CN107403940A - 一种新型直接甲醇燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种新型直接甲醇燃料电池。所述电池从外到内依次包括电池外壳，膜电极、阳极管，阳极管内为电解液室，外壳与膜电极之间为空气室，在电池的阴极端、阳极端分别与电池外壳通过焊接点连接设置阴极输出端、阳极输出端；所述膜电极包在阳极管的表面；外壳的电解液室部位设置加料孔，外壳的空气室部位设置空气流通孔，外壳的空气室底部设置水排放孔，外壳的阳极扩散层底部设置CO2排放孔。本发明使电池的制造成本降低、结构简化、催化剂对甲醇的催化性能和抗毒性高、电池性能提高。

Description

一种新型直接甲醇燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种新型直接甲醇燃料电池。
背景技术
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)具有能耗少、能量密度高、甲醇来源丰富、价格便宜、***简单、运行便捷、噪声低等优点，被认为是未来汽车动力和其它交通工具最有希望的化学电源，引起人们的广泛关注。DMFC最关键的材料之一是电极催化剂，它直接影响电池的性能、稳定性、使用寿命及制造成本。贵金属Pt在低温条件下(小于80℃)具有优异的催化性能，目前DMFC的电极催化剂均以Pt为主要成分，其中PtRu催化剂比纯Pt具有更强的抗CO中毒性能和更高的催化活性，被认为是目前DMFC最佳的催化剂，但是由于其价格昂贵、Ru易溶等缺陷，在DMFC中的利用率还达不到商业化的要求。人们进行了大量研究制备多元复合催化剂以提高其催化活性，提高抗CO毒化能力。如有报道制备了PtRuTiOX/C和Au/TiO2PtRu催化剂，TiO2复合可以减少催化剂中贵金属Pt的用量，提高催化性能和抗CO毒化能力，但这些催化剂中贵金属Pt的用量仍然很高，且催化剂以C为载体，C载体在实际应用过程中易氧化，影响催化剂的稳定性和电池的性能。高导电性的多孔海绵状聚合物聚苯胺-聚(2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸)包覆RuNi/C@TiO2的催化剂的合成，将其应用、研究于直接甲醇燃料电池，不使用阳极扩散层，简化电池结构还未见报道。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种新型直接甲醇燃料电池。本发明应用了一种新型非铂阳极催化剂，其取代了阳极扩散层(电池中没有阳极扩散层，阳极催化剂的作用不仅仅起催化作用还起到阳极扩散层的作用)，降低了催化剂成本，简化了电池结构。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种新型直接甲醇燃料电池，其特征在于：
所述电池从外到内依次包括电池外壳，膜电极、阳极管，阳极管内为电解液室，外壳与膜电极之间为空气室，在电池的阴极端、阳极端分别与电池外壳通过焊接点连接设置阴极输出端、阳极输出端；
所述膜电极包在阳极管的表面；
外壳的电解液室部位设置加料孔，外壳的空气室部位设置空气流通孔，外壳的空气室底部设置水排放孔，外壳的阳极扩散层底部设置CO2排放孔。
进一步地，所述膜电极从内至外依次由阳极催化剂层、Nafion膜、阴极催化剂层、阴极扩散层复合组成。
进一步地，所述阳极催化剂由C包覆的多孔纳米空心TiO2表面负载RuNi纳米合金后包覆高导电性的多孔海绵状聚合物聚苯胺-聚(2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸)组成；
所述C包覆的多孔纳米空心TiO2表示为C@TiO2，所述C包覆的多孔纳米空心TiO2表面负载RuNi纳米合金表示为RuNi/C@TiO2；
所述C@TiO2的质量含量为RuNi/C@TiO2的97～99％；
RuNi纳米合金的质量含量之和为RuNi/C@TiO2的3～1％；
RuNi合金中Ru和Ni的摩尔比nRu:nNi为7:3～3:7；
聚合物中苯胺与2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸的摩尔比为2:1；
苯胺与TiO2的摩尔比为3～1:1。
进一步地，所述C为纳米C。
进一步地，所述阳极管为多孔钛管。
进一步地，所述阴极输出端采用不锈钢、铜或钛材料。
进一步地，所述阳极输出端采用不锈钢、铜或钛材料。
进一步地，所述电池还包括一加料密封盖，盖在加料孔上；
所述加料密封盖材料采用聚四氟乙烯。
进一步地，所述电池外形为圆柱形或者平板形。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
本发明以高导电性的多孔海绵状聚合物聚苯胺-聚(2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸)包覆负载了RuNi纳米合金的C包覆的多孔纳米空心TiO2形成的多元催化剂为DMFC阳极催化剂。C的表面包覆以及RuNi合金沉积能提高TiO2的导电性，C的包覆以及RuNi合金沉积对TiO2的协同作用大大提高TiO2对甲醇的催化氧化性能。表面包覆高导电性的多孔海绵状聚合物聚苯胺-聚(2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸)能进一步提高催化剂的电子导电性和催化活性，同时，甲醇氧化产生的CO等中间产物更易被吸附、转移到RuNi/C@TiO2表面，并被直接深度氧化为最终产物CO2，通过多孔结构被转移走。RuNi的价格远低于贵金属Pt，且在催化剂中其用量较小。
另外，表面包覆的高导电性的多孔海绵状聚合物聚苯胺-聚(2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸)可以取代阳极扩散层，简化电池结构。因此可以大大降低催化剂和电池的成本，提高催化剂的催化活性和抗CO毒化能力，提高电池的性能。该电池可以作为手机、笔记本电脑、移动电话等便携式装置和摩托车、汽车等的动力电池，实现产业化应用。可以根据实际使用的要求，既可以做成微型燃料电池及电池组，也可以做成大型电燃料电池。根据实际应用需要，电池可制成各种形状。
附图说明
图1是本发明的电池俯视图。
图2是本发明的电池主视刨面图。
图3是本发明的膜电极的结构剖面图。
图中，1-电池外壳；2-空气室；3-阴极输出端；4-膜电极；5-阳极输出端；6-阳极管；7-电解液室；8-阴极扩散层；9-阴极催化剂层；10-Nafion膜；11-阳极催化剂层；12-空气流通孔；13-水排放孔；14-加料孔；15-加料密封盖；16-CO2排放孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方案作详细的阐述。这些具体实施例仅供叙述而并非用来限定本发明的范围或实施原则，本发明的保护范围仍以权利要求为准，包括在此基础上所作出的显而易见的变化或变动等。
图1是本发明的电池俯视图，图2是本发明的电池主视刨面图。
如图1和图2所示，本发明的新型直接甲醇燃料电池，包括电池外壳1，电池外壳中设置膜电极4，外壳与膜电极之间为空气室2，膜电极内为阳极管6，阳极管内设置电解液室7，膜电极由外至内为阴极扩散层8、阴极催化剂层9、Nafion膜10、阳极催化剂层11，阴极扩散层与电池外壳通过焊接点连接设置为阴极输出端3，阳极管与电池外壳通过焊接点连接设置为阳极输出端5，外壳的电解液室部位设置加料孔14，加料密封盖15，外壳的空气室部位设置空气流通孔12，外壳的空气室底部设置水排放孔13，外壳的阳极扩散层底部设置CO2排放孔16。
膜电极4从内至外依次由阳极催化剂层11、Nafion膜10、阴极催化剂层9、阴极扩散层8复合组成，如图3所示。
阴极输出端采用不锈钢、铜或钛材料，阳极输出端采用不锈钢、铜或钛材料。加料密封盖材料采用聚四氟乙烯。
其中阳极催化剂由C包覆的多孔纳米空心TiO2(C@TiO2)表面负载RuNi纳米合金(RuNi/C@TiO2)后包覆高导电性的多孔海绵状聚合物聚苯胺-聚(2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸)组成；C@TiO2的含量为RuNi/C@TiO2的97～99％，其中C为纳米C，RuNi纳米合金的含量之和为RuNi/C@TiO2的3～1％，上述含量为质量百分比，RuNi的摩尔比nRu:nNi为7:3～3:7；聚合物中苯胺与2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸的摩尔比为2:1，苯胺与TiO2的摩尔比为3～1:1。
实施例1
上述阳极催化剂的制备方法包括下列步骤：
(1)多孔空心纳米TiO2的制备采用溶胶-凝胶法。将计算量的钛酸丁酯溶于一定量的无水乙醇，加入一定量的表面活性剂PEG-600和Vulcan XC-72，搅拌下滴加无水乙醇、冰醋酸和去离子水的混合物，水解形成溶胶后继续搅拌，待形成凝胶后静置2-3天，80℃真空干燥8-10小时后得到的粉末研磨后在马弗炉中400-600℃空气焙烧3小时，制得多孔空心TiO2纳米球。制备溶胶时钛酸丁酯、无水乙醇、冰醋酸、去离子水的用量摩尔比为：n钛酸丁酯：n无水乙醇：n冰醋酸：n去离子水＝1:20～40:1～2.5:2～6。PEG-600用量为钛酸丁酯、无水乙醇、去离子水和冰醋酸总体积的1％。Vulcan XC-72的用量为钛酸丁酯完全水解最后生成TiO2理论量的30％。
(2)C包覆的多孔空心纳米C@TiO2的制备：0.9g葡萄糖溶于60mL去离子水形成溶液，称取1.0g多孔纳米空心TiO2搅拌下加入葡萄糖溶液中，超声分散30分钟后移入高压反应釜(体积100mL)，加热到160℃，反应12h，冷却至室温，过滤，得到的黑色粉末去离子水洗涤，80℃真空干燥后，管式炉N2保护下500℃焙烧3h制得C包覆的多孔空心纳米C@TiO2。
(3)将多孔空心纳米C@TiO2纳米载体按50-100毫克/毫升的比例加入到乙二醇中，超声分散均匀,形成多孔空心多孔空心纳米C@TiO2分散液；
(4)将RuCl3溶解到乙二醇中，形成5-10毫克Ru/毫升的RuCl3/乙二醇溶液；
(5)将NiSO4溶解到乙二醇中，形成2-4毫克Ni/毫升的NiSO4/乙二醇溶液；
(6)按合成的RuNi/C@TiO2中WRuNi＝1％，摩尔比nRu:nNi为7:3的比例量取RuCl3/乙二醇溶液和NiSO4/乙二醇溶液混合，超声分散均匀后滴加到多孔空心TiO2@C分散液中；
(7)将NaOH溶解到乙二醇中，配制成NaOH浓度为2mol/L的NaOH乙二醇溶液；
(8)将配制的NaOH乙二醇溶液滴加到步骤(6)得到的分散液中，调节pH值为8.5-12；
(9)将KBH4溶解到乙二醇中配制成KBH4浓度为0.2-0.5mol/L的KBH4/乙二醇溶液；
(10)搅拌，惰性气体保护，80-90℃下，向pH值为8.5-12的混合悬浮液中滴加KBH4/乙二醇溶液，反应2-6小时；
(11)反应完毕后过滤，去离子水洗涤至滤出液中无氯离子和硫酸根离子，80℃真空干燥，制得RuNi/C@TiO2。
(12)将100mg的RuNi/C@TiO2加入到150mL的2mol/L HCl溶液中，超声分散30min，5℃下加入232.5mg苯胺，135mg邻苯二胺，1.035g 2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸和84mg对乙酰苯胺，剧烈搅拌30min后，搅拌下滴入50mL用2mol/L HCl溶解的285mg过硫酸铵溶液，引发聚合反应，反应6h，产品用0.1mol/L的HCl溶液反复洗涤至滤液无色，60℃真空干燥8h，制得高导电性的多孔海绵状聚合物聚苯胺-聚(2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸)包覆RuNi/C@TiO2的催化剂。
实施例2：
步骤(2)中葡萄糖的量为0.45g，步骤(6)中按合成的RuNi/C@TiO2中WRuNi＝2％，RuNi摩尔比nRu:nNi＝1:1，步骤(12)中348mg苯胺，202.5mg邻苯二胺，1.5525g 2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸和126mg对乙酰苯胺，2mol/L HCl溶解的427.5m g过硫酸铵，其余同实施例1。
实施例3：
步骤(2)中葡萄糖的量为1.8g，步骤(6)中按合成的RuNi/C@TiO2中WRuNi＝3％，摩尔比nRu:nNi＝3:7，步骤(12)中116.3mg苯胺，67.5mg邻苯二胺，517.5mg 2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸和42mg对乙酰苯胺，2mol/L HCl溶解的142.5mg过硫酸铵，其余同实施例1。

Claims (9)

1.一种新型直接甲醇燃料电池，其特征在于：
所述电池从外到内依次包括电池外壳，膜电极、阳极管，阳极管内为电解液室，外壳与膜电极之间为空气室，在电池的阴极端、阳极端分别与电池外壳通过焊接点连接设置阴极输出端、阳极输出端；
所述膜电极包在阳极管的表面；
外壳的电解液室部位设置加料孔，外壳的空气室部位设置空气流通孔，外壳的空气室底部设置水排放孔，外壳的阳极扩散层底部设置CO2排放孔。
2.根据权利要求1所述的一种新型直接甲醇燃料电池，其特征在于：
所述膜电极从内至外依次由阳极催化剂层、Nafion膜、阴极催化剂层、阴极扩散层复合组成。
3.根据权利要求2所述的一种新型直接甲醇燃料电池，其特征在于：
所述阳极催化剂由C包覆的多孔纳米空心TiO2表面负载RuNi纳米合金后包覆高导电性的多孔海绵状聚合物聚苯胺-聚(2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸)组成；
所述C包覆的多孔纳米空心TiO2表示为C@TiO2，所述C包覆的多孔纳米空心TiO2表面负载RuNi纳米合金表示为RuNi/C@TiO2；
所述C@TiO2的质量含量为RuNi/C@TiO2的97～99％；
RuNi纳米合金的质量含量之和为RuNi/C@TiO2的3～1％；
RuNi合金中Ru和Ni的摩尔比nRu:nNi为7:3～3:7；
聚合物中苯胺与2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸的摩尔比为2:1；
苯胺与TiO2的摩尔比为3～1:1。
4.根据权利要求3所述的一种新型直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述C为纳米C。
5.根据权利要求1所述的一种新型直接甲醇燃料电池，其特征在于：
所述阳极管为多孔钛管。
6.根据权利要求1所述的一种新型直接甲醇燃料电池，其特征在于：
所述阴极输出端采用不锈钢、铜或钛材料。
7.根据权利要求1所述的一种新型直接甲醇燃料电池，其特征在于：
所述阳极输出端采用不锈钢、铜或钛材料。
8.根据权利要求1所述的一种新型直接甲醇燃料电池，其特征在于：
所述电池还包括一加料密封盖，盖在加料孔上；
所述加料密封盖材料采用聚四氟乙烯。
9.根据权利要求1所述的一种新型直接甲醇燃料电池，其特征在于：
所述电池外形为圆柱形或者平板形。
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