本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種高溫電堿鹽聯(lián)產(chǎn)直接甲酸鹽燃料電池。

背景技術(shù)：

近年來，曾支撐20世紀(jì)人類文明高速發(fā)展的以石油、煤炭和天然氣為主的化石能源出現(xiàn)了前所未有的危機(jī)，除其儲藏量不斷減少外，更嚴(yán)重的是科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，化石能源在使用后產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w作為溫室效應(yīng)氣體排放到大氣中后，人為地導(dǎo)致了全球變暖，引發(fā)了人們對未來社會(huì)發(fā)展動(dòng)力來源的廣泛關(guān)注和思考。不少國家的能源戰(zhàn)略都有一個(gè)明顯的政策導(dǎo)向——鼓勵(lì)開發(fā)新能源，這既是國際市場上石油等傳統(tǒng)能源產(chǎn)品價(jià)格高昂壓力所致(非常時(shí)期除外)，也是人類可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。因此，新能源開發(fā)有可能成為未來最重要的經(jīng)濟(jì)增長引擎，成為最有創(chuàng)造就業(yè)和財(cái)富能力的新經(jīng)濟(jì)支柱。燃料電池由于體積小，效率高，無污染等優(yōu)點(diǎn)而走進(jìn)人們的視線。而其中直接甲酸鹽燃料電池由于其具有：1)電池燃料成本低，無毒，可作為食品添加劑；2)電池燃料穩(wěn)定，易溶解，易于存儲與運(yùn)輸；3)電池燃料高理論能量密度等優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注。

傳統(tǒng)的甲酸鹽燃料電池以陰離子膜燃料電池為主，并且需要加入額外的電解質(zhì)(例如氫氧化鈉、氫氧化鉀等)。由于陰離子膜存在著熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，所以受到高溫的限制。另外，加入額外的電解質(zhì)(例如氫氧化鈉、氫氧化鉀等)會(huì)降低系統(tǒng)的理論能量密度，增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和投入成本等。此外，傳統(tǒng)的氯堿工業(yè)制備燒堿的同時(shí)，需要消耗清潔的電力能源，并且在此過程中會(huì)對環(huán)境造成污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種耐高溫，無需加入額外電解質(zhì)，非鉑體系的高溫電堿鹽聯(lián)產(chǎn)直接甲酸鹽燃料電池(簡稱為na-dffc)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：包括陽極極板、陰極極板以及設(shè)置在其間將其分隔成陽極腔和陰極腔的傳導(dǎo)鈉離子的陽離子交換膜，所述的傳導(dǎo)鈉離子的陽離子交換膜的陽極腔一側(cè)從內(nèi)至外依次設(shè)置有陽極催化層和陽極擴(kuò)散層，傳導(dǎo)鈉離子的陽離子交換膜的陰極腔一側(cè)從內(nèi)至外依次設(shè)置有陰極催化層和陰極擴(kuò)散層，所述的陽極催化層采用的催化劑為pd基或au基金屬材料；所述的陰極催化層采用的催化劑為過渡金屬fe、co、ni或碳材料即碳納米管、石墨烯或碳；所述的陽極催化層、陰極催化層采用中性聚四氟乙烯粘結(jié)劑，將催化劑和聚四氟乙烯混合物涂覆在陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層內(nèi)表面。

所述的陽極、陰極擴(kuò)散層采用帶有微孔層的碳紙作為支撐材料，將催化劑與粘結(jié)劑聚四氟乙烯形成的漿液涂覆在碳紙帶有微孔層的一面，在陽極、陰極擴(kuò)散層的內(nèi)側(cè)形成陽極、陰極催化層。

所述的陽極腔反應(yīng)物采用甲酸鈉溶液、陰極腔反應(yīng)物為氧化劑和水。

所述的陰極腔反應(yīng)物中的氧化劑采用純氧或來自于空氣中的氧氣。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下有益效果：

1)采用發(fā)展比較成熟的陽離子膜取代傳統(tǒng)的陰離子膜，克服了陰離子交換膜離子傳導(dǎo)率低，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。以聚四氟乙烯(ptfe)替代傳統(tǒng)的離子交換樹脂作為粘結(jié)劑，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠在較高的溫度下運(yùn)行，降低了活化損失及電池內(nèi)阻，有利于反應(yīng)物的傳輸，從而提高了電池的性能。

2)相對于傳統(tǒng)的直接液體燃料電池，本發(fā)明在不加入額外電解質(zhì)(例如氫氧化鈉)的前提下，也可以高效運(yùn)行，既提高了本發(fā)明體系的理論能量密度，又降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本投入。

3)本發(fā)明陽極采用非pt體系的催化劑即pd基或au基金屬材料替代傳統(tǒng)的碳載鉑催化劑，降低了電池的成本，有利于電池的推廣和應(yīng)用。

進(jìn)一步的陽極甲酸鹽氧化反應(yīng)生成碳酸鹽，其中的碳酸根離子水解生成的氫氧根離子，使得溶液中的堿性增強(qiáng)，有利于提高電池的反應(yīng)性能，同時(shí)生成的碳酸鈉還可以用作化工原料廣泛的應(yīng)用在玻璃、冶金等重要國民工業(yè)中。

鈉離子通過陽離子膜傳導(dǎo)到陰極，與陰極氧氣和水生成的氫氧根結(jié)合生成氫氧化鈉，整個(gè)反應(yīng)隨著氫氧化鈉的生成從一開始的界面二維反應(yīng)逐漸變?yōu)槿S立體反應(yīng)，改善了陰極氧氣的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性。同時(shí)，相對于傳統(tǒng)的氯堿工業(yè)消耗電力制備堿而言，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)在陰極生成堿的同時(shí)還伴隨著電力的輸出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1，傳導(dǎo)鈉離子的陽離子交換膜，2，陽極擴(kuò)散層，3，陰極擴(kuò)散層，4，陽極催化層，5，陰極催化層，6，陽極極板，7，陰極極板。

圖2為本發(fā)明燃料電池體系的電池性能圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋與說明。

參見圖1，本發(fā)明包括陽極極板6、陰極極板7以及設(shè)置在其間將其分隔成陽極腔和陰極腔的傳導(dǎo)鈉離子的陽離子交換膜1，陽極腔反應(yīng)物采用甲酸鈉、陰極腔反應(yīng)物為氧化劑和水，氧化劑采用純氧或來自于空氣中的氧氣，傳導(dǎo)鈉離子的陽離子交換膜1的陽極腔一側(cè)從內(nèi)至外依次設(shè)置有陽極催化層4和陽極擴(kuò)散層2，傳導(dǎo)鈉離子的陽離子交換膜1的陰極腔一側(cè)從內(nèi)至外依次設(shè)置有陰極催化層5和陰極擴(kuò)散層3，所述的陽極、陰極擴(kuò)散層2、3采用帶有微孔層的碳紙作為支撐材料，將催化劑與粘結(jié)劑聚四氟乙烯形成的漿液涂覆在碳紙帶有微孔層的一面，在陽極、陰極擴(kuò)散層2、3的內(nèi)側(cè)形成陽極、陰極催化層4、5。

其中，陽極催化劑為pd基或au基金屬材料；陰極催化劑采用過渡金屬fe、co、ni或碳材料即碳納米管、石墨烯或碳。

本發(fā)明的甲酸鈉溶液通過燃料入口進(jìn)入陽極腔，在催化劑的催化作用下，溶液中的甲酸鈉被氧化成為碳酸鈉，溶液中由于甲酸鈉水解生成的氫氧化鈉以及甲酸鈉的氧化產(chǎn)物碳酸鈉水解生成的氫氧化鈉用于甲酸鈉的氧化，鈉離子通過傳導(dǎo)納離子的陽離子交換膜傳導(dǎo)到陰極，生成的電子通過外電路到達(dá)陰極，同時(shí)氧氣和水在催化劑的催化作用下反應(yīng)生成的氫氧根離子，與通過傳導(dǎo)鈉離子的陽離子交換膜傳導(dǎo)過來的鈉離子結(jié)合生成氫氧化鈉。

本發(fā)明無需加入額外電解質(zhì)，大大降低了體系的復(fù)雜性。此外，由于本發(fā)明采用陽離子交換膜以及聚四氟乙烯(ptfe)作為粘結(jié)劑，更是克服了傳統(tǒng)的陰離子膜甲酸鹽燃料電池的不耐高溫缺點(diǎn)，使得本燃料電池體系能夠在相對較高的溫度下運(yùn)行，大幅度提高了電池性能。

本發(fā)明的陽極氧化反應(yīng)所需要的氫氧根來自于甲酸鹽溶液自身的水解，因而不需要加入額外的電解質(zhì)(氫氧化鈉)；陽極氧化反應(yīng)所需要的氫氧根的傳導(dǎo)是依靠自身溶液，因而在電極的制備過程中不需要加入相應(yīng)的離子交換樹脂；鈉離子的傳導(dǎo)依靠甲酸鈉溶液自身，不需要加入額外的電解質(zhì)(如氫氧化鈉)來傳導(dǎo)鈉離子。

本發(fā)明采用的甲酸鹽可以由空氣中的二氧化碳在高法拉第效率下電化學(xué)還原獲得。由此生成的甲酸鹽，作為化學(xué)能的載體，借助于本發(fā)明能夠直接轉(zhuǎn)換成電能，具有清潔無污染和高能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)。此外，與傳統(tǒng)的氯堿工藝通過消耗電能制取燒堿不同，氫氧化鈉在本發(fā)明中可以作為副產(chǎn)品獲得，同時(shí)沒有電能的消耗和環(huán)境的污染?？偟膩碚f，本發(fā)明體系在對外產(chǎn)電的同時(shí)產(chǎn)生化工原料(氫氧化鈉、碳酸鈉)。

采用本發(fā)明的燃料電池體系，在給定的實(shí)驗(yàn)條件下，即陽極反應(yīng)物濃度為1.0m的甲酸鈉，陽極流量為1ml·min^-1，陰極的氧化劑為無加濕的純氧，陰極流量為5sccm，電池的操作溫度為90℃，獲得的燃料電池電壓隨著電流密度的變化曲線以及電池的功率密度隨電流密度變化的實(shí)驗(yàn)曲線如圖2所示。由圖2可以看出，在沒有優(yōu)化的前提下，其功率密度達(dá)到了28mw·cm^-2，最大電流密度達(dá)到了120ma·cm^-2。