[发明专利]一种锌-水燃料电池及其在发电产氢中的应用

说明书

本申请公开了一种锌‑水燃料电池，其特征在于，包括阳极、阴极、隔膜、阳极室电解液和阴极室电解液；其中，所述阴极包括阴极催化剂，所述阴极催化剂选自析氢催化剂中的至少一种；所述阳极为金属锌；所述阳极电解液和所述阴极电解液由所述隔膜隔开；所述阳极电解液为碱性溶液，所述阴极电解液为酸性溶液。该锌‑水燃料电池的最大功率密度为80mW cm^‑2，产氢速率为0.166mL s^‑1cm^‑1，能量密度为934Wh kg^‑2，在一定程度上降低了产氢成本，提高了产氢效率，加快了产氢速度，增大了产电量，提升了该装置的实用性，在促进制氢业的发展方面具备极大的潜力和良好的应用前景。

技术领域

本申请涉及一种锌-水燃料电池，属于燃料电池和电解制氢领域。

背景技术

过度消耗化石能源导致的能源危机和环境污染问题极大地促进了包括风能、潮汐能和太阳能等新型环保可再生能源的发展。氢能能量效率高，燃烧值大，无污染，这使其有潜力代替化石能源，从而引起了研究者极大的兴趣。工业中通常用电解或水蒸气重组的方法来实现氢气的生产，然而这种方法面临着成本高效率低的问题。很显然，开发出一些新的方法来生产氢气很有意义。基于此，由于电催化全解水具有高的产氢效率，能够获得高纯度的氢气和无污染，被认为是一种很有前景的生产氢气的方法。但是，由于过电势比较高，限制了其反应速度。因此，减小全解水的过电势对于加快产氢速率有非常大的作用。

在过去的几十年里，大量的工作研究如何提高析氢和析氧反应的电催化活性来促进水的分解。虽然已经取得了巨大的进步，但还是需要消耗很大的能量来驱动水分解。比如说，理论上通常需要1.23V的电压，但实际上需要更高。为了进一步减小产氢的能耗，研究者用一些有机物的氧化反应来代替析氧反应。这种策略不仅能够获得氢气，还能够得到一些工业上有价值的中间产物。近期，研究者开发出了一种锂-水燃料电池，它能够同时产生电能和生产氢气。但是，氢气产量低，有机电解液不安全，锂资源短缺，隔膜昂贵，产电少等问题限制了它的发展。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种锌-水燃料电池，该电池是一种廉价安全高效的既能产氢又能产电的装置，能够在一定程度上降低产氢成本，提高产氢效率，加快产氢速度，增大产电量，提升该装置的实用性，在促进制氢业的发展方面具备极大的潜力和良好的应用前景。

所述锌-水燃料电池包括阳极、阴极、隔膜、阳极室电解液和阴极室电解液；

其中，所述阴极包括阴极催化剂，所述阴极催化剂选自析氢催化剂中的至少一种；所述阳极为金属锌；

所述阳极电解液和所述阴极电解液由所述隔膜隔开；

所述阳极电解液为碱性溶液，所述阴极电解液为酸性溶液。

可选地，所述阳极室电解液中含有氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种；所述阴极室电解液中含有硫酸。

可选地，所述阳极室电解液为氢氧化钠溶液；所述阴极室电解液为硫酸溶液。

可选地，所述氢氧化钠溶液的浓度为3mol/L～5mol/L；所述硫酸溶液的浓度为1mol/L～3mol/L。

可选地，所述氢氧化钠溶液的浓度为4.0mol/L；所述硫酸溶液的浓度为2.0mol/L。

可选地，所述析氢催化剂选自铂纳米粒子负载在碳纳米管的复合材料、铂碳或碳纳米管中的至少一种。

可选地，所述阴极为所述析氢催化剂负载于碳布上形成；所述隔膜为双极性膜。

可选地，所述碳布的尺寸为1cm×1～2cm。

可选地，所述碳布的尺寸为1cm×1cm。

可选地，所述析氢催化剂在所述阴极碳布上的负载量为0.5～1.5mg；