一種含有鈷的複合氧化物的燃料電池陰極材料的製作方法

2023-05-27 18:46:56 1

專利名稱：一種含有鈷的複合氧化物的燃料電池陰極材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種電池材料，具體地說是一種燃料電池的陰極材料。特別是一種以過氧化氫(HA)為氧化劑的鹼性燃料電池的陰極材料。 背景技術：
HA的電還原反應可以在酸性介質或鹼性介質中進行。在鹼性介質條件下， HA作為氧化劑廣泛應用與金屬半燃料電池、硼氫化鈉燃料電池等領域。HA是 強的氧化劑，可以提高電池的電壓；HA是液體，攜帶方便，因此以HA作為陰 極氧化劑的燃料電池，具有結構簡單、不依賴空氣環境的突出優點，可廣泛用作 水下以及太空等缺氧環境中的電源。但是HA直接電還原存在兩個主要的問題， 一是HA電還原活性不高，二是HA容易分解釋放出氧氣，這大大降低了電池的 性能。&02電還原反應同常按兩條途徑進行，即直接電還原和間接電還原。直接 電還原反應如(l)式所示；間接電還原由(2)和(3)式所示，即HA首先分解 為氧氣，氧氣再進一步電還原。H(V + H20 + 2e— 20H: + 0『 (1) 2H202 — 2H20 + 02 (2) 02 + 2H20 + 4e — ■ (3) 在燃料電池陰極的HA電還原反應通常是直接和間接途徑並存，但直接途徑是理 想途徑。&02電還原速率直接影響到燃料電池的效率，因而迫切需要開發高效、 廉價和能夠催化HA直接電還原的催化劑。目前有關HA電還原催化劑的研究主 要集中在貴金屬如鈀、銥、金、銀及其合金上，貴金屬催化劑不但價格昂貴，增 加了電池的成本，而且還催化過氧化氫的分解,降低了HA的利用率。關於這方 面的報導主要有Yang W Q, Yang S H, Sun W， Sun G Q， Xin Q. Nanostructured silver catalyzed nickel foam cathode for an aluminum hydrogen peroxide fuel cell. Journal of Power Sources, 2006, 160: 1420—1424,以及George H. M, Nie L, Joseph M, Rodney B, Glenn H， Lifeng G， Ethan B, Richard G, Prajakti J S. David Carrol 1. Direct NaBH4/H202 fuel eel Is. Journal of Power Sources, 2007， 165:509-516。(三) 發明內容本發明的目的在於提供一種價格低廉，催化活性高，性能穩定的含有鈷的復 合氧化物的燃料電池陰極材料。本發明的目的是這樣實現的它是由導電混料、粘結劑、基體和HA直接電 還原的催化劑組成的電池陰極材料，所述的HA直接電還原的催化劑是鈷的複合氧化物，該鈷的複合氧化物為C0304或者符合通式MxC03.x04，通式中0<x《1,M=Ni、 Fe、 Mn。本發明還可以包括1、 所述的導電混料是炭粉、粘結劑是聚四氟乙烯、基體是泡沫鎳。2、 炭粉與鈷的複合氧化物的比例最佳為3: 7。本發明以鈷的複合氧化物(如Co;s04或者MxCo3-x04,(Xx <l,M=Ni、 Fe、 Mn)作為HA電還原陰極材料，按(l)式直接還原成氫氧根，再和其它陽極(如 鋁合金、硼氫化鈉等)組成鹼性燃料電池。本發明的實質是釆用金屬-&02半燃料電池和硼氫化鈉-&02燃料電池等的電 池結構，以鈷的複合氧化物(如0)304或者MxCo3.x04, 0 < x《1, M= Ni、 Fe、 Mn)取代鈀、金、銀等貴金屬催化劑，構成燃料電池的陰極。本發明的優點在於利用鈷的複合氧化物(如Co304或者MxCo3-x04, 0 < x《1 ， M=Ni、 Fe、 Mn)作為HA直接電還原的催化劑，其價格低廉，催化活性高，性 能穩定。本發明適合於金屬-HA半燃料電池、硼氫化物-&02燃料電池、阱-HA燃料 電池氫氣-HA燃料電池。
具體實施方式
下面舉例對本發明做更詳細地描述 實施例1利用Co3(U乍為H202直接電還原的催化劑、Vulcan-XC 72R炭粉為導電混料， 聚四氟乙烯作為粘結劑、泡沬鎳作為基體製備電池的陰極，炭與四氧化三鈷的比 例為3:7;以3mol/L的K0H作為電解液，Naf in-115質子交換摸作為隔膜，鋁鎂 合金(LF6)作為電池的陽極；在25'C， 0. 75V電壓下，過氧化氫濃度為1. 5 mol/L 時，電池的電流密度為254mA/cm2，對應功率密度為191mW/cm2。實施例2利用FeCoA作為HA直接電還原的催化劑、Vulcan-XC72R炭粉為導電混料， 聚四氟乙烯作為粘結劑、泡沫鎳作為基體製備電池的陰極，炭與FeCo204的比例為 3:7;以3mol/L的K0H作為電解液，Nafin-115質子交換摸作為隔膜，鋁鎂合金 (LF6)作為電池的陽極；過氧化氫濃度為l. 5 mol/L時，電池在25'C, 0. 75V電 壓下的電流密度為245mA/cm2，對應功率密度為184mW/cm2。實施例3利用MnCo204作為HA直接電還原的催化劑、Vulcan-XC 72R炭導電混料，聚 四氟乙烯作為粘結劑、泡沬鎳作為基體製備電池的陰極，炭與MnCoA的比例為 3:7;以3mol/L的K0H作為電解液，Nafin-115質子交換摸作為隔膜，鋁鎂合金 (LF6)作為電池的陽極；過氧化氫濃度為l. 5mol/L時，在25'C， 0. 75V電壓下， 電池的電流密度為220mA/cm2，對應功率密度為165mW/cra2。實施例4利用NiCoA作為H202直接電還原的催化劑、Vulcan-XC72R炭粉粉導電混料， 聚四氟乙烯作為粘結劑、泡沫鎳作為基體製備電池的陰極，炭與NiCo204的比例為 3:7;以3mol/L的KOH作為電解液，Naf in-115質子交換摸作為隔膜，鋁鎂合金 (LF6)作為電池的陽極；過氧化氫濃度為l. 5mol/L時，在25'C, 0. 75V電壓下， 電池的電流密度為264mA/cm2，對應功率密度為198mW/cm2。實施例5利用Ni。,A)2.504作為HA直接電還原的催化劑、Vulcan-XC 72R炭粉粉導電混 料，聚四氟乙烯作為粘結劑、泡沫鎳作為基體製備電池的陰極，炭與1^。.50)2.504 的比例為3:7;以3mol/L的K0H作為電解液，Naf in-115質子交換摸作為隔膜， 鋁鎂合金(LF6)作為電池的陽極；過氧化氫濃度為1.5mol/L時，在25'C， 0. 75V 電壓下，電池的電流密度為259mA/cm2，對應功率密度為194mW/cm2。實施例6禾寸用C03(Vf乍為HA直接電還原的催化劑、Vulcan-XC72R炭粉作為導電混料、聚四氟乙烯作為粘結劑、泡沬鎳作為基體製備電池的陰極，炭與四氧化三鈷的比 例為3:7。以泡沬鎳上負載的納米Pt為陽極，Nafin-115質子交換摸作為隔膜構置 燃料電池。以3mol/L的K0H為電解質溶液，lmol/L的硼氫化鈉為燃料，1. 5raol/L的過氧化氫為陰極氧化劑，在25'C, 0. 75V電壓下，電流密度為181mA/cm2，對應 功率密度為136mW/cm2。 實施例7利用FeCoA作為HA直接電還原的催化劑、Vulcan-XC 72R炭粉作為導電混 料、聚四氟乙烯作為粘結劑、泡沬鎳作為基體製備電池的陰極，炭與FeCoA的比 例為3:7。以泡沬鎳上負載的納米Pt為陽極，Nafin-115質子交換摸作為隔膜構置 燃料電池。以3mol/L的K0H為電解質溶液，常壓氯氣作為為燃料，1.5mol/L的過 氧化氫為陰極氧化劑，在25'C, 0. 75V電壓下，電流密度為162mA/cm2,對應功率 密度為122mW/cm2。實施例8利用MnCo204作為HA直接電還原的催化劑、Vulcan-XC72R炭粉為導電混料， 聚四氟乙烯作為粘結劑、泡沬鎳作為基體製備電池的陰極，炭與MnCoA的比例為 3:7;以3mol/L的K0H作為電解液，Nafin-115質子交換摸作為隔膜，鋁鎂合金 (LF6)作為電池的陽極；在25'C， 0.75V電壓下，過氧化氫濃度為1. 5mol/L時， 電池的電流密度為171 mA/cm2,對應功率密度為128mW/cm2。實施例9利用NiCoA作為HA直接電還原的催化劑、Vulcan-XC 72R炭粉作為導電混 料、聚四氟乙烯作為粘結劑、泡沫鎳作為基體製備電池的陰極，炭與NiCo^的比 例為3:7。以泡沬鎳上負載的納米Pt為陽極，Nafin-115質子交換摸作為隔膜構置 燃料電池。以3mol/L的K0H為電解質溶液，lmol/L的硼氫化鈉為燃料，1. 5mol/L的 過氧化氫為陰極氧化劑，在25'C, 0.75V電壓下，電流密度為189mA/cm2，對應功 率密度為142' mW/cm2。實施例10利用^。.5(:02.504作為^02直接電還原的催化劑、Vnlcan-XC 72R炭粉作為導電 混料、聚四氟乙烯作為粘結劑、泡沫鎳作為基體製備電池的陰極，炭與Ni。,5C02.504 的比例為3:7。以泡沫鎳上負載的納米Pt為陽極，Nafin-115質子交換摸作為隔膜 構置燃料電池。以3mol/L的K0H為電解質溶液，lmol/L的硼氫化鈉為燃料， 1.5mol/L的過氧化氫為陰極氧化劑，在25'C, 0.75V電壓下，電流密度為 181mA/cm2,對應功率密度為136 mW/cm2。
權利要求
1、一種含有鈷的複合氧化物的燃料電池陰極材料，它是由導電混料、粘結劑、基體和H2O2直接電還原的催化劑組成的電池陰極材料，其特徵是所述的H2O2直接電還原的催化劑是鈷的複合氧化物，該鈷的複合氧化物為Co3O4或者符合通式MxCo3-xO4，通式中0＜x≤1，M＝Ni、Fe、Mn。
2、 根據權利要求1所述的一種含有鈷的複合氧化物的燃料電池陰極材料， 其特徵是所述的導電混料是炭粉、粘結劑是聚四氟乙烯、基體是泡沬鎳。
3、 根據權利要求2所述的一種含有鈷的複合氧化物的燃料電池陰極材料， 其特徵是炭粉與鈷的複合氧化物的比例最佳為3: 7。
全文摘要
本發明提供的是一種含有鈷的複合氧化物的燃料電池陰極材料。它是由導電混料、粘結劑、基體和H2O2直接電還原的催化劑組成的電池陰極材料，所述的H2O2直接電還原的催化劑是鈷的複合氧化物，該鈷的複合氧化物為Co3O4或者符合通式MxCo3-xO4，通式中0＜x≤1，M＝Ni、Fe、Mn。本發明的優點在於利用鈷的複合氧化物(如Co3O4或者MxCo3-xO4，0＜x≤1，M＝Ni、Fe、Mn)作為H2O2直接電還原的催化劑，其價格低廉，催化活性高，性能穩定。
文檔編號H01M8/02GK101227004SQ20081006394
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月30日 優先權日2008年1月30日
發明者晁軍黨, 曹殿學, 王貴領 申請人:哈爾濱工程大學