电碱盐联产直接甲酸盐燃料电池的制作方法

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种电碱盐联产直接甲酸盐燃料电池。

背景技术：

随着全球经济的飞速发展，需要更多的化石燃料的燃烧才能够满足日益增长的能量需求，由此产生了环境污染和能源短缺两大危机。所以一种高效，可再生，零排放的能量体系亟待出现。燃料电池由于其体积小，效率高，无污染等优点而走进人们的视线。其中直接甲酸盐燃料电池由于其具有：1)电池燃料成本低，无毒，可作为食品添加剂；2)电池燃料稳定，易溶解，易于存储与运输；3)电池燃料高理论能量密度等优点，因而倍受关注。

传统的甲酸盐燃料电池大部分是阴离子膜燃料电池，即使是最先进的阴离子膜也存在着离子传导率低及热稳定性和化学稳定性差的不足，并且需要加入额外的电解质(例如氢氧化钠、氢氧化钾等)，一方面对环境不友好，另一方面降低了电池燃料的理论能量密度且增加了体系的复杂性以及成本投入。另外，传统的氯碱工业制备烧碱的同时，需要消耗清洁的电力能源，并且在此过程中会对环境造成污染。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无需加入额外电解质，非铂体系，同时在无污染或零污染前提下，对外输出电力，且伴随着重要化工原料：氢氧化钠和碳酸钠的生成的电碱盐联产直接甲酸盐燃料电池(简称为na-dffc)。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：包括阳极极板、阴极极板以及设置在其间将其分隔成阳极腔和阴极腔的传导钠离子的阳离子交换膜，所述的传导钠离子的阳离子交换膜的阳极腔一侧从内至外依次设置有阳极催化层和阳极扩散层，传导钠离子的阳离子交换膜的阴极腔一侧从内至外依次设置有阴极催化层和阴极扩散层。

所述的阳极催化层采用的催化剂为pd基或au基金属材料。

所述的阴极催化层采用的催化剂为过渡金属fe、co、ni或碳材料即碳纳米管、石墨烯或碳。

所述的阳极催化层以阴离子交换树脂作为粘结剂，将催化剂颗粒粘结在一起的同时，也起到了传输离子的作用。

所述的阴极催化层使用聚四氟乙烯作为粘结剂。

所述的阳极、阴极扩散层采用带有微孔层的碳纸作为支撑材料，将催化剂与粘结剂形成的浆液直接涂覆在碳纸带有微孔层的一面，将阳极、阴极催化层制备在阳极、阴极扩散层上。

所述的阳极腔反应物采用甲酸钠、阴极腔反应物为氧化剂和水。

所述的阴极腔反应物中的氧化剂采用纯氧或来自于空气中的氧气。

本发明相对于现有技术，具有如下有益效果。采用发展比较成熟的阳离子膜取代传统的阴离子膜，克服了阴离子交换膜离子传导率低，热稳定性和化学稳定性差的缺点。

进一步的本发明采用pd基或au基金属材料为阳极催化剂替代传统的贵金属铂催化剂，降低了电池的成本，有利于电池的推广和应用。

相对于传统的直接液体燃料电池，本发明电碱盐联产直接甲酸盐燃料电池在不加入额外电解质的前提下，也可以高效运行，既提高了本发明系统理论能量密度，又降低了系统的复杂性和成本投入。

阳极甲酸钠氧化反应生成碳酸钠，其中的碳酸根离子水解生成氢氧根离子，使得溶液中的碱性增强，更加有利于提高电池的反应性能，同时生成的碳酸钠还可以用作化工原料广泛的应用在玻璃、冶金等重要国民工业中。

钠离子通过阳离子膜传导到阴极，与阴极氧气和水生成的氢氧根结合生成氢氧化钠，整个反应随着氢氧化钠的生成从一开始的界面二维反应逐渐变为三维立体反应，改善了阴极氧气的反应动力学特性。同时，相对于传统的氯碱工业消耗电力制备碱而言，本发明的燃料电池系统在阴极生成碱的前提下，伴随着电力的输出。

阳极由阴离子交换树脂和pd基或au基金属材料催化剂构成，由于阴离子交换树脂的存在，使得氧化反应所需要的氢氧根离子能够更加有效的传输到三相反应界面点。阴极以聚四氟乙烯(ptfe)替代传统的膜溶液为粘结剂，具有疏水特性的ptfe更加有利于氧气在阴极的传输，并且更加环保，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明制备的电池的性能图。

图中：1，传导钠离子的阳离子交换膜，2，阳极催化层，3，阴极催化层，4，阳极扩散层，5，阴极扩散层，6，阳极极板，7，阴极极板。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释与说明。

参见图1，本发明包括阳极极板6、阴极极板7以及设置在其间将其分隔成阳极腔和阴极腔的传导钠离子的阳离子交换膜1，所述的传导钠离子的阳离子交换膜1的阳极腔一侧从内至外依次设置有阳极催化层2和阳极扩散层4，传导钠离子的阳离子交换膜1的阴极腔一侧从内至外依次设置有阴极催化层3和阴极扩散层5，阳极、阴极扩散层4、5采用带有微孔层的碳纸作为其支撑材料，将催化剂与粘结剂形成的浆液直接涂覆在碳纸带有微孔层的一面，在阳极、阴极扩散层4、5的内侧形成阳极、阴极催化层2、3，其中阳极催化层2采用的催化剂为pd基或au基金属材料、阴极催化层3采用的催化剂为过渡金属fe、co、ni或碳材料即碳纳米管、石墨烯或碳，阳极催化层2以阴离子交换树脂作为粘结剂，将催化剂颗粒粘结在一起的同时，也起到了传输离子的作用，阴极催化层3使用聚四氟乙烯作为粘结剂。

本发明的阳极腔反应物采用甲酸钠、阴极腔反应物为氧化剂和水，其中的氧化剂采用纯氧或来自于空气中的氧气。

本发明的实施方式包括以下步骤：甲酸钠溶液通过阳极极板6上的燃料入口进入阳极腔，在阳极催化层2催化剂的催化作用下，溶液中的甲酸钠被氧化成为碳酸钠，溶液中由于甲酸钠水解生成的氢氧化钠以及甲酸钠的氧化产物碳酸钠水解生成的氢氧化钠用于甲酸钠的氧化，钠离子通过传导钠离子的阳离子交换膜1传导到阴极，生成的电子通过外电路到达阴极，同时氧气和水在阴极催化层3催化剂的催化作用下反应生成的氢氧根离子，与通过传导钠离子的阳离子交换膜1传导过来的钠离子结合生成氢氧化钠。

本发明无需加入额外电解质，提高了系统能量密度的同时，大大降低了体系的复杂性。此外，由于本发明在采用传导钠离子的阳离子交换膜前提下，阳极由阴离子交换树脂和催化剂构成，更加有利于氧化甲酸盐时所需要的氢氧根离子传输到相应的三相反应界面点，降低电池的内阻，从而提高电池性能。

本发明的甲酸盐可以由大气中二氧化碳在高法拉第效率下电化学还原生成。由此生成的甲酸盐，作为化学能的载体，通过本发明燃料电池体系直接转换成电能，具有清洁无污染和高能量转换效率的优点。此外，与传统的氯碱工艺消耗电力制取烧碱不同，氢氧化钠可以作为副产品获得，同时没有电能的消耗和环境的污染。总的来说，本发明体系对外输出电力的同时产生化工原料(氢氧化钠、碳酸钠)。

采用本发明的燃料电池体系，在给定的实验条件下，即阳极反应物浓度为1.0m的甲酸钠，阳极流量为1ml·min^-1，阴极的氧化剂为无加湿的纯氧，阴极流量为100sccm，电池的操作温度为60℃。获得的燃料电池电压随着电流密度的变化曲线以及电池的功率密度随电流密度变化的实验曲线如图2所示，由图2可以看出，在没有优化的前提下，其功率密度达到了21mw·cm^-2，最大电流密度达到了110ma·cm^-2。证实了本发明体系理论上的可行性。