[发明专利]一种高温聚合物电解质膜燃料电池

说明书

本发明公开了一种高温聚合物电解质膜燃料电池,包括前端板、双极板、膜电极和后端板；双极板和膜电极可作为重复单元叠加与前端板、后端板组成高温聚合物电解质膜燃料电池的电堆；阳极使用氢气作为燃料，阴极使用二氧化碳作为燃料；膜电极包括高温聚合物电解质膜以及高温聚合物电解质膜两侧的气体扩散电极，高温聚合物电解质膜为酸掺杂耐高温膜，气体扩散电极上的催化层分别与酸掺杂耐高温膜的两个面紧密贴接，机械组装气体扩散电极及酸掺杂耐高温膜得到膜电极，该燃料电池有效的利用了CO₂，解决了传统方法中电化学还原CO₂成本高，能耗大的问题，将低能耗资源化的利用CO₂成为可能，具有经济、社会双重意义。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种高温聚合物电解质膜燃料电池。

背景技术

能源和环境是当今世界两大热点问题。在我国，约80％以上的能源供应仍然依赖煤、石油和天然气等化石燃料。由此造成的CO₂大量排放导致全球环境和气候变化，严重威胁到人类的健康福祉。因此，寻求新的能源供应方式，降低和消除碳(CO₂)排放，成为能源与环境领域备受关注的重大科学问题。

资源化利用CO₂主要可通过生物还原、光化学还原、热化学还原、电化学还原等。生物还原技术的优势是酶催化剂带来的立体定向性和产物选择性非常高，且合成过程环保、可持续性强。但是该技术的主要缺点在于：微生物(酶)的活性温度区间很窄，对生存环境的要求较为苛刻，且生物还原CO₂反应器仍处于探索阶段。光化学还原技术的最大优势在于其可直接利用太阳能，并实现C的循环利用。但实际上现有光催化剂的吸收光范围较窄，对太阳光的利用效率较低。此外，光催化剂对CO₂的吸附能力较差、光生电子-空穴分离效率不高等因素也是制约光化学还原技术发展的重要原因。热化学还原是当前CO₂还原的主要方法，但这种方法需要高温高压，输入输出能量不匹配。而电化学还原方法则能较好地避开这些缺点，在常温常压下便可进行，所以对反应装置要求低，体系简单，造价低廉，操作条件温和。同时，通过改变电位还可控制反应速度及产物的分布，进一步生产甲酸、甲醇、乙醇、甲烷等高附加值的有机产品，其过程的能源利用效率高。电化学还原CO₂相对于其他还原方法具有更好的应用前景，目前已成为研究的重点。

目前国内外电化学还原CO₂的研究主要是在电解池中进行的，目前面临的主要问题有电解池电压高、CO₂转化效率低等。中国发明专利201110144708.2公开了一种使用膜反应器电化学还原CO₂的方法，该膜反应器包括一燃料电池，一腔体，一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室及阳极室。使用时，将阴极电解液以及二氧化碳持续通入阴极室，同时将阳极电解液以及阳极活性物质持续通入阳极室，利用燃料电池提供电解电压以还原CO₂。该膜反应器可以大通量、连续地处理CO₂，以提高其还原效率。但该专利公开的膜反应器结构复杂、价格较高、同时需要消耗大量电能，导致其电化学还原CO₂的成本较高，无法大规模推广。中国发明专利201710574530.0采用浸渍焙烧方法制备出了锌银合金催化剂，这种制备方法简单易控、具有良好的工艺放大能力，且一定程度上降低了CO₂还原所需的电解电压、提高了CO₂转化效率。然而，其采用液体电解液，具有体积大，成本高等缺点，并且其转化率也不高。

燃料电池作为一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置，被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术，其具有发电效率高，环境污染小，比能量高等优点，其包括阴极和阳极，阳极加入还原剂燃料，阴极加入氧化剂燃料，通过电化学反应，产生电流。

发明内容

本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种高温聚合物电解质膜燃料电池，目的在于实现低能耗甚至无能耗资源化利用CO₂。