[发明专利]一种用于直接硼氢化物燃料电池的阳极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接硼氢化物燃料电池阳极及其制备方法,属于燃料电池技术领域。

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，通常采用氧气（空气）或双氧水作为氧化剂。由于DBFC具有开路电压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，燃料和氧化剂分别通过端板上的通道到达电池的阳极和阴极，并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电子，与此同时，阴极的氧分子或过氧化氢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 vs SHE

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

H₂O₂+2e^-→2OH^-                        E⁰_c=0.84V vs SHE

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

BH₄^-+4H₂O₂→BO₂^-+H₂O                  E⁰=2.11V vs SHE

在DBFC中，电极通常分为两层：一层为多孔扩散层，由导电多孔材料制备，起收集电流和传质的作用；另一层为催化活性层，是燃料氧化和氧化剂还原的电化学反应发生的场所。

DBFC输出功率的大小与多孔扩散层的结构密切相关。多孔扩散层的结构、厚度、孔隙率以及反应物传输的曲折系数等都将极大地影响三相电化学反应的速度及电池的输出功率。

通常，DBFC用阳极扩散层为多孔材料，如石墨化炭纸、炭布、泡沫镍等。这类多孔材料的孔结构单一、且孔径较大，在制备催化层时，会遇到与催化层之间接触电阻较大、催化剂活性组分渗透等问题。为改善扩散层的孔隙结构、降低催化层与基底层材料的接触电阻、防止催化层组分渗透至基底层以及催化层发生“水淹”，通常在基底层表面制备一层以炭粉为主要原料的整平层，并辅以粘结剂进行固定。

目前，DBFC用催化活性层主要采用储氢合金、Ni、Pt等金属作为催化氧化硼氢化物的主要催化剂。该类催化剂在催化硼氢化物氧化的同时，还伴随着强烈的催化硼氢化物化学水解反应。硼氢化物水解反应如下：

BH₄^-+2H₂O→BO₂^-+4H₂

水解反应不但降低作为燃料的硼氢化物的利用率，而且副产物H₂的生成还增加了DBFC系统的不安全性，同时还对催化层甚至多孔扩散层的组分形成剧烈的冲刷，导致催化层和扩散层组分从阳极剥离，DBFC性能逐渐衰减。