碱性直接二甲醚燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及碱性燃料电池，旨在提供一种碱性直接二甲醚燃料电池。该燃料电池以阳离子交换膜或阴离子交换膜作为隔膜隔断阳极与阴极，以阳极催化剂载体含有的碱性二甲醚溶液为电解液，所述碱性二甲醚溶液是二甲醚饱和的、ＮａＯＨ或ＫＯＨ浓度为１～６摩尔／升的水溶液。本发明专利技术中使用溶解于碱液中的二甲醚为燃料，可大大提高直接二甲醚燃料电池的发电性能。可应用于大规模商业化应用的便携和移动式电源。阳极催化剂有助于发挥助催化剂对提高Ｐｔ抗ＣＯ中毒性能，由此提高催化剂的活性，提高二甲醚燃料电池的发电性能。同样，对于阴极催化剂可提高催化剂的活性，提高氧还原反应动力学，从而提高二甲醚燃料电池的发电性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在低温下工作的碱性燃料电池，更具体地说，本专利技术涉及一种直接以溶解有二甲醚的碱性溶液为燃料，离子交换膜为电解质的燃料电池。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是移动式和便携式电源领域最有前景的技术之一。虽然PEMFC技术已经日趋成熟，然而其商品化还面临一个难以解决的问题，即氢 生产和储运。氢的储运主要有两种方式第一，高压气瓶储氧，缺点在于体积比能量低，对设备要求高，并存在一定的安全隐患；第二，利用重整气给燃料电池进料，这必然使燃料电池系统复杂化，增加成本。人们尝试寻找其它的替代燃料以克服PEMFC的技术障碍，其中以有机小分子居多。对于直接甲醇燃料电池来说，燃料不存在储运困难的问题，但是反应活性低且极易使催化剂中毒，尤其是甲醇在阴极和阳极之间渗透会造成电池性能的严重损失。对直接乙醇燃料电池的研究表明，乙醇的分子结构中存在C-C键，因而将其彻底电化学氧化生成CO2非常困难，此外该过程中通常会生成各种副产物，比如醛和酯；为避免分子结构存在C-C键，有人尝试使用二甲氧基甲烷(DMM)和三甲氧基甲烷(TMM)作为燃料，但是两种有机物氧化后有甲醇生成，依旧没有解决燃料渗透造成电池性能降低的问题，制备成本也比较高；甲酸和甲醛作为电池燃料的能量密度比较低，并且甲酸具有腐蚀性，甲醛化学性质不稳定，此外两者都有毒性。所以这些有机小分子作为燃料的直接燃料电池都存在技术、经济或安全上的问题。从分子结构角度来看，二甲醚分子中不存在C-C键，容易被完全氧化。分子结构对称，偶极距较小，能有效降低二甲醚与H3+o之间的结合，减少电拖曳造成的燃料渗透。物理性质上，二甲醚与丙烷类似，因此丙烷运输中的基础设施可直接为二甲醚所用。人们提出了以二甲醚(DME)作为燃料的直接二甲醚燃料电池(DDFC)。DDFC是直接将储存于燃料二甲醚和氧气的化学能转化为电能的一种电化学反应装置。如中国专利技术专利申请CN1560951提出一种中温固体氧化物燃料电池利用二甲醚直接发电。中国专利技术专利申请CN101013755提出一种常温工作二甲醚燃料电池，其二甲醚供料装置包括二甲醚钢瓶和盛有水的压力罐， 增设二甲醚回收循环利用系统，包括气液分离罐、净化罐、冷却罐和恒流泵，其中二甲醚钢瓶经控制阀控制接通压力罐，压力罐经设有恒流泵、流量计和控制阀的管道接通燃料电池的阳极进口。电解质为阳离子交换膜时，供给阳极的二甲醚气体分子在催化剂的催化作用下脱氢发生电化学氧化反应，释放出电子并生成C02。而阳极产生的氢离子(H+)通过电解质膜向阴极移动。由于电解质只能通过离子而不能通过电子，释放出的电子只能在外部电路移动形成电流。当H+到达阴极后，在阴极催化剂上与O2以及从外部电路移动过来的电子结合生成H20。其电极与电池反应过程如下，其中，阴极和阳极电位是相对于标准氢电极(SHE)的电极电位阳极CH30CH3+3H20 — 2C02+12H++12e- E0 = 0. 036V vs. SHE阴极302+12H++12e- — 6H20E0 = 1. 23V vs. SHE电池CH30CH3+302 — 3H20+2C02E0 = 1. 194V vs. SHE然而，不仅二甲醚在酸性条件下反应活性较差，氧的电化学还原活性也很差。因此 将二甲醚溶解在水中，作为质子交换膜燃料电池的燃料，其性能远远低于以氢气或甲醇水 溶液为燃料时质子交换膜燃料电池的性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是改善以二甲醚为燃料的直接二甲醚燃料电池的性能，提供一种在低温下工作的碱性燃料电池。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供一种碱性直接二甲醚燃料电池，以阳离子交换膜或阴离子交换膜作为隔膜隔 断阳极与阴极，以阳极催化剂载体含有的碱性二甲醚溶液为电解液，所述碱性二甲醚溶液 是二甲醚饱和的、NaOH或KOH浓度为1 6摩尔/升的水溶液。本专利技术中，所述燃料电池在横向方向具有依次布置的如下结构阳极极板、阳极催 化剂载体、阳极催化剂、隔膜、阴极催化剂、阴极催化剂载体和阴极极板；燃料电池的上下两 端均以密封圈实现密封，其负极端子由阳极催化剂载体引出，正极端子由阴极极板弓丨出；在 阳极催化剂载体底端设二甲醚气体入口，其顶端设尾气出口 ；所述阴极催化剂载体是经憎 水处理的碳纸或碳布，所述阴极极板带有空气通路；所述阳极催化剂载体是经亲水处理的 碳纸、碳布或泡沫镍，并充填含有二甲醚的NaOH或KOH水溶液作为电解液。本专利技术中，所述燃料电池以聚吡咯修饰碳载贵金属催化剂作为阴极催化剂，其阴 极通过下述方式制得(1)制备聚吡咯修饰碳载贵金属将碳黑分散到水、甲醇或者氯仿中配成悬浊液，其质量比为1 15;加入冰乙酸或 者盐酸调节PH值为2. 5 3，室温搅拌10 30min;按碳黑与吡咯的质量比为1 0. 05 0. 3加入吡咯搅拌5 lOmin，然后加入一克Pt、Pd或Au的氯化物；室温搅拌3 IOh后再 加入0. 05 0. 1克质量的H2O2 ；室温搅拌3 IOh后，加热至70 90°C ；缓慢加入300ml 浓度为0. IM Γ1的还原剂碱性硼氢化钠溶液后，剧烈搅拌30 60min，自然冷却；用去离子 水洗涤过滤后，真空70 90°C干燥6 12h后在Ar或N2的惰性气氛下300 600°C保温 1 5h进行热处理，制得相应的聚吡咯修饰碳载贵金属催化剂；(2)将聚吡咯修饰碳载贵金属催化剂、水、5wt. %的聚四氟乙烯悬浊液、无水乙醇 按照1 3 2 7 3 6的质量比例混合调制成浆料，涂覆到经憎水处理的碳纸或碳布 上，自然晾干即可，聚吡咯修饰碳载贵金属催化剂与碳纸或碳布的质量比为1 10 100。本专利技术中，该燃料电池以聚吡咯修饰碳载Pt-Ru催化剂作为阳极催化剂，Pt-Ru催 化剂与聚吡咯修饰碳载体的质量比为1 1 9;催化剂中Pt和Ru的质量比为1 0.5 1 ；所述阳极催化剂通过下述方式制得将碳黑分散到水、甲醇或者氯仿中配成悬浊液，其质量比为1 15;加入冰乙酸或 者盐酸调节PH值为2. 5 3，室温搅拌10 30min;按碳黑与吡咯的质量比为1 0. 05 0. 3加入吡咯搅拌5 lOmin，然后加入Pt和Ru的质量比为1 0. 5 1的PtCl2和RuCl2 ；室温搅拌3 IOh后再加入0. 05 0. 1克质量的H2O2 ；室温搅拌3 IOh后，加热至70 90°C ；缓慢加入300ml浓度为0.IM L—1的还原剂碱性硼氢化钠溶液后，剧烈搅拌30 60min， 自然冷却；用去离子水洗涤过滤后，真空70 90°C干燥6 12h后在Ar或N2的惰性气氛 下300 600°C保温1 5h进行热处理，制得聚吡咯修饰碳载Pt-Ru催化剂。本专利技术中，该燃料电池的阳极通过下述方式制得按所述聚吡咯修饰碳载Pt-Ru 催化剂水5wt. %的聚乙烯醇溶液或全氟磺酸树脂溶液无水乙醇的质量比例为 1 3 2 7 3 6混合调制浆料，然后涂覆到经亲水处理的碳纸、碳布或泡沫镍上， 自然晾干即可，聚吡咯修饰碳载Pt-Ru催化剂与碳纸、碳布或泡沫镍的质量比为1 10 100。本专利技术中，直接二甲醚燃料电池放电时，在阳极上DME发生电化学氧化生成水和 二氧化碳，同时在阴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碱性直接二甲醚燃料电池，以阳离子交换膜或阴离子交换膜作为隔膜隔断阳极与阴极，以阳极催化剂载体含有的碱性二甲醚溶液为电解液，其特征在于，所述碱性二甲醚溶液是二甲醚饱和的、ＮａＯＨ或ＫＯＨ浓度为１～６摩尔／升的水溶液。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李洲鹏，刘宾虹，徐衎，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]