一种高选择性催化燃料电池及应用的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种高选择性催化燃料电池及应用。

背景技术：

燃料电池是利用燃料与氧气反应生成水，将化学能转化为电能，是一种能量转化率高、可靠性强的发电装置。燃料电池由可传导质子的膜、分别布置在膜两侧的电极、分布在两侧膜电极单元背面的气体扩散层构成。在燃料电池工作过程中，燃料、尤其是氢气h2或者含氢气的混合气被导向阳极，在阳极进行h2向h⁺的电化学式的氧化以释放出电子。通过电解质或者可传导质子的膜进行质子h⁺从阳极室向阴极室的输送。在阳极制备的电子通过电路导向阴极。氧气或者含氧的混合气被导向阴极，以便通过吸收电子从o2到o^2-的还原。同时在阴极室该氧离子与通过膜输送的质子反应生成水。

然而，目前的燃料电池技术，虽然相比于锂电池和蓄电池体积和重量大幅度减少，但仍不能满足未来应用对电源轻量型、微小型、高功率的要求，因此，急需开发新型燃料电池技术，以扩展其应用。

技术实现要素：

为克服目前燃料电池体积到功率低的缺陷，本发明提供一种高选择性催化燃料电池及应用。

本发明为了解决上述技术问题，提供一技术方案如下：一种高选择性催化燃料电池，所述高选择性催化燃料电池包括电池主体、氧化电极、还原电极、设置在所述氧化电极和还原电极之间的质子交换膜以及电路系统，所述质子交换膜将所述电池主体分隔为氧化腔室和还原腔室，所述氧化电极设置在所述氧化腔室中，所述还原电极设置在所述还原腔室中，所述氧化腔室用于接收含能剂且所述氧化电极催化所述含能剂发生氧化反应，所述还原腔室用于接收氧化剂且所述还原电极催化所述氧化剂发生还原反应，所述氧化电极产生的电子经电路系统传递到所述还原电极。

优选地，所述氧化电极为金属纳米颗粒制成或者由高选择性氧化酶与石墨烯薄膜复合而成的薄膜。

优选地，所述氧化电极包括的金属纳米颗粒包括铂、钯和金中的任一种，所述高选择性氧化酶包括葡萄糖氧化酶和琥珀酸脱氢酶中的任一种。

优选地，所述还原电极由过渡金属材料制成或者由金属合金化合物纳米颗粒与石墨烯薄膜复合而成的薄膜。

优选地，形成所述还原电极的过渡金属材料包括fe、co、ni、cu和mn中的任一种，所述金属合金包括铂、镍、铜中的任一种和所述过渡金属中的任一种形成的金属合金化合物。

优选地，所述过渡金属化合物纳米颗粒包括ptcu、nicu、fecu中的任一种。

优选地，所述高选择性催化燃料电池还包括含能剂供给系统和氧化剂供给系统，所述含能剂供给系统用于将含能剂直接供入到所述氧化腔室中，所述氧化剂供给系统用于将氧化剂直接供入到所述还原腔室中。

优选地，所述高选择性催化燃料电池还包括浓度检测系统，所述浓度检测系统用于检测所述氧化腔室和所述还原腔室中的含能剂和氧化剂的浓度，所述含能剂供给系统和氧化剂供给系统根据浓度检测系统检测的浓度值调控供给速率。

优选地，所述含能剂包括葡萄糖水溶液、乙醇水溶液维生素c水溶液和琥珀酸水溶液中的任一种，所述氧化剂包括高浓度氧气水溶液和维生素b水溶液中的任一种。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种高选择性催化燃料电池的应用，如上所述的高选择性催化燃料电池应用于电动汽车、航天飞机、潜艇、通讯系统、中小规模电站、家用电源。

相对于现有技术，本发明所提供的高选择性催化燃料电池具有如下的有益效果：

所述氧化腔室用于接收含能剂且所述氧化电极催化所述含能剂发生氧化反应，所述还原腔室用于接收氧化剂且所述还原电极催化所述氧化剂发生还原反应，所述氧化电极产生的电子经电路系统传递到所述还原电极，含能剂和氧化剂分别直接泵入氧化腔室和还原腔室中，含能剂直接和氧化电极接触，含能剂被氧化电极催化产生的氢离子直接经过质子交换膜直接进入到还原腔室中，能很好的提高催化效率，很好的避免了传统的燃料电池中，必须要将作为还原剂的氢气或者氢气的混合气体先经过阳极，被阳极催化之后产生的氢离子再由阳极扩散到电解质内部，然后再由电解质扩散到阴极的一侧，导致催化效率低的缺陷。

所述氧化电极为金属纳米颗粒制成或者由高选择性氧化酶与石墨烯薄膜复合而成的薄膜，高选择性氧化电极能实现对含能剂的快速吸附，对含能剂氧化反应产生的电子的快速分离，提高催化效率。

所述氧化电极包括的金属纳米颗粒包括铂、钯和金中的任一种，所述高选择性氧化酶包括葡萄糖氧化酶，高选择性还原电极同样的可以实现对氧化剂以及氧化电极传递过来的电子快速吸附，从而实现对氧化剂的快速还原反应，从而保证了高选择性燃料电池的高催化性能。

通过设置浓度检测系统，能实时检测氧化腔室中的含能剂的浓度和还原腔室中氧化剂的浓度，使得含能剂供给系统和氧化剂供给系统能根据浓度检测系统检测获得的含能剂和氧化剂的浓度调控供给速率，以使得含能剂和氧化剂的浓度更均衡，保证催化反应的顺利进行。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例中提供的高选择性催化燃料电池的结构示意图；

图2是本发明第一实施例中提供的高选择性催化燃料电池的包含浓度检测系统时的结构示意图。

附图标记说明：

10、高选择性催化燃料电池；11、氧化电极；12、还原电极；13、质子交换膜；14、氧化腔室；15、还原腔室；16、外部循环系统；161、电路系统；162、含能剂供给系统；1621、含能剂储液腔；1622、含能剂泵送系统；163、氧化剂供给系统；1631、氧化剂储液腔；1632、氧化剂泵送系统；17、浓度检测系统；18、电池主体；19、含能剂；20、氧化剂。

【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，以下结合附图及实施实例，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。

请参阅图1，本发明提供一种高选择性催化燃料电池10，所述高选择性催化燃料电池10包括电池主体18、氧化电极11、还原电极12、设置在所述氧化电极11和还原电极12之间的质子交换膜13，质子交换膜13将电池主体18分隔为氧化腔室14和还原腔室15。所述氧化腔室14用于存储含能剂19且所述氧化电极11催化所述含能剂19发生氧化反应。所述还原腔室15用于存储氧化剂20且所述还原电极12催化所述氧化剂20发生还原反应，所述氧化电极11催化含能剂发生氧化反应产生的电子可传递到所述还原电极12，氧化剂20吸收电子且在还原电极12的催化下发生还原反应。需要说明的是，氧化电极11对应为阳极，还原电极12对应为阴极。

可以理解，所述高选择性催化燃料电池10还包括外部循环系统16。外部循环系统16包括传递电子的电路系统161。所述电路系统161连接氧化电极11和还原电极12，用于将所述氧化电极11催化含能剂19发生氧化反应产生的电子传递到所述还原电极12。氧化剂20在接收到电子之后，在还原电极12的催化下发生还原反应。当所述含能剂19发生氧化反应之后，生成氢离子h+，氢离子h+经过质子交换膜13进入到还原腔室15中，与还原腔室15中的氧化剂20还原反应产生的o^2-反应生成水h2o，从而源源不断的产生电能。

请继续参阅图1，外部循环系统16还包括含能剂供给系统162和氧化剂供给系统163。所述含能剂供给系统162用于将含能剂19直接供入到所述氧化腔室14中，所述氧化剂供给系统163用于将氧化剂20直接供入到所述还原腔室15中。在一些具体的实施方式中，可选地，含能剂供给系统162包括含能剂储液腔1621和含能剂泵送系统1622。其中含能剂泵送系统1622分别和含能剂储液腔1621和氧化腔室14相连，将存储在含能剂储液腔1621中的含能剂19直接泵入氧化腔室14中。同样地，氧化剂供给系统163包括氧化剂储液腔1631和氧化剂泵送系统1632，其中氧化剂泵送系统1632分别和氧化剂储液腔1631和还原腔室15相连，将存储在氧化剂储液腔1631中的氧化剂20直接泵入还原腔室15中。

传统的燃料电池中，必须要将作为还原剂的氢气或者氢气的混合气体先经过阳极，被阳极催化之后产生的氢离子再由阳极扩散到电解质内部，然后再由电解质扩散到阴极的一侧，因此其催化效率较低。而在本本发明中，将含能剂19和氧化剂20分别直接泵入氧化腔室14和还原腔室15中，含能剂19直接和氧化电极11接触，含能剂19被氧化电极11催化产生的氢离子经过质子交换膜13直接进入到还原腔室12中，能很好的提高催化效率，提高化学能转化为电能的效率。

为了提高氧化电极11和还原电极12的催化效率，所述氧化电极11和还原电极12采用高选择氧化电极11和高选择性还原电极12。高选择性氧化电极11能实现对含能剂19的快速吸附，对含能剂19氧化反应产生的电子的快速分离从而保证含能剂19的快速氧化。高选择性还原电极12同样的可以实现对氧化剂20以及氧化电极11传递过来的电子快速吸附，从而实现对氧化剂20的快速还原反应，从而保证了高选择性燃料电池10的高催化性能。

可选地，所述氧化电极11为金属纳米颗粒制成或者由高选择性氧化酶与石墨烯薄膜复合而成的薄膜。所述金属纳米颗粒包括铂、钯、金或者其他金属纳米颗粒中的任一种，所述高选择性氧化酶包括葡萄糖氧化酶和琥珀酸脱氢酶或者其他高选择性氧化酶中的任一种。

可选地，所述还原电极12由过渡金属材料制成或者由金属合金化合物纳米颗粒与石墨烯薄膜复合而成的薄膜。形成所述还原电极12的过渡金属材料包括fe、co、ni、cu和mn中的任一种，所述金属合金包括铂、镍、铜中的任一种和所述过渡金属中的任一种形成的金属合金化合物。所述过渡金属化合物纳米颗粒包括ptcu、nicu、fecu中的任一种。

可选地，所述质子交换膜13是现有的燃料电池用的质子膜，例如可为：磺化聚合物膜，复合膜，无机酸掺杂膜等。全氟磺酸型pem由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成，具有极高的化学稳定性，目前应用最广泛。其质子传导率在50℃的水中可达100mscm-1以上。全氟磺酸型pem主要有以下几种类型：美国杜邦公司的系列膜；美国陶氏化学公司的xus-b204膜；日本旭化成的aciplex膜；日本旭硝子的flemion膜；日本氯工程公司的c膜；加拿大ballard公司的bam型膜,其中最具代表性的是由美国杜邦公司研制的系列全氟磺酸质子交换膜13。

在一些具体的实施方式中，所述含能剂19包括葡萄糖水溶液、乙醇水溶液、维生素c水溶液和琥珀酸水溶液中的任一种，所述氧化剂20包括含氧溶液和维生素b水溶液中的任一种。

请参阅图2，所述高选择性催化燃料电池10还包括浓度检测系统17，所述浓度检测系统17用于检测所述氧化腔室14和所述还原腔室15中的含能剂19和氧化剂20的浓度，所述含能剂供给系统162和氧化剂供给系统163根据浓度检测系统17检测的浓度值调控供给速率。可选地，浓度检测系统17分别连接至氧化腔室14和还原腔室15，对氧化腔室14中的含能剂19和还原腔室15中的氧化剂20进行实时检测。浓度检测系统17为现有的液体浓度检测系统。比如可以配置一系列已知浓度的含能剂19和氧化剂20，对已知浓度的含能剂19和氧化剂20测量电压值，基于浓度和获得的电压值绘制标准曲线建立浓度和电压值的对应关系。然后基于建立的对应关系通过电位计即可实时测量含能剂19和氧化剂20的浓度。可以理解，为了分别对氧化腔室14中的含能剂19和还原腔室15中的氧化剂20的浓度进行测量，可以将检测系统17分为两个分支即可。

所述含能剂供给系统162和氧化剂供给系统163根据浓度检测系统17检测的浓度值调控供给速率，使得氧化腔室14中的氧化反应和还原腔室15中的还原反应均匀的进行。

以下对高选择性催化燃料电池10的工作过程进行介绍：

首先，含能剂19经含能剂供给系统162泵入到氧化腔室14中，氧化剂20经氧化剂供给系统163泵入到还原腔室中；

然后，含能剂19在高选择性氧化电极11的催化作用下，释放出电子，生成阳离子m⁺；电子经电路系统161传递到还原电极12，m⁺在电场作用及浓度梯度的驱动力下，经高反应活性流体透过质子交换膜13迁移至高选择性还原电极12；此处高反应活性流体可以理解为在氧化腔室14中的含能剂19以及发生了氧化反应的含能剂19的产物的混合物。

同时，氧化剂20，在还原电极12的催化作用下，结合电子生成阴离子n^-，构成回路，产生电流。

同时，含能剂供给系统162和氧化剂供给系统163根据实时检测的含能剂19浓度与氧化剂20浓度，对氧化腔室14和还原腔室15中的含能剂19与氧化剂20进行补充，同时排出产物，以维持反应腔室内部活性物质恒定浓度。

以下通过一个具体的实施方式对高选择性催化燃料电池10的工作过程进行介绍：

其中，

氧化电极11为：葡萄糖氧化酶修饰的石墨烯薄膜；

还原电极12为：ptcu合金纳米颗粒修饰的石墨烯薄膜；

质子交换膜13为：全氟磺酸质子交换膜13；

含能剂为：葡萄糖水溶液；

氧化剂为：含氧溶液，

如下为其工作过程：

首先，将葡萄糖水溶液和含氧溶液分别泵入到电池内部的氧化腔室14和还原腔室15中；

然后，在葡萄糖氧化酶—石墨烯薄膜电极的催化作用下，葡萄糖水溶液发生氧化反应，释放出电子与阳离子h+；电子经电路系统161传到还原电极12，h⁺在电场作用下，经高反应活性流体运输透过质子交换膜13迁移至mno^2-石墨烯薄膜电极。此处高反应活性流体可以理解为在氧化腔室14中的含能剂19以及发生了氧化反应的含能剂19的产物的混合物。

同时，在ptcu-石墨烯薄膜电极的催化作用下，氧气发生还原反应，得到电子生成阴离子o^2-；o^2-与高反应活性流体中分散的h⁺反应生成水，构成回路，产生电流。高反应活性流体可以理解为在还原腔室15中的氧化剂20以及发生了还原反应的氧化剂20的产物的混合物。

本发明的第二实施例提供一种高选择性燃料电池的应用，高选择性催化燃料电池10应用于电动汽车、航天飞机、潜艇、通讯系统、中小规模电站、家用电源。

相对于现有技术，本发明所提供的高选择性催化燃料电池具有如下的有益效果：

所述氧化腔室用于接收含能剂且所述氧化电极催化所述含能剂发生氧化反应，所述还原腔室用于接收氧化剂且所述还原电极催化所述氧化剂发生还原反应，所述氧化电极产生的电子经电路系统传递到所述还原电极，含能剂和氧化剂分别直接泵入氧化腔室和还原腔室中，含能剂直接和氧化电极接触，含能剂被氧化电极催化产生的氢离子直接经过质子交换膜直接进入到还原腔室中，能很好的提高催化效率，很好的避免了传统的燃料电池中，必须要将作为还原剂的氢气或者氢气的混合气体先经过阳极，被阳极催化之后产生的氢离子再由阳极扩散到电解质内部，然后再由电解质扩散到阴极的一侧，导致催化效率极低的缺陷。

所述氧化电极为金属纳米颗粒制成或者由高选择性氧化酶与石墨烯薄膜复合而成的薄膜，高选择性氧化电极能实现对含能剂的快速吸附，对含能剂氧化反应产生的电子的快速分离，提高催化效率。

所述氧化电极包括的金属纳米颗粒包括铂、钯和金中的任一种，所述高选择性氧化酶包括葡萄糖氧化酶，高选择性还原电极同样的可以实现对氧化剂以及氧化电极传递过来的电子快速吸附，从而实现对氧化剂的快速还原反应，从而保证了高选择性燃料电池的高催化性能。

通过设置浓度检测系统，能实时检测氧化腔室中的含能剂的浓度和还原腔室中氧化剂的浓度，使得含能剂供给系统和氧化剂供给系统能根据浓度检测系统检测获得的含能剂和氧化剂的浓度调控供给速率，以使得含能剂和氧化剂的浓度更均衡，保证催化反应的顺利进行。

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，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。