[发明专利]一种非贵金属催化的高分子纤维膜硼氢化物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，一种由外部直接供应液体燃料和空气/氧气的燃料电池结构，特别是一种新型高分子纤维膜结构，以硼氢化物的碱性液体为燃料的燃料电池的结构。

背景技术

随着能源短缺和环境恶化日益严重，燃料电池作为一种高效洁净的发电装置引起了人们的高度重视。燃料电池(fuel cell)是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。其主要特点有：(1)高效率：理论上转化效率可达75％-100％；(2)低污染；(3)低噪声；(4)使用范围广，机动灵巧。

直接硼氢化物燃料电池(DBFC)是一种低温燃料电池。DBFC具有理论电压高(1.64V)、燃料能量密度高(9.3kWh kg^-1 NaBH₄)、环境友好等优点，且燃料容易被非贵金属氧化、工作温度低。目前大部分DBFC主要使用Nafion膜作为质子交换膜，且使用贵金属作为催化剂。Geng等人在Journal of Power Sources 2008 185：627-632上介绍了一种以Nafion 212作为质子交换膜、PtNi合金作为阳极催化剂、Pt/C作为阴极催化剂的DBFC，其60℃最大输出功率为221mW cm^-2。Miley等人在Journal of Power Sources 2007 173：77-85中介绍了一种NaBH₄/H₂O₂燃料电池，其中Pd为阳极催化剂、Au作为阴极催化剂、nafion膜作为隔膜，其室温下最大功率270mW cm^-2。由于贵金属作为催化剂的使用，使得DBFC成本高居不下，非贵金属催化剂逐渐成为了研究热点。中国专利200910098411.8中介绍了一种以非贵金属聚吡咯修饰的碳载氢氧化钴为阳极、阴极催化剂，Nafion211为质子交换膜的DBFC在60℃，最大输出功率为320mW cm^-2。使用昂贵的质子交换膜是DBFC成本高的另一个原因。为了进一步降低DBFC成本，中国专利CN101388468中介绍了一种放弃使用质子交换膜的DBFC，该专利采用了无膜结构代替昂贵的质子交换膜作为电解质，同时采用非贵金属催化剂，降低了电池的成本，但输出功率偏低。总体上来说，使用价格昂贵质子交换膜和贵金属催化剂使得电池成本居高不下。同时，质子交换膜存在液体燃料渗漏，降低电池效率问题，与氢氧燃料电池相比，DBFC的总体输出功率较低，这是DBFC面临的主要问题。本专利发明了一种采用高分子纤维膜的硼氢化物燃料电池，阴极与阳极可以同时采用非贵金属催化剂，极大的降低了电池的成本，且成倍的提高了输出功率，使得DBFC商业化成为可能。

发明内容

一种高分子纤维膜硼氢化物燃料电池极大的降低了电池的成本，且成倍的提高了输出功率，使得DBFC商业化成为可能。

本发明中的高分子纤维膜由聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维等为主要原料制成，具有耐碱腐蚀、内阻小、吸碱量大、适宜的离子通过率、能有效的防止电极短路等特点。该纤维膜替代了传统燃料电池中的质子交换膜，允许离子自由通过，有效的降低了电池内阻，大幅提高电池输出功率。由于阳极燃料可以通过纤维膜，这种电池结构中的阴极催化剂需具有抗BH₄^-毒化的功能，即不与BH₄^-发生反应。

本发明的特点在于在电池原理上突破了传统燃料电池中质子交换膜的离子单向交换限制，采用离子导通率高的高分子膜来代替质子交换膜，极大地降低了膜电阻，从而成倍的提高了电池的输出功率，同时高分子纤维膜价格低廉，极大地降低了DBFC的成本。

附图说明

图1本发明高分子纤维膜硼氢化物燃料电池单电池的截面图

其中：1：防水透气层；2：载有阴极催化剂的集流体；3：高分子纤维膜；4：载有阳极催化剂的集流体；5：燃料溶液腔。

图2分别以La₂O₃、CeO₂、MnO₂、FePc作为阴极催化剂、CoO作为阳极催化剂的高分子纤维膜硼氢化物燃料电池的放电曲线

图3以LaNiO₃、CoO分别作为阴、阳极催化剂的高分子纤维膜硼氢化物燃料电池不同温度下的放电曲线

图4高分子纤维膜硼氢化物燃料电池寿命曲线

图5使用不同高分子纤维膜的燃料电池的放电曲线图