本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池。

背景技術(shù)：

科技的不斷進步使人類社會的發(fā)展越來越迅速，能源的需求量也越來越大?；茉词悄壳叭蛳牡淖钪饕茉矗欢鴤鹘y(tǒng)化石燃料不但資源有限而且在使用過程中污染環(huán)境，因此開發(fā)更清潔的可再生能源迫在眉睫。新能源多種多樣，但是這些能量來源都歸結(jié)于太陽能，太陽能作為一種取之不竭，用之不盡的能源是一種最理想的清潔能源，但是現(xiàn)有技術(shù)對于太陽能的利用仍有局限性。光電化學(xué)燃料電池基于光電催化技術(shù)，利用太陽能催化氧化一些小分子有機物，通過復(fù)合陰極，構(gòu)筑電池進行發(fā)電，給人們提供了開發(fā)利用太陽能新思路。

光電化學(xué)燃料電池性能與電極構(gòu)造和電池結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系。目前光電化學(xué)燃料電池的陽極催化劑，一般通過涂覆法固定在透明導(dǎo)電基體上，在溶液中容易脫落，并且后期回收過程比較困難，從而降低催化效率；另一方面，在傳統(tǒng)的光電化學(xué)燃料電池中，由于質(zhì)子需要在溶液中傳輸，溶液體積過大時導(dǎo)致電極的內(nèi)阻大，質(zhì)子傳遞速率低，造成輸出性能低。為了進一步提高光電化學(xué)燃料電池性能，需要對設(shè)計和構(gòu)筑新的電極結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池，旨在解決目前光電化學(xué)燃料電池輸出性能很差，普適性很差，沒有合適的電極結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電極的內(nèi)阻大，質(zhì)子傳遞速率低，電催化效率差的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池，該基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池包括光催化陽極膜、陰極膜、質(zhì)子交換膜；所述光催化陽極膜、陰極膜分別壓制在質(zhì)子交換膜左右兩側(cè)面。

所述基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池還包括外殼、螺栓、陽極室、陰極室；所述陽極室與陰極室通過螺栓固定在外殼內(nèi)；所述光催化陽極膜位于陽極室內(nèi)；所述陰極膜位于陰極室內(nèi)。

所述光催化陽極膜包括均勻涂覆TiO₂的碳布。

該基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池制備方法包括以下步驟：

MEA電極的制備：所述MEA電極的制備包括光催化陽極膜的制備和陰極膜的制備；

將得到的光催化陽極膜和陰極膜進行組裝，在光催化陽極膜和陰極膜之間加入一張nafion膜，在180℃、5MPa～9MPa條件下，熱壓1.5小時，然后把陽極的PTFE膜剝離，在質(zhì)量比為5％的稀硫酸中重新使光催化陽極膜、陰極膜和催化層質(zhì)子化，制成膜電極三合一組件；用兩塊PTFE夾板組裝成電池，含有石英窗口的PTFE放置在光催化陽極膜的一面。

光催化陽極膜的制備方法為：

稱取非金屬改性后的TiO₂納米顆粒40mg，加入水和乙醇的體積比為1:1的混合物，超聲分散15分鐘，然后加入50mg 5％的nafion溶液，10mg草酸銨，繼續(xù)超聲震蕩45分鐘；混合均勻后涂于5cm²PTFE膜，在鼓風干燥箱中70℃干燥，得到光催化陽極膜；

陰極膜的制備方法為：

稱取40mg XC-72碳粉，加入水和乙醇的體積比為1:1的混合物，超聲分散15分鐘，加入100mg 5％的nafion溶液，10mg草酸銨，繼續(xù)超聲分散45分鐘；混合均勻后涂覆在5cm²碳布的正反面上，在鼓風干燥箱中70℃干燥，得到陰極膜。

本發(fā)明在太陽光的輔助下催化氧化化學(xué)物質(zhì)，包括有機小分子，生物物質(zhì)，以及水中有機污染物等，通過匹配合適的陰極，組成電池產(chǎn)生電能，本發(fā)明不僅可以降解水中的有機污染物，還實現(xiàn)了光能和化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明提出利用半導(dǎo)體催化劑為陽極制備三合一膜電極，建立光電化學(xué)燃料電池，并且顯著提高了性能實用價值；基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池具有可室溫工作、快速啟動，無電解液流失，產(chǎn)物易排出，壽命長，比功率與比能量高等突出特點，Li設(shè)計合成的基于TiO₂納米棒光催化劑光電復(fù)合燃料電池其開路電壓和功率密度可以分別達到0.615V和1.1μW·cm^-2，本發(fā)明的光電復(fù)合燃料電池其開路電壓和功率密度可以分別達到0.93V和36mW·cm^-2輸出性能有較大提升。

本發(fā)明顯著提高光電燃料電池輸出功率，以乙醇為例，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明輸出功率密度可以達36mW·cm^-2，是目前報道中輸出功率最高的光電燃料電池；工作壽命顯著提高；本發(fā)明基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池工作壽命可以達到45天，相對比較穩(wěn)定。

本發(fā)明技術(shù)成本低廉，比較適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并且可以整體提高光電催化效率，基于光催化可以將有機小分子徹底氧化生成二氧化碳。本發(fā)明通過構(gòu)建一種基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池，分別將光催化劑和陰極熱壓在質(zhì)子交換膜兩邊，在100mW自然光照下進行測試，發(fā)現(xiàn)其開路電壓和功率密度可以分別達到0.93V和36mW·cm^-2，工作壽命可以長達45天。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、光光催化陽極膜；2、陰極膜；3、質(zhì)子交換膜；4、外殼；5、螺栓；6、陽極室；7、陰極室。

圖2是本發(fā)明實施例提供的不同光照強度下的電池輸出功率曲線圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的光照強度為100mW·cm^-2下的不同乙醇濃度電池輸出功率曲線圖。

圖4是本發(fā)明實施例提供的MEA電極光催化氧化乙醇的穩(wěn)定性測試圖。

圖5是本發(fā)明實施例提供的光電化學(xué)燃料電池原理示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池包括：光催化陽極膜、陰極膜、質(zhì)子交換膜；所述光催化陽極膜、陰極膜分別壓制在質(zhì)子交換膜左右兩側(cè)面。

所述基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池還包括外殼、螺栓、陽極室、陰極室；所述陽極室與陰極室通過螺栓固定在外殼內(nèi)；所述光催化陽極膜位于陽極室內(nèi)；所述陰極膜位于陰極室內(nèi)。

所述光催化陽極膜包括均勻涂覆TiO₂的碳布。

該基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池制備方法包括以下步驟：

MEA電極的制備：所述MEA電極的制備包括光催化陽極膜的制備和陰極膜的制備；

將得到的光催化陽極膜和陰極膜進行組裝，在光催化陽極膜和陰極膜之間加入一張nafion膜，在180℃、5MPa～9MPa條件下，熱壓1.5小時，然后把陽極的PTFE膜剝離，在質(zhì)量比為5％的稀硫酸中重新使光催化陽極膜、陰極膜和催化層質(zhì)子化，制成膜電極三合一組件；用兩塊PTFE夾板組裝成電池，含有石英窗口的PTFE放置在光催化陽極膜的一面。

下面結(jié)合MEA電極的制備對本發(fā)明進一步說明。

MEA電極的制備：

光催化陽極膜制備：稱取非金屬改性后的TiO₂納米顆粒40mg，加入水和乙醇的混合物(體積比1:1)超聲分散15分鐘，然后加入50mg 5％的nafion溶液，10mg草酸銨，繼續(xù)超聲震蕩45分鐘，混合均勻后涂于5cm²PTFE膜，在鼓風干燥箱中70℃干燥，得到陽極膜。

陰極膜的制備：稱取40mg XC-72碳粉,加入水和乙醇的混合物(體積比1:1)超聲分散15分鐘，加入100mg 5％的nafion溶液，10mg草酸銨，繼續(xù)超聲分散45分鐘，混合均勻后涂覆在5cm²碳布的正反面上(臺灣碳能WOS1002親水型碳布)在鼓風干燥箱中70℃干燥，得到陰極膜。

將得到的陽極膜和陰極膜進行組裝，在它們之間加入一張nafion膜，在180℃左右、5～9MPa條件下，熱壓1.5小時，然后把陽極的PTFE膜剝離，在5％的稀硫酸(質(zhì)量比)重新使膜和催化層質(zhì)子化，制成膜電極三合一組件。用兩塊PTFE夾板組裝成電池，其中含有石英窗口的PTFE放置在光陽極的一面。

下面結(jié)合性能測試對本發(fā)明進一步說明。

將制備好的MEA電極的光電復(fù)合燃料電池在室溫(25℃)下進行燃料電池的性能測試。溶液選用乙醇的水溶液，在不同光照強度下對其測試輸出功率，如圖2。

在一個太陽光強度(100mW·cm^-2)下測試不同乙醇濃度的電池輸出功率，如圖3光照強度為100mW·cm^-2下的不同乙醇濃度電池輸出功率曲線圖；

圖4 MEA電極光催化氧化乙醇的穩(wěn)定性測試圖。

實驗結(jié)果可以看出，本發(fā)明設(shè)計的MEA電極的光電復(fù)合燃料電池有較大的輸出功率，遠大于之前文獻報道的輸出功率1.1μW·cm^-2(Li的文章)，工作壽命與之前相比也有較大的提高可以長達45天。

1)在做陰極催化劑時同時可以選用貴金屬或其碳載催化劑，比如，Pt、Pd、Ru、Rh、Pt/C、Pd/C、Ru/C、Rh/C等；

2)常用的容易揮發(fā)的造孔劑如碳酸氫銨、草酸銨或可溶性造孔劑氯化鈉、氯化鉀、碳酸鋰等，本實施例中采用的是草酸銨造孔劑。

如圖5所示：由于光催化劑在光照后可以產(chǎn)生電子-空穴，進而將有機小分子進行催化分解從而產(chǎn)生電能。這種較強的光電催化能力也使得光電化學(xué)燃料電池在選擇燃料來源時比傳統(tǒng)的燃料電池具有更多的選擇性(比如，廢水、生物質(zhì)等)?；诠怆姶呋夹g(shù)，本發(fā)明提出一個光電化學(xué)燃料電池(PEFC)這個概念，通過利用光電化學(xué)催化劑(以TiO₂為例)，在太陽光的輔助下催化氧化化學(xué)物質(zhì)，包括有機小分子，生物物質(zhì)，以及水中有機污染物等，通過匹配合適的陰極，組成電池產(chǎn)生電能，不僅可以降解水中的有機污染物，還實現(xiàn)了光能和化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明通過構(gòu)建光電化學(xué)燃料電池，構(gòu)建了一種基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池，分別將光催化劑和陰極熱壓在質(zhì)子交換膜兩邊，在100mW自然光照下進行測試，發(fā)現(xiàn)其開路電壓和功率密度可以分別達到0.93V和36mW·cm-²，工作壽命可以長達45天。該工作為實現(xiàn)太陽能和化學(xué)能協(xié)同利用，及其到電能的轉(zhuǎn)化提供了新的可能。但是目前光電化學(xué)燃料電池輸出性能很差，普適性很差。究其原因是沒有合適的電極結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電極的內(nèi)阻大，質(zhì)子傳遞速率低，電催化效率差。為了解決上述問題，本發(fā)明提出利用半導(dǎo)體催化劑為陽極制備三合一膜電極，建立光電化學(xué)燃料電池，并且顯著提高了性能實用價值?；贛EA電極的光電復(fù)合燃料電池具有可室溫工作、快速啟動，無電解液流失，產(chǎn)物易排出，壽命長，比功率與比能量高等突出特點，與之前的光電復(fù)合燃料電池相比輸出性能有較大提升。

本發(fā)明實施例的基于MEA電極的光電復(fù)合燃料電池，在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)分別負載上光催化劑和陰極催化劑，當有機小分子流進陽極室時，在太陽光照下會發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過外電路流向陰極在其表面發(fā)生還原，從而給外界輸出電能。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。