一種氫氧堿性燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及到一種燃料電池，尤其是氫氧堿性燃料電池，其包括正極膜、電解質(zhì)和負(fù)極膜，所述正極膜由催化層、氣體擴(kuò)散層和電流集合器組成，所述催化層由Co3O4、Fe2O3、碳納米管和粘結(jié)劑組成，所述氣體擴(kuò)散層由碳材料和粘結(jié)劑組成，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用Co3O4、Fe2O3為催化劑，沒有使用Pt等貴金屬作催化劑，價(jià)格便宜，易于推廣，而且本發(fā)明氣體擴(kuò)散層采用無污染碳材料，電解質(zhì)包括KOH、NaOH、LiOH配合的堿性材料，成本低、無環(huán)境污染，而且本發(fā)明電池的平均工作電壓和電容量較高，能量密度高。
【專利說明】一種氫氧堿性燃料電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及到一種燃料電池，尤其是氫氧堿性燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]氫氧燃料電池是一種等溫并直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑的化學(xué)能高效，環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，也是一種新型的無污染，無噪音，大規(guī)模，大功率，和高效率的汽車動(dòng)力和發(fā)電設(shè)備。它可以有效地解決能源安全和環(huán)境問題。因此，近10年來，氫氧燃料電池發(fā)電技術(shù)得到全球的高度重視，逐漸形成了新興產(chǎn)業(yè)。燃料電池具有能夠?qū)崿F(xiàn)小型輕量化、高輸出密度的可能性，因此，正在大力推進(jìn)在便攜用電子設(shè)備用的新型電源、家庭用廢熱發(fā)電系統(tǒng)等中的用途開發(fā)。燃料電池具備由陽極和陰極夾持電解質(zhì)膜而成的構(gòu)成的膜電極復(fù)合體(MEA)作為發(fā)電主要部，根據(jù)電解質(zhì)膜的種類分為:固體聚合物型燃料電池(包括直接型燃料電池)、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、固體氧化物型燃料電池、堿性燃料電池等。
[0003]堿性燃料電池的設(shè)計(jì)與質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計(jì)基本相似，但其電解質(zhì)為穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)。操作時(shí)所需溫度并不高，轉(zhuǎn)換效率好，可使用的催化劑種類多且價(jià)格便宜，例如銀、鎳等。但是，在最近各國(guó)燃料電池開發(fā)中，卻無法成為主要開發(fā)對(duì)象，其原因在于電解質(zhì)必須是液態(tài)，燃料也必須是高純度的氫才可以。目前，這種電池對(duì)于商業(yè)化應(yīng)用來說過于昂貴，其主要為空間研究服務(wù)，包括為航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。堿性燃料電池是使用陰離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)膜(陰離子交換膜)作為電解質(zhì)膜且電荷載體為氫氧化物離子(0H_)的燃料電池。對(duì)于堿性燃料電池而言，將陽極與陰極進(jìn)行電連接時(shí)，通過如下的電化學(xué)反應(yīng)，在陽極與陰極之間產(chǎn)生電流，從而可以得到電能。即，向陰極供給氧化劑(例如，氧氣或空氣等)和水時(shí)，通過下式(I)表示的催化反應(yīng)生成0H_。陰極:1/202 + H2O + 2e_—20H_(1)該0H_在與水分子水合的狀態(tài)下通過電解質(zhì)膜傳遞至陽極側(cè)。另一方面，陽極中，供給的燃料(還原劑)例如H2氣體與從陰極傳遞來的0H_發(fā)生下式(2)表示的催化反應(yīng)而生成水和電子。陽極=H2 + 20H_ — 2H20 + 2e_ (2)。
[0004]目前大多數(shù)燃料電池采用Pt等貴金屬作催化劑，不可能大規(guī)模推廣使用，這限制了燃料電池民用化。因此，推動(dòng)燃料電池民用化的關(guān)鍵就是使用廉價(jià)催化劑代替貴金屬催化劑。針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種新型、廉價(jià)、簡(jiǎn)便的堿性燃料電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決燃料電池的催化問題，采用Co304、Fe2O3為催化劑，并設(shè)計(jì)了 一種新的成本低、能量密度高且無環(huán)境污染的新型堿性燃料電池。
[0006]本發(fā)明提出新型的堿性燃料電池，由正極膜、負(fù)極膜及含有陰陽離子并具有離子導(dǎo)電性的電解質(zhì)組成，其中，所述正極膜含有能電催化氧氣還原物質(zhì)Co3O4和Fe2O3 ;所述負(fù)極膜米用儲(chǔ)氫合金鎂合金；電解質(zhì)為堿溶液。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種氫氧堿性燃料電池，包括正極膜、電解質(zhì)和負(fù)極膜，所述正極膜由催化層、氣體擴(kuò)散層和電流集合器組成，所述催化層由Co304、Fe2O3、碳納米管和粘結(jié)劑組成，所述氣體擴(kuò)散層由碳材料和粘結(jié)劑組成。
[0008]上述催化層由下列重量份數(shù)的原料組成:Co3O4 20-25份、Fe2O3 10_15份、碳納米管50-60份和粘結(jié)劑10份。
[0009]上述氣體擴(kuò)散層由碳材料85-90份和粘結(jié)劑40份組成。
[0010]上述碳材料為:活性炭、介孔碳、石墨、乙炔黑中的任意一種。
[0011 ] 優(yōu)化的，上述碳材料為乙炔黑。
[0012]上述粘結(jié)劑為聚乙烯醇。
[0013]上述負(fù)極膜為鎂合金。
[0014]優(yōu)化的，所述鎂合金為Mg2Ni。
[0015]上述電解質(zhì)包括K0H、Na0H、Li0H，其摩爾比例為2:2:1，總濃度為5mol/L。
[0016]上述的一種氫氧堿性燃料電池，所述正極膜由下述工藝制備:將粘結(jié)劑加入到由Co3O4, Fe2O3和碳納米管組成的復(fù)合物中，通過滾壓的方法得到催化層，約2-3_ ;氣體擴(kuò)散層由碳材料加入粘結(jié)劑組成，通過滾壓的方法制得的，約2-3mm ;將催化層和氣體擴(kuò)散層依次壓到集流器上便得到本發(fā)明中的正極膜。
[0017]本發(fā)明提出的新型堿性燃料電池的基本工作原理可以描述為:正極膜為氣體擴(kuò)散電極，純的氧氣或者空氣中的氧`氣在電池的正極發(fā)生還原反應(yīng)。其方程式為:
O2 + 2H20 + 4e_1 = 40F1
本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用Co3CVFe2O3為催化劑，沒有使用Pt等貴金屬作催化劑，價(jià)格便宜，易于推廣，而且本發(fā)明氣體擴(kuò)散層采用無污染碳材料，電解質(zhì)包括K0H、Na0H、LiOH配合的堿性材料，成本低、無環(huán)境污染，而且本發(fā)明電池的平均工作電壓和電容量較
高，能量密度高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1新型氫氧堿性燃料電池在放電電流5mA/cm2放電曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1.負(fù)極采用Mg2Ni合金，正極膜采用Co3O4和Fe2O3作為催化劑。催化劑層的組成為Co3O4IFe2O3:碳納米管:聚乙烯醇=20:15:55:10的重量份比例混合，滾壓成膜。氣體擴(kuò)散層組成:乙炔黑:聚乙烯醇=60:40混合成漿料，滾壓成膜。電解質(zhì)為氫氧化物，包括Κ0Η、NaOH, LiOH,其摩爾比例為2:2: 1，總濃度為5mol/L，體積為200mL。測(cè)試結(jié)果如表1。
[0020]實(shí)施例2.負(fù)極采用Mg2Ni合金，正極膜采用鈷和鐵的氧化物作為催化劑。催化劑的組成為Co3O4IFe2O3:碳納米管:聚乙烯醇=23:12:55:10的重量比例混合，滾壓成膜。氣體擴(kuò)散層組成:乙炔黑:聚乙烯醇=60:40混合成漿料，滾壓成膜。電解質(zhì)為氫氧化物，包括Κ0Η、NaOH, LiOH,其摩爾比例為2:2: 1，總濃度為5mol/L，體積為200mL。測(cè)試結(jié)果如表1。
[0021]實(shí)施例3.負(fù)極采用Mg2Ni合金，正極膜采用鈷和鐵的氧化物作為催化劑。催化劑的組成為Co3O4IFe2O3:碳納米管:聚乙烯醇=25:10:55:10的重量比例混合，滾壓成膜。氣體擴(kuò)散層組成:乙炔黑:聚乙烯醇=60:40混合成漿料，滾壓成膜。電解質(zhì)為氫氧化物，包括Κ0Η、NaOH, LiOH,其摩爾比例為2:2: 1，總濃度為5mol/L，體積為200mL。測(cè)試結(jié)果如表1。
[0022]新型堿性燃料電池性能測(cè)試結(jié)果:
【權(quán)利要求】
1.一種氫氧堿性燃料電池，包括正極膜、電解質(zhì)和負(fù)極膜，其特征在于:所述正極膜由催化層、氣體擴(kuò)散層和電流集合器組成，所述催化層由Co304、Fe2O3、碳納米管和粘結(jié)劑組成，所述氣體擴(kuò)散層由碳材料和粘結(jié)劑組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氫氧堿性燃料電池，其特征在于:所述催化層由下列重量份數(shù)的原料組成=Co3O4 20-25份、Fe2O3 10-15份、碳納米管50-60份和粘結(jié)劑10份。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氫氧堿性燃料電池，其特征在于:所述氣體擴(kuò)散層由碳材料85-90份和粘結(jié)劑40份組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3中所述的一種氫氧堿性燃料電池，其特征在于:所述碳材料為:活性炭、介孔碳、石墨、乙炔黑中的任意一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種氫氧堿性燃料電池，其特征在于:所述碳材料為乙炔黑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3中所述的一種氫氧堿性燃料電池，其特征在于:所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氫氧堿性燃料電池，其特征在于:所述負(fù)極膜為鎂合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種氫氧堿性燃料電池，其特征在于:所述鎂合金為Mg2Ni。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種氫氧堿性燃料電池，其特征在于:所述電解質(zhì)包括Κ0Η、NaOH, LiOH,其摩爾比例為2:2:1，總濃度為5mol/L。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氫氧堿性燃料電池，其特征在于:所述正極膜由下述工藝制備:將粘結(jié)劑加入到由Co304、Fe2O3和碳納米管組成的復(fù)合物中，通過滾壓的方法得到催化層，約2-3mm ;氣體擴(kuò)散層由碳材料加入粘結(jié)劑組成，通過滾壓的方法制得的，約2-3mm ;將催化層和氣體擴(kuò)散層依次壓到集流器上便得到本發(fā)明中的正極膜。
【文檔編號(hào)】H01M4/90GK103647089SQ201310702866
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】張成如 申請(qǐng)人:濟(jì)南開發(fā)區(qū)星火科學(xué)技術(shù)研究院