CN108199064A - 一种直接甲醇燃料电池抗毒化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，所述直接甲醇燃料电池所用燃料为工业甲醇或含有异丙醇杂质的甲醇；所述直接甲醇燃料电池运行过程中，阴极气体供应采用间歇的供应方式，在阴极气体停止供应时间范围内于所述直接甲醇燃料电池阴极施加一0.2‑0.82V的电压。根据本发明设计可有效解决工业甲醇中含有的异丙醇导致催化剂中毒从而引起电池性能衰减的问题。该方法操作简单，可实现在电池运行过程中的操作。采用本发明设计操作方式在直接甲醇燃料电池中可以实现以廉价的工业甲醇替代昂贵的色谱纯甲醇，降低了直接甲醇燃料电池操作成本。

Description

一种直接甲醇燃料电池抗毒化的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体的说涉及一种采用工业甲醇或含有异丙醇杂质的甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池抗毒化的方法。
背景技术
燃料电池是一种通过化学反应将储存在化合物燃料中的化学能直接转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池通常由阳极、阴极及质子交换膜组成。在电池运行过程中，燃料在阳极催化剂表面发生氧化反应生成质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，氧气在阴极催化剂表面与质子发生还原反应生成水，电子则通过外电路做功到达阴极。
直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池中的一种，其以甲醇水溶液作为阳极燃料在阳极催化剂表面发生甲醇氧化反应生成质子和二氧化碳。甲醇燃料电池在实际操作过程中均采用色谱纯甲醇为燃料，由于其纯度较高，因而价格昂贵。工业甲醇具有低廉的价位优势，但工业甲醇中含有大量的杂质离子与有机杂质物种，该杂质物质会引起催化剂中毒从而导致电池在运行过程中性能严重衰减。
发明内容
本发明是为了解决直接甲醇燃料电池运行过程中采用工业甲醇引发电池性能迅速衰减问题提出的一种有效解决工业甲醇中有机物种异丙醇引发的电池性能衰减的操作方法。
本发明采用以下具体方式来实现：
一种直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，所述直接甲醇燃料电池，包括两个端板和置于两个端板间的单体电池，所述单体电池包括双极板和膜电极，所述膜电极包括阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层。
一种直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，所述直接甲醇燃料电池所用燃料为工业甲醇或含有异丙醇杂质的甲醇；
所述直接甲醇燃料电池运行过程中，阴极气体供应采用间歇的供应方式，在阴极气体停止供应时间范围内于所述直接甲醇燃料电池阴极施加一0.2-0.82V的电压。理论上毒化物质丙酮在0-0.15V电压下发生还原反应，生成异丙醇，避免了毒物丙酮对催化剂活性表面积的覆盖，进而避免了电池性能的急剧衰减。
所述阴极气体间歇供应过程中，所述相邻的连续供气时间长度与停止供气时间长度的比为1：2-3600：3。
所述停止供气的最小时间为5s，较优为20s，最优为30s。
所述连续供气的最长时间为60min，较优为30min，最优为15min。
所述阴极气体间歇供应过程中，所述相邻的连续供气时间长度与停止供气时间长度的比较优为15：0.5-30：0.333。
所述阴极气体间歇供应过程中，所述相邻的连续供气时间长度与停止供气时间长度的比最优为10：0.5-20：0.333。
于所述直接甲醇燃料电池阴极施加一0.2-0.82V的电压是指,所述直接甲醇燃料电池阴极与一直流电源的正极相连,所述直接甲醇燃料电池阳极与一直流电源的负极相连,于所述直接甲醇燃料电池阴极和阳极之间施加一0.2-0.82V的电压。
所述施加的电压优选范围为0.3-0.7V；最优范围为0.35-0.6V。电压在上述范围内，因甲醇氧化更易进行且不会对催化剂造成影响的原因，效果更为显著。
所述直接甲醇燃料电池为直接甲醇燃料电池单电池，或直接甲醇燃料电池电池，或直接甲醇燃料电池系统。
所述直接甲醇燃料电池用燃料工业甲醇或含有异丙醇杂质的甲醇中异丙醇的含量不高于0.5M。异丙醇含量过高会导致电池性能衰减过快，没有应用的意义。
所述阴极供应气体为空气或者氧气。
根据本发明操作，可有效解决工业甲醇中含有的有机杂质异丙醇导致的催化剂中毒从而引发电池性能衰减的问题。提高了电池运行寿命，降低了直接甲醇燃料电池操作过程中的成本。该方法不仅可以有效解决工业甲醇中异丙醇的毒化问题，当采用色谱纯甲醇为燃料，采用操作方式时可有效提高电池操作过程中的稳定性，减缓电池性能的衰减，提高电池寿命。除此之外，该操作方法可实现在电池运行过程中进行操作，在直接甲醇燃料电池系统中采用该操作方式无需外部设施，简单方便。
附图说明
图1为双极板流道分布图；
1、端板；2、流道；3、阳极催化层；4、质子交换膜；5、阴极催化层；6、双极板。
图2为燃料电池电堆装配图；
图3为膜电极装配MEA图；
图4为实施方式一测试结果；
图5为实施方式二测试结果。
具体实施方式
下面参照附图等来说明本发明的具体实施方式。
具体实施方式包括：
端板1，用于流体分配与集流；流道2，反应物在燃料电池内部的流通通道；阳极催化层3，催化燃料的氧化反应；质子交换膜4，传输质子，隔绝阴阳极反应物；阴极催化层5，催化氧气的还原反应；双极板6，阴阳极反应物的流体分配。
工作原理：
直接甲醇燃料电池在运行过程中，甲醇水溶液在阳极催化层发生氧化反应生成质子与二氧化碳，质子通过质子交换膜传输至阴极，空气中的氧气在阴极催化层与传输至阴极的质子发生还原反应生成水。当阳极侧采用工业甲醇为燃料时，工业甲醇中的有机杂质异丙醇在阳极催化剂作用下发生氧化反应生成丙酮，由于丙酮在催化剂表面具有较强的吸附能力，从而占据催化剂的活性位点，导致催化剂活性表面积下降，从而使电池性能发生严重衰减。
采用本发明所述操作方式，当在断气条件下对阴极施加一电压时，阴极侧则发生氧化反应，从而将阳极通过质子交换膜渗透至阴极的甲醇氧化掉，使阴极侧催化活性得以部分提升，与此同时，阳极侧发生还原反应，吸附于阳极催化位点的丙酮被还原生成异丙醇从催化剂表面脱离，使阳极催化剂活性位点得以暴露，使阳极催化剂催化活性得以恢复。
具体实施方式：(两个实施方式均需要补充上述权利要求中的具体数值，供气时间，停止供气时间，施加电压)
实施方式一：该实施方式采用0.5M色谱纯甲醇与0.025M的异丙醇的混合物为燃料进行测试。
采用本发明所述操作方法与传统电池操作方法在电池100mA cm-2下进行恒流放电操作35小时后进行电池性能衰减对比，电池电压分别下降0.0173V和0.1136V。该数据充分说明本发明所述直接甲醇燃料电池运行操作方式能够有效解决异丙醇氧化生成的丙酮对电池性能导致的衰减，提升了电池恒流放电运行过程中的稳定性，提高电池运行寿命。
实施方式二：该实施方式采用工业甲醇(中国中煤能源集团有限公司)为燃料进行电池恒流放电测试。
同样采用本发明所述电池操作方式与传统电池恒流放电操作方式在电池100mAcm-2下进行恒流放电操作35小时后进行电池性能衰减对比，电池电压分别下降0.0016和0.1267V。该数据更进一步证明本发明所述直接甲醇燃料电池运行操作方式能够有效解决工业甲醇中有机物种对电池性能导致的衰减，完全可以实现以低廉的工业甲醇替代昂贵的色谱纯甲醇为燃料进行直接甲醇燃料电池的操作，从而降低直接甲醇燃料电池运行过程中的成本。
根据本发明设计可有效解决工业甲醇中含有的异丙醇导致催化剂中毒从而引起电池性能衰减的问题。该方法操作简单，可实现在电池运行过程中的操作。采用本发明设计操作方式在直接甲醇燃料电池中可以实现以廉价的工业甲醇替代昂贵的色谱纯甲醇，降低了直接甲醇燃料电池操作成本。

Claims (10)

1.一种直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，所述直接甲醇燃料电池所用燃料为工业甲醇或含有异丙醇杂质的甲醇；其特征在于：
所述直接甲醇燃料电池运行过程中，阴极气体供应采用间歇的供应方式，在阴极气体停止供应时间范围内于所述直接甲醇燃料电池阴极施加一0.2-0.82V的电压。
2.如权利要求1所述直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，其特征在于：所述阴极气体间歇供应过程中，所述相邻的连续供气时间长度与停止供气时间长度的比为1：2-3600：3。
3.如权利要求1-2任一所述直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，其特征在于：所述停止供气的最小时间为5s，较优为20s，最优为30s。
4.如权利要求3所述直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，其特征在于：所述连续供气的最长时间为60min，较优为30min，最优为15min。
5.如权利要求1-2任一所述直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，其特征在于：所述阴极气体间歇供应过程中，所述相邻的连续供气时间长度与停止供气时间长度的比较优为15：0.5-30：0.333。
6.如权利要求1-2任一所述直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，其特征在于：所述阴极气体间歇供应过程中，所述相邻的连续供气时间长度与停止供气时间长度的比最优为10：0.5-20：0.333。
7.如权利要求1所述直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，其特征在于：于所述直接甲醇燃料电池阴极施加一0.2-0.82V的电压是指,所述直接甲醇燃料电池阴极与一直流电源的正极相连,所述直接甲醇燃料电池阳极与一直流电源的负极相连,于所述直接甲醇燃料电池阴极和阳极之间施加一0.2-0.82V的电压。
8.如权利要求1或7所述直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，其特征在于：所述施加的电压优选范围为0.3-0.7V。
9.如权利要求1或7所述直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，其特征在于：所述施加的电压最优范围为0.35-0.6V。
10.如权利要求1或7所述直接甲醇燃料电池抗毒化的方法，其特征在于：所述直接甲醇燃料电池为直接甲醇燃料电池单电池，或直接甲醇燃料电池电池，或直接甲醇燃料电池系统。
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