[发明专利]大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池

说明书

本发明公开了一种大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池，包括阳极钛丝、上顶空盖、电池反应腔室、多孔薄塑料套筒、下顶空盖和阴极集流体；其特征在于：所述电池反应腔室由绕制成圆筒状的阴极碳布构成，且圆筒状的阴极碳布的一端向外延伸，形成阴极集流体；该阴极碳布集催化层、扩散层、疏水层、导电区于一体，且催化层位于电池反应腔室的内壁；所述电池反应腔室外套设有多孔薄塑料套筒；在电池反应腔室的上端面和下端面分别设置有上顶空盖和下顶空盖，所述上顶空盖设置有电解液注射口，电解液通过该电解液注射口进入电池反应腔室内；所述阳极钛丝的一端穿过上顶空盖，插入电池反应腔室内，该阳极钛丝表面修饰有催化剂；本发明可广泛应用在电子、能源等领域。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池。

背景技术

近年来，便携式小型电子产品发展迅速，应用广泛。随处可见的小型电子产品要求电池具有能量密度高，体积小，质量轻等特性。锂一次电池符合上述电子产品的电源需求。但锂一次电池能量密度低，使用完后随意丢弃泄露的钴酸锂、铜、铝、镍等会对环境造成污染。于是可充放电锂离子电池应运而生，但应用于便携式移动电子产品时，锂离子电池循环寿命短，续航能力不足，价格高，快充放电性能差等问题使得国内外研究者开始着眼于燃料电池。直接甲醇燃料电池(DMFC，Direct Methanol Fuel Cell)出现在人们视野中，低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等优点使得直接甲醇燃料电池可能成为未来便携式电子产品应用的主流，然而DMFC存在燃料渗透，阴阳极使用铂催化剂成本高，质子交换膜制备复杂等技术难题，这些难题限制了该电池的进一步发展和应用。

碱性条件下，氧气具有更快的氧还原反应动力学，可使用非贵金属催化剂替代贵金属催化剂。非贵金属催化剂不仅价格低，且由于非贵金属催化剂具有较高的选择催化性能，可以避免常规的贵金属催化剂所导致的混合电位问题，因此电池还可取消分隔氧化剂和燃料的离子交换膜，在大大降低电池成本的同时还简化的电池结构，因此基于碱性电解液的无膜燃料电池具有作为便携式小型电子产品电源的潜力。

传统直接甲酸燃料电池(DFFC，Direct Formate Fuel Cell)中的核心组件膜电极一般由金属钯修饰的阳极、碳载铂空气阴极与离子交换膜三部分组成。DFFC的阳极以甲酸根为燃料，在催化剂的作用下，阳极甲酸根和氢氧根结合发生电氧化反应，产生碳酸根离子和电子，电子流经外电路到达阴极后，阴极直接吸收扩散进来的空气中的氧气以及电解质中的水结合生成氢氧根离子。

传统DFFC电池结构一般由镀钯(Pd)阳极、Pt/C空气阴极与膜电极三部分组成。传统的镀Pd阳极一般在碳布、碳纸或石墨棒等碳质多孔材料上化学沉积或电镀Pd获得。然而，碳质材料一般较脆，加工时容易破裂，基底导电性较差，往往需要导电率低的集流体(如钛丝，钛片)与之相连，导致电池结构复杂；此外，碳质基底表面修饰的Pd层并不牢固，往往需要在修饰过程中额外浸泡Nafion并反复电镀增强催化层稳定性。尽管如此，在电池运行时，仍然容易发生Pd金属脱落的现象，因而导致电池性能与稳定性降低。不仅如此，额外浸泡Nafion反复修饰Pd的过程还会导致大量Pd活性位点被Nafion所覆盖并失活，从而造成贵金属Pd利用率降低，增加电极成本。而在阴极，一般采用20wt.％碳载铂作为氧还原催化剂。然而，碳载铂催化剂价格昂贵、储量少、易被杂质离子毒化且对甲酸氧化具有较强的催化活性从而产生混合电位，严重制约了电池性能。

发明内容

针对现有结构存在的缺陷及改进需求，本发明所要解决的技术问题在于提供一种大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池。