CN108258267A - 一种酸阴极-碱阳极低温醇类燃料电池 - Google Patents

一种酸阴极-碱阳极低温醇类燃料电池 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种醇类燃料电池，其特征在于，包括双极膜、以及由所述双极膜隔开的正极室和负极室；所述正极室含有酸性溶液；所述负极室含有碱性溶液。本申请公开的电池，其正负极室之间的隔膜不再需要解决离子透过率的问题，输出功率和输出电压要优于传统单膜/双池电池。

Description

一种酸阴极-碱阳极低温醇类燃料电池
技术领域
本申请涉及一种酸阴极-碱阳极低温醇类新型燃料电池，能够改进低温醇类燃料电池性能，同时涉及一种双极膜/双池结构在低温燃料电池制备中的应用，属于燃料电池技术领域。
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直接转化为电能的发电装置。燃料电池包括双极板、电解质隔膜、电解池等主要部件组成。双极板主要为催化剂提供负载，是催化燃料与氧化的主要场所；电解质隔膜将电池的正极与负极进行分离，防止电池的短路，并提供有效离子传导；电解池为燃料与氧化剂反应场所，并提供反应物的补充。
由于燃料电池具有能量转化率高、运行噪音低、污染少、种类多样的特点，可以作为一种环保型的发电设备(能源装置)，受到越来越受到重视。燃料电池的端电压，通常为正极与负极电势差，电化学反应的发生存在过电势、电池的集成过程存在内阻，这些问题都会导致燃料电池的实际输出电压要远远的小于理论电压。如公式1-4所示为在酸性(pH＝0)和碱性(pH＝14)条件下，甲醇燃料电池的正极与负极的反应过程，及其各自对应的标准电势。甲醇燃料电池的理论开路电压约1.21V，实际的输出电压要远小于上述理论值。
酸性：
负极CH3OH+H2O-CO2+6H++6e- 0.046V (1)
正极6e-+3/2O2+6H+-3H2O 1.23V (2)
碱性：
负极CH3OH+H2O-CO2+6H++6e- -0.81V (3)
正极6e-+3/2O2+6H+-3H2O 0.40V (4)
浓差电势是由于电池中浓度的差别而产生的电动势。通常浓差电池分为两类：由于电解质的浓度不同，形成的浓差电池为离子浓差电池；另一种为电极材料相同，浓度不同。酸碱浓差电池，可以利用H+(或者OH-)的浓度不同，形成电势差。
如果利用甲醇燃料电池与浓差电池相结合，会使得电池理论电压得到进一步的提升，该电池的反应如公式(5)所示，得到在酸性(pH＝0)和碱性(pH＝14)条件下，理论电势为2.04V。由此可见，该方法可以大大提高甲醇燃料电池的性能，为甲醇燃料电池应用提供一个全新的方法。
改性燃料电池：
CH3OH+3/2O2+6OH-+6H+-CO2+8H2O 2.04V (5)
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种甲醇燃料电池与浓差电池相结合的新型电池，即一种酸阴极-碱阳极低温醇类新型燃料电池，它将甲醇燃料电池与浓差电池相结合，使得电池的理论电压得到提升，能够较大幅度地提高甲醇燃料电池的性能，为甲醇燃料电池的更广阔应用提供一个全新的可能。
本申请所述醇类燃料电池，其特征在于，包括双极膜、以及由所述双极膜隔开的正极室和负极室；所述正极室含有酸性溶液；所述负极室含有碱性溶液。
优选地，所述双极膜包括阳离子交换膜与阴离子交换膜；所述阳离子交换膜与所述负极室相邻；所述阴离子交换膜与所述正极室相邻。
优选地，所述正极室含有电催化氧还原催化剂；所述负极室含有燃料催化剂。
进一步优选地，所述正极室含有正极极片，所述正极极片负载有所述电催化氧还原催化剂；所述电催化氧还原催化剂选自金属质量百分含量20％～60％的铂炭催化剂、质量百分含量20％～60％的铂镍炭催化剂、Fe修饰N掺杂C中的至少一种；所述正极室的电催化氧还原催化剂的负载量为0.1～4mg/cm2。
进一步优选地，所述负极室含有负极极片，所述负极极片负载有燃料催化剂；所述燃料催化剂选自金属质量百分含量20％～60％的铂钌炭、金属质量百分含量20％～60％的铂炭催化剂、金属质量百分含量20％～60％的铂锡炭中的至少一种；所述负极极片的燃料催化剂负载量为0.1～4mg/cm2。
优选地，所述正极室内的酸性溶液选自H2SO4溶液、HClO4溶液中的至少一种；所述酸性溶液的浓度为0.1～6mol/L；
所述负极室内的碱性溶液选自KOH溶液、NaOH溶液中的至少一种；所述碱性溶液的浓度为浓度为0.1～6mol/L。
优选地，所述正极室通入氧气作为氧化剂；所述通入氧气的速率为0.1～20mL/min；所述负极室加入甲醇作为燃料；所述负极室的碱性溶液中甲醇浓度为0.1～15mol/L。
本申请公开的新型燃料电池主要为双室结构，利用双极膜对正极与负极进行区分，将相应催化剂电极放入对应的电极室当中。在负极发生甲醇的催化反应，并输出电子给外电路，在正极发生氧气的还原反应，得到外电路的电子。电池内部利用水在双极膜内部的解离，形成氢氧根与氢离子进行电荷的传递，从而形成一个完整的电池回路。
本申请的有益效果包括但不限于：
1)本申请所提供的燃料电池，双极膜/双池结构作为一种燃料电池结构，输出电压要高于传统单膜/双池电池。
2)本申请所提供的燃料电池，将甲醇燃料电池与浓差电池相结合，使得电池的理论电压得到提升，能够较大幅度地提高甲醇燃料电池的性能，为甲醇燃料电池的更广阔应用提供一个全新的可能。
附图说明
图1为本申请酸阴极-碱阳极低温醇类新型燃料电池的结构与工作示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
实施例1
利用双极膜作为电极池的隔膜。正极极片负载为20％的Pt/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。负极极片为为20％的PtRu/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。正极电极室加入碱性溶液为H2SO4的溶液，浓度为0.5M。负极电极室加入碱性溶液为KOH的溶液，浓度为1M。正极电极室加入氧气，速率为2mL min-1。所述负极电极室加入甲醇作为燃料，浓度为0.5M。
实施例2
利用双极膜作为电极池的隔膜。正极极片负载为60％的Pt/C催化剂，催化剂的负载量为0.1mg cm-2。负极极片为为60％的PtRu/C催化剂，催化剂的负载量为0.1mg cm-2。正极电极室加入碱性溶液为H2SO4的溶液，浓度为0.5M。负极电极室加入碱性溶液为KOH的溶液，浓度为1M。正极电极室加入氧气，速率为2mL min-1。所述负极电极室加入甲醇作为燃料，浓度为0.5M。
实施例3
利用双极膜作为电极池的隔膜。正极极片负载为60％的Pt/C催化剂，催化剂的负载量为1mgm-2。负极极片为为60％的PtRu/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。正极电极室加入碱性溶液为H2SO4的溶液，浓度为0.5M。负极电极室加入碱性溶液为KOH的溶液，浓度为1M。正极电极室加入氧气，速率为2mL min-1。所述负极电极室加入甲醇作为燃料，浓度为0.5M。
实施例4
利用双极膜作为电极池的隔膜。正极极片负载为60％的Pt/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。负极极片为为60％的PtRu/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。正极电极室加入碱性溶液为H2SO4的溶液，浓度为3M。负极电极室加入碱性溶液为KOH的溶液，浓度为3M。正极电极室加入氧气，速率为2mL min-1。所述负极电极室加入甲醇作为燃料，浓度为0.5M。
实施例5
利用双极膜作为电极池的隔膜。正极极片负载为60％的Pt/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。负极极片为为60％的PtRu/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。正极电极室加入碱性溶液为H2SO4的溶液，浓度为3M。负极电极室加入碱性溶液为KOH的溶液，浓度为3M。正极电极室加入氧气，速率为2mL min-1。所述负极电极室加入甲醇作为燃料，浓度为3M。
实施例6
利用双极膜作为电极池的隔膜。正极极片负载为60％的PtNi/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。负极极片为为60％的PtRu/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。正极电极室加入碱性溶液为H2SO4的溶液，浓度为3M。负极电极室加入碱性溶液为KOH的溶液，浓度为3M。正极电极室加入氧气，速率为2mL min-1。所述负极电极室加入甲醇作为燃料，浓度为3M。
实施例7
利用双极膜作为电极池的隔膜。正极极片负载为60％的Pt/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。负极极片为为60％的PtRu/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。正极电极室加入碱性溶液为H2SO4的溶液，浓度为3M。负极电极室加入碱性溶液为KOH的溶液，浓度为3M。正极电极室加入氧气，速率为2mL min-1。所述负极电极室加入甲醇作为燃料，浓度为3M。
实施例8
利用双极膜作为电极池的隔膜。正极极片负载为Fe修饰N掺杂C，催化剂的负载量为1mg cm-2。负极极片为为60％的PtRu/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。正极电极室加入碱性溶液为H2SO4的溶液，浓度为3M。负极电极室加入碱性溶液为KOH的溶液，浓度为3M。正极电极室加入氧气，速率为2mL min-1。所述负极电极室加入甲醇作为燃料，浓度为3M。
实施例9
利用双极膜作为电极池的隔膜。正极极片负载为60％的Pt/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。负极极片为为60％的Pt/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。正极电极室加入碱性溶液为H2SO4的溶液，浓度为3M。负极电极室加入碱性溶液为KOH的溶液，浓度为3M。正极电极室加入氧气，速率为2mL min-1。所述负极电极室加入甲醇作为燃料，浓度为3M。
实施例10
利用双极膜作为电极池的隔膜。正极极片负载为60％的Pt/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。负极极片为为60％的PtSn/C催化剂，催化剂的负载量为1mg cm-2。正极电极室加入碱性溶液为H2SO4的溶液，浓度为3M。负极电极室加入碱性溶液为KOH的溶液，浓度为3M。正极电极室加入氧气，速率为2mL min-1。所述负极电极室加入甲醇作为燃料，浓度为3M。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种醇类燃料电池，其特征在于，包括双极膜、以及由所述双极膜隔开的正极室和负极室；
所述正极室含有酸性溶液；
所述负极室含有碱性溶液。
2.根据权利要求1所述的醇类燃料电池，其特征在于，所述双极膜包括阳离子交换膜与阴离子交换膜；
所述阳离子交换膜与所述负极室相邻；
所述阴离子交换膜与所述正极室相邻。
3.根据权利要求1所述的醇类燃料电池，其特征在于，所述正极室含有电催化氧还原催化剂；
所述负极室含有燃料催化剂。
4.根据权利要求3所述的醇类燃料电池，其特征在于，所述正极室含有正极极片，所述正极极片负载有所述电催化氧还原催化剂；
所述电催化氧还原催化剂选自金属质量百分含量20％～60％的铂炭催化剂、质量百分含量20％～60％的铂镍炭催化剂、Fe修饰N掺杂C的至少一种；
所述正极室的电催化氧还原催化剂的负载量为0.1～4mg/cm2。
5.根据权利要求3所述的醇类燃料电池，其特征在于，所述负极室含有负极极片，所述负极极片负载有燃料催化剂；
所述燃料催化剂选自金属质量百分含量20％～60％的铂钌炭、金属质量百分含量20％～60％的铂炭催化剂、金属质量百分含量20％～60％的铂锡炭中的至少一种；
所述负极极片的燃料催化剂负载量为0.1～4mg/cm2。
6.根据权利要求1所述的醇类燃料电池，其特征在于，所述正极室内的酸性溶液选自H2SO4溶液、HClO4溶液中的至少一种；
所述酸性溶液的浓度为0.1～6mol/L。
7.根据权利要求1所述的醇类燃料电池，其特征在于，所述负极室内的碱性溶液选自KOH溶液、NaOH溶液中的至少一种；
所述碱性溶液的浓度为浓度为0.1～6mol/L。
8.根据权利要求1所述的醇类燃料电池，其特征在于，所述正极室通入氧气作为氧化剂；
所述通入氧气的速率为0.1～20mL/min。
9.根据权利要求1所述的醇类燃料电池，其特征在于，所述负极室加入甲醇作为燃料；
所述负极室的碱性溶液中甲醇浓度为0.1～15mol/L。
10.根据权利要求1所述的醇类燃料电池，其特征在于，所述醇类燃料电池的输出功率，以单位面积所述双极膜的电池输出功率计，可以达到0.1～100瓦/平方米双极膜。
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