[发明专利]一种利用K2HPO4溶液作为电解质的碱性燃料电池

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直接连续地转化为电能的电化学装置(参见：Ye，H.，etal.″NewmembranesbasedonionicliquidsforPEMfuelcellsatelevatedtemperatures.″JournalofPowerSources178，.2(2008)：651-660.)。燃料电池具有能量密度高、清洁、高效等优点，被认为是一种较有希望替代传统污染性电源的电源。燃料电池种较多，可以根据电解质的不同分为酸性燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等。其中酸性燃料电池，比如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。

但是在酸性环境下，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^-

可见在碱性燃料电池中，电解质中的有效物种是从阴极向阳极迁移，这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。

但是，由于采用KOH和NaOH等强碱性电解质，空气中的二氧化碳很容易与电解质反应，生成碳酸盐和碳酸氢盐，导致电解质逐渐变质，并最终导致电池性能降低。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。显而易见，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，有研究者在空气的供气管线上设置了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，电解质一般都是强碱，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，比如醋酸的强碱盐是一类这种盐，但是醋酸根易于毒化催化剂，因此本专利避免了这类盐的使用。磷酸氢二盐是另一类碱性盐，其饱和溶液的pH值在8左右，因此，本专利重点研究了这类盐的溶液作为电解质的研究。

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盐类电解质，以用作碱性燃料电池的电解质。

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.将磷酸氢二钠配成溶液。

步骤2.用滤纸或其他对碱性稳定的膜裁成45×45cm²的方形，浸泡于上述溶液中，两小时后取出作为电解质膜。

步骤3.将担载量为5mgcm^-2的催化层裁成25×25cm²的方向，夹在电解质膜两侧组成膜电极组件(MEA)。

步骤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20mLmin^-1.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。

4附图说明

图1为本专利K2H₂PO₄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7mWcm^-2。

5具体实施方式

以下给出本发明的3个最佳实施例。