CN113258079A - 一种拓展反应界面电极 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种拓展反应界面电极，属于燃料电池领域。本发明通过在阳离子交换膜与气体扩散层之间设置三维多孔催化层，实现了气态氧气与液态电解质在催化层内的共存。液体电解质的流入不仅能够改变电极反应环境的酸碱性，提高电池的理论热力学电压，还能降低离子的传输阻力，减小电池的欧姆极化损失，进而提高电池的整体性能。此外，三维多孔催化层中的孔隙拓展了气液反应界面，增大了催化剂的电化学活性表面积，加快了电化学反应速率，进一步提高了电池的放电性能。初步实验证明：采用本发明电极结构的直接乙醇燃料电池的实际开路电压和最高功率密度分别达到了1.434V和102.66mW cm‑2，比采用现有电极结构的直接乙醇燃料电池性能(0.845V和10.99mWcm‑2)有了明显的提高。

Description

一种拓展反应界面电极
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种拓展反应界面电极。
背景技术
燃料电池的电极是电化学反应发生的场所，其结构设计对燃料电池的性能有着至关重要的影响。通常，直接液体燃料电池的氧化剂为氧气，阴极采用气体扩散电极结构。氧气和气体扩散电极结构的使用导致阳极和阴极的酸碱反应环境一致，而目前全酸性和全碱性的直接液体燃料电池的性能普遍较差。针对这一问题，其中一种解决办法是阳极使用液体燃料和碱性电解质的混合溶液、阴极使用双氧水和酸性电解质的混合溶液，改变电极反应环境的酸碱性，提高电池的性能。然而双氧水存在以下缺陷：(1)热稳定性和化学稳定性较差，导致电池无法在高温下运行；(2)双氧水的氧化反应和还原反应能在电极上一同发生，产生混合电位，降低电池性能；(3)双氧水的工业化生产过程相对复杂，制备成本较高，而氧气可以从空气中获得。显然，解决上述问题的理想方法是开发基于氧气且阴阳极酸碱性不同的直接液体燃料电池。将溶解氧气的酸性电解质作为阴极氧化剂可达到上述要求，但常温条件下氧气在水中的溶解含量很低(1atm下约为9mg L-1)，无法在阴极内构建充足的三相反应界面，致使电池性能较差。因此，需要一种新的电极结构来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现较高的电池电压和较低的电池内阻的拓展反应界面电极。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：包括自外向内依次相接设置的极板、气体扩散层、三维多孔催化层和阳离子交换膜，所述的三维多孔催化层由允许液体电解质通过的三维支撑体和负载于三维支撑体上的催化层组成，所述的三维支撑体采用导电多孔的泡沫金属或泡沫碳材料，催化层负载于三维支撑体的内部孔隙中，并由催化剂和粘结剂组成，所述催化剂采用铂基催化剂、非贵金属催化剂或碳基催化剂，在三维多孔催化层两端设有液体电解质入口和出口。
所述的气体扩散层采用带有碳粉微孔层的碳纸，且碳粉微孔层与三维多孔催化层相接。
拓展反应界面电极与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)三维多孔催化层中电解质液体的流入改变了电极反应环境的酸碱性，从而提高了电池的理论热力学电压，提升了电池的放电性能。
(2)三维多孔催化层中电解质液体的存在降低了离子的传输阻力，减小了电池的欧姆极化损失。
(3)三维多孔催化层中的孔隙拓展了气液反应界面，增大了催化剂的电化学活性表面积，进而加快了电化学反应速率，进一步提高了电池的放电性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1阳离子交换膜，2液体入口，3气体扩散层，4极板，5液体出口，6三维多孔催化层，7催化剂。
图2为本发明实例中采用所述电极结构的直接乙醇燃料电池与采用现有电极结构的直接乙醇燃料电池的电压-电流曲线实验结果对比图。
图3为本发明实例中采用所述电极结构的直接乙醇燃料电池与采用现有电极结构的直接乙醇燃料电池的功率密度-电流曲线实验结果对比图。
图中：101和103为本发明实例中采用所述电极结构的直接乙醇燃料电池的实验结果曲线；102和104为采用现有电极结构的直接乙醇燃料电池的实验结果曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释与说明。
如图1所示，本发明包括自外向内依次相接设置的极板4、气体扩散层3、三维多孔催化层6和阳离子交换膜1，所述的三维多孔催化层6中载有催化剂7，并存在大量孔隙允许液体通过，且三维多孔催化层6两端设有液体入口2和液体出口5。
三维多孔催化层6由支撑体和催化层组成，并通有液体；支撑体采用泡沫金属和泡沫碳等导电多孔材料；催化层由铂基催化剂、非贵金属催化剂或碳基催化剂7和粘结剂组成，并采用浸润涂覆的方法将其负载于支撑体的内部孔隙中；气体扩散层3采用带有碳粉微孔层的碳纸，且碳粉微孔层与三维多孔催化层6相接；极板4的流道中通有气体。
工作时，气体通入到极板4的流道中，随后气体穿越气体扩散层3，到达三维多孔催化层6中。气体扩散层3中的碳粉微孔层的疏水特性使得气体极易进入到三维多孔催化层6中，同时也使得三维多孔催化层6中的液体极难进入到气体扩散层3中。三维多孔催化层6中电解质液体的流入不仅改变了电极反应环境的酸碱性，提高了电池的理论热力学电压，还降低了离子的传输阻力，减小了电池的欧姆极化损失，进而提高了电池的整体性能。三维多孔催化层6的孔隙中既存在液体，也存在气体，构成了气液反应界面，同时大量的孔隙也拓展了气液反应界面，增大了催化剂的电化学活性表面积，进而加快了电化学反应速率，提高了电池的放电性能。在三维多孔催化层6的催化剂作用下，气体、液体和来自外电路的电子发生还原反应，同时阳极侧的阳离子通过离子交换膜1的传递到达三维多孔催化层6中，电路形成闭合回路。
采用上述电极结构的阴阳极酸碱度不同的直接乙醇燃料电池与采用现有结构的碱性直接乙醇燃料电池，在相同的实验条件下，即阳极燃料为1M乙醇与1M氢氧化钠的混合溶液，流量为1mL/min，阴极液体为0.5M的硫酸溶液，流量为1mL/min，阴极气体为氧气，流量为5mL/min，电池工作温度为25℃，得出的电池电压随电流密度变化的实验曲线对比图，如图2所示，对比分析，在相同的电流密度下，优选实施例的电压高；得出的电池功率密度随电流密度变化的实验曲线对比图，如图3所示，对比分析，在相同的电流密度下，优选实施例的功率密度高。

Claims (2)

1.一种拓展反应界面电极，其特征在于：包括自外向内依次相接设置的极板(4)、气体扩散层(3)、三维多孔催化层(6)和阳离子交换膜(1)，所述的三维多孔催化层(6)由允许气液共存的三维支撑体和负载于三维支撑体骨架上的催化层组成，所述的三维支撑体采用导电多孔的泡沫金属或泡沫碳材料，催化层负载于三维支撑体的内部骨架上，并由催化剂(7)和粘结剂组成，所述催化剂采用铂基催化剂、非贵金属催化剂或碳基催化剂，在三维多孔催化层(6)两端设有液体电解质入口(2)和出口(5)。
2.根据权利要求1所述的拓展反应界面电极，其特征在于：所述的气体扩散层(3)采用带有碳粉微孔层的碳纸，且碳粉微孔层与三维多孔催化层(6)相接。
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