CN113270621A - 一种酸碱型直接液体燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种酸碱型直接液体燃料电池，属于燃料电池领域，包括阳极侧自外向内依次相接设置的阳极流场板、阳极扩散层、阳极催化层、阴极侧自外向内依次相接设置的阴极流场板、阴极扩散层、阴极催化层、阴极多孔层以及设置在阳极和阴极之间的阳离子交换膜。本发明通过在阳离子交换膜与阴极催化层之间设置阴极多孔层，实现了碱性阳极和酸性阴极的结合，从而提高了电池的运行电压和输出功率密度。初步实验证明：采用本发明结构的直接乙醇燃料电池的最高功率密度，相较于现有的全酸性直接乙醇燃料电池提升了40倍，相较于现有的全碱性直接乙醇燃料电池提升了5倍。

Description

一种酸碱型直接液体燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种酸碱型直接液体燃料电池。
背景技术
直接液体燃料电池由于具有体积能量密度高，环境污染小，燃料易于储存、运输和来源广等优点，因而受到了人们的广泛关注，其实际应用前景十分广阔。传统酸性直接液体燃料电池的反应动力学速率慢，依赖铂基催化剂的催化，且阳极反应过程中易生成毒化中间产物，导致酸性直接液体燃料电池的使用寿命降低。碱性直接液体燃料电池的阴阳极均为碱性反应环境，反应动力学速率较快，不必依赖铂基催化剂的催化。然而碱性直接液体燃料电池中的阴离子交换膜和阴离子聚合物存在离子传导率低、热稳定性和化学稳定性差的问题，这会严重影响碱性直接液体燃料电池的性能和使用寿命。此外，阴阳极酸碱性一致的反应环境使得直接液体燃料电池的热力学理论可逆电压偏低，传统全酸性和全碱性直接液体燃料电池的性能普遍较差。因此，需要开发一种新的直接液体电池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提高开路电压和电池放电性能的酸碱型直接液体燃料电池。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：包括阳极侧自外向内依次相接设置的阳极流场板、阳极扩散层、阳极催化层，阴极侧自外向内依次相接设置的阴极流场板、阴极扩散层、阴极催化层，设置在阳极和阴极之间的阳离子交换膜，在阳离子交换膜与阴极催化层之间设置有阴极多孔层，且阴极多孔层上开设有通有酸性电解质的液体入口和液体出口。
所述的阳极流场板内通有液体燃料和碱性电解质的混合溶液，所述的液体燃料采用醇类、肼类、甲酸盐和硼氢化钠液体燃料，所述碱性电解质采用氢氧化钠或氢氧化钾的碱性电解质。
所述的阳极扩散层采用碳纸作为阳极催化层的支撑材料。
所述的阳极催化层由催化剂和粘结剂组成，所述催化剂采用钯基催化剂，所述粘结剂采用全氟磺酸离聚物或聚四氟乙烯。
所述的阴极多孔层采用耐酸的多孔材料泡沫碳，
所述的酸性电解质采用硫酸和高氯酸做为酸性电解质。
所述的阴极催化层由催化剂和粘结剂组成，所述催化剂采用铂基催化剂，所述粘结剂采用全氟磺酸离聚物或聚四氟乙烯。
所述的阴极扩散层采用带有碳粉微孔层的碳纸，且碳粉微孔层与阴极催化层相接。
所述的阴极流场板内通有氧气或空气。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)碱性阳极和酸性阴极的结合增大了直接液体燃料电池的理论开路电压，进而提高了电池的运行电压和输出功率密度。
(2)采用发展比较成熟的阳离子交换膜和阳离子聚合物，克服了阴离子交换膜和阴离子聚合物离子传导率低、热稳定性和化学稳定性差的缺点。
(3)阳离子交换膜和阴极催化层间夹有多孔材料，多孔材料内流有酸性电解质溶液。一方面多孔材料的三维多孔结构有利于酸性电解质的传输，减少燃料电池的物质与电荷传输阻力；另一方面酸性电解质的引入能够是碱性直接液体燃料电池的阴极变为酸性反应环境，显著提升燃料电池的理论热力学电压，进而提高燃料电池的运行电压和输出功率密度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1阳极流场板，2阳极扩散层，3阳极催化层，4阳离子交换膜，5液体入口，6阴极多孔层，7液体出口，8阴极催化层，9阴极扩散层，10阴极流场板。
图2为本发明实例中所述阴阳酸碱性不同的直接乙醇燃料电池与现有全酸性和全碱性直接乙醇燃料电池的极化曲线曲线实验结果对比图。
图3为本发明实例中所述阴阳酸碱性不同的直接乙醇燃料电池与现有全酸性和全碱性直接乙醇燃料电池的功率密度曲线实验结果对比图。
图中：101和104为本发明实例中所述阴阳酸碱性不同的直接乙醇燃料电池的实验结果曲线；102和105为现有全碱性直接乙醇燃料电池的实验结果曲线；103和106为现有全酸性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，本发明包括阳极侧自外向内依次相接设置的阳极流场板1、阳极扩散层2、阳极催化层3，阴极侧自外向内依次相接设置的阴极流场板10、阴极扩散层9、阴极催化层8，设置在阳极和阴极之间的阳离子交换膜4，在阳离子交换膜4与阴极催化层8之间设置有阴极多孔层6，且阴极多孔层6上开设有通有酸性电解质的液体入口5和液体出口7。
阳极流场板1内通有液体燃料和碱性电解质的混合溶液，这里液体燃料采用乙醇，碱性电解质采用氢氧化钠；阳极扩散层2采用碳纸作为阳极催化层3的支撑材料；阳极催化层3由催化剂和粘结剂组成，这里催化剂采用碳载钯，粘结剂采用全氟磺酸离聚物；阳离子交换膜4传导钠离子；阴极多孔层6采用耐酸多孔材料，并通有酸性电解质，这里耐酸多孔材料采用泡沫碳，酸性电解质采用硫酸溶液；阴极催化层8由催化剂和粘结剂组成，这里催化剂采用碳载铂，粘结剂采用全氟磺酸离聚物；阴极扩散层9采用带有碳粉微孔层的碳纸，且碳粉微孔层与阴极催化层8相接；阴极流场板10内通有氧气。
工作时，乙醇和氢氧化钠的混合溶液通入到阳极流场板1内，随后混合溶液穿越阳极扩散层2，在阳极催化层3的催化剂作用下，反应生成碳酸钠，生成的电子通过外电路到达阴极催化层8，同时钠离子经过阳离子交换膜4的传递到达阴极多孔层6，阴极多孔层6中通有硫酸溶液；通入阴极流场板10内的氧气，穿过阴极扩散层9，在阴极催化层8的催化剂作用下，与来自外电路的电子和来自阴极多孔层6的硫酸溶液反应生成水。
采用上述结构的直接乙醇燃料电池与采用现有结构的直接乙醇燃料电池，在相同的实验条件下，即阳极燃料为1M的乙醇，碱为1M的氢氧化钠，阳极流量为1mL/min，阴极酸溶液为0.5M的硫酸，流量为1mL/min，阴极氧化剂为氧气，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 (9)

1.一种酸碱型直接液体燃料电池，其特征在于：包括阳极侧自外向内依次相接设置的阳极流场板(1)、阳极扩散层(2)、阳极催化层(3)，阴极侧自外向内依次相接设置的阴极流场板(10)、阴极扩散层(9)、阴极催化层(8)，设置在阳极和阴极之间的阳离子交换膜(4)，在阳离子交换膜(4)与阴极催化层(8)之间设置有阴极多孔层(6)，且阴极多孔层(6)上开设有通有酸性电解质的液体入口(5)和液体出口(7)。
2.根据权利要求1所述的酸碱型直接液体燃料电池，其特征在于：所述的阳极流场板(1)内通有液体燃料和碱性电解质的混合溶液，所述的液体燃料包括醇类、肼类、甲酸盐和硼氢化钠，所述碱性电解质包括氢氧化钠或氢氧化钾。
3.根据权利要求1所述的酸碱型直接液体燃料电池，其特征在于：所述的阳极扩散层(2)采用碳纸作为阳极催化层(3)的支撑材料。
4.根据权利要求1所述的酸碱型直接液体燃料电池，其特征在于：所述的阳极催化层(3)由催化剂和粘结剂组成，所述催化剂采用钯基催化剂，所述粘结剂采用全氟磺酸离聚物或聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的酸碱型直接液体燃料电池，其特征在于：所述的阴极多孔层(6)采用耐酸的多孔材料泡沫碳。
6.根据权利要求1所述的酸碱型直接液体燃料电池，其特征在于：所述的酸性电解质采用硫酸和高氯酸做为酸性电解质。
7.根据权利要求1所述的酸碱型直接液体燃料电池，其特征在于：所述的阴极催化层(8)由催化剂和粘结剂组成，所述催化剂采用铂基催化剂，所述粘结剂采用全氟磺酸离聚物或聚四氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的酸碱型直接液体燃料电池，其特征在于：所述的阴极扩散层(9)采用带有碳粉微孔层的碳纸，且碳粉微孔层与阴极催化层(8)相接。
9.根据权利要求1所述的酸碱型直接液体燃料电池，其特征在于：所述的阴极流场板(10)内通有氧气或空气。
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