CN109286028A - 一种直接硼氢化钠燃料电池阳极及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
公开一种直接硼氢化钠燃料电池阳极,其能够在不使用离子隔膜的情况下大幅提高直接硼氢化钠燃料电池的放电功率,还可以有效抑制硼氢根离子的水解,从而提高燃料的利用率。这种直接硼氢化钠燃料电池阳极,其包括活性组分、炭黑、粘结剂和集流导电体,活性组分为储氢合金和金属钴氧化物。还提供了这种直接硼氢化钠燃料电池阳极的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及电池的技术领域,尤其涉及一种直接硼氢化钠燃料电池阳极,以及这种直接硼氢化钠燃料电池阳极的制作方法。
背景技术
直接硼氢化钠燃料电池(DBFC),是一种以硼氢化钠的碱溶液为燃料,在负极催化剂的作用下,直接参与化学反应的电化学电源。相比较于间接硼氢化钠燃料电池,直接硼氢化钠燃料电池不需要经过产生氢气这个中间步骤,而是直接将燃料输入燃料电池进行发电,所以具有更负的电极电池,理论的开路电压可以达到1.64V。
目前,在直接硼氢化钠燃料电池的应用过程中存在着两个需要亟待解决的技术问题。
首先,在碱性体系中硼氢化钠直接氧化的同时伴随着自身的水解,从而降低了电池的工作电压和硼氢化钠燃料的利用率。
其次,目前大多数直接硼氢化钠燃料电池需要使用离子交换膜将电池的阴极与阳极隔开。这样虽然可以提高电池的放电功率但是这类隔膜大多需要及其复杂的制作工艺并且成品率较低,因此价格成本及其高昂。
发明内容
为克服现有技术的缺陷,本发明要解决的技术问题是提供了一种直接硼氢化钠燃料电池阳极,其能够在不使用离子隔膜的情况下大幅提高直接硼氢化钠燃料电池的放电功率,还可以有效抑制硼氢根离子的水解,从而提高燃料的利用率。
本发明的技术方案是:这种直接硼氢化钠燃料电池阳极,其包括活性组分、炭黑、粘结剂和集流导电体,活性组分为储氢合金和金属钴氧化物。
本发明中活性组分为储氢合金和金属钴氧化物,储氢合金材料是一类能够可逆的吸收和释放氢气的材料,当这类材料用于直接硼氢化钠燃料电池阳极材料时,不仅可以在过程中吸收氢气,还可以通过电化学催化参与氢的氧化反应,因此,储氢合金作为直接硼氢化钠燃料电池的阳极材料时可以既是储氢材料也是催化剂,可以有效地提高硼氢化钠燃料利用率的问题;金属钴及其氧化物因为具有良好的氧化还原性被大量用作催化剂,在直接硼氢化钠燃料电池反应中,氧化钴作为阳极催化剂不仅可以提高电池的放电性能,还可以有效抑制硼氢根离子的水解,从而提高燃料的利用率。
还提供了一种直接硼氢化钠燃料电池阳极的制作方法,包括以下步骤:
(1)制作催化浆料;
(2)将催化浆料均匀的涂于集流导电体上;
(3)在80-100℃下烘干,再辊压制成直接硼氢化钠燃料电池阳极。
附图说明
图1是根据本发明的实施例一的放电功率和燃料利用率示意图。
图2是根据本发明的实施例二的放电功率和燃料利用率示意图。
图3是根据本发明的实施例三的放电功率和燃料利用率示意图。
具体实施方式
这种直接硼氢化钠燃料电池阳极,其包括活性组分、炭黑、粘结剂和集流导电体,活性组分为储氢合金和金属钴氧化物。
本发明中活性组分为储氢合金和金属钴氧化物,储氢合金材料是一类能够可逆的吸收和释放氢气的材料,当这类材料用于直接硼氢化钠燃料电池阳极材料时,不仅可以在过程中吸收氢气,还可以通过电化学催化参与氢的氧化反应,因此,储氢合金作为直接硼氢化钠燃料电池的阳极材料时可以既是储氢材料也是催化剂,可以有效地提高硼氢化钠燃料利用率的问题;金属钴及其氧化物因为具有良好的氧化还原性被大量用作催化剂,在直接硼氢化钠燃料电池反应中,氧化钴作为阳极催化剂不仅可以提高电池的放电性能,还可以有效抑制硼氢根离子的水解,从而提高燃料的利用率。
优选地,所述活性组分的重量百分比为90-98%,炭黑为1-5%,粘合剂为1-5%,所述活性组分中储氢合金和金属钴氧化物的质量比为a:1,a为18-100的数值。
优选地,所述金属钴氧化物是Co3O4、Co2O3或CoO中的一种或几种的混合物。
优选地,所述炭黑是各种多孔导电碳黑中的一种,或者是几种多孔导电碳黑的混合物。
优选地,所述储氢合金是各种储氢合金中的一种,或者几种的混合物。
优选地,所述粘合剂是聚乙烯醇或羧甲基纤维素。
还提供了一种直接硼氢化钠燃料电池阳极的制作方法,包括以下步骤:
(1)制作催化浆料;
(2)将催化浆料均匀的涂于集流导电体上;
(3)在80-100℃下烘干,再辊压制成直接硼氢化钠燃料电池阳极。
优选地,所述步骤(1)中,将水与一定量的活性组分、炭黑混合并搅拌均匀,然后缓慢加入其他组分,并且在10℃-100℃恒温条件下经高速搅拌成催化浆料。
优选地,所述步骤(2)中,将尺寸一定、厚度为0.1-2mm的集流导电体的两侧均匀刮涂催化浆料。
优选地,所述步骤(3)中,在80℃恒温烘箱中烘干,烘干后的电极片通过对辊机辊压后,制作成直接硼氢化钠燃料电池的阳极催化电极,辊压温度为20℃-80℃。
以下给出几个具体的实施例来说明本发明。
实施例一
一种直接硼氢化钠燃料电池阳极的制作方法,该方法主要通过将一定比例的活性组分和辅料混合搅拌制成催化浆料,然后再将该催化浆料涂到集流网上。
上述的制作直接硼氢化钠燃料电池阳极所需的催化浆料包括活性组分Co3O4、AB5型储氢合金、乙炔黑以及粘合剂聚乙烯醇(PVA);其中Co3O4的重量百分比为5%,储氢合金的重量百分比为91%、乙炔黑为3%、PVA为1%。
上述催化剂中的Co3O4(无锡恒泰)为纯度99.9%、比表面积140m2/g、平均粒径为50nm的黑色粉末。
上述AB5型储氢合金的纯度99.9%、粒度为200目,合金成分为Ni:50%、Re:35%、Co:10%和Al:5%.
上述催化浆料的具体制作方法为:
首先将Co3O4、AB5型储氢合金和乙炔黑混合并且加入适当比例的水在搅拌机下搅拌。在搅拌过程中,缓慢加入质量百分比为3%的PVA水溶液,并且在恒温条件下经高速搅拌成浆料。
上述聚乙烯醇(PVA)水溶液的配制过程为:1)先将一定量的水加热到90℃并保持恒温;2)将合适重量的聚乙烯醇缓慢加入上述恒温水中,并且在恒温条件下缓慢搅拌直至固体物质完全溶解,此时,溶液应为透明无色。3)待上述液体将至室温即可待用。
使用上述催化浆料制作直接硼氢化钠燃料电池阳极的具体制作方法如下:
将上述制作好的催化剂浆料均匀的刮涂在尺寸一定、厚度为0.1-2mm的泡沫金属镍片两侧,使得浆料充满泡沫镍的空隙,在恒温烘箱中烘干(80℃)。烘干后的电极片经对辊机压成0.5-1mm厚的电极,辊压温度为60℃便可作为直接硼氢化钠燃料电池的阳极催化电极使用。
将上述所制的直接硼氢化钠燃料电池阳极与和空气电极组成电池单体进行测试,燃料为质量百分比为11%的硼氢化钠碱溶液,其中碱溶液为质量百分比为20%的氢氧化钠水溶液。
测试结果表明使用上述方法制备的直接硼氢化钠燃料阳极制作的直接硼氢化钠燃料电池的最大放电功率为144mW/cm2,燃料利用率为9.8%(见图1)。
实施例二
一种直接硼氢化钠燃料电池阳极的制作方法,该方法主要通过将一定比例的活性组分和辅料混合搅拌制成催化浆料,然后再将该催化浆料涂到集流网上。
上述的制作直接硼氢化钠燃料电池阳极所需的催化浆料包括活性组分Co3O4、AB5型储氢合金、碳黑(XC-72)以及粘合剂聚乙烯醇(PVA);其中Co3O4的重量百分比为1%,储氢合金的重量百分比为95%、碳黑(XC-72)为3%、PVA为1%。
上述催化剂中的Co3O4(无锡恒泰)为纯度99.9%、比表面积140m2/g、平均粒径为50nm的黑色粉末。
上述AB5型储氢合金的纯度99.9%、粒度为200目,合金成分为Ni:50%、Re:35%、Co:10%和Al:5%.
上述催化浆料的具体制作方法为:
首先将Co3O4、AB5型储氢合金和碳黑(XC-72)混合并且加入适当比例的水在搅拌机下搅拌。在搅拌过程中,缓慢加入质量百分比为3%的PVA水溶液,并且在恒温条件下经高速搅拌成浆料。
上述聚乙烯醇(PVA)水溶液的配制过程为:1)先将一定量的水加热到90℃并保持恒温;2)将合适重量的聚乙烯醇缓慢加入上述恒温水中,并且在恒温条件下缓慢搅拌直至固体物质完全溶解,此时,溶液应为透明无色。3)待上述液体将至室温即可待用。
使用上述催化浆料制作直接硼氢化钠燃料电池阳极的具体制作方法如下:
将上述制作好的催化剂浆料均匀的刮涂在尺寸一定、厚度为0.1-2mm的泡沫金属镍片两侧,使得浆料充满泡沫镍的空隙,在恒温烘箱中烘干(80℃)。烘干后的电极片经对辊机压成0.5-1mm厚的电极,辊压温度为70℃便可作为直接硼氢化钠燃料电池的阳极催化电极使用。
将上述所制的直接硼氢化钠燃料电池阳极与和空气电极组成电池单体进行测试,燃料为质量百分比为3%的硼氢化钠碱溶液,其中碱溶液为质量百分比为20%的氢氧化钠水溶液。
测试结果表明使用上述方法制备的直接硼氢化钠燃料阳极制作的直接硼氢化钠燃料电池的最大放电功率为42mW/cm2,燃料利用率为35.3%(见图2)。
实施例三
一种直接硼氢化钠燃料电池阳极的制作方法,该方法主要通过将一定比例的活性组分和辅料混合搅拌制成催化浆料,然后再将该催化浆料涂到集流网上。
上述的制作直接硼氢化钠燃料电池阳极所需的催化浆料包括活性组分Co3O4、AB5型储氢合金、碳黑(BLACK 2000)以及粘合剂羧甲基纤维素(CMC);其中Co3O4的重量百分比为3%,储氢合金的重量百分比为93%、碳黑(BLACK 2000)为3%、CMC为1%。
上述催化剂中的Co3O4(无锡恒泰)为纯度99.9%、比表面积140m2/g、平均粒径为50nm的黑色粉末。
上述AB5型储氢合金的纯度99.9%、粒度为200目,合金成分为Ni:50%、Re:35%、Co:10%和Al:5%.
上述催化浆料的具体制作方法为:
首先将Co3O4、AB5型储氢合金和碳黑(BLACK2000)混合并且加入适当比例的水在搅拌机下搅拌。在搅拌过程中,缓慢加入质量百分比为1%的羧甲基纤维素水溶液,并且在恒温条件下经高速搅拌成浆料。
羧甲基纤维素(CMC)水溶液的质量百分比为1%,其配制过程为:先在带有搅拌装置的配料缸内加入一定量的水,在开启搅拌装置的情况下,将CMC缓慢均匀地撒到配料缸内,不停搅拌,直到CMC在水中完全溶解。
使用上述催化浆料制作直接硼氢化钠燃料电池阳极的具体制作方法如下:
将上述制作好的催化剂浆料均匀的刮涂在尺寸一定、厚度为0.1-2mm的泡沫金属镍片两侧,使得浆料充满泡沫镍的空隙,在恒温烘箱中烘干(80℃)。烘干后的电极片经对辊机压成0.5-1mm厚的电极,辊压温度为80℃便可作为直接硼氢化钠燃料电池的阳极催化电极使用。
将上述所制的直接硼氢化钠燃料电池阳极与和空气电极组成电池单体进行测试,燃料为质量百分比为11%的硼氢化钠碱溶液,其中碱溶液为质量百分比为20%的氢氧化钠水溶液。
测试结果表明使用上述方法制备的直接硼氢化钠燃料阳极制作的直接硼氢化钠燃料电池的最大放电功率为112mW/cm2,燃料利用率为2.1%(见图3)。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种直接硼氢化钠燃料电池阳极,其特征在于:其包括活性组分、炭黑、粘结剂和集流导电体,活性组分为储氢合金和金属钴氧化物。
2.根据权利要求1所述的直接硼氢化钠燃料电池阳极,其特征在于:所述活性组分的重量百分比为90-98%,炭黑为1-5%,粘合剂为1-5%,所述活性组分中储氢合金和金属钴氧化物的质量比为a:1,a为18-100的数值。
3.根据权利要求2所述的直接硼氢化钠燃料电池阳极,其特征在于:所述金属钴氧化物是Co3O4、Co2O3或CoO中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求3所述的直接硼氢化钠燃料电池阳极,其特征在于:所述炭黑是各种多孔导电碳黑中的一种,或者是几种多孔导电碳黑的混合物。
5.根据权利要求4所述的直接硼氢化钠燃料电池阳极,其特征在于:所述储氢合金是各种储氢合金中的一种,或者几种的混合物。
6.根据权利要求5所述的直接硼氢化钠燃料电池阳极,其特征在于:所述粘合剂是聚乙烯醇或羧甲基纤维素。
7.一种直接硼氢化钠燃料电池阳极的制作方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)制作催化浆料;
(2)将催化浆料均匀的涂于集流导电体上;
(3)在80-100℃下烘干,再辊压制成直接硼氢化钠燃料电池阳极。
8.根据权利要求7所述的直接硼氢化钠燃料电池阳极的制作方法,其特征在于:所述步骤(1)中,将水与一定量的活性组分、炭黑混合并搅拌均匀,然后缓慢加入其他组分,并且在10℃-100℃恒温条件下经高速搅拌成催化浆料。
9.根据权利要求8所述的直接硼氢化钠燃料电池阳极的制作方法,其特征在于:所述步骤(2)中,将尺寸一定、厚度为0.1-2mm的集流导电体的两侧均匀刮涂催化浆料。
10.根据权利要求9所述的直接硼氢化钠燃料电池阳极的制作方法,其特征在于:所述步骤(3)中,在80℃恒温烘箱中烘干,烘干后的电极片通过对辊机辊压后,制作成直接硼氢化钠燃料电池的阳极催化电极,辊压温度为20℃-80℃。
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