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

背景技術(shù)：

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，需要更多的化石燃料的燃燒才能夠滿足日益增長(zhǎng)的能量需求，由此產(chǎn)生了環(huán)境污染和能源短缺兩大危機(jī)。所以一種高效，可再生，零排放的能量體系亟待出現(xiàn)。燃料電池由于其體積小，效率高，無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)而走進(jìn)人們的視線。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(wú)毒，可作為食品添加劑；2)電池燃料穩(wěn)定，易溶解，易于存儲(chǔ)與運(yùn)輸；3)電池燃料高理論能量密度等優(yōu)點(diǎn)，因而倍受關(guān)注。

傳統(tǒng)的甲酸鹽燃料電池大部分是陰離子膜燃料電池，即使是最先進(jìn)的陰離子膜也存在著離子傳導(dǎo)率低及熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性差的不足，并且需要加入額外的電解質(zhì)(例如氫氧化鈉、氫氧化鉀等)，一方面對(duì)環(huán)境不友好，另一方面降低了電池燃料的理論能量密度且增加了體系的復(fù)雜性以及成本投入。另外，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(guò)程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)需加入額外電解質(zhì)，非鉑體系，同時(shí)在無(wú)污染或零污染前提下，對(duì)外輸出電力，且伴隨著重要化工原料：氫氧化鈉和碳酸鈉的生成的電堿鹽聯(lián)產(chǎn)直接甲酸鹽燃料電池(簡(jiǎn)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(yáng)極極板、陰極極板以及設(shè)置在其間將其分隔成陽(yáng)極腔和陰極腔的傳導(dǎo)鈉離子的陽(yáng)離子交換膜，所述的傳導(dǎo)鈉離子的陽(yáng)離子交換膜的陽(yáng)極腔一側(cè)從內(nèi)至外依次設(shè)置有陽(yáng)極催化層和陽(yáng)極擴(kuò)散層，傳導(dǎo)鈉離子的陽(yáng)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(yáng)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(guò)渡金屬fe、co、ni或碳材料即碳納米管、石墨烯或碳。

所述的陽(yáng)極催化層以陰離子交換樹(shù)脂作為粘結(jié)劑，將催化劑顆粒粘結(jié)在一起的同時(shí)，也起到了傳輸離子的作用。

所述的陰極催化層使用聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑。

所述的陽(yáng)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)劑形成的漿液直接涂覆在碳紙帶有微孔層的一面，將陽(yáng)極、陰極催化層制備在陽(yáng)極、陰極擴(kuò)散層上。

所述的陽(yáng)極腔反應(yīng)物采用甲酸鈉、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(lái)自于空氣中的氧氣。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下有益效果。采用發(fā)展比較成熟的陽(yáng)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)。

進(jìn)一步的本發(fā)明采用pd基或au基金屬材料為陽(yáng)極催化劑替代傳統(tǒng)的貴金屬鉑催化劑，降低了電池的成本，有利于電池的推廣和應(yīng)用。

相對(duì)于傳統(tǒng)的直接液體燃料電池，本發(fā)明電堿鹽聯(lián)產(chǎn)直接甲酸鹽燃料電池在不加入額外電解質(zhì)的前提下，也可以高效運(yùn)行，既提高了本發(fā)明系統(tǒng)理論能量密度，又降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本投入。

陽(yáng)極甲酸鈉氧化反應(yīng)生成碳酸鈉，其中的碳酸根離子水解生成氫氧根離子，使得溶液中的堿性增強(qiáng)，更加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(guó)民工業(yè)中。

鈉離子通過(guò)陽(yáng)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(kāi)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(duì)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)在陰極生成堿的前提下，伴隨著電力的輸出。

陽(yáng)極由陰離子交換樹(shù)脂和pd基或au基金屬材料催化劑構(gòu)成，由于陰離子交換樹(shù)脂的存在，使得氧化反應(yīng)所需要的氫氧根離子能夠更加有效的傳輸?shù)饺喾磻?yīng)界面點(diǎn)。陰極以聚四氟乙烯(ptfe)替代傳統(tǒng)的膜溶液為粘結(jié)劑，具有疏水特性的ptfe更加有利于氧氣在陰極的傳輸，并且更加環(huán)保，成本低廉。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明制備的電池的性能圖。

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

具體實(shí)施方式

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

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明包括陽(yáng)極極板6、陰極極板7以及設(shè)置在其間將其分隔成陽(yáng)極腔和陰極腔的傳導(dǎo)鈉離子的陽(yáng)離子交換膜1，所述的傳導(dǎo)鈉離子的陽(yáng)離子交換膜1的陽(yáng)極腔一側(cè)從內(nèi)至外依次設(shè)置有陽(yáng)極催化層2和陽(yáng)極擴(kuò)散層4，傳導(dǎo)鈉離子的陽(yáng)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3和陰極擴(kuò)散層5，陽(yáng)極、陰極擴(kuò)散層4、5采用帶有微孔層的碳紙作為其支撐材料，將催化劑與粘結(jié)劑形成的漿液直接涂覆在碳紙帶有微孔層的一面，在陽(yáng)極、陰極擴(kuò)散層4、5的內(nèi)側(cè)形成陽(yáng)極、陰極催化層2、3，其中陽(yáng)極催化層2采用的催化劑為pd基或au基金屬材料、陰極催化層3采用的催化劑為過(guò)渡金屬fe、co、ni或碳材料即碳納米管、石墨烯或碳，陽(yáng)極催化層2以陰離子交換樹(shù)脂作為粘結(jié)劑，將催化劑顆粒粘結(jié)在一起的同時(shí)，也起到了傳輸離子的作用，陰極催化層3使用聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑。

本發(fā)明的陽(yáng)極腔反應(yīng)物采用甲酸鈉、陰極腔反應(yīng)物為氧化劑和水，其中的氧化劑采用純氧或來(lái)自于空氣中的氧氣。

本發(fā)明的實(shí)施方式包括以下步驟：甲酸鈉溶液通過(guò)陽(yáng)極極板6上的燃料入口進(jìn)入陽(yáng)極腔，在陽(yáng)極催化層2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(guò)傳導(dǎo)鈉離子的陽(yáng)離子交換膜1傳導(dǎo)到陰極，生成的電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，同時(shí)氧氣和水在陰極催化層3催化劑的催化作用下反應(yīng)生成的氫氧根離子，與通過(guò)傳導(dǎo)鈉離子的陽(yáng)離子交換膜1傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的鈉離子結(jié)合生成氫氧化鈉。

本發(fā)明無(wú)需加入額外電解質(zhì)，提高了系統(tǒng)能量密度的同時(shí)，大大降低了體系的復(fù)雜性。此外，由于本發(fā)明在采用傳導(dǎo)鈉離子的陽(yáng)離子交換膜前提下，陽(yáng)極由陰離子交換樹(shù)脂和催化劑構(gòu)成，更加有利于氧化甲酸鹽時(shí)所需要的氫氧根離子傳輸?shù)较鄳?yīng)的三相反應(yīng)界面點(diǎn)，降低電池的內(nèi)阻，從而提高電池性能。

本發(fā)明的甲酸鹽可以由大氣中二氧化碳在高法拉第效率下電化學(xué)還原生成。由此生成的甲酸鹽，作為化學(xué)能的載體，通過(guò)本發(fā)明燃料電池體系直接轉(zhuǎn)換成電能，具有清潔無(wú)污染和高能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)。此外，與傳統(tǒng)的氯堿工藝消耗電力制取燒堿不同，氫氧化鈉可以作為副產(chǎn)品獲得，同時(shí)沒(méi)有電能的消耗和環(huán)境的污染。總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明體系對(duì)外輸出電力的同時(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(yáng)極反應(yīng)物濃度為1.0m的甲酸鈉，陽(yáng)極流量為1ml·min^-1，陰極的氧化劑為無(wú)加濕的純氧，陰極流量為100sccm，電池的操作溫度為60℃。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(méi)有優(yōu)化的前提下，其功率密度達(dá)到了21mw·cm^-2，最大電流密度達(dá)到了110ma·cm^-2。證實(shí)了本發(fā)明體系理論上的可行性。