[发明专利]基于整体式碳质自呼吸阴极的无膜甲酸燃料电池制备方法

说明书

本发明公开了一种基于整体式碳质自呼吸阴极的无膜甲酸燃料电池制备方法；其特征在于：该方法包括如下步骤：一、阴极制备：步骤A、藻浆制备：将蛋白核小球藻藻粉溶解于乙醇溶液中，在磁力搅拌器上充分搅拌，制成糊状藻浆；步骤B、泡沫铁镍负载藻浆：将裁剪好的泡沫铁镍完全浸入制成的糊状藻浆中，在超声波振荡器中超声振荡至泡沫铁镍内部被藻浆充满，干燥后使用热压机热压充满了藻浆的泡沫铁镍；步骤C、阴极碳化，步骤D、阴极表面疏水处理；二、阳极的制备：采用反复沉积浸渍方法在石墨棒表层电镀钯催化层；三、阳极活化：将阳极浸泡在硫酸溶液中，通过循环伏安法进行活化；四、电池组装；本发明可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

技术领域

本发明涉及燃料电池制备领域，具体涉及基于整体式碳质自呼吸阴极的无膜甲酸燃料电池制备方法。

背景技术

直接甲酸燃料电池是将燃料甲酸与氧化剂氧气的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料和氧气分别在燃料电池的阳极和阴极发生反应。燃料在阳极上发生氧化反应产生电子和质子,然后电子经外电路传导到阴极。同时产生的质子在电场作用下,通过电解质迁移到阴极,质子、电子和氧气在阴极侧发生反应生成水,至此构成回路。由于电化学反应及电池的内阻的存在,燃料电池还会产生一定的热量。

直接甲酸燃料电池具有诸多优势。一方面，与甲醇燃料电池及其他质子交换膜燃料电池相比，直接甲酸燃料电池所使用的燃料无毒、不易燃、储存方便，并且电化学活性、能量密度和质子导电率更高，对质子交换膜透过率低，在较低温度下可产生较大的输出功率。另一方面，现在广泛使用的锂离子电池虽然不含广受诟病的铅、镉等重金属，但从技术工艺上来讲，除了锂离子外，它的电解液中仍然含有镍、钴、锰等重金属，且其中的含氟有机物也会对环境造成严重的污染。此外，报废之后，在回收、拆解、处理过程中操作不当，还可能发生起火爆炸、重金属污染、有机物废气排放等多种问题。而且，目前对锂离子电池的回收技术仍不够完善，回收成本高也是巨大的限制因素。相比之下，直接甲酸燃料电池液态电解质溶液中主要成分为甲酸或甲酸盐和部分支持电解质(主要为低浓度的酸或碱溶液)，与锂离子电池相比，回收过程的污染小，成本低，且安全系数高。所以，在这样的背景下，甲酸燃料电池的实用化将使电子产业、小型家电市场等成为最大受益者，这些特性使得该电池能成为新一代移动和便携电源的最佳选择之一，有望与锂电池在小型电源市场一争高下。

虽然直接甲酸燃料电池有很多优点，但目前仍存在许多制约其进一步发展的瓶颈问题。这些问题集中体现在：①电极催化剂易被毒化；②甲酸在Nafion膜上的渗透；③成本较高。直接甲酸燃料电池阳极侧反应过程中会有CO_ads等中间产物产生，使贵金属催化剂中毒，降低催化剂的活性,进而影响电池性能和稳定性。虽然甲酸在Nafion膜上的渗透率低于甲醇，但仍有一部分甲酸从阳极透过交换膜到达阴极，这种现象降低了燃料的利用效率，同时透过来的燃料小分子会被阴极贵金属催化剂氧化，产生混合电位和寄生电流，大幅降低电池性能，增加阴极催化剂中毒风险，影响电极的稳定性。而当前普遍应用于直接甲酸燃料电池的阴极催化剂是贵金属铂或铂系催化剂，约占电池成本的56％，因此其也是导致直接甲酸燃料电池成本居高不下的主要原因之一，限制了其在商业领域的广泛使用。目前，直接甲酸燃料电池普遍采用的电池结构为膜电极结构，即将气体扩散层、催化层和质子交换膜等功能结构通过热压等方式组装成膜电极，这样的结构也存在诸多问题，繁琐的过程增加了电极结构的复杂性和催化剂的浪费，此外该过程中必须使用的有机粘合剂除了会电极的导电性外，还因为在长期使用后存在失效脱落等问题，进一步影响电极的稳定性和持久性。这些问题都严重制约了该类电池的进一步实际化应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出了基于整体式碳质自呼吸阴极的无膜甲酸燃料电池制备方法。

本发明的技术方案是：一种基于整体式碳质自呼吸阴极的无膜甲酸燃料电池制备方法；其特征在于：该方法包括如下步骤：

一、阴极制备：

步骤A、藻浆制备：