一种泛燃料供应的固体酸燃料电池的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种泛燃料供应的固体酸燃料电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：将含铂系催化剂的催化剂层集成至固体酸质子交换膜的两侧上，制成膜电极；将所制成的膜电极放置于阴极极板及阳极极板之间，组合起来即形成电池单元；将一个所述电池单元或多个所述电池单元，安装含进出气管的端板、紧固装置即可。本发明专利技术提供的该燃料电池电池属于高温质子交换膜燃料电池，使用特殊固体酸质子交换膜作为隔膜，使用铂系催化剂制作的电极作为燃料电池的阴极与阳极，其操作温度达150℃以上，且无需复杂的外部增湿系统，阴极可利用空气或氧气作为氧化剂，而阳极可利用多种气态或液态燃料，具有广泛应用场景和经济价值。有广泛应用场景和经济价值。有广泛应用场景和经济价值。

【技术实现步骤摘要】
一种泛燃料供应的固体酸燃料电池的制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种泛燃料供应的固体酸燃料电池的制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种能够将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的发电装置。目前PEMFC是由端板、双极板和膜电极(MEA)组成的三明治结构，膜电极的两面分别是燃料和氧化剂的催化层和气体扩散层。目前许多PEMFC的应用和实验都是基于氢/氧或者氢/空气分别作为阳极/阴极的反应气体，这是由于1)氢气的热值高，用于燃料电池的能量密度高；2)最终反应产物只有水，无污染物排放；3)反应过程不产生对催化剂有毒化作用的物质；4)常用的全氟磺酸质子交换膜体系中，需要控制电池的工作温度在60
‑
80℃，此温度范围内催化剂易被含碳燃料产生的一氧化碳毒化。因此氢气被广泛用于燃料电池的实验中，但氢气作为燃料大规模投入生产生活仍存在其他的技术和安全限制，主要体现在：1)自然界中没有氢以单质形式存在，无法直接开采，依赖工业制造；2)目前氢气的主要来源为甲烷工业重整的副产物，其他制氢技术效率低下；3)氢气的安全运输、安全储存等技术成本高昂；4)国内加氢站数量很少。
[0003]因此，在当前技术水平下，在燃料电池系统中应用氢气以外的燃料，可以降低系统运行成本，拓展应用环境，扩展目标市场，有利于燃料电池技术的整体发展。但要在低温PEMFC系统中应用含碳燃料中会导致催化剂中毒等问题，进而大幅降低电池性能和使用寿命。通过一些物理或化学方法可以分离H2和其他气体，但需要增加额外的分离器设备，消耗燃料电池系统发出的一部分能量，降低系统的能量密度。
[0004]一些研究者转向其他类型的燃料电池或实现泛燃料应用的研究。例如直接甲醇燃料电池(DMFC)，在电池的阳极直接通过甲醇作为燃料；另外也有熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)，MCFC操作温度可以达到600
‑
700℃，可利用煤气、天然气、重整气作为燃料，SOFC操作温度达900
‑
1000℃，一般利用煤气和天然气作为燃料。在较高的操作温度下，得益于较高的电化学速率和催化剂耐毒性，电池体系对燃料的选择性降低，能够实现较为安全的泛燃料应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对燃料电池的氢气应用的不足，提供一种泛燃料供应的固体酸燃料电池的制备方法。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下方案来实现：
[0007]一方面，本专利技术涉及一种泛燃料固体酸质子交换膜燃料电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0008]S1、将含铂系催化剂的催化剂层集成至固体酸质子交换膜的两侧上，制成膜电极；
[0009]S2、将所制成的膜电极放置于阴极极板及阳极极板之间，组合起来即形成电池单
元；
[0010]S3、将一个所述电池单元或多个所述电池单元，安装含进出气管的端板、紧固装置，即可。
[0011]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，所述固体酸质子交换膜为酸性盐热压膜或酸性盐和聚合物的混合物热压膜。
[0012]本专利技术涉及的泛燃料固体酸质子交换膜燃料电池的制备方法，其中质子交换膜为酸性盐热压膜或酸性盐和聚合物的混合物热压膜，即固体酸质子交换膜。且可以使用多种燃料作为燃料电池反应中的质子供给来源。
[0013]作为本专利技术的一个实施方案，所述酸性盐的阴离子包括SO
42
‑
、SeO
42
‑
、PO
43
‑
或AsO
43
‑
，阳离子包括碱金属离子或铵根离子。
[0014]作为本专利技术的一个实施方案，所述酸性盐热压膜包括所述阴离子和阳离子组成的盐或多种盐组成的混合物。
[0015]作为本专利技术的一个实施方案，所述酸性盐包括CSHS04、CsHSe04、CS2(HS04)(H2P04)、CS3(HS04)2(H2P04)、CS3(HS04)2(H
1.5
(S
0.5
P
0.5
)O4)、Cs5H3(S04)4·
H20、Cs3H(Se04)2、(NH4)3H(S04)2、Rb3H(Se04)2中的一种或多种。
[0016]作为本专利技术的一个实施方案，所述聚合物包括聚偏氟乙烯、聚苯并咪唑、聚苯醚中的一种或几种。
[0017]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，所述含铂系催化剂包括PtCo/C、PtNi/C、NiCo/C、PtRu/C或氮掺杂碳球。
[0018]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，所述固体酸质子交换膜两侧上的催化剂层的厚度均为0.15
‑
0.35mm；所述固体酸质子交换膜的厚度为0.25
‑
1.0mm。
[0019]作为本专利技术的一个实施方案，所述泛燃料包括氢气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、柴油或航空煤油。
[0020]作为本专利技术的一个实施方案，所述固体酸质子交换膜在电池的操作温度范围内，所述燃料在催化作用下发生电极反应，产生质子。
[0021]另一方面，本专利技术还涉及一种泛燃料固体酸质子交换膜燃料电池的制备方法制备的固体酸质子交换膜燃料电池。
[0022]针对燃料电池的氢气应用的局限性，本专利技术所提供的燃料电池能够在燃料电池系统中应用多种产量较高、价格较低、使用较为安全的燃料。此处所指的泛燃料，包括：氢气，甲烷，乙烷，丙烷，甲醇，乙醇，柴油，航空煤油等，它们的部分物理化学性质如表一。
[0023]氢气作为燃料电池领域所用的常用燃料，在本专利技术中属于泛燃料中的一类，纯氢在常压下熔点为
‑
259.2℃，在操作温度区间内为气态，燃点为570℃，但在空气中的爆炸界限为5％
‑
75％，非常危险，必须保持完好的密封性才能安全使用。其在所涉固体酸质子交换膜燃料电池体系中，阳极电极反应式为：H2→
2H
+
+2e
‑
，总反应式为：
[0024]烷烃为分子中只含有碳和氢两种元素的化合物，其中分子中碳原子数小于等于4的烷烃在常温下为气态，是常见的气态燃料，如甲烷是天然气的主要成分，乙烷和丙烷也是生产生活中常用的便携燃料。以甲烷为例，它们在PEMFC中的电极反应式为：CH4+2H2O
→
CO2+8H
+
+8e
‑
，总反应式为：CH4+2O2→
CO2+2H2O。
[0025]甲醇和乙醇在常温常压下为液态，常压下甲醇沸点为65.4℃，乙醇沸点为78℃，在固体酸质子交换膜燃料电池操作温度范围内主要以气态形式存在。甲醇和乙醇可用作直接醇类燃料电池的燃料，该类电池一般应用全氟磺酸膜作为质子交换膜，操作温度为常温
‑
80℃，在此条件下，直接醇类燃料电池反应速率较低，功率密度较低，且阳极催化剂需要采用合金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种泛燃料固体酸质子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1、将含铂系催化剂的催化剂层集成至固体酸质子交换膜的两侧上，制成膜电极；S2、将所制成的膜电极放置于阴极极板及阳极极板之间，组合起来即形成电池单元；S3、将一个所述电池单元或多个所述电池单元，安装含进出气管的端板、紧固装置，即可。2.根据权利要求1所述泛燃料固体酸质子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述固体酸质子交换膜为酸性盐热压膜或酸性盐和聚合物的混合物热压膜。3.根据权利要求2所述泛燃料固体酸质子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述酸性盐的阴离子包括SO
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‑
、SeO
42
‑
、PO
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‑
或AsO
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‑
，阳离子包括碱金属离子或铵根离子。4.根据权利要求2或3泛燃料固体酸质子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述酸性盐热压膜包括所述阴离子和阳离子组成的盐或多种盐组成的混合物。5.根据权利要求2所述泛燃料固体酸质子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述酸性盐包括CSHS04、CsHSe04、CS2(HS04)(H2P04)、CS3(HS04)2(H2P04)...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯俊波，章俊良，袁述，柯长春，张龙海，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：