(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711465608.1
(22)申请日 2017.12.28
(71)申请人 北京长城华冠汽车科技股份有限公
司
地址 101300 北京市顺义区仁和镇时骏北
街1号院4栋（科技创新功能区）
长城汽车
(72)发明人 陆　张奎博　
(74)专利代理机构 北京工信联合知识产权代理
有限公司 11266
代理人 郭一斐　叶万东
(51)Int.Cl.
H01M  8/1009(2016.01)
(54)发明名称一种碱性阴离子膜燃料电池(57)摘要本发明提供了一种碱性阴离子膜燃料电池，包括：阳极、负载催化剂的阳极扩散支持层；阴极、负载催化剂的阴极扩散支持层；位于阳极扩散层和阴极扩散层之间的阴离子交换膜；阳极燃料为含水合肼的溶液，阴极氧化剂为含过氧化氢的溶液。本发明中，通过使用含水合肼的溶液作为阳极燃料，含过氧化氢的溶液作为阴极氧化剂，相对于现有技术中以氧气及氢气作为电池的氧化剂和燃料而言，大幅度减小了存储空间；并且由于水合肼具有较低的氧化还原电位，使得氧化还原反应进行的更加充分，提升了燃料的转化效率；选用对电解质溶液中的钠离子的传导率较高的Nafion膜作为离子交换膜，进一步增大了电
池的开路电压从而扩大了燃料电池的使用范围。权利要求书1页  说明书4页  附图1页CN 108199063 A 2018.06.22
C N  108199063
A
1.一种碱性阴离子膜燃料电池，其特征在于，包括：阳极、负载催化剂的阳极扩散支持层；阴极、负载催化剂的阴极扩散支持层；位于所述阳极扩散层和所述阴极扩散层之间的阴离子交换膜；其中，所述阳极燃料为含水合肼的溶液，所述阴极氧化剂为含过氧化氢的溶液。
2.根据权利要求1所述的碱性阴离子膜燃料电池，其特征在于，所述水合肼的质量浓度为10％-20％。
3.根据权利要求1所述的碱性阴离子膜燃料电池，其特征在于，所述阳极燃料是水合肼与碱液的混合溶液，其中，所述水合肼与所述碱液的摩尔比为1:4。
4.根据权利要求3所述的碱性阴离子膜燃料电池，其特征在于，所述碱液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液中的一种或两种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的碱性阴离子膜燃料电池，其特征在于，所述阴极氧化剂为过氧化氢与碱的混合溶液。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的碱性阴离子膜燃料电池，其特征在于，所述阳极扩散支持层、所述阴极扩散支持层与阴离子交换膜之间通过热压工艺形成膜组件。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的碱性阴离子膜燃料电池，其特征在于，所述阴离子交换膜为Nafion膜、季胺型阴离子交换膜、季磷型阴离子交换膜、硫基型阴离子交换膜或有机无机混合膜中的至少一种。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的碱性阴离子膜燃料电池，其特征在于，所述阳极扩散支持层和所述阴极扩散支持层负载的催化剂均包括过渡金属元素。
9.根据权利要求8所述的碱性阴离子膜燃料电池，其特征在于，所述过渡金属元素为Ni 和Co中的一种或者两种。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的碱性阴离子膜燃料电池，其特征在于，所述阳极扩散支持层材料为碳纸；所述阴极扩散支持层材料为碳纸；所述阳极极板为不锈钢或石墨板；所述阴极极板为不锈钢或石墨板。
11.一种碱性阴离子膜燃料电池堆，其特征在于，包含如权利要求1-10中任一项所述的碱性阴离子膜燃料电池和在其之间的电连接。
权　利　要　求　书1/1页CN 108199063 A
一种碱性阴离子膜燃料电池
技术领域
[0001]本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种碱性阴离子膜燃料电池。
背景技术
[0002]当今世界，环境污染及能源匮乏已经成为威胁人类生存的两大杀手，因此人们不断寻求一种新型清洁能源取代传统化石燃料。电池是一种可以将物质中的化学能高效转化为电能的装置，其具有原理简单、结构清晰等优点，因此它是最有可能取代传统化石能源的新型清洁装置之一。作为电池中的一大类别，燃料电池具有转化效率高、产物无污染等优点逐渐成为人们研究的热点。碱性阴离子交换膜燃料电池是一种以碱性膜材料为电解质的燃料电池，它较其他燃料电池具有氧化过电位低、可以使用非贵金属作为催化剂等优点，因此备受关注。
[0003]现阶段碱性阴离子交换膜燃料电池大多采用氧气及氢气作为电池的氧化剂和燃料，产物是水对环境无污染，但是它也存在一定的弊端，由于两种物质均为气态，在使用时通常将它们储存在高压瓶中，在一定程度上限制了它的使用，同时由于氢气本身存在的性质使其不易液化，进一步使其存在危险。现
阶段氢气的制备大多采用的是电解水技术，这样不仅很大程度上降低了电池的优势，还增加了成本。
发明内容
[0004]鉴于此，本发明提出了一种碱性阴离子膜燃料电池，旨在解决现有膜燃料电池中燃料存储所需体积较大的问题。
[0005]一个方面，本发明提出了一种碱性阴离子膜燃料电池，包括：阳极、负载催化剂的阳极扩散支持层；阴极、负载催化剂的阴极扩散支持层；位于所述阳极扩散层和所述阴极扩散层之间的阴离子交换膜；其中，所述阳极燃料为含水合肼的溶液，所述阴极氧化剂为含过氧化氢的溶液。
[0006]进一步地，上述碱性阴离子膜燃料电池中，所述水合肼的质量浓度为10％-20％。[0007]进一步地，上述碱性阴离子膜燃料电池中，所述水合肼与所述碱液的摩尔比为1: 4。
[0008]进一步地，上述碱性阴离子膜燃料电池中，所述碱液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液中的一种或两种。
[0009]进一步地，上述碱性阴离子膜燃料电池中，所述阴极氧化剂为过氧化氢与碱的混合溶液。
[0010]进一步地，上述碱性阴离子膜燃料电池中，所述阳极扩散支持层、所述阴极扩散支持层与阴离子交换膜之间通过热压工艺形成膜组件。
[0011]进一步地，上述碱性阴离子膜燃料电池中，所述阴离子交换膜为Nafion膜、季胺型阴离子交换膜、季磷型阴离子交换膜、硫基型阴离子交换膜或有机无机混合膜中的至少一种。
[0012]进一步地，上述碱性阴离子膜燃料电池中，所述阳极扩散支持层和所述阴极扩散支持层负载的催化剂均包括过渡金属元素。
[0013]进一步地，上述碱性阴离子膜燃料电池中，所述过渡金属元素为Ni和Co中的一种或者两种。
[0014]进一步地，上述碱性阴离子膜燃料电池中，所述阳极扩散支持层材料为碳纸；所述阴极扩散支持层材料为碳纸；所述阳极极板为不锈钢或石墨板；所述阴极极板为不锈钢或石墨板。
[0015]与现有技术相比，本发明提供的碱性阴离子膜燃料电池，通过使用含水合肼的溶液作为阳极燃料，含过氧化氢的溶液作为阴极氧化剂，相对于现有技术中以氧气及氢气作为电池的氧化剂和燃料而言，大幅度减小了存储空间；并且由于水合肼具有较低的氧化还原电位，使得氧化还原反应进行的更加充分，提升了燃料的转化效率；选用对电解质溶液中的钠离子的传导率较高的Nafion膜作为离子交换膜，进一步增大了电池的开路电压，从而扩大了燃料电池的使用范围。
[0016]另一方面，本发明还提出了一种碱性阴离子膜燃料电池堆，包括上述的碱性阴离子膜燃料电池和在其之间的电连接。
[0017]由于碱性阴离子膜燃料电池具有上述技术效果，所以具有该碱性阴离子膜燃料电池的碱性阴离子膜燃料电池堆也具有相应的技术效果。
附图说明
[0018]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0019]图1为本发明实施例提供的碱性阴离子膜燃料电池的工作原理流程图。
具体实施方式
[0020]下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。[0021]本发明实施例公开了一种碱性阴离子膜燃料电池，包括：阳极、负载催化剂的阳极扩散支持层；阴极、负载催化剂的阴极扩散支持层；位于阳极扩散层和阴极扩散层之间的阴离子交换膜；其中，阳极燃料是为含有水合肼的溶液，阴极氧化剂是为含有过氧化氢的溶液。
[0022]水合肼溶液中水合肼的质量浓度为10％-20％，优选为15％。阳极燃料是水合肼与碱液的混合溶液，其中，水合肼与碱液的摩尔比为1:4。碱液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液中的一种或两种。
[0023]可以向阴极氧化剂过氧化氢中加入碱以改变过氧化氢的PH值，例如可以向过氧化氢溶液中加入氢氧化钠溶液。
[0024]本发明实施例中的阴离子交换膜可以为Nafion膜、季胺型阴离子交换膜、季磷型阴离子交换膜、硫基型阴离子交换膜或有机无机混合膜中的至少一种。优选为Nafion膜，Nafion膜传导钠离子的能力较强，有利于提高燃料电池的开路电压。
[0025]阳极扩散支持层和阴极扩散支持层负载的催化剂均包括过渡金属元素，过渡金属元素为Ni和Co中的一种或者两种，优选为Ni。
[0026]阳极扩散支持层材料为碳纸；阴极扩散支持层材料为碳纸；阳极极板为不锈钢或石墨板；阴极极板为不锈钢或石墨板。本领域技术人员可以理解，阳极极板和阴极极板上需要分别开设两个物料通道孔以便液体的流入及流出。
[0027]参见图1，图中示出了本发明实施例提供的碱性阴离子膜燃料电池的工作原理如下：阳极为水合肼发生氧化的场所，阴极为过氧化氢还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，Nafion膜作
为传递Na+的介质，只允许Na+通过，而水合肼在氢氧化钠溶液中发生还原反应失去的电子则从导线通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。
[0028]本发明实施例中发生的化学反应的方程式如下：
[0029](1)阳极反应：N2H4+4OH-→4H2O+N2+4e- E0＝-1.21V vs.SHE
[0030](2)阴极反应：H2O2+2e-→2OH- E0＝0.87V vs.SHE
[0031](3)总化学反应：N2H4+2H2O2→4H2O+N2 OCV＝2.08V
[0032]本发明实施例提供的碱性阴离子膜燃料电池的制作过程如下：选用碳纸作为将阳极扩散支持层和阴极扩散支持层的材料，将催化剂通过喷涂的方式均匀附着在两个扩散支持层中，将阳极扩散支持层和阴极扩散支持层与Nafion离子交换膜之间通过热压工艺形成膜组件，将作为支持层材料的碳纸放在膜组件的两边，然后将膜组件两边的不锈钢板或石墨板四个边角打孔，然后用螺丝钉及螺母将膜组件中的各材料固定压紧。在阴极极板和阳极极板上分别开设两个物料通道孔以便液体的流入及流出。
[0033]为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的燃料电池进行详细介绍，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
[0034]实施例1
[0035]选用碳纸作为将阳极扩散支持层和阴极扩散支持层的材料，并在阴极扩散支持层和阳极扩散支持层上负载催化剂Ni；将阳极扩散支持层和阴极扩散支持层与Nafion离子交换膜之间通过热压工艺形成膜组件，将作为支持层材料的碳纸放在膜组件的两边，然后在两边用不锈钢或石墨板将上述材料紧压，选用石墨板作为阴极极板和阳极极板，在两个极板上分别开设两个物料通道孔以便阴阳极区域的流入及流出。其中，选用氢氧化钠作为电解质溶液，选用质量浓度为20％的水合肼作为燃料，水合肼与氢氧化钠的摩尔比为1:4，阴极氧化剂为过氧化氢溶液。
[0036]实施例2
[0037]选用碳纸作为将阳极扩散支持层和阴极扩散支持层的材料，并在阴极扩散支持层和阳极扩散支持层上负载催化剂Co；将阳极扩散支持层和阴极扩散支持层与Nafion离子交换膜之间通过热压工艺形成膜组件，将作为支持层材料的碳纸放在膜组件的两边，然后在两边用不锈钢或石墨板将上述材料紧压，选用不锈钢板作为阴极极板和阳极极板，在两个极板上分别开设两个物料通道孔以便阴阳极区域的液体的流入及流出。其中，选用氢氧化