CN110034319A - 一种锌-水燃料电池及其在发电产氢中的应用 - Google Patents

一种锌-水燃料电池及其在发电产氢中的应用 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种锌‑水燃料电池，其特征在于，包括阳极、阴极、隔膜、阳极室电解液和阴极室电解液；其中，所述阴极包括阴极催化剂，所述阴极催化剂选自析氢催化剂中的至少一种；所述阳极为金属锌；所述阳极电解液和所述阴极电解液由所述隔膜隔开；所述阳极电解液为碱性溶液，所述阴极电解液为酸性溶液。该锌‑水燃料电池的最大功率密度为80mW cm‑2，产氢速率为0.166mL s‑1cm‑1，能量密度为934Wh kg‑2，在一定程度上降低了产氢成本，提高了产氢效率，加快了产氢速度，增大了产电量，提升了该装置的实用性，在促进制氢业的发展方面具备极大的潜力和良好的应用前景。

Description

一种锌-水燃料电池及其在发电产氢中的应用
技术领域
本申请涉及一种锌-水燃料电池，属于燃料电池和电解制氢领域。
背景技术
过度消耗化石能源导致的能源危机和环境污染问题极大地促进了包括风能、潮汐能和太阳能等新型环保可再生能源的发展。氢能能量效率高，燃烧值大，无污染，这使其有潜力代替化石能源，从而引起了研究者极大的兴趣。工业中通常用电解或水蒸气重组的方法来实现氢气的生产，然而这种方法面临着成本高效率低的问题。很显然，开发出一些新的方法来生产氢气很有意义。基于此，由于电催化全解水具有高的产氢效率，能够获得高纯度的氢气和无污染，被认为是一种很有前景的生产氢气的方法。但是，由于过电势比较高，限制了其反应速度。因此，减小全解水的过电势对于加快产氢速率有非常大的作用。
在过去的几十年里，大量的工作研究如何提高析氢和析氧反应的电催化活性来促进水的分解。虽然已经取得了巨大的进步，但还是需要消耗很大的能量来驱动水分解。比如说，理论上通常需要1.23V的电压，但实际上需要更高。为了进一步减小产氢的能耗，研究者用一些有机物的氧化反应来代替析氧反应。这种策略不仅能够获得氢气，还能够得到一些工业上有价值的中间产物。近期，研究者开发出了一种锂-水燃料电池，它能够同时产生电能和生产氢气。但是，氢气产量低，有机电解液不安全，锂资源短缺，隔膜昂贵，产电少等问题限制了它的发展。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种锌-水燃料电池，该电池是一种廉价安全高效的既能产氢又能产电的装置，能够在一定程度上降低产氢成本，提高产氢效率，加快产氢速度，增大产电量，提升该装置的实用性，在促进制氢业的发展方面具备极大的潜力和良好的应用前景。
所述锌-水燃料电池包括阳极、阴极、隔膜、阳极室电解液和阴极室电解液；
其中，所述阴极包括阴极催化剂，所述阴极催化剂选自析氢催化剂中的至少一种；所述阳极为金属锌；
所述阳极电解液和所述阴极电解液由所述隔膜隔开；
所述阳极电解液为碱性溶液，所述阴极电解液为酸性溶液。
可选地，所述阳极室电解液中含有氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种；所述阴极室电解液中含有硫酸。
可选地，所述阳极室电解液为氢氧化钠溶液；所述阴极室电解液为硫酸溶液。
可选地，所述氢氧化钠溶液的浓度为3mol/L～5mol/L；所述硫酸溶液的浓度为1mol/L～3mol/L。
可选地，所述氢氧化钠溶液的浓度为4.0mol/L；所述硫酸溶液的浓度为2.0mol/L。
可选地，所述析氢催化剂选自铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料、铂碳或碳纳米管中的至少一种。
可选地，所述阴极为所述析氢催化剂负载于碳布上形成；所述隔膜为双极性膜。
可选地，所述碳布的尺寸为1cm×1～2cm。
可选地，所述碳布的尺寸为1cm×1cm。
可选地，所述析氢催化剂在所述阴极碳布上的负载量为0.5～1.5mg；
可选地，所述析氢催化剂在所述阴极碳布上的负载量为1.0mg。
作为一种具体的实施方式，所述析氢催化剂于碳布上负载形成阴极电极的具体过程为：
将所述析氢催化剂分散于水/乙醇/全氟磺酸钠(Nafion)混合溶液中，充分超声，滴涂于碳布上，待溶剂脱除后即得到阴极电极。
作为一种具体的实施方式，所述铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料由一步还原法制得，具体步骤如下：
将氯铂酸溶液A加入到酸处理的碳纳米管在超声的条件下分散于乙醇中形成的溶液B中，超声30min，之后滴加碳酸氢钠溶液调节pH至中性。80℃油浴下加入0.5g碳酸氢铵，保持两小时，过滤洗涤冷冻干燥得到所述铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料样品。
根据本申请的另一个方面，提供了上述任一锌-水燃料电池在生产氢和/或电能中的应用。
所述锌-水燃料电池的理论开路电压可达1.32V，功率密度为1082.4 Wh kg-1。
作为一种具体的实施方式，本申请提供的锌-水燃料电池能够实现氢气和电能的同步生产，当电压为0.6V时，功率密度为80mW cm-2，产氢速率为0.166mL s-1cm-1，能量密度为934Wh kg-2。当电流密度长时间稳定在为10mA cm-2的情况下，能够产生的输出电压为1.16V。
本申请能产生的有益效果至少包括：
1)本申请所提供的发电产氢锌-水燃料电池，是一种廉价安全高效的既能产氢又能产电的装置，具有产氢效率高、产氢成本低、产氢速率快等优势。
2)本申请所提供的发电产氢锌-水燃料电池，稳定性好，产电量大，拥有高的功率密度和能量密度。
3)本申请所提供的发电产氢锌-水燃料电池，组装简单，实用价值大，易于工业化生产。
附图说明
图1为本申请锌-水燃料电池的示意图。
图2为本申请实施例1中锌-水燃料电池1#在不同放电电流密度下对应的比容量和能量密度测试结果。
图3为本申请实施例1、实施例2、实施例3中锌-水燃料电池1#、2#、3#的功率密度测试结果。
图4为本申请实施例1、实施例2、实施例3中锌-水燃料电池1#、2#、3#的稳定性测试结果。
图5为本申请实施例1、对比例1、对比例2中不同阴极电解液的锌-水燃料电池1#、D1#、D2#的极化曲线和功率密度测试结果。
图6为本申请实施例1、对比例1、对比例2中不同阴极电解液的锌-水燃料电池1#、D1#、D2#稳定性测试结果。
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。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买，未经处理直接使用；仪器的测试条件均采用厂家推荐参数。
实施例中，阳极锌板购自简妮的实验室(淘宝店)。
实施例中，双极性膜购自北京廷润膜技术开发有限公司。
实施例中，铂碳催化剂购自上海河森电气有限公司。
实施例中，电化学性能测定采用上海辰华公司的CHI760E型电化学工作站。
实施例中，商业碳纳米管催化剂购自南京先锋纳米材料材料科技有限公司。
实施例中，铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料采用以下方法得到：
(1)将1ml的20mg/mL的氯铂酸溶液稀释至15mL，形成溶液A；
(2)50mg酸处理的碳纳米管在超声的条件下分散于20mL乙醇中，形成溶液B；
(3)溶液A加入溶液B，超声30min后滴加0.3M的碳酸氢钠溶液调节pH至中性。80℃油浴下加入0.5g碳酸氢铵，保持两小时，过滤洗涤冷冻干燥得到样品。
本申请所述锌-水燃料电池一种实施方式的结构示意图如图1所示。所述锌-水燃料电池，包括阳极锌板、阴极、隔膜、阳极室电解液和阴极室电解液；阴极室电解液为2M硫酸溶液，阳极室电解液为4M氢氧化钠溶液，Ec＝0.035V，Ea＝-1.285V。
实施例1
包括阳极、阴极、阳极电解液、阴极电解液和隔膜。
阳极：采用1×1cm2的锌板。
阴极：将5mg铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料分散于500uL的水/乙醇/Nafion的混合溶液(体积比水/乙醇/Nafion＝5:5:1)中，超声半小时，用移液枪取100uL浆料滴涂于面积为1×1cm2的碳布上，铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料的负载量为1.0mg，得到阴极电极。将阴极空气扩散电极置于红外灯下烘烤干燥后，用于电池组装。
隔膜：采用双极膜。
阳极室和阴极室通过双极膜将阳极电解液和阴极电解液隔开，防止阴阳极电解液发生中和反应。
阳极电解液：4M NaOH溶液。
阴极电解液：2M H2SO4溶液。
组装成锌-水燃料电池后，将4M NaOH溶液和2M H2SO4分别注入到阳极室和阴极室，得到所述锌-水燃料电池，记为锌-水燃料电池1#。
对比例1
包括阳极、阴极、阳极电解液、阴极电解液和隔膜。
阳极：采用1×1cm2的锌板。
阴极：将5mg铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料分散于500uL的水/乙醇/Nafion的混合溶液(体积比水/乙醇/Nafion＝5:5:1)中，超声半小时，用移液枪取100uL浆料滴涂于面积为1×1cm2的碳布上，铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料的负载量为1.0mg，得到阴极电极。将阴极空气扩散电极置于红外灯下烘烤干燥后，用于电池组装。
隔膜：采用双极膜。
阳极室和阴极室通过双极膜将阳极电解液和阴极电解液隔开，防止阴阳极电解液发生中和反应。
阳极电解液：4M NaOH溶液。
阴极电解液：1M PBS溶液。
组装成锌-水燃料电池后，将4M NaOH溶液和1M PBS溶液分别注入到阳极室和阴极室，得到电池记为D1#。
对比例2
包括阳极、阴极、阳极电解液、阴极电解液和隔膜。
阳极：采用1×1cm2的锌板。
阴极：将5mg铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料分散于500uL的水/乙醇/Nafion的混合溶液(体积比水/乙醇/Nafion＝5:5:1)中，超声半小时，用移液枪取100uL浆料滴涂于面积为1×1cm2的碳布上，铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料的负载量为1.0mg，得到阴极电极。将阴极空气扩散电极置于红外灯下烘烤干燥后，用于电池组装。
隔膜：采用双极膜。
阳极室和阴极室通过双极膜将阳极电解液和阴极电解液隔开，防止阴阳极电解液发生中和反应。
阳极电解液：4M NaOH溶液。
阴极电解液：4M NaOH溶液。
组装成锌-水燃料电池后，将4M NaOH溶液分别注入到阳极室和阴极室，得到电池D2#。
实施例2
包括阳极、阴极、阳极电解液、阴极电解液和隔膜。
阳极：采用1×1cm2的锌板。
阴极：将5mg商业铂碳催化剂分散于500uL的水/乙醇/Nafion的混合溶液(体积比水/乙醇/Nafion＝5:5:1)中，超声半小时，用移液枪取100uL浆料滴涂于面积为1×1cm2的碳布上，铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料的负载量为1.0mg，得到阴极电极。将阴极空气扩散电极置于红外灯下烘烤干燥后，用于电池组装。
隔膜：采用双极膜。
阳极室和阴极室通过双极膜将阳极电解液和阴极电解液隔开，防止阴阳极电解液发生中和反应。
阳极电解液：4M NaOH溶液。
阴极电解液：2M H2SO4溶液。
组装成锌-水燃料电池后，将4M NaOH溶液和2M H2SO4分别注入到阳极室和阴极室，得到所述锌-水燃料电池，记为锌-水燃料电池2#。
实施例3
包括阳极、阴极、阳极电解液、阴极电解液和隔膜。
阳极：采用1×1cm2的锌板。
阴极：将5mg商业碳纳米管催化剂分散于500uL的水/乙醇/Nafion的混合溶液(体积比水/乙醇/Nafion＝5:5:1)中，超声半小时，用移液枪取100uL浆料滴涂于面积为1×1cm2的碳布上，铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料的负载量为1.0mg，得到阴极电极。将阴极空气扩散电极置于红外灯下烘烤干燥后，用于电池组装。
隔膜：采用双极膜。
阳极室和阴极室通过双极膜将阳极电解液和阴极电解液隔开，防止阴阳极电解液发生中和反应。
阳极电解液：4M NaOH溶液。
阴极电解液：2M H2SO4溶液。
组装成锌-水燃料电池后，将4M NaOH溶液和2M H2SO4分别注入到阳极室和阴极室，得到所述锌-水燃料电池，记为锌-水燃料电池3#。
实施例4电化学性能测定
分别对锌-水燃料电池1#～3#、D1#和D2#进行电化学测试，得到各电池放电极化曲线，功率密度和能量密度测试结果以及在不同放电电流密度下对应的比容量和能量密度测试结果。
其中，电池1#在不同放电电流密度下对应的比容量和能量密度测试结果如图2所示。由图可以看出，该电池在不同的放电电流密度下的比容量能量密度都很高。
电池1#、2#、3#的功率密度测试结果如图3所示，由图可以看出，电池1#的功率密度能达到80mW cm-2，比其他电池的要高。
电池1#、2#、3#的稳定性测试结果如图4所示，由图可以看出，电池1#在10mA cm-2的放电电流密度下放电电压能保持12h不衰减，而其他电池电压在10h后就已经出现了大的衰减。
电池1#、D1#、D2#的极化曲线和功率密度测试结果如图5所示，由图可以看出，当替换阴极电解液时，电池的功率密度变小。
电池1#、D1#、D2#稳定性测试结果如图6所示，由图可以看出，当替换阴极电解液时，电池的稳定性变差。
实施例5制氢性能测定
具体实验步骤为：6uL分散液滴涂在直径为3mm的玻碳电极上，自然晾干，催化剂材料的负载量为0.8mg/cm-2。用三电极体系对材料的析氢性能进行测试，铂碳电极为工作电极，石墨棒为对电极，银/氯化银为参比电极，测试的溶液为0.5M H2SO4。用电化学工作站(辰华CHI760E)对材料进行线性循环伏安测试。
结果显示铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料的析氢活性最好，析氢起峰过电位为18mV，电位密度为10mA cm-2时的过电位为45mV。
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)

1.一种锌-水燃料电池，其特征在于，包括阳极、阴极、隔膜、阳极室电解液和阴极室电解液；
其中，所述阴极包括阴极催化剂，所述阴极催化剂选自析氢催化剂中的至少一种；
所述阳极为金属锌；
所述阳极电解液和所述阴极电解液由所述隔膜隔开；
所述阳极电解液为碱性溶液，所述阴极电解液为酸性溶液。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极室电解液中含有氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种；所述阴极室电解液中含有硫酸。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极室电解液为氢氧化钠溶液；所述阴极室电解液为硫酸溶液。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度为3.0mol/L～5.0mol/L，所述硫酸溶液的浓度为1.0mol/L～3.0mol/L。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度为4.0mol/L，所述硫酸溶液的浓度为2.0mol/L。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述析氢催化剂选自铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料、铂碳或碳纳米管中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极为所述析氢催化剂涂布于碳布上形成；
所述隔膜为双极性膜。
8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述碳布的尺寸为1cm×1～2cm；
优选地，所述碳布的尺寸为1cm×1cm。
9.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述析氢催化剂在所述阴极碳布上的负载量为0.5～1.5mg；
优选地，所述析氢催化剂在所述阴极碳布上的负载量为1.0mg。
10.权利要求1至9任一项所述锌-水燃料电池在生产氢和/或电能中的应用。
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