一種醇/Fe(III)液流燃料電池及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源技術(shù)與燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種醇/Fe(III)液流燃料電池及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種新型的發(fā)電裝置，其主要優(yōu)點(diǎn)有:(1)燃料電池是通過(guò)燃料與氧化劑的化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，沒(méi)有中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，因而這種發(fā)電方式能量轉(zhuǎn)化效率高；(2)燃料電池發(fā)電過(guò)程，機(jī)械部件很少，噪聲低；化學(xué)反應(yīng)的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體，不會(huì)污染環(huán)境；(3)燃料電池中所使用的燃料，既可是天然氣、煤氣和液化燃料，也可以是醇、沼氣乃至木柴。可根據(jù)不同地區(qū)的具體情況，選用不同的燃料用于燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)，因此燃料來(lái)源廣；(4)燃料電池從中斷運(yùn)轉(zhuǎn)到再啟動(dòng)，輸電能力回升速度快，并可在短時(shí)間內(nèi)增加和減少電力輸出；(5)燃料電池的組裝、拆裝都很方便，可節(jié)省建電站的時(shí)間。以醇為燃料的燃料電池具有燃料來(lái)源廣泛、容易存儲(chǔ)、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，受到人們廣泛關(guān)注。這類醇燃料電池以醇的氧化反應(yīng)為陽(yáng)極反應(yīng)、以某一氧化劑的還原反應(yīng)為陰極反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電池的過(guò)程。其中，醇氧化反應(yīng)的催化劑主要是鉑和鈀，鉑在酸性和堿性溶液中都對(duì)醇氧化反應(yīng)具有催化活性，但醇氧化過(guò)程中的中間產(chǎn)物會(huì)吸附在鉑催化劑表面，使鉑催化劑中毒而失去活性，加上鉑的價(jià)格昂貴和資源稀少，嚴(yán)重限制了鉑催化劑的實(shí)際應(yīng)用。鈀只有在堿性溶液中才對(duì)醇氧化具有催化活性，但金屬鈀相對(duì)于鉑來(lái)說(shuō)，成本要較低，其在地球上的資源相對(duì)要豐富，而且鈀在催化醇氧化過(guò)程中的毒化效應(yīng)不明顯。因此，在堿性溶液中，鈀是醇氧化的優(yōu)異的電催化劑。但為了進(jìn)一步降低成本，進(jìn)一步提高鈀催化劑的催化活性，將鈀和其它金屬形成雙元或多元復(fù)合物，并分散成納米顆粒是充分利用鈀催化劑的最有效的途徑。在這類醇厚燃料電池中，其陰極反應(yīng)一般是氧氣(或空氣)的還原，但氧氣還原的動(dòng)力過(guò)程很慢，其主要表現(xiàn)就是陰極反應(yīng)，即氧還原反應(yīng)的電流密度很小，大大限制了電池的放電性能。此外，氧還原反應(yīng)的催化劑容易受到陽(yáng)極液的污染而活性導(dǎo)致活性明顯下降。因此，尋找新的、可以替代的陰極反應(yīng)具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種液體流動(dòng)型的醇/Fe (III)燃料電池，該電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電池維護(hù)方便，成本降低。本發(fā)明還提供了一種液體流動(dòng)型醇/Fe (III)燃料電池的制備方法。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施方案為:一種液流型醇/Fe(III)燃料電池，其特征在于，將碳負(fù)載的鈀納米顆粒(Pd/c)粘貼在不銹鋼網(wǎng)表面作為陽(yáng)極，以石墨片作為陰極，陽(yáng)極與陰極之間用離子交換膜隔開(kāi)，陽(yáng)極室內(nèi)的陽(yáng)極液和陰極室內(nèi)的陰極液分別通過(guò)循環(huán)壓力栗進(jìn)行流動(dòng)。
[0005]所述陽(yáng)極液為含醇的lmol L1 NaOH溶液。所述醇為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇或仲丁醇。
[0006]所述陰極液為含F(xiàn)e (III)的lmol L 1 NaCl溶液。
[0007]本發(fā)明還提供一種液流型醇/Fe (III)燃料電池的制造方法，包括以下步驟:
(I)稱取鈀負(fù)載量為40% (wt%)的鈀碳(Pd/C)催化劑顆粒與碳粉混合，加入無(wú)水乙醇，超聲分散I小時(shí)，隨后攪拌I小時(shí)，超聲過(guò)程中慢慢滴加質(zhì)量百分比60%的聚四氟乙烯乳狀液，使混合物形成膏狀物；將膏狀物碾壓成片狀，在空氣中晾干，均勻放置在不銹鋼網(wǎng)的兩個(gè)表面上，隨后用壓片機(jī)在30MPa下壓成所需要的片狀樣品；將該片狀樣品放置馬弗爐中，緩慢升溫至400°C燒結(jié)2h，即得到電池的陽(yáng)極；所述鈀碳(Pd/C)催化劑顆粒、碳粉、無(wú)水乙醇和聚四氟乙烯乳狀液的配比為120mg:130mg:10?25 ml:0.15?0.22mL。
[0008](2)將石墨片為陰極，置于陰極液中，將陽(yáng)極置于陽(yáng)極液中，用離子交換膜他打011117將陰極和陽(yáng)極隔開(kāi)，組成醇/^(111)燃料電池。所述陽(yáng)極液為含醇的lmol L1NaOH溶液，所述陰極液為含F(xiàn)e (III)的lmol L1 NaCl溶液。所述石墨片的面積為陽(yáng)極面積的2倍。
[0009]為保證電池在放電過(guò)程中，由于電極表面的電活性物質(zhì)的濃度下降所產(chǎn)生的極化，并導(dǎo)致放電性能下降的現(xiàn)象，將陽(yáng)極液和陰極液在電池內(nèi)進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，這樣既保證了物質(zhì)濃度的基本穩(wěn)定，也避免了陽(yáng)極液和陰極液通過(guò)離子交換膜Naf1nll7可能進(jìn)行的相互滲透的現(xiàn)象發(fā)生。
[0010]本發(fā)明采用鈀/碳粉納米顆粒為醇氧化的催化劑，以石墨為Fe (III)還原反應(yīng)的催化劑，以Naf1nll7膜為離子隔膜將陽(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)隔開(kāi)，利用醇氧化反應(yīng)(陽(yáng)極反應(yīng))和Fe(III)還原反應(yīng)(陰極反應(yīng))組成一種醇/Fe(III)液流燃料電池。陽(yáng)極液和陰極液分別在陽(yáng)極室和陰極室內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，保證陽(yáng)極室和陰極室中電活性物質(zhì)的濃度保持基本不變，從而保證電池正常運(yùn)行。電極為成本低、但電催化活性很高的石墨，而且Fe (III)資源廣、成本低。本發(fā)明能在堿性溶液中使用多種醇進(jìn)行穩(wěn)定放電，電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，生產(chǎn)成本大大下降。
【附圖說(shuō)明】
[0011 ] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖中，①陽(yáng)極液貯槽，②陰極液貯槽，③陽(yáng)極液，④陰極液，⑤陽(yáng)極，⑥陽(yáng)極，⑦離子交換膜Naf1nll7，⑧循環(huán)壓力栗。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面給出本發(fā)明的實(shí)施例，以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0014]實(shí)施例1:
(I)稱取鈀負(fù)載量為40% (wt%)的鈀碳(Pd/C)催化劑顆粒50 mg與50 mg碳粉混合，加入10 ml無(wú)水乙醇，超聲分散I小時(shí)，隨后攪拌I小時(shí)，超聲過(guò)程中慢慢滴加0.15 mL質(zhì)量百分比60%的聚四氟乙烯乳狀液，使混合物形成膏狀物；將膏狀物碾壓成片狀，在空氣中晾干，均勻放置在不銹鋼網(wǎng)的兩個(gè)表面上，隨后用壓片機(jī)在30MPa下壓成所需要的片狀樣品；將該片狀樣品放置馬弗爐中，緩慢升溫至400°C，在400°C下燒結(jié)2 h，即得到電池的陽(yáng)極。
[0015](2)將面積為陽(yáng)極面積2倍的石墨片為陰極，置于含F(xiàn)e(III)的lmol L 1 NaCl溶液中，將陽(yáng)極置于含醇的lmol L1 NaOH溶液中，用離子交換膜Naf1nll7將二者隔開(kāi)，組成醇/Fe (III)燃料電池。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0016](3)為保證電池在放電過(guò)程中，由于電極表面的電活性物質(zhì)的濃度下降所產(chǎn)生的極化，并導(dǎo)致放電性能下降的現(xiàn)象，將陽(yáng)極液和陰極液在電池內(nèi)進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，這樣既保證了物質(zhì)濃度的基本穩(wěn)定，也避免了陽(yáng)極液和陰極液通過(guò)離子交換膜Naf1nll7可能進(jìn)行的相互滲透的現(xiàn)象發(fā)生。
[0017](4)將圖1所示的燃料電池進(jìn)行放電測(cè)試。結(jié)果表明，在陽(yáng)極液為I molL ^aOH+0.5 mol L1 甲醇、陰極液為 I mol L 1NaC^0.5 mol L 1FeCl3，電池開(kāi)路電壓 0.92V，最大功率密度28 mff cm2，對(duì)應(yīng)的電流密度為40 mA cm2。
[0018]實(shí)施例2:
(I)稱取鈀負(fù)載量為40% (wt%)的鈀碳(Pd/C)催化劑顆粒86 mg與90 mg碳粉混合，加入18 ml無(wú)水乙醇，超聲分散I小時(shí)，隨后攪拌I小時(shí)，超聲過(guò)程中慢慢滴加0.19 mL質(zhì)量百分比60%的聚四氟乙烯乳狀液，使混合物形成膏狀物；將膏狀物碾壓成片狀，在空氣中晾干，均勻放置在不銹鋼網(wǎng)的兩個(gè)表面上，隨后用壓片機(jī)在30MPa下壓成所需要的片狀樣品；將該片狀樣品放置馬弗爐中，緩慢升溫至400°C，在400°C下燒結(jié)2 h，即得到電池的陽(yáng)極。
[0019](2)將面積為陽(yáng)極面積2倍的石墨片為陰極，置于含F(xiàn)e(III)的lmol L 1 NaCl溶液中，將陽(yáng)極置于含醇的lmol L1 NaOH溶液中，用離子交換膜Naf1nll7將二者隔開(kāi)，組成醇/Fe (III)燃料電池。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0020](3)為保證電池在放電過(guò)程中，由于電極表面的電活性物質(zhì)的濃度下降所產(chǎn)生的極化，并導(dǎo)致放電性能下降的現(xiàn)象，將陽(yáng)極液和陰極液在電池內(nèi)進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，這樣既保證了物質(zhì)濃度的基本穩(wěn)定，也避免了陽(yáng)極液和陰極液通過(guò)離子交換膜Naf