[发明专利]一种用作燃料电池碱性电解质的离子液体

说明书

1.技术领域

本发明涉及一种碱性燃料电池的新型电解质。

2.背景技术

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 Ionic Liquids and Salts as Versatile Carbon Precursors Journal of the American chemical 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。

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：

O₂+H₂O+4e^-＝4OH^-

2H₂+4OH^-＝4H₂O+4e^-

在碱性燃料电池中，电解质中的有效物种是从阴极向阳极迁移，与酸性燃料电池的迁移方向相反。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，碱性燃料电池的研究一直受到广泛重视。

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KHCO₃和(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。

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。

由于上述难以解决的问题存在，导致碱性燃料电池的研究几乎陷于停顿。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？

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([N11(12)4SO₃Na]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CO₂对电解质的毒化问题。

3发明内容

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。

本发明通过以下方式实现。

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：

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⁺11(12)4SO₃^-。

步骤2.将上述等mol量的N⁺11(12)4SO₃^-与KOH或NaOH反应，得到最终产物[N11(12)4SO₃Na]OH