一种用作燃料电池碱性电解质的离子液体的制作方法
【专利说明】
1.
技术领域
[0001]本发明涉及一种碱性燃料电池的新型电解质。
2.
【背景技术】
[0002]燃料电池一类将燃料中的化学能转化为电能的电化学装置(参见Shiguo Zhang,Muhammed Shah Miran， Ai Ikoma， Kaoru Dokko? and Masayoshi Watanabe Protic 1nicLiquids and Salts as Versatile Carbon Precursors Journal of the Americanchemical society2014(136) 1690-1693)。由于具有能量密度高、清洁、高效等优点，燃料电池被认为是一种较有希望替代传统污染性电源的电源。燃料电池种繁多，根据燃料的不同类型，可以分为氢氧燃料电池、直接甲醇燃料池等。而更为常见的一类分类方法是根据电解质类型进行分类，一般分为碱性燃料电池，酸性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池以及固体氧化物燃料电池等。其中质子交换膜燃料电池由于启动迅速、结构简单等独特优势，被认为是一类比较接近实用的燃料电池。
[0003]不过上述电池是在酸性条件下工作，在酸性环境下，燃料电池的阴极反应(氧还原反应)迟缓，因此对催化剂要求较高，而在碱性条件下由于氧还原反应相对较快，因而对催化剂的要求相对较低，因此开发了碱性燃料电池。在碱性条件下，燃料电池的电池反应为:
[0004]02+H20+4e—= 40H —
[0005]2H2+40H—= 4H 20+4e—
[0006]在碱性燃料电池中，电解质中的有效物种是从阴极向阳极迀移，与酸性燃料电池的迀移方向相反。因此，如果以甲醇为燃料，则可以在很大程度上缓解甲醇渗透的问题。由于具有上述优势，碱性燃料电池的研宄一直受到广泛重视。
[0007]但由于采用KOH和NaOH等强碱性电解质，空气中的二氧化碳易与电解质反应，生成KHCOJP (或)NaHCO3，导致电解质逐渐变质，并最终导致电池性能降低并失效。为了解决上述问题，一方面可以采用纯氧作为氧化剂，从而避免二氧化碳的引入。显然，采用纯氧一方面导致相对于空气成本升高，另一方面，由于需要氧气钢瓶，导致碱性燃料电池的整体体积增大，降低了其能量密度，难以发挥燃料电池高能量密度的优势。
[0008]因此，比较理想的氧化剂还是空气，为了除去二氧化碳，可以在空气的供气进料管设置吸收装置以清除空气少量的二氧化碳。但这样做一方面导致电池系统体积庞大，降低了电池的能量密度，另一方面还导致电池系统复杂。另外，吸收剂也需要不断更换，不但增加了操作难度，还增加了由于吸收剂带来的成本。
[0009]由于上述难以解决的问题存在，导致碱性燃料电池的研宄几乎陷于停顿。为解决上述问题，比较彻底的方式是开发一种新型的可以避免与二氧化碳反应的碱性电解质。在传统的碱性燃料电池中，电解质一般为强碱，为什么不能像酸性燃料电池中可以采用酸性盐(比如酸性离子液体)而采用某种碱性盐作为呢？
[0010]本专利的目的便是提出一种碱性盐类的溶液作为燃料电池的电解质。碱性盐种类繁多，我们在实验过程中，发现一种碱:氢氧化N，N，N-2甲基12烷基丁磺酸钠([NI I (12) 4S03Na] OH)。这种碱具有两性盐的性质，一般情况下呈碱性，其饱和溶液的pH值在9以上，有可能作为碱性电解质。另外，我们还发现这种碱难以与二氧化碳反应，因此可以在一定程度上解决0)2对电解质的毒化问题。
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【发明内容】
[0011]本发明目的在于开发一种低成本、环境友好、对催化剂毒性低的碱性燃料电池电解质。
[0012]本发明通过以下方式实现。
[0013]一种利用碱性盐类作为电解质的碱性燃料电池，它包括以下步骤:
[0014]步骤1.采用1，4 丁磺酸内酯与N，N-二甲基十二烷基叔胺反应，得到白色固体的两性盐:N，N，N-2甲基12烷基丁磺酸N+Il (12)4S03_。
[0015]步骤2.将上述等mol量的N+Il (12)4SCV与KOH或NaOH反应，得到最终产物[Nll(12)4S03Na] OH
[0016]步骤3.用滤纸或其他对碱性稳定的膜裁成45X45cm2的方形，浸泡于上述溶液中，两小时后取出作为电解质膜。
[0017]步骤4.将担载量为5mg cm_2的催化层裁成25X25cm2的方向，夹在电解质膜两侧组成膜电极组件(MEA)。
[0018]步骤5.将膜电极组件夹在两块刻有蛇形流程的石墨电极中间，两端采用不锈钢金属板和配套的螺栓螺母紧固，紧固压力为0.5MPa。然后以氢气为燃料，空气为氧化剂，采用钢瓶供气，供气流量为氢气和空气分别为10和20mL min—1.采用KIKUIPLZ0UA电子负载测试电池的放电性能，主要测试其开路电压、极化曲线等参数，对电池进行全面的评价。
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【附图说明】
[0019]图.1为本专利NaAc电解质燃料电池性能极化曲线，可见其最高功率密度可以达到 12mWcnT2。
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【具体实施方式】
[0020]以下给出本发明的2个最佳实施例。
[0021]实施例一:[Nll(12)4S03Na]0H 作为电解质
[0022](I)在容量瓶中加入0.lmol[Nll(12)4S03Na]0H，随后加蒸馏水至刻度线，加完后摇匀，配成溶液。
[0023](2)用滤纸或其他对碱性稳定的膜裁成45X45cm2的方形，浸泡于上述溶液中，两小时后取出作为电解质膜。
[0024]⑶将担载量为5mg cnT2的催化层裁成25 X 25cm2的方开$，夹在电解质膜两侧组成膜电极组件(MEA)。
[0025](4)将膜电极组件夹在两块刻有蛇形流程的石墨电极中间，两端采用不锈钢金属板和配套的螺栓螺母紧固，紧固压力为0.5MPa。然后以氢气为燃料，空气为氧化剂，采用钢瓶供气，供气流量为氢气和空气分别为10和20mL miiT1.采用KIKUIPLZ0UA电子负载测试电池的放电性能，主要测试其开路电压、极化曲线等参数，对电池进行全面的评价，最高功率密度可以达到1mW CnT2
[0026]实施例二: [Nil (12) 4S03K]OH作为电解质
[0027](I)在容量瓶中加入0.2mol[Nll(12)4S03K]0H，随后加蒸馏水至刻度线，加完后摇匀，配成溶液。
[0028](2)用滤纸或其他对碱性稳定的膜裁成45X45cm2的方形，浸泡于上述溶液中，两小时后取出作为电解质膜。
[0029]⑶将担载量为5mg cnT2的催化层裁成25 X 25cm2的方开$，夹在电解质膜两侧组成膜电极组件(MEA)。
[0030](4)将膜电极组件夹在两块刻有蛇形流程的石墨电极中间，两端采用不锈钢金属板和配套的螺栓螺母紧固，紧固压力为0.5MPa。然后以氢气为燃料，空气为氧化剂，采用钢瓶供气，供气流量为氢气和空气分别为10和20mL miiT1.采用KIKUIPLZOUA电子负载测试电池的放电性能，主要测试其开路电压、极化曲线等参数，对电池进行全面的评价，最高功率密度可以达到如附图-1所示的12mW cm_2。
【主权项】
1.一种用作燃料电池碱性电解质的离子液体 其特征在于: 采用了一种碱性盐用作碱性燃料电池(AFC)的电解质，由于这种电解质不与二氧化碳反应，一定程度避免了传统碱性燃料电池遇CO2性能降低的问题。2.如权利要求1所述，实验步骤如下: 步骤1.利用离子液体[Nll(12)4S03Na]0H的弱碱性作为燃料电池的电解质； 步骤2.将滤纸浸泡于步骤I所得到溶液； 步骤3.将步骤2浸泡了溶液的滤纸作为电解质膜，与催化层一起构成膜电极组件，组成单电池进行测试。
【专利摘要】本发明涉及一种利用[N11(12)4SO3Na]OH浓溶液作为电解质的碱性燃料电池，传统的碱性燃料电池多以KOH或NaOH等强碱溶液作为电解质。虽然这类电解质有较高的离子电导，但易与CO2反应，生成相应的碳酸盐或碳酸氢盐，导致电池性能降低。而离子液体[N11(12)4SO3Na]OH呈碱性，且碱性相对较弱，而且与二氧化碳反应，生成酸性强于碳酸的N11(12)4SO3H，导致碳酸盐很快反应再次生成CO2离开电解质，从而避免了二氧化碳给碱性燃料电池带来的问题。
【IPC分类】H01M8/08
【公开号】CN104993163
【申请号】CN201510394278
【发明人】高建, 秦伟, 谭小耀, 初园园, 卢素敏
【申请人】天津工业大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年7月3日