[发明专利]一种无膜的直接醇燃料电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种无离子交换膜的直接醇燃料电池，本发明还涉及一种无离子交换膜的直接醇燃料电池的制造方法。

背景技术

以醇（包括甲醇、乙醇、丙醇和丁醇等）为燃料的直接醇燃料电池（direct alcohol fuel cell, DAFC）是将燃料(甲醇、乙醇、丙醇或丁醇）的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置。例如，以甲醇为燃料时，在碱性介质中其电极反应如下:

    阳极反应:   ＣＨ₃ＯＨ+ 6OH^-→ＣＯ₂+5Ｈ₂O+6ｅ

    阴极反应:   3/2Ｏ₂+3H₂O + 6ｅ→6OH^-

总反应:     ＣＨ₃ＯＨ+3/2Ｏ₂→ＣＯ₂+2Ｈ₂Ｏ

与二次电池不同, 直接醇燃料电池只要保持连续的醇燃料和氧化剂供给,就会有源源不断的电子通过外部电路从阳极流向阴极产生电能,并对外供电。

直接醇燃料电池的特点是:（1）能量转化效率高,达60%～80%,不受“卡诺循环”限制;（2）环保。燃料电池的产物主要是水及少量二氧化碳,且噪音小;（3）比能量高。例如，以甲醇为燃料的直接醇燃料电池的质量比能量和体积比能量分别达到6000Ｗｈ/ｋｇ和4800Ｗｈ/Ｌ,远高于蓄电池的比能量；（4）直接醇燃料电池结构简单、燃料易于运输和存储、使用安全。

DAFC由于具有上述优点，特别适合作为可移动电源和便携式电源，在通信、交通和国防等领域有着广阔的应用前景，近十年来已成为国内外研究开发的热点之一，将成为21世纪最具前途的发电方式之一。人们预计21世纪上半叶燃料电池在技术上的冲击性影响，将会与20世纪上半叶的内燃机技术相类似。

DAFC的结构主要由阳极催化剂、阴极催化剂和离子交换膜组成。阳极和阴极催化剂一般是PtRu和Pt颗粒，不仅成本很高，而且这类催化剂容易受到醇氧化的中间产物的污染，从而失去活性；另外，醇分子也比较容易通过离子交换膜迁移到阳极，也导致阴极反应的活性急剧下降。因此，开发对醇氧化反应和氧还原反应具有稳定、高效，且成本较低的电极材料，是这类直接醇燃料电池研究的关键问题之一。

此外，离子交换膜也是使用DAFC时高成本的主要因素之一。离子交换膜的成本占燃料电池总成本的20 ~ 30%，而且使用离子交换时，还存在结构复杂、维修不方便等不足，严重制约了燃料电池的发展与应用。

金属钯（Pd）是替代Pt、作为DAFC阳极催化剂的一种优异的电极。虽然在酸性溶液中，Pd对甲醇、乙醇、丙醇和丁醇的氧化反应没有催化活性，但在碱性溶液中，Pd对甲醇、乙醇、丙醇和丁醇氧化反应的活性甚至要优于Pt。但这种Pd类催化剂在催化醇氧化的过程中，其稳定性并不高。因此，开发对醇氧化反应具有活性高、稳定好的Pd类电催化剂，是直接醇燃料电池研究的重要内容之一。

由于直接醇燃料电池中离子膜的成本很高，人们对如何制备稳定性好、性能优异且成本低廉的离子膜进行了深入研究，虽然有一定进展，但在使用离子膜时，仍然存在很多缺陷，不能从根本上解决问题。所以，开发无膜燃料电池是从根本上降低成本的最有效的途径。

要制造出无膜的直接醇燃料电池，关键是要制造出有醇（甲醇、乙醇、丙醇和丁醇）存在的情况下，能够高效、稳定地催化氧还原反应的阴极材料。银及其合金在碱性溶液中对氧还原反应具有较好的电催化活性，且甲醇、乙醇、丙醇和丁醇的存在不会影响其活性，可以用于制造无膜的直接醇燃料电池的阴极材料。

因此，以多壁碳纳米管（MWCNT）负载的PdNi纳米颗粒为阳极，以MWCNT负载的AgCo双金属纳米颗粒为阴极，在碱性溶液中，制造出自呼吸式的无膜直接醇燃料电池。由于是无膜燃料电池，而且阳极和阴极材料均为非铂金属，其制造成本大大下降，是一种具有重要应用前景的醇燃料电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种无膜的直接醇燃料电池及其制造方法。

为达到上述目的，本发明的实施方案为：一种无膜的直接醇燃料电池的制造方法， 包括步骤：