直接肼硼烷燃料電池制造技術

本發明專利技術涉及直接式燃料電池，提供了一種以肼硼烷為燃料的直接肼硼烷電池。該燃料電池主要包括液體燃料、陽極催化劑、電解質膜和陰極催化劑，所述燃料電池的燃料為肼硼烷溶液。本發明專利技術中所用的肼硼烷(N

Direct hydrazine fuel cell

The present invention relates to a direct fuel cell and provides a direct hydrazine borane fuel cell using hydrazine borane as fuel. The fuel cell mainly comprises a liquid fuel, an anode catalyst, an electrolyte membrane and a cathode catalyst, and the fuel cell is a hydrazine borane solution. Hydrazine borane (N) used in the present invention

【技術實現步驟摘要】
直接肼硼烷燃料電池
本專利技術涉及一種直接式燃料電池，更具體地說，本專利技術涉及一種直接式肼硼烷燃料電池。
技術介紹
隨著全球經濟的快速發展，能源需求也在不斷增長。然而全球非可再生能源分布極為不均且日益稀缺，同時化石燃料燃燒所排放的廢氣廢渣等對全球氣候的變化及環境的影響也日益加劇。因此，在資源和環境的雙重壓力下，尋找可再生、無污染、安全高效的新型能源己迫在眉睫。其中燃料電池具有原料來源廣、能量轉化率高、污染低等優點而被認為是未來能源供應的主要方式之一。在各種類型的燃料電池中，質子交換膜燃料電池(PEMFC)被認為是移動式和便攜式移動電源領域最有前景的技術之一。雖然PEMFC技術已日趨成熟，然而其商品化還面臨一個難以解決的問題，即氫氣的生產和儲存。氫氣的儲運主要有兩種方式：(1)高壓氣瓶儲氫，缺點在于體積比能量低，對設備要求高，并存在一定的安全隱患；(2)利用重整氣給燃料電池進料，這必然使燃料電池系統復雜化，增加成本。人們嘗試尋找其它的替代燃料以克服PEMFC的技術障礙，其中以有機小分子居多。對于直接甲醇燃料電池來說，燃料不存在儲運困難的問題，但是反應活性低且極易使催化劑中毒，尤其是甲醇會在陰極和陽極之間滲透會造成電池性能的嚴重損失。對直接乙醇燃料電池的研究表明，乙醇分子結構中存在C-C鍵，因而將其徹底電氧化生成CO2非常困難，此外過程中通常生成各種副產物；甲酸作為電池燃料的能量密度比較低，并且甲酸具有腐蝕性和毒性。另外這些有機小分子氧化會生產溫室氣體CO2，不利于環保。所以以有機小分子作為燃料的直接燃料電池都存在技術、經濟、安全和環保方面的問題。肼硼烷(N2H4BH3，HB)是一種穩定無毒的分子固體，易運輸和存儲，且具有相當高的含氫量(15.3wt.％)，是一種非常有應用前景的儲氫材料。目前肼硼烷作為氫源用于燃料電池主要是通過以下步驟實現，(1)采用熱分解和催化水解或醇解的方法脫氫；(2)將得到的氫氣用于燃料電池的原料。在這樣的路徑中，肼硼烷中的H-首先通過熱分解或催化分解的方法轉化成H2(H0)，然后通過電催化氧化將H0轉化成H+(H2O)。
技術實現思路
基于現有技術的上述狀況，本專利技術的目的在于提供一種低溫下工作的直接肼硼烷燃料電池，常溫常壓下肼硼烷能夠直接被電化學氧化而產生電能，無需經歷產生氫氣的中間過程，具有更高的電動勢和理論能量轉換效率，并且解決了氫氣的儲運問題。本專利技術解決了直接燃料電池中燃料的儲運、安全和環保問題。為實現上述目的，本專利技術采用了下述技術方案。直接肼硼烷燃料電池，以肼硼烷溶液為燃料。直接肼硼烷燃料電池DHBFC(Directhydrazineboranefuelcell)的工作原理如下：陽極：N2H4BH3+10OH-→HBO2+N2+8H2O+10e-(1)陰極：2.5O2+5H2O+10e-→10OH-(2)總反應：N2H4BH3+2.5O2→HBO2+N2+3H2O(3)直接肼硼烷燃料電池的產物HBO2對環境無污染，而且還可以作為原料合成NaBH4，循環利用。更特別的是，所述肼硼烷溶液為0.001～1mol/LN2H4BH3+1mol/LNaOH水溶液。更具體的，本專利技術所述直接肼硼烷燃料電池，包括陽極、電解質膜、陰極。更具體的，本專利技術所述直接肼硼烷燃料電池的陽極的電極基材為玻碳電極和碳紙，陽極催化劑為：Pd、Ag、Au、AuFe、AuCu/GNs、Au/PEI-GNs或者Pt/XC-72R催化劑。更具體的，本專利技術所述直接肼硼烷燃料電池的電解質膜為Nafion117膜。更具體的，本專利技術所述直接肼硼烷燃料電池的陰極的電極基材為碳紙，陰極催化劑為Pt/C催化劑。本專利技術的優點是：所用的燃料肼硼烷是一種含氫量高的(約含氫15.3wt.％)分子固體，與氫氣、有機小分子(甲醇、乙醇、甲酸等)等這些燃料相比，具有儲存和運輸方便(固體)，安全性好(無毒、不易燃)，環保(不會產生CO和CO2，產物無污染且可循環利用)，氧化動力學更快。直接肼硼烷燃料電池具有較好的放電性能，以Au/PEI-GNs(20wt.％)為陽極催化劑時電池的開路電位為0.975V，極限電流密度和最大功率密度分別為29mAcm-2和7.32mWcm-2。以Pt/XC-72R(40wt.％)為陽極催化劑時電池的開路電位為1.055V，極限電流密度和最大功率密度分別為80mAcm-2和39.21mWcm-2。附圖說明：圖1是直接肼硼烷燃料電池的工作原理圖。圖2是Pd/GC催化劑催化肼硼烷氧化的循環伏安圖；圖3是Ag/GC催化劑催化肼硼烷氧化的循環伏安圖；圖4是Au/GC催化劑催化肼硼烷氧化的循環伏安圖；圖5是AuFe/GC催化劑催化肼硼烷氧化的循環伏安圖；圖6是實施例9-12制備的Au和Cu不同比例的AuCu/GC催化劑催化肼硼烷氧化的循環伏安圖；圖7是實施例13、14制備的AuCu/GNs/GC，Au/GNs/GC催化劑催化肼硼烷氧化的循環伏安圖；圖8是Au/PEI-GNs催化劑作為直接肼硼烷燃料電池陽極的電池性能圖；圖9是Pt/XC-72R催化劑作為直接肼硼烷燃料電池陽極的電池性能圖。具體實施方式直接肼硼烷燃料電池，以肼硼烷溶液為燃料，其工作原理圖如圖8所示。直接肼硼烷燃料電池的工作原理如下：陽極：N2H4BH3+10OH-→HBO2+N2+8H2O+10e-(1)陰極：2.5O2+5H2O+10e-→10OH-(2)總反應：N2H4BH3+2.5O2→HBO2+N2+3H2O(3)直接肼硼烷燃料電池的產物HBO2對環境無污染，而且還可以作為原料合成NaBH4，循環利用。實施例1：將潔凈的玻碳電極(GC)浸入3×10-3mol/LPdCl2鹽酸溶液中，在電位-0.2V下沉積300S，制得Pd/GC催化劑。實施例2：將潔凈的玻碳電極(GC)浸入3×10-3mol/LAgNO3+0.1mol/LKNO3溶液中，在電位-0.2V下沉積200S，制得Ag/GC催化劑。實施例3：將潔凈的玻碳電極(GC)浸入5×10-3mol/LHAuCl4+0.1mol/LKCl溶液中，在電位-0.2V下沉積200S，制得Au/GC催化劑。實施例4：將潔凈的玻碳電極(GC)浸入3.75×10-3mol/LHAuCl4+1.25×10-3mol/LFeCl3+0.1mol/LKCl溶液中，在電位-0.4～1V范圍內以20mV/s的掃描速率循環掃描10圈，即得Au3Fe1/GC催化劑。實施例5：將潔凈的玻碳電極(GC)浸入2.5×10-3mol/LHAuCl4+2.5×10-3mol/LFeCl3+0.1mol/LKCl溶液中，在電位-0.4～1V范圍內以20mV/s的掃描速率循環掃描10圈，即得AuFe/GC催化劑。實施例6：將潔凈的玻碳電極(GC)浸入1.25×10-3mol/LHAuCl4+3.75×10-3mol/LFeCl3+0.1mol/LKCl溶液中，在電位-0.4～1V范圍內以20mV/s的掃描速率循環掃描10圈，即得Au1Fe3催化劑。實施例7：將潔凈的玻碳電極(GC)浸入5×10-3mol/LHAuCl4+0.1mol/LKCl溶液中，在電位-0.4～1V范圍內以20mV/s的掃描速率循環掃描10圈，即得Au/GC催化劑。實施例8本文檔來自技高網...

【技術保護點】
直接肼硼烷燃料電池，其特征在于，以肼硼烷溶液為燃料。

【技術特征摘要】
1.直接肼硼烷燃料電池，其特征在于，以肼硼烷溶液為燃料。2.根據權利要求1所述的直接肼硼烷燃料電池，其特征在于，所述肼硼烷溶液為0.001～1mol/LN2H4BH3+1mol/LNaOH水溶液。3.根據權利要求1所述的直接肼硼烷燃料電池，其特征在于，包括陽極、電解質膜、陰極。4.根據權利要求3所述的直接肼硼烷燃料電池，其特征在于，陽極催化劑為：Pd、Ag、A...

【專利技術屬性】
技術研發人員：盧章輝，羅明洪，
申請(專利權)人：江西師范大學，
類型：發明
國別省市：江西,36