CN103647089A - 一种氢氧碱性燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种燃料电池，尤其是氢氧碱性燃料电池，其包括正极膜、电解质和负极膜，所述正极膜由催化层、气体扩散层和电流集合器组成，所述催化层由Co3O4、Fe2O3、碳纳米管和粘结剂组成，所述气体扩散层由碳材料和粘结剂组成，本发明的有益效果是：本发明采用Co3O4、Fe2O3为催化剂，没有使用Pt等贵金属作催化剂，价格便宜，易于推广，而且本发明气体扩散层采用无污染碳材料，电解质包括KOH、NaOH、LiOH配合的碱性材料，成本低、无环境污染，而且本发明电池的平均工作电压和电容量较高，能量密度高。

Description

一种氢氧碱性燃料电池
技术领域
本发明涉及到一种燃料电池，尤其是氢氧碱性燃料电池。
背景技术
氢氧燃料电池是一种等温并直接将储存在燃料和氧化剂的化学能高效，环境友好地转化为电能的发电装置，也是一种新型的无污染，无噪音，大规模，大功率，和高效率的汽车动力和发电设备。它可以有效地解决能源安全和环境问题。因此，近10年来，氢氧燃料电池发电技术得到全球的高度重视,逐渐形成了新兴产业。燃料电池具有能够实现小型轻量化、高输出密度的可能性，因此，正在大力推进在便携用电子设备用的新型电源、家庭用废热发电系统等中的用途开发。燃料电池具备由阳极和阴极夹持电解质膜而成的构成的膜电极复合体(MEA) 作为发电主要部，根据电解质膜的种类分为：固体聚合物型燃料电池( 包括直接型燃料电池)、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、碱性燃料电池等。
碱性燃料电池的设计与质子交换膜燃料电池的设计基本相似，但其电解质为稳定的氢氧化钾基质。操作时所需温度并不高，转换效率好，可使用的催化剂种类多且价格便宜，例如银、镍等。但是，在最近各国燃料电池开发中，却无法成为主要开发对象，其原因在于电解质必须是液态，燃料也必须是高纯度的氢才可以。目前，这种电池对于商业化应用来说过于昂贵，其主要为空间研究服务，包括为航天飞机提供动力和饮用水。碱性燃料电池是使用阴离子传导性电解质膜( 阴离子交换膜) 作为电解质膜且电荷载体为氢氧化物离子(OH-) 的燃料电池。对于碱性燃料电池而言，将阳极与阴极进行电连接时，通过如下的电化学反应，在阳极与阴极之间产生电流，从而可以得到电能。即，向阴极供给氧化剂( 例如，氧气或空气等) 和水时，通过下式(1) 表示的催化反应生成OH-。阴极：1/2O2 ＋ H2O ＋ 2e- → 2OH-(1) 该OH- 在与水分子水合的状态下通过电解质膜传递至阳极侧。另一方面，阳极中，供给的燃料( 还原剂) 例如H2 气体与从阴极传递来的OH- 发生下式(2) 表示的催化反应而生成水和电子。阳极：H2 ＋ 2OH- → 2H2O ＋ 2e- (2)。
目前大多数燃料电池采用Pt等贵金属作催化剂，不可能大规模推广使用，这限制了燃料电池民用化。因此，推动燃料电池民用化的关键就是使用廉价催化剂代替贵金属催化剂。针对上述问题，本发明提出了一种新型、廉价、简便的碱性燃料电池。
发明内容
本发明的目的在于解决燃料电池的催化问题，采用Co3O4、Fe2O3为催化剂，并设计了一种新的成本低、能量密度高且无环境污染的新型碱性燃料电池。
本发明提出新型的碱性燃料电池，由正极膜、负极膜及含有阴阳离子并具有离子导电性的电解质组成，其中，所述正极膜含有能电催化氧气还原物质Co3O4和Fe2O3；所述负极膜采用储氢合金镁合金；电解质为碱溶液。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种氢氧碱性燃料电池，包括正极膜、电解质和负极膜，所述正极膜由催化层、气体扩散层和电流集合器组成，所述催化层由Co3O4、Fe2O3、碳纳米管和粘结剂组成，所述气体扩散层由碳材料和粘结剂组成。
上述催化层由下列重量份数的原料组成：Co3O4 20-25份、Fe2O3 10-15份、碳纳米管50-60份和粘结剂10份。
上述气体扩散层由碳材料85-90份和粘结剂40份组成。
上述碳材料为：活性炭、介孔碳、石墨、乙炔黑中的任意一种。
优化的，上述碳材料为乙炔黑。
上述粘结剂为聚乙烯醇。
上述负极膜为镁合金。
优化的，所述镁合金为Mg2Ni。
上述电解质包括KOH、NaOH、LiOH,其摩尔比例为2:2:1，总浓度为5mol/L。
上述的一种氢氧碱性燃料电池，所述正极膜由下述工艺制备：将粘结剂加入到由Co3O4、Fe2O3和碳纳米管组成的复合物中，通过滚压的方法得到催化层，约2-3mm；气体扩散层由碳材料加入粘结剂组成，通过滚压的方法制得的, 约2-3mm；将催化层和气体扩散层依次压到集流器上便得到本发明中的正极膜。
本发明提出的新型碱性燃料电池的基本工作原理可以描述为：正极膜为气体扩散电极，纯的氧气或者空气中的氧气在电池的正极发生还原反应。其方程式为：
O2 + 2H2O + 4e-1 = 4OH-1
本发明的有益效果是：本发明采用Co3O4、Fe2O3为催化剂，没有使用Pt等贵金属作催化剂，价格便宜，易于推广，而且本发明气体扩散层采用无污染碳材料，电解质包括KOH、NaOH、LiOH配合的碱性材料，成本低、无环境污染，而且本发明电池的平均工作电压和电容量较高，能量密度高。
附图说明
图1为本发明实施例1新型氢氧碱性燃料电池在放电电流5mA/cm2放电曲线。
具体实施方式
实施例1.
负极采用Mg2Ni合金，正极膜采用Co3O4和Fe2O3作为催化剂。催化剂层的组成为Co3O4:Fe2O3: 碳纳米管: 聚乙烯醇=20:15:55:10的重量份比例混合，滚压成膜。气体扩散层组成：乙炔黑：聚乙烯醇=60：40混合成浆料，滚压成膜。电解质为氢氧化物，包括KOH、NaOH、LiOH,其摩尔比例为2:2:1，总浓度为5mol/L，体积为200mL。测试结果如表1 。
实施例2.
负极采用Mg2Ni合金，正极膜采用钴和铁的氧化物作为催化剂。催化剂的组成为Co3O4:Fe2O3: 碳纳米管: 聚乙烯醇=23:12:55:10的重量比例混合，滚压成膜。气体扩散层组成：乙炔黑：聚乙烯醇=60：40混合成浆料，滚压成膜。电解质为氢氧化物，包括KOH、NaOH、LiOH,其摩尔比例为2:2:1，总浓度为5mol/L，体积为200mL。测试结果如表1 。
实施例3.
负极采用Mg2Ni合金，正极膜采用钴和铁的氧化物作为催化剂。催化剂的组成为Co3O4:Fe2O3: 碳纳米管: 聚乙烯醇=25:10:55:10的重量比例混合，滚压成膜。气体扩散层组成：乙炔黑：聚乙烯醇=60：40混合成浆料，滚压成膜。电解质为氢氧化物，包括KOH、NaOH、LiOH,其摩尔比例为2:2:1，总浓度为5mol/L，体积为200mL。测试结果如表1 。
新型碱性燃料电池性能测试结果：
                                                

Claims (10)

1.一种氢氧碱性燃料电池，包括正极膜、电解质和负极膜，其特征在于：所述正极膜由催化层、气体扩散层和电流集合器组成，所述催化层由Co3O4、Fe2O3、碳纳米管和粘结剂组成，所述气体扩散层由碳材料和粘结剂组成。
2.根据权利要求1所述的一种氢氧碱性燃料电池，其特征在于：所述催化层由下列重量份数的原料组成：Co3O4 20-25份、Fe2O3 10-15份、碳纳米管50-60份和粘结剂10份。
3.根据权利要求1所述的一种氢氧碱性燃料电池，其特征在于：所述气体扩散层由碳材料85-90份和粘结剂40份组成。
4.根据权利要求1或3中所述的一种氢氧碱性燃料电池，其特征在于：所述碳材料为：活性炭、介孔碳、石墨、乙炔黑中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的一种氢氧碱性燃料电池，其特征在于：所述碳材料为乙炔黑。
6.根据权利要求1或3中所述的一种氢氧碱性燃料电池，其特征在于：所述粘结剂为聚乙烯醇。
7.根据权利要求1所述的一种氢氧碱性燃料电池，其特征在于：所述负极膜为镁合金。
8.根据权利要求6所述的一种氢氧碱性燃料电池，其特征在于：所述镁合金为Mg2Ni。
9.根据权利要求6所述的一种氢氧碱性燃料电池，其特征在于：所述电解质包括KOH、NaOH、LiOH,其摩尔比例为2:2:1，总浓度为5mol/L。
10.根据权利要求1所述的一种氢氧碱性燃料电池，其特征在于：所述正极膜由下述工艺制备：将粘结剂加入到由Co3O4、Fe2O3和碳纳米管组成的复合物中，通过滚压的方法得到催化层，约2-3mm；气体扩散层由碳材料加入粘结剂组成，通过滚压的方法制得的, 约2-3mm；将催化层和气体扩散层依次压到集流器上便得到本发明中的正极膜。
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