[发明专利]一种阳极液流均相催化燃料电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种阳极液流均相催化燃料电池及其制备方法，所述阴极液流均相催化燃料电池包括双极板结构，所述双极板结构包括阳极板、阴极板和位于所述阳极板与所述阴极板之间的膜电极，所述膜电极沿所述阳极板到阴极板的方向包括依次层叠设置的阳极、质子交换膜、催化剂层和阴极，所述阳极的材料具有亲水性，所述阴极为疏水碳纸；所述阳极液流均相催化燃料电池位于所述双折板结构的阳极板的一侧具有用以盛装阳极电解液的燃料反应室，所述阳极电解液包括燃料、酸和催化剂，所述燃料为生物质材料。本发明采用均相催化方式抗污染和中毒的能力强，使用的膜电极贵金属催化剂用量少，节约了成本。

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其是涉及一种阳极液流均相催化燃料电池及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。相对于其他燃料电池，质了交换膜燃料电池具有工作温度较低、启动较快、能量转换效率高、结构简单、燃料来源广、排放物零污染等特点，可用到车用动力电源、便携式电源、通讯基站后备/应急电源等方面。目前研究最深入的为氢燃料电池，如图1所示，氢气通过阳极侧的气体流场到达阳极，通过气体扩散层到达阳极催化层，与催化层上的催化剂铂发生吸附脱附反应，氢分子分解为2个质子H⁺，并释放出2个电子和热量。这一过程称为氢气的阳极氧化过程：H₂＝2H⁺+2e^-，在电池的另一端，氧化剂氧气(或空气)通过阴极侧的气体流场到达阴极，通过气体扩散层到达阴极催化层，吸附在催化剂铂的活性位点上。同时氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氧气与氢离子和电子发生反应生成水并放出部分热量，这一过程称为氧气还原过程：

阴极侧发生的反应为；1/2O₂+2H⁺+2e^-＝H₂O，

总的化学反应式为：1/2O₂+H₂＝H₂O。

阳极燃料为气体氢的PEMFC(质子交换膜燃料电池)，这类电池的膜电极两侧均负载有催化剂，属于非均相催化，并且由于膜电极两侧均有贵金属催化剂，成本较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种阳极液流均相催化燃料电池，在阳极采用均相催化方式抗污染和中毒的能力强，使用的膜电极仅在一侧具有催化剂层，贵金属催化剂用量少，节约了成本。

本发明所采取的技术方案是：

本发明提供了一种阳极液流均相催化燃料电池，包括双极板结构，所述双极板结构包括阳极板、阴极板和位于所述阳极板与所述阴极板之间的膜电极，所述膜电极沿所述阳极板到阴极板的方向包括依次层叠设置的阳极、质子交换膜、催化剂层和阴极，所述阳极的材料具有亲水性，所述阴极为疏水碳纸；所述阳极液流均相催化燃料电池位于所述双折板结构的阳极板的一侧具有用以盛装阳极电解液的燃料反应室，所述阳极电解液包括燃料、酸和催化剂，所述燃料为生物质材料。上述阳极液流均相催化燃料电池的阳极侧为液相，运行时可以用蠕动泵或者隔膜泵将阳极电解液打入电池的阳极参与电池反应，且循环使用，阴极可以采用主动进气和自呼吸两种形式，前者将空气通过泵机打入阴极侧，后者将阴极直接暴露在空气中，无需泵机进气。阳极的材料具有亲水性的作用是利于阳极侧的阳极电解液扩散，进而利于提高电池的性能。

优选地，所述阳极的材料为亲水性石墨毡、亲水性碳毡或亲水性碳纸。

更进一步优选地，所述阳极的材料为亲水性石墨毡或亲水性碳毡，传统燃料电池使用的膜电极中阳极催化层需要附着在阳极(一般是碳纸)上，因此无法使用石墨毡或碳毡，本发明采用阳极均相催化的方式，将阳极侧使用的催化剂与燃料混合形成阳极电解液，因而使用的膜电极阳极侧不含催化剂层，能够使用亲水性石墨毡、亲水性碳毡作为阳极代替传统燃料电池中使用的碳纸，并且由于亲水性石墨毡或亲水性碳毡具有三维大孔性结构，因而在液流条件下具有更好的传质、集电的效果。