、气体扩散层和燃料剂层，其中阳极催化剂层里的催化剂为镍合金。
所述催化剂镍合金包括金属镍和金属钛的混合物或金属镍、金属钛和金属镥的混合物或金属镍、金属钛、金属镥、金属钌的混合物。
镍合金催化剂包括金属镍和金属钛时，各成份占催化剂总量的质量百分比为：金属镍60～90%，金属钛10～40%。
催化剂镍合金包括金属镍、金属钛、金属镥时，各成份占催化剂总量的质量百分比为：金属镍70～90%，金属钛20～40%，金属镥20～40%。
催化剂镍合金包括金属镍、金属钛、金属镥、金属钌时，各成份占催化剂总量的质量百分比为：金属镍75～90%，金属钛5～20%，金属镥5～20%，金属钌5～20%。
所述阴极催化剂层里的催化剂是铂合金金属催化剂或是镍合金金属催化剂。
所述阴极催化剂层里的镍合金催化剂和上述阳极镍合金金属的成份和比例均相同。
本发明的甲醇燃料电池工作原理如下：燃料剂层里的燃料为浓度为85～95%的甲醇水溶液，其为阳极，氧化剂为空气或氧气或两者的混合物，其为阴极，在工作温度50～100°C下发生电化学反应，生成CO2和H2O并产生电流，发生的化学反应如下：
阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e_
阴极:3／2O2+6H++6e_→3H20
电池总反应：CH3OH+3／2O2→CO2+2H2O
阳极上的甲醇和水流入催化剂层，在催化剂的作用下生成CO2并放出质子和电子，质子通过质子交换膜传输到阴极，电子通过外电路流向阴极，这样形成压力差，从而产生电流，阴极上的氧和来自于质子交换膜的质子H+结合成水，并捕获外路中的电子，所以，总电池反应相当于甲醇氧化为CO2和H2O，这样就是使甲醇氧化的化学能直接转化为电能。
本发明的有益效果：本发明的阳极和阴极催化剂层里的催化剂采用镍合金金属，而现有技术中采用的催化剂是铂金，镍合金相对于铂金来说成本必然显著地降低了，而且镍合金作为催化剂也会防止镍蠕变现象，对于甲醇的电化学活性也起到了提高的作用，选取的金属镍、金属钛、金属镥、金属钌充分混合后在催化剂层里密实，这样也最大限度的防止甲醇渗透到阴极中，避免了阴极混电位现象，使整个化学反应更稳定，从而提高电池的各方面性能。
附图说明
图1为本发明甲醇燃料电池的结构示意图；
图2是不同电池电流密度的测量比较结果；
图中，1、质子交换膜；2、阳极催化剂层；3、阴极催化剂层；4、氧化剂层；5、燃料剂层；6、气体扩散层；7、燃料剂进入燃料剂层的方向；8、反应产物的排出方向；9、氧化剂进入氧化剂层的方向；10、氧化剂层中化学反应产物排出方向。
具体实施方式
下面结合实施例对发明内容做进一步的说明。
实施例一：本发明公开的一种甲醇燃料电池，如图1所示，包括位于电池中间位置的质子交换膜1、质子交换膜的左侧由内向外依次是阴极催化剂层3、气体扩散层6和氧化剂层4，质子交换膜的右侧由内向外依次是阳极催化剂层2、气体扩散层和燃料剂层5，氧化剂从箭头9的方向通入氧化剂层，氧化剂包括空气和氧气的混合物，空气占的体积百分比为20～30%，氧气占的体积比为70～80%，燃料剂从箭头7的方向进入到燃料剂层，其浓度为95～98%，阳极催化剂层里的催化剂为镍合金金属，催化剂镍合金包括金属镍和金属钛，各成份占催化剂总量的质量百分比为：金属镍60～90%，金属钛10～40%，阴极催化剂层里的催化剂为铂合金，甲醇和水在催化剂的条件下发生化学反应，生成的CO2和H2O从箭头8的方向排出，氧化剂空气和氧气的混合物接收到阳极甲醇和水释放出的质子和电子发生化学反应，生成的水从箭头10的方向排出，从而使化学能转化为电能的工作温度为50～100°C。
实施例二：本发明公开的一种甲醇燃料电池，包括位于电池中间位置的质子交换膜1、质子交换膜的左侧由内向外依次是阴极催化剂层3、气体扩散层6和氧化剂层4，质子交换膜的右侧由内向外依次是阳极催化剂层2、气体扩散层和燃料剂层5，燃料为甲醇水溶液，其浓度为95～98%，阳极催化剂层里的催化剂为镍合金金属，催化剂镍合金包括金属镍、金属钛、金属镥时，各成份占催化剂总量的质量百分比为：金属镍70～90%，金属钛20～40%，金属镥20～40%，阴极催化层里的催化剂也为镍合金，其镍合金包括金属镍和金属钛，各成份占催化剂总量的质量百分比为：金属镍60～90%，金属钛10～40%，阴极里的催化剂也可以是和阳极镍合金金属一样的成份。甲醇和水在催化剂的条件下发生化学反应，氧化剂氧气接收到阳极甲醇和水释放出的质子和电子发生化学反应，从而使化学能转化为电能的工作温度为50～100°C。
实施例三：本发明公开的一种甲醇燃料电池，包括位于电池中间位置的质子交换膜1、质子交换膜的左侧由内向外依次是阴极催化剂层3、气体扩散层6和氧化剂层4，质子交换膜的右侧由内向外依次是阳极催化剂层2、气体扩散层和燃料剂层5，氧化剂为氧气，燃料为甲醇水溶液，其浓度为95～98%，阳极催化剂层里的催化剂为镍合金金属，催化剂镍合金包括金属镍、金属钛、金属镥、金属钌，各成份占催化剂总量的质量百分比为：金属镍75～90%，金属钛5～20%，金属镥5～20%，金属钌5～20%。阴极催化剂层里的催化剂和阳极的催化剂完全一样。甲醇和水在催化剂的条件下发生化学反应，氧化剂空气和氧气的混合物接收到阳极甲醇和水释放出的质子和电子发生化学反应，从而使化学能转化为电能的工作温度为50～100°C。
本发明的甲醇燃料电池（DMFC）与磷酸盐电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜电池（PEMFC）、熔融碳酸盐电池（MCFC）各种电池电流密度的比较，如图2，由此可以看出，本发明的甲醇燃料电池密度最大。在生产中材料来源丰富，价格低，性价比特优，有利于市场的推广，从而实现了甲醇燃料电池的更新换代，符合电池环保、高效、经济、耐用、节能的发展方向，发展前途广阔，特别是突破现有电池应用的瓶颈，发展前景非常乐观。
以上所述，仅为本发明具体实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效成份的变化均落在本技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种甲醇燃料电池，电池内部包括位于电池中间位置的质子交换膜（1）、质子交换膜的左侧由内向外依次是阴极催化剂层（3）、气体扩散层（6）和氧化剂层（4），质子交换膜的右侧由内向外依次是阳极催化剂层（2）、气体扩散层和燃料剂层（5），其特征在于，阳极催化剂层里的催化剂包括金属镍、金属钛、金属镥、金属钌，各成份占阳极催化剂总量的质量百分比为：金属镍75～90%，金属钛5～20%，金属镥5～20%，金属钌5～20%，上述成份质量百分比之和为100%。
2.根据权利要求1所述的甲醇燃料电池，其特征在于，所述阴极催化剂层里的催化剂是镍金属混合物。
3.根据权利要求2所述的甲醇燃料电池，其特征在于，所述阴极催化剂层里的镍金属混合物包括金属镍和金属钛，各成份在镍金属混合物中的质量百分比为：金属镍60～90%，金属钛10～40%。
4.根据权利要求2所述的甲醇燃料电池，其特征在于，所述阴极催化剂层里的镍金属混合物包括金属镍、金属钛、金属镥、金属钌，各成份在镍金属混合物中的质量百分比为：金属镍75～90%，金属钛5～20%，金属镥5～20%，金属钌5～20%，上述成份质量百分比之和为100%。
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