CN110400947A - 一种基于混合液体的高选择性催化燃料电池及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于混合液体的高选择性催化燃料电池及应用。所述基于混合液体的高选择性催化燃料电池包括电池主体、氧化电极、还原电极以及电路系统，所述电池主体形成有反应腔室，所述反应腔室用于接收燃料溶液，所述氧化电极和所述还原电极设置在所述反应腔室中，所述氧化电极催化所述燃料溶液发生氧化反应，所述还原电极催化所述燃料溶液发生还原反应，所述氧化电极产生的电子经电路系统传递到所述还原电极，在本发明中，不需要设置质子交换膜对反应腔室进行隔离，简化了电池结构，减轻了电池重量且具有较高的催化效率。
Description
【技术领域】
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于混合液体的高选择性催化燃料电池及应用。
【背景技术】
燃料电池是利用燃料与氧气反应生成水，将化学能转化为电能，是一种能量转化率高、可靠性强的发电装置。燃料电池由可传导质子的膜、分别布置在膜两侧的电极、分布在两侧膜电极单元背面的气体扩散层构成。在燃料电池工作过程中，燃料、尤其是氢气H2或者含氢气的混合气被导向阳极，在阳极进行H2向H+的电化学式的氧化以释放出电子。通过电解质或者可传导质子的膜进行质子H+从阳极室向阴极室的输送。在阳极制备的电子通过电路导向阴极。氧气或者含氧的混合气被导向阴极，以便通过吸收电子从O2到O2-的还原。同时在阴极室该氧离子与通过膜输送的质子反应生成水。
然而，目前的燃料电池技术，虽然相比于锂电池和蓄电池体积和重量大幅度减少，但仍不能满足未来应用对电源轻量型、微小型、高功率的要求，因此，急需开发新型燃料电池技术，以扩展其应用。
【发明内容】
为克服目前燃料电池体积到功率低的缺陷，本发明提供一种基于混合液体的高选择性催化燃料电池及应用。
本发明为了解决上述技术问题，提供一技术方案如下：一种基于混合液体的高选择性催化燃料电池，所述基于混合液体的高选择性催化燃料电池包括电池主体、氧化电极、还原电极以及电路系统，所述电池主体形成有反应腔室，所述反应腔室用于接收燃料溶液，所述氧化电极和所述还原电极设置在所述反应腔室中，所述氧化电极催化所述燃料溶液发生氧化反应，所述还原电极催化所述燃料溶液发生还原反应，所述氧化电极产生的电子经电路系统传递到所述还原电极。
优选地，所述燃料溶液包括含能剂和/或氧化剂，所述含能剂包括葡萄糖水溶液、乙醇水溶液、维生素C水溶液和琥珀酸水溶液中的任一种，所述氧化剂包括丙酮溶液和维生素B水溶液中的任一种。
优选地，所述氧化电极为金属纳米颗粒制成或者由高选择性氧化酶与石墨烯薄膜复合而成的薄膜。
优选地，所述氧化电极包括的金属纳米颗粒包括铂、钯和金中的任一种，所述高选择性氧化酶包括葡萄糖氧化酶和琥珀酸脱氢酶中的任一种。
优选地，所述还原电极由过渡金属材料制成或者由金属合金化合物纳米颗粒与石墨烯薄膜复合而成的薄膜。
优选地，形成所述还原电极的过渡金属材料包括Fe、Co、Ni、Cu和Mn中的任一种，所述金属合金包括铂、金、铜中的任一种和所述过渡金属中的任一种形成的金属合金化合物。
优选地，金属合金化合物包括NiCu、CoCu、PtCu或者其他化合物中的任一种。
优选地，所述高选择性催化燃料电池还包括燃料溶液供给系统，所述燃料溶液供给系统用于将燃料溶液直接供入到所述反应腔室中。
优选地，所述高选择性催化燃料电池还包括浓度检测系统，所述浓度检测系统用于检测所述氧化腔室和所述还原腔室中的含能剂和燃料溶液的浓度，所述含能剂供给系统和燃料溶液供给系统根据浓度检测系统检测的浓度值调控供给速率。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种基于混合液体的高选择性催化燃料电池的应用，如上所述的高选择性催化燃料电池应用于电动汽车、航天飞机、潜艇、通讯系统、中小规模电站、家用电源。
相对于现有技术，本发明所提供的高选择性催化燃料电池具有如下的有益效果：
所述反应腔室用于接收燃料溶液，所述氧化电极和所述还原电极设置在所述反应腔室中，所述氧化电极催化所述燃料溶液发生氧化反应，所述还原电极催化所述燃料溶液发生还原反应，所述氧化电极产生的电子经电路系统传递到所述还原电极，在本发明中，不需要设置质子交换膜对反应腔室进行隔离，简化了电池结构，减轻了电池重量；同时，燃料溶液直接泵入反应腔室中，燃料溶液直接和氧化电极和还原电极接触，燃料溶液被氧化电极催化产生的氢离子直接和还原电极产生的氧负离子反应生成水，能很好的提高催化效率，很好的避免了传统的燃料电池中，必须要将作为还原剂的氢气或者氢气的混合气体先经过阳极，被阳极催化之后产生的氢离子再由阳极扩散到电解质内部，然后再由电解质扩散到阴极的一侧，导致催化效率极低的缺陷。
所述氧化电极为金属纳米颗粒制成或者由高选择性氧化酶与石墨烯薄膜复合而成的薄膜，高选择性氧化电极能实现对燃料溶液的快速吸附，对燃料溶液氧化反应产生的电子的快速分离，提高催化效率。
所述氧化电极包括的金属纳米颗粒包括铂、钯和金中的任一种，所述高选择性氧化酶包括葡萄糖氧化酶，高选择性还原电极同样的可以实现对燃料溶液以及氧化电极传递过来的电子快速吸附，从而实现对燃料溶液的快速还原反应，从而保证了高选择性燃料电池的高催化性能。
在本发明中，氧化电极和还原电极为双层复合结构的形式，将电池的电子分离由静态变为动态，加速电子分离传输过程。
通过设置浓度检测系统，能实时检测反应腔室中的燃料溶液的浓度，使得燃料溶液供给系统能根据浓度检测系统检测获得的燃料溶液浓度调控供给速率，以使得燃料溶液中的含能剂和燃料溶液的浓度更均衡，保证催化反应的顺利进行。
【附图说明】
图1是本发明第一实施例中提供的基于混合液体的高选择性催化燃料电池的结构示意图；
图2是本发明第一实施例中提供的基于混合液体的高选择性催化燃料电池的包含浓度检测系统时的结构示意图。
附图标记说明：
10、基于混合液体的高选择性催化燃料电池；11、氧化电极；12、还原电极；14、反应腔室；15、还原腔室；16、外部循环系统；161、电路系统；163、燃料溶液供给系统；1631、燃料溶液储液腔；1632、燃料溶液泵送系统；17、浓度检测系统；18、电池主体；19、燃料溶液。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供一种基于混合液体的高选择性催化燃料电池10，所述基于混合液体的高选择性催化燃料电池10包括电池主体18、氧化电极11、还原电极12，电池主体18形成有反应腔室14。反应腔室14用于接收和存储燃料溶液19。所述氧化电极11和还原电极12设置在反应腔室14中。所述氧化电极11催化所述燃料溶液19发生氧化反应。所述还原电极12催化所述燃料溶液19发生还原反应，所述氧化电极11催化燃料溶液19发生氧化反应产生的电子可传递到所述还原电极12，燃料溶液19吸收电子且在还原电极12的催化下发生还原反应。需要说明的是，氧化电极11对应为阳极，还原电极12对应为阴极。
可以理解，所述基于混合液体的高选择性催化燃料电池10还包括外部循环系统16。外部循环系统16包括传递电子的电路系统161。所述电路系统161连接氧化电极11和还原电极12，用于将所述氧化电极11催化燃料溶液19发生氧化反应产生的电子传递到所述还原电极12。燃料溶液19在接收到电子之后，在还原电极12的催化下发生还原反应，从而产生电能。
请继续参阅图1，外部循环系统16还包括燃料溶液供给系统163。所述燃料溶液供给系统163用于将燃料溶液19直接供入到所述反应腔室14中。在一些具体的实施方式中，可选地，燃料溶液供给系统163包括燃料溶液储液腔1631和燃料溶液泵送系统1632。其中燃料溶液泵送系统1632分别和燃料溶液储液腔1631和反应腔室14相连，将存储在燃料溶液储液腔1631中的燃料溶液19直接泵入反应腔室14中。传统的燃料电池中，必须要将作为还原剂的氢气或者氢气的混合气体先经过阳极，被阳极催化之后产生的氢离子再由阳极扩散到电解质内部，然后再由电解质扩散到阴极的一侧，因此其催化效率较低。而在本发明中，将燃料溶液19直接泵入反应腔室14中，燃料溶液19直接和氧化电极11和还原电极12接触，燃料溶液19被氧化电极11催化产生的氢离子和还原电极12产生的阳离子反应，能很好的提高催化效率，提高化学能转化为电能的效率。
同时，在本发明中，不需要在反应腔室14中设置质子交换膜对反应腔室14进行隔离，简化了电池结构，减轻了电池重量。
为了提高氧化电极11和还原电极12的催化效率，所述氧化电极11和还原电极12采用高选择氧化电极11和高选择性还原电极12。高选择性氧化电极11能实现对燃料溶液19的快速吸附，对燃料溶液19氧化反应产生的电子的快速分离从而保证燃料溶液19的快速氧化。高选择性还原电极12同样的可以实现对燃料溶液19以及氧化电极11传递过来的电子快速吸附，从而实现对燃料溶液19的快速还原反应，从而保证了基于混合液体的高选择性催化燃料电池10的高催化性能。
可选地，所述氧化电极11为金属纳米颗粒制成或者由高选择性氧化酶与石墨烯薄膜复合而成的薄膜。所述金属纳米颗粒包括铂、钯和金中的任一种，所述高选择性氧化酶包括葡萄糖氧化酶和琥珀酸脱氢酶或者其他高选择性氧化酶中的任一种。
可选地，所述还原电极12由过渡金属材料制成或者由金属合金化合物纳米颗粒与石墨烯薄膜复合而成的薄膜。形成所述还原电极的过渡金属材料包括Fe、Co、Ni、Cu和Mn中的任一种，所述金属合金包括铂、金、铜中的任一种和所述过渡金属中的任一种形成的金属合金化合物。
具体地，所述金属合金化合物包括NiCu、CoCu、PtCu或者其他化合物中的任一种。
在本发明中，氧化电极11和还原电极12为双层复合结构的形式，将电池的电子分离由静态变为动态，加速电子分离传输过程。
在一些具体的实施方式中，燃料溶液19包括含能剂和/或氧化剂，也即，所述燃料溶液19可以为同一种或者为不同的两者物质混合而成。所述含能剂包括葡萄糖水溶液、乙醇水溶液、维生素C水溶液和琥珀酸水溶液中的任一种，所述氧化剂包括丙酮溶液和维生素B水溶液中的任一种。因此，燃料溶液19包括葡萄糖水溶液和琥珀酸水溶液中的任一种，所述氧化剂包括丙酮溶液和维生素B水溶液中的任一种，或者任意两者的混合物。
请参阅图2，所述基于混合液体的高选择性催化燃料电池10还包括浓度检测系统17，所述浓度检测系统17用于检测所述反应腔室14中的燃料溶液19的浓度，所述燃料溶液供给系统163根据浓度检测系统17检测的浓度值调控供给速率。浓度检测系统17为现有的液体浓度检测系统。比如可以配置一系列已知浓度的燃料溶液19，对已知浓度的燃料溶液19测量电压值，基于浓度和获得的电压值绘制标准曲线建立浓度和电压值的对应关系。然后基于建立的对应关系通过电位计即可实时测量燃料溶液19的浓度。所述燃料溶液供给系统163根据浓度检测系统17检测的浓度值调控供给速率，使得反应腔室14中的氧化反应和还原反应均匀的进行。
以下对基于混合液体的高选择性催化燃料电池10的工作过程进行介绍：
首先，燃料溶液19经燃料溶液供给系统163泵入到反应腔室14中；
然后，燃料溶液19在高选择性氧化电极11的催化作用下，释放出电子，生成阳离子M+；电子经电路系统161传递到还原电极12，M+在电场作用及燃料溶液19浓度梯度的驱动力下迁移至高选择性还原电极12。
同时，燃料溶液19在还原电极12的催化作用下，结合电子生成阴离子N-，构成回路，产生电流。
同时，燃料溶液供给系统163根据实时检测的燃料溶液19浓度，对反应腔室14中的燃料溶液19进行补充，同时排出产物，以维持反应腔室内部活性物质恒定浓度。
以下通过一个具体的实施方式对基于混合液体的高选择性催化燃料电池10的工作过程进行介绍：
其中，
氧化电极11为：葡萄糖氧化酶修饰的石墨烯薄膜；
还原电极12为：NiCu合金纳米颗粒修饰的石墨烯薄膜；
燃料溶液19为：葡萄糖水溶液和丙酮溶液，
如下为其工作过程：
首先，将燃料溶液19泵入到电池内部的反应腔室14中；
然后，在葡萄糖氧化酶－石墨烯薄膜电极的催化作用下，葡萄糖水溶液发生氧化反应，释放出电子与阳离子H+；电子经电路系统161传到还原电极12，H+在电场作用下，经高反应活性流体迁移至NiCu-石墨烯薄膜电极。此处高反应活性流体可以理解为在反应腔室14中的燃料溶液19以及发生了氧化反应的燃料溶液19的产物的混合物。
同时，在NiCu-石墨烯薄膜电极的催化作用下，丙酮溶液发生还原反应，得到电子生成阴离子O2-；O2-与高反应活性流体中分散的H+反应生成水，构成回路，产生电流。高反应活性流体可以理解为在反应腔室14中的燃料溶液19以及发生了还原反应的燃料溶液19的产物的混合物。
本发明的第二实施例提供一种基于混合溶液的高选择性燃料电池的应用，基于混合液体的高选择性催化燃料电池10应用于电动汽车、航天飞机、潜艇、通讯系统、中小规模电站、家用电源。
相对于现有技术，本发明所提供的高选择性催化燃料电池具有如下的有益效果：
所述反应腔室用于接收燃料溶液，所述氧化电极和所述还原电极设置在所述反应腔室中，所述氧化电极催化所述燃料溶液发生氧化反应，所述还原电极催化所述燃料溶液发生还原反应，所述氧化电极产生的电子经电路系统传递到所述还原电极，在本发明中，不需要设置质子交换膜对反应腔室进行隔离，简化了电池结构，减轻了电池重量；同时，燃料溶液直接泵入反应腔室中，燃料溶液直接和氧化电极和还原电极接触，燃料溶液被氧化电极催化产生的氢离子直接和还原电极产生的氧负离子反应生成水，能很好的提高催化效率，很好的避免了传统的燃料电池中，必须要将作为还原剂的氢气或者氢气的混合气体先经过阳极，被阳极催化之后产生的氢离子再由阳极扩散到电解质内部，然后再由电解质扩散到阴极的一侧，导致催化效率极低的缺陷。
所述氧化电极为金属纳米颗粒制成或者由高选择性氧化酶与石墨烯薄膜复合而成的薄膜，高选择性氧化电极能实现对燃料溶液的快速吸附，对燃料溶液氧化反应产生的电子的快速分离，提高催化效率。
所述氧化电极包括的金属纳米颗粒包括铂、钯和金中的任一种，所述高选择性氧化酶包括葡萄糖氧化酶，高选择性还原电极同样的可以实现对燃料溶液以及氧化电极传递过来的电子快速吸附，从而实现对燃料溶液的快速还原反应，从而保证了高选择性燃料电池的高催化性能。
在本发明中，氧化电极和还原电极为双层复合结构的形式，将电池的电子分离由静态变为动态，加速电子分离传输过程。
通过设置浓度检测系统，能实时检测反应腔室中的燃料溶液的浓度，使得燃料溶液供给系统能根据浓度检测系统检测获得的燃料溶液浓度调控供给速率，以使得燃料溶液中的含能剂和燃料溶液的浓度更均衡，保证催化反应的顺利进行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于混合液体的高选择性催化燃料电池，其特征在于：所述基于混合液体的高选择性催化燃料电池包括电池主体、氧化电极、还原电极以及电路系统，所述电池主体形成有反应腔室，所述反应腔室用于接收燃料溶液，所述氧化电极和所述还原电极设置在所述反应腔室中，所述氧化电极催化所述燃料溶液发生氧化反应，所述还原电极催化所述燃料溶液发生还原反应，所述氧化电极产生的电子经电路系统传递到所述还原电极。
2.如权利要求1所述的基于混合液体的高选择性催化燃料电池，其特征在于：所述燃料溶液包括含能剂和/或氧化剂，所述含能剂包括葡萄糖水溶液、乙醇水溶液、维生素C水溶液和琥珀酸水溶液中的任一种，所述氧化剂包括丙酮溶液和维生素B水溶液中的任一种。
3.如权利要求1所述的基于混合液体的高选择性催化燃料电池，其特征在于：所述氧化电极为金属纳米颗粒制成或者由高选择性氧化酶与石墨烯薄膜复合而成的薄膜。
4.如权利要求3所述的基于混合液体的高选择性催化燃料电池，其特征在于：所述氧化电极包括的金属纳米颗粒包括铂、钯和金中的任一种，所述高选择性氧化酶包括葡萄糖氧化酶和琥珀酸脱氢酶中的任一种。
5.如权利要求3所述的基于混合液体的高选择性催化燃料电池，其特征在于：所述还原电极由过渡金属材料制成或者由金属合金化合物纳米颗粒与石墨烯薄膜复合而成的薄膜。
6.如权利要5所述的基于混合液体的高选择性催化燃料电池，其特征在于：形成所述还原电极的过渡金属材料包括Fe、Co、Ni、Cu和Mn中的任一种，所述金属合金包括铂、金、铜中的任一种和所述过渡金属中的任一种形成的金属合金化合物。
7.如权利要求6所述的基于混合液体的高选择性催化燃料电池，其特征在于：金属合金化合物包括NiCu、CoCu、PtCu或者其他化合物中的任一种。
8.如权利要求1所述的基于混合液体的高选择性催化燃料电池，其特征在于：所述高选择性催化燃料电池还包括燃料溶液供给系统，所述燃料溶液供给系统用于将燃料溶液直接供入到所述反应腔室中。
9.如权利要求8所述的基于混合液体的高选择性催化燃料电池，其特征在于：所述高选择性催化燃料电池还包括浓度检测系统，所述浓度检测系统用于检测所述氧化腔室和所述还原腔室中的含能剂和燃料溶液的浓度，所述含能剂供给系统和燃料溶液供给系统根据浓度检测系统检测的浓度值调控供给速率。
10.一种基于混合液体的高选择性催化燃料电池的应用，其特征在于：如权利要求1-9中任一项所述的基于混合液体的高选择性催化燃料电池应用于电动汽车、航天飞机、潜艇、通讯系统、中小规模电站、家用电源。
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