一种基于MEA电极的光电复合燃料电池的制作方法

本发明属于新能源技术领域，尤其涉及一种基于MEA电极的光电复合燃料电池。

背景技术：

科技的不断进步使人类社会的发展越来越迅速，能源的需求量也越来越大。化石能源是目前全球消耗的最主要能源，然而传统化石燃料不但资源有限而且在使用过程中污染环境，因此开发更清洁的可再生能源迫在眉睫。新能源多种多样，但是这些能量来源都归结于太阳能，太阳能作为一种取之不竭，用之不尽的能源是一种最理想的清洁能源，但是现有技术对于太阳能的利用仍有局限性。光电化学燃料电池基于光电催化技术，利用太阳能催化氧化一些小分子有机物，通过复合阴极，构筑电池进行发电，给人们提供了开发利用太阳能新思路。

光电化学燃料电池性能与电极构造和电池结构有着密切的联系。目前光电化学燃料电池的阳极催化剂，一般通过涂覆法固定在透明导电基体上，在溶液中容易脱落，并且后期回收过程比较困难，从而降低催化效率；另一方面，在传统的光电化学燃料电池中，由于质子需要在溶液中传输，溶液体积过大时导致电极的内阻大，质子传递速率低，造成输出性能低。为了进一步提高光电化学燃料电池性能，需要对设计和构筑新的电极结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于MEA电极的光电复合燃料电池，旨在解决目前光电化学燃料电池输出性能很差，普适性很差，没有合适的电极结构，导致电极的内阻大，质子传递速率低，电催化效率差的问题。

本发明是这样实现的，一种基于MEA电极的光电复合燃料电池，该基于MEA电极的光电复合燃料电池包括光催化阳极膜、阴极膜、质子交换膜；所述光催化阳极膜、阴极膜分别压制在质子交换膜左右两侧面。

所述基于MEA电极的光电复合燃料电池还包括外壳、螺栓、阳极室、阴极室；所述阳极室与阴极室通过螺栓固定在外壳内；所述光催化阳极膜位于阳极室内；所述阴极膜位于阴极室内。

所述光催化阳极膜包括均匀涂覆TiO₂的碳布。

该基于MEA电极的光电复合燃料电池制备方法包括以下步骤：

MEA电极的制备：所述MEA电极的制备包括光催化阳极膜的制备和阴极膜的制备；

将得到的光催化阳极膜和阴极膜进行组装，在光催化阳极膜和阴极膜之间加入一张nafion膜，在180℃、5MPa～9MPa条件下，热压1.5小时，然后把阳极的PTFE膜剥离，在质量比为5％的稀硫酸中重新使光催化阳极膜、阴极膜和催化层质子化，制成膜电极三合一组件；用两块PTFE夹板组装成电池，含有石英窗口的PTFE放置在光催化阳极膜的一面。

光催化阳极膜的制备方法为：

称取非金属改性后的TiO₂纳米颗粒40mg，加入水和乙醇的体积比为1:1的混合物，超声分散15分钟，然后加入50mg 5％的nafion溶液，10mg草酸铵，继续超声震荡45分钟；混合均匀后涂于5cm²PTFE膜，在鼓风干燥箱中70℃干燥，得到光催化阳极膜；

阴极膜的制备方法为：

称取40mg XC-72碳粉，加入水和乙醇的体积比为1:1的混合物，超声分散15分钟，加入100mg 5％的nafion溶液，10mg草酸铵，继续超声分散45分钟；混合均匀后涂覆在5cm²碳布的正反面上，在鼓风干燥箱中70℃干燥，得到阴极膜。

本发明在太阳光的辅助下催化氧化化学物质，包括有机小分子，生物物质，以及水中有机污染物等，通过匹配合适的阴极，组成电池产生电能，本发明不仅可以降解水中的有机污染物，还实现了光能和化学能向电能的转换。

本发明提出利用半导体催化剂为阳极制备三合一膜电极，建立光电化学燃料电池，并且显著提高了性能实用价值；基于MEA电极的光电复合燃料电池具有可室温工作、快速启动，无电解液流失，产物易排出，寿命长，比功率与比能量高等突出特点，Li设计合成的基于TiO₂纳米棒光催化剂光电复合燃料电池其开路电压和功率密度可以分别达到0.615V和1.1μW·cm^-2，本发明的光电复合燃料电池其开路电压和功率密度可以分别达到0.93V和36mW·cm^-2输出性能有较大提升。

本发明显著提高光电燃料电池输出功率，以乙醇为例，与现有技术相比，本发明输出功率密度可以达36mW·cm^-2，是目前报道中输出功率最高的光电燃料电池；工作寿命显著提高；本发明基于MEA电极的光电复合燃料电池工作寿命可以达到45天，相对比较稳定。

本发明技术成本低廉，比较适合产业化生产，并且可以整体提高光电催化效率，基于光催化可以将有机小分子彻底氧化生成二氧化碳。本发明通过构建一种基于MEA电极的光电复合燃料电池，分别将光催化剂和阴极热压在质子交换膜两边，在100mW自然光照下进行测试，发现其开路电压和功率密度可以分别达到0.93V和36mW·cm^-2，工作寿命可以长达45天。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于MEA电极的光电复合燃料电池结构示意图；

图中：1、光光催化阳极膜；2、阴极膜；3、质子交换膜；4、外壳；5、螺栓；6、阳极室；7、阴极室。

图2是本发明实施例提供的不同光照强度下的电池输出功率曲线图；

图3是本发明实施例提供的光照强度为100mW·cm^-2下的不同乙醇浓度电池输出功率曲线图。

图4是本发明实施例提供的MEA电极光催化氧化乙醇的稳定性测试图。

图5是本发明实施例提供的光电化学燃料电池原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理进一步说明。

如图1所示，本发明实施例的基于MEA电极的光电复合燃料电池包括：光催化阳极膜、阴极膜、质子交换膜；所述光催化阳极膜、阴极膜分别压制在质子交换膜左右两侧面。

所述基于MEA电极的光电复合燃料电池还包括外壳、螺栓、阳极室、阴极室；所述阳极室与阴极室通过螺栓固定在外壳内；所述光催化阳极膜位于阳极室内；所述阴极膜位于阴极室内。

所述光催化阳极膜包括均匀涂覆TiO₂的碳布。

该基于MEA电极的光电复合燃料电池制备方法包括以下步骤：

MEA电极的制备：所述MEA电极的制备包括光催化阳极膜的制备和阴极膜的制备；

将得到的光催化阳极膜和阴极膜进行组装，在光催化阳极膜和阴极膜之间加入一张nafion膜，在180℃、5MPa～9MPa条件下，热压1.5小时，然后把阳极的PTFE膜剥离，在质量比为5％的稀硫酸中重新使光催化阳极膜、阴极膜和催化层质子化，制成膜电极三合一组件；用两块PTFE夹板组装成电池，含有石英窗口的PTFE放置在光催化阳极膜的一面。

下面结合MEA电极的制备对本发明进一步说明。

MEA电极的制备：

光催化阳极膜制备：称取非金属改性后的TiO₂纳米颗粒40mg，加入水和乙醇的混合物(体积比1:1)超声分散15分钟，然后加入50mg 5％的nafion溶液，10mg草酸铵，继续超声震荡45分钟，混合均匀后涂于5cm²PTFE膜，在鼓风干燥箱中70℃干燥，得到阳极膜。

阴极膜的制备：称取40mg XC-72碳粉,加入水和乙醇的混合物(体积比1:1)超声分散15分钟，加入100mg 5％的nafion溶液，10mg草酸铵，继续超声分散45分钟，混合均匀后涂覆在5cm²碳布的正反面上(台湾碳能WOS1002亲水型碳布)在鼓风干燥箱中70℃干燥，得到阴极膜。

将得到的阳极膜和阴极膜进行组装，在它们之间加入一张nafion膜，在180℃左右、5～9MPa条件下，热压1.5小时，然后把阳极的PTFE膜剥离，在5％的稀硫酸(质量比)重新使膜和催化层质子化，制成膜电极三合一组件。用两块PTFE夹板组装成电池，其中含有石英窗口的PTFE放置在光阳极的一面。

下面结合性能测试对本发明进一步说明。

将制备好的MEA电极的光电复合燃料电池在室温(25℃)下进行燃料电池的性能测试。溶液选用乙醇的水溶液，在不同光照强度下对其测试输出功率，如图2。

在一个太阳光强度(100mW·cm^-2)下测试不同乙醇浓度的电池输出功率，如图3光照强度为100mW·cm^-2下的不同乙醇浓度电池输出功率曲线图；

图4 MEA电极光催化氧化乙醇的稳定性测试图。

实验结果可以看出，本发明设计的MEA电极的光电复合燃料电池有较大的输出功率，远大于之前文献报道的输出功率1.1μW·cm^-2(Li的文章)，工作寿命与之前相比也有较大的提高可以长达45天。

1)在做阴极催化剂时同时可以选用贵金属或其碳载催化剂，比如，Pt、Pd、Ru、Rh、Pt/C、Pd/C、Ru/C、Rh/C等；

2)常用的容易挥发的造孔剂如碳酸氢铵、草酸铵或可溶性造孔剂氯化钠、氯化钾、碳酸锂等，本实施例中采用的是草酸铵造孔剂。

如图5所示：由于光催化剂在光照后可以产生电子-空穴，进而将有机小分子进行催化分解从而产生电能。这种较强的光电催化能力也使得光电化学燃料电池在选择燃料来源时比传统的燃料电池具有更多的选择性(比如，废水、生物质等)。基于光电催化技术，本发明提出一个光电化学燃料电池(PEFC)这个概念，通过利用光电化学催化剂(以TiO₂为例)，在太阳光的辅助下催化氧化化学物质，包括有机小分子，生物物质，以及水中有机污染物等，通过匹配合适的阴极，组成电池产生电能，不仅可以降解水中的有机污染物，还实现了光能和化学能向电能的转换。

本发明通过构建光电化学燃料电池，构建了一种基于MEA电极的光电复合燃料电池，分别将光催化剂和阴极热压在质子交换膜两边，在100mW自然光照下进行测试，发现其开路电压和功率密度可以分别达到0.93V和36mW·cm-²，工作寿命可以长达45天。该工作为实现太阳能和化学能协同利用，及其到电能的转化提供了新的可能。但是目前光电化学燃料电池输出性能很差，普适性很差。究其原因是没有合适的电极结构，导致电极的内阻大，质子传递速率低，电催化效率差。为了解决上述问题，本发明提出利用半导体催化剂为阳极制备三合一膜电极，建立光电化学燃料电池，并且显著提高了性能实用价值。基于MEA电极的光电复合燃料电池具有可室温工作、快速启动，无电解液流失，产物易排出，寿命长，比功率与比能量高等突出特点，与之前的光电复合燃料电池相比输出性能有较大提升。

本发明实施例的基于MEA电极的光电复合燃料电池，在质子交换膜的两侧分别负载上光催化剂和阴极催化剂，当有机小分子流进阳极室时，在太阳光照下会发生氧化反应，电子通过外电路流向阴极在其表面发生还原，从而给外界输出电能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。