CN103326042A - 一种采用担载型金属纳米催化剂的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池，包括氧化剂、燃料、正极、负极、催化剂、质子交换膜，以空气和氧气作为氧化剂，燃料采用氢气，正极和负极均为金属，催化剂为担载型金属纳米催化剂。本发明的担载型金属纳米催化剂金属颗粒较小，金属间的相互作用较强，燃料电池的性能更好。

Description

一种采用担载型金属纳米催化剂的燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，特别是涉及一种采用担载型金属纳米催化剂的燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生化学反应时释放出的能量，直接转化为电能。在工作时，需要连续不断的向其供给反应物质；燃料和氧化剂。燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：能量转化效率高；他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。安装地点灵活；燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。负荷响应快，运行质量高；燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率。
发明内容
    本发明针对现有技术的不足，提供了一种导电性更好、电池运行更加稳定的燃料电池。
    一种采用担载型金属纳米催化剂的燃料电池，包括正极、负极、阴极催化剂、质子交换膜，正极和负极均为金属，所述的阴极催化剂为担载型PtRu催化剂。
    正极优选Pt、Al或Mg。 
    负极优选Pt、Al或Mg。
    作为优选，所述的PtRu催化剂的制备方法如下：以H2PtCl6和RuCl3分别作为Pt和Ru的前驱体，炭黑作为催化剂载体，将H2PtCl6和RuCl3混合溶解在乙二醇中，搅拌下加入炭黑载体并继续搅拌0.5-2h，形成均匀浆液，向上述溶液中加入NaOH调节pH值为9-11后升温至155-165℃，并保持2-3h，还原后降至室温，过滤、洗涤和干燥得到PtRu催化剂。
作为优选，所述的PtRu催化剂的制备方法如下：以H2PtCl6和RuCl3分别作为Pt和Ru的前驱体，炭黑作为催化剂载体，将H2PtCl6和RuCl3混合溶解在乙二醇中，搅拌下加入炭黑载体并继续搅拌1h，形成均匀浆液，向上述溶液中加入NaOH调节pH值为10后升温至160℃，并保持2.5h，还原后降至室温，过滤、洗涤和干燥得到PtRu催化剂。
所述的各组分用量为，H2PtCl6：RuCl3：炭黑载体=1mg：1mg：5mg。
NaOH溶液的浓度0.1-1mol/L。
    作为优选，质子交换膜为全氟磺酸树脂或磺化聚醚醚酮树脂或者合并催化剂的全氟磺酸树脂、合并催化剂的磺化聚醚醚酮树脂。
作为优选，合并催化剂的树脂采用溶液浇铸或者喷涂法。
在使用时，以空气和氧气作为氧化剂，燃料采用氢气。本发明的工作原理：工作时向负极供给燃料，向正极供给氧化剂。氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e-，氢离子进入质子交换膜中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧气同质子交换膜中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。
本发明的担载型金属纳米催化剂金属颗粒较小，金属间的相互作用较强，燃料电池的导电性更好、电池运行更加稳定，性能更好。催化剂在复合膜中可以加速中间产物过氧化氢分解为水和氧，减少自由基的形成，起到降低膜中氧化性自由基浓度的作用。
具体实施方式
以下结合实施例具体说明本发明的内容。
实施例1
    一种燃料电池，包括作为氧化剂的空气和氧气，燃料氢气、金属正极、金属负极、PtRu催化剂、磺化聚醚醚酮树脂。正极和负极均为Pt。
所述的PtRu催化剂的制备方法：以H2PtCl6和RuCl3分别作为Pt和Ru的前驱体，炭黑作为催化剂载体，将H2PtCl6和RuCl3混合溶解在乙二醇中，搅拌下加入炭黑载体并继续搅拌0.5h，形成均匀浆液，向上述溶液中加入适量0.1mol/l的NaOH溶液调节pH值为9，继续搅拌15min后升温至155℃，并保持2h，还原后降至室温，过滤、洗涤和干燥得到PtRu催化剂。其中，各组分的用量为，H2PtCl61mg、RuCl31mg、炭黑载体5mg。
工作时向负极供给燃料，向正极供给氧化剂。氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e-，氢离子进入质子交换膜中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧气同质子交换膜中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。
测试实施例1所述的燃料电池的放电情况，见下表1。由下表可知，本发明的燃料电池导电性好、电池运行稳定。
表1
电流密度mA/cm2 0 2.1 4.2 6.1 8.3 10.2 12 14.3
电压V 1.01 0.81 0.71 0.63 0.59 0.47 0.32 0.1
功率密度mW/cm2 0 2.4 4.5 6.3 8.5 9.1 13.2 14.8
    实施例2
    一种燃料电池，包括作为氧化剂的空气和氧气，燃料氢气、金属正极、金属负极、担载型金属纳米催化剂、全氟质子交换树脂。正极和负极均为Al。
    担载型金属纳米催化剂的制备同实施例1。催化剂和质子交换膜通过溶液浇铸法混合构成复合膜，催化剂在复合膜中可以加速中间产物过氧化氢分解为水和氧，减少自由基的形成，起到降低膜中氧化性自由基浓度的作用。
工作时向负极供给燃料，向正极供给氧化剂。氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e-，氢离子进入质子交换膜中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧气同质子交换膜中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。
实施例3
    一种燃料电池，包括作为氧化剂的空气和氧气，燃料氢气、金属正极、金属负极、PtRu催化剂、磺化聚醚醚酮树脂。正极和负极均为Pt。
所述的PtRu催化剂的制备方法：以H2PtCl6和RuCl3分别作为Pt和Ru的前驱体，炭黑作为催化剂载体，将H2PtCl6和RuCl3混合溶解在乙二醇中，搅拌下加入炭黑载体并继续搅拌2h，形成均匀浆液，向上述溶液中加入适量1mol/l的NaOH溶液调节pH值为11，继续搅拌15min后升温至165℃，并保持3h，还原后降至室温，过滤、洗涤和干燥得到PtRu催化剂。其中，各组分的用量为，H2PtCl61mg、RuCl31mg、炭黑载体5mg。
实施例4
    一种燃料电池，包括作为氧化剂的空气和氧气，燃料氢气、金属正极、金属负极、PtRu催化剂、磺化聚醚醚酮树脂。正极和负极均为Pt。
所述的PtRu催化剂的制备方法：以H2PtCl6和RuCl3分别作为Pt和Ru的前驱体，炭黑作为催化剂载体，将H2PtCl6和RuCl3混合溶解在乙二醇中，搅拌下加入炭黑载体并继续搅拌1h，形成均匀浆液，向上述溶液中加入适量0.5mol/l的NaOH溶液调节pH值为10，继续搅拌15min后升温至160℃，并保持2.5h，还原后降至室温，过滤、洗涤和干燥得到PtRu催化剂。其中，各组分的用量为，H2PtCl61mg、RuCl31mg、炭黑载体5mg。
上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用担载型金属纳米催化剂的燃料电池，包括正极、负极、阴极催化剂、质子交换膜，正极和负极均为金属，其特征在于：所述的阴极催化剂为担载型PtRu催化剂。
2.按照权利要求1所述的采用担载型金属纳米催化剂的燃料电池，其特征在于：正极为Pt、Al或Mg。
3.按照权利要求1所述的采用担载型金属纳米催化剂的燃料电池池，其特征在于：负极为Pt、Al或Mg。
4.按照权利要求1所述的采用担载型金属纳米催化剂的燃料电池，其特征在于：所述的PtRu催化剂的制备方法如下：以H2PtCl6和RuCl3分别作为Pt和Ru的前驱体，炭黑作为催化剂载体，将H2PtCl6和RuCl3混合溶解在乙二醇中，搅拌下加入炭黑载体并继续搅拌0.5-2h，形成均匀浆液，向上述溶液中加入NaOH调节pH值为9-11后升温至155-165℃，并保持2-3h，还原后降至室温，过滤、洗涤和干燥得到PtRu催化剂。
5.按照权利要求4所述的采用担载型金属纳米催化剂的燃料电池，其特征在于：所述的PtRu催化剂的制备方法如下：以H2PtCl6和RuCl3分别作为Pt和Ru的前驱体，炭黑作为催化剂载体，将H2PtCl6和RuCl3混合溶解在乙二醇中，搅拌下加入炭黑载体并继续搅拌1h，形成均匀浆液，向上述溶液中加入NaOH调节pH值为10后升温至160℃，并保持2.5h，还原后降至室温，过滤、洗涤和干燥得到PtRu催化剂。
6.按照权利要求1所述的采用担载型金属纳米催化剂的燃料电池，其特征在于：质子交换膜为全氟磺酸树脂或磺化聚醚醚酮树脂或者合并催化剂的全氟磺酸树脂、合并催化剂的磺化聚醚醚酮树脂。
7.按照权利要求6所述的采用担载型金属纳米催化剂的燃料电池，其特征在于：合并催化剂的树脂采用溶液浇铸或者喷涂法。
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