[发明专利]一种直接硼氢化物燃料电池单电池活化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接硼氢化物燃料电池单电池的活化方法。

背景技术

直接硼氢化物燃料电池（Direct Borohydride Fuel Cell,DBFC）是一种使用碱金属硼氢化物MBH₄（M=K，Na，Li）为燃料的发电装置。采用硼氢化物作为燃料，氧气（或双氧水）作为氧化剂。由于DBFC具有该类电池开路电压高和理论能量密度高等优点，近年来得到了广泛关注，相关技术也快速发展。

直接硼氢化物燃料电池工作时，燃料硼氢化钠（溶解在氢氧化钠溶液中）和氧化剂氧气分别通过端板上的通道到达电池的阳极和阴极，反应物通过电极上的扩散层到达电极催化层的反应活性中心，硼氢根在阳极催化剂的作用下发生电化学反应生成偏硼酸根和带负电的电子，与此同时，阴极的氧分子在催化剂作用下与外电路传导的电子反应变成氢氧根离子，电池的电极反应如下：

阳极反应：BH₄^-+8OH^-→BO₂^-+6H₂O+8e^-  E⁰_a=-1.24V

阴极反应：2O₂+4H₂O+8e^-→8OH^-       E⁰_c=0.40V

电池总反应：BH₄^-+2O₂→BO₂^-+2H₂O    E⁰=1.64V

与其他燃料电池（如质子交换膜燃料电池（PEMFC），直接醇燃料电池（DMFC）等）相比较，DBFC还具有如下优势：（1）硼氢化物安全无毒，不易燃，在常温下一般以固体或溶液的形式存在，便于存储和运输，同时其氧化产物偏硼酸盐安全环保，回收后可直接利用，并且可以重新转化为硼氢化物；（2）与甲醇相比，硼氢化物具有更高的电化学活性，一些非贵金属催化剂（如Ni）对硼氢根的电化学氧化反应也有较高的催化活性；（3）DBFC中的电解质为碱性物质，碱性条件下，阴极的氧还原反应比在酸性条件下更容易进行，过电位更小，在AFC或Ni-MH电池中所采用的一些非Pt催化剂也适用于DBFC，可以进一步降低电池的成本；（4）从燃料电池系统的角度考虑，DBFC系统简单，不需要冷却设施，不需要增湿设备，容易启动。因此，近年来，DBFC受到越来越广泛的关注，特别是在小型便携式可移动电源方面有着广泛的潜在应用前景。

目前，制约DBFC发展的主要问题包括：作为燃料的硼氢化物成本高、阳极催化剂活性不足、阳极副反应引发析氢导致燃料利用率低、电池活化时间长、燃料消耗多、电池性能低等。在上述问题中，尤以提高阳极催化剂活性、降低电池活化成本最为突出。如在CN200810172717.9中提供了一种提高硼氢化物燃料电池储氢合金催化剂的方法，通过预先对储氢合金催化剂进行酸处理，能够提高储氢合金对硼氢化物的电化学氧化性能；CN200910009096.7提供了一种多孔炭负载纳米金催化剂的制备方法，所制备的炭载金用于直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂具有良好的BH₄^-电氧化催化活性。

由于DBFC运行温度较低（一般不高于80℃)、阳极催化剂活性又较低，为使电池达到最佳性能，通常需要进行长时间的活化过程（8小时以上）。活化时间越长，作为燃料的硼氢化物和氧化剂的用量越多，电池的活化成本越高，通过电池方式筛选催化剂的周期也越长。因此，缩短电池活化时间，既可以提高评价催化剂和电池性能的效率，又能够减少原料的消耗，同时还可以简化设备。是促进DBFC发展的一个有效方法。世界各大公司均在此方面竞相开展研究。如日本松下电器产业株式会社在CN99107155.7、CN02147389.7和CN20061000543.1中均揭示了提高催化活性层催化剂活性和赋予电解质膜润湿性的固体高分子燃料电池的活化方法。现代自动车株式会社在CN200810172717.9中提出了一种加速燃料电池的活化方法，可以大幅减小燃料电池活化所需时间和氢气用量，并促进燃料电池的活化。British Gas plc的美国专利US5，601，936公开了一种通过使用电池施加电压来活化燃料电池的方法，Plug Power Inc.公司的US6，576，356专利公开了一种通过膜水合的电池活化方法。

发明内容