[发明专利]一种塑料燃料电池系统

说明书

本发明公开了一种塑料燃料电池系统，属于燃料电池材料技术领域。本发明将塑料与碳基电催化剂、导电剂复合，构成复合材料负极，并将其直接用于燃料电池体系。本发明在具有稳定电化学窗口的液态电解液中，利用碳基催化剂降低塑料电化学氧化反应能垒，实现了塑料的完全氧化过程，获得了稳定的电压电流输出。本发明操作简便、适用于多种塑料材料，为废弃塑料制品的回收再利用提供了广阔的前景，并未新型清洁能源的获取提供新的途径。

技术领域:

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种塑料燃料电池系统。

背景技术:

目前全世界累积生产的塑料制品，如聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺等，总量已经达到80亿吨，其中仅有9％被回收利用，12％被通过焚烧方式进行降解，剩余79％的废弃塑料制品，只能通过陆地或深海填埋的方式进行处理。被填埋的废弃塑料制品，即使经历上百年也很难自然降解，会给自然环境带来极大的危害。目前唯一能够快速消除废弃塑料污染的方法，是通过热处理将塑料进行解构，如通过燃烧的方式将塑料中的C、H、O、N等元素直接转化为CO₂、H₂O、NO₂等气体，或通过热解的方式将塑料转化为单体。上述方法的弊端在于，塑料在空气中难以充分燃烧，并伴随产生大量有毒、有害气体。通过热解的方式对塑料进行处理，又会导致巨大的能耗。因此，开发可控、绿色环保且低能耗甚至无能耗的废弃塑料降解与转化的方法，对缓解塑料制品带来的环境危害具有重大意义。

针对上述问题，通过电化学的方式，利用塑料燃料电池体系实现对塑料的降解与转化，能够实现无污染降解塑料并将化学能直接转换为电能作为清洁能源。因此，该过程能够实现含碳废弃物的再利用并产生清洁能源，对实现碳达峰、碳中和的目标具有重大意义。

发明内容:

为了实现废弃塑料制品的回收再利用，本发明的目的在于提供一种塑料燃料电池系统。通过合理的设计与选择电解液、催化剂、集流体、粘结剂、导电剂与隔膜，并制备塑料复合负极，与氧气或空气正极匹配后能够实现废弃塑料的有效电化学完全氧化降解，并输出电能作为清洁能源。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种塑料燃料电池系统，包括塑料复合负极、隔离膜、氧气或空气多孔正极和液态电解液，其中：所述塑料复合负极以塑料作为负极活性物质，将含有塑料、负极催化剂、导电剂和粘结剂的负极浆料涂刮于负极集流体并烘干后制成塑料复合负极；所述氧气或空气多孔正极是将含有正极催化剂和导电剂的负极膜片与具有网孔的正极集流体压制复合而成的多孔片状结构；将所述塑料复合负极、隔离膜、氧气或空气正极和电解液放置于扣式电池或电解池外壳中，然后所得整体结构置于含氧气氛中，再利用电化学工作站连接正负极的集流体，监控该电池系统放电电压与电流。

所述塑料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮等含碳、氢、氧、硫、氮、氟等元素的塑料或其化学改性衍生物。

所述负极催化剂为碳基催化剂，所述碳基催化剂为金属和/或非金属元素掺杂改性的碳材料(石墨烯、碳纳米管、石墨炔、多孔碳、石墨和炭黑中的一种或几种)；或者，所述碳基催化剂为金属和/或非金属元素掺杂改性的碳材料与无机非金属材料、有机材料或金属材料的复合。

所述液态电解液是由电解质溶解于溶剂中制成，电解质浓度为0-20mol/L；所述溶剂为水、醚类、酯类、酮类、醛类和离子液体中的一种或几种混合，所述电解质为一元或多元有机、无机酸、碱和盐中的一种或几种混合。

所述塑料燃料电池系统中，氧气或空气多孔正极的上方对应的部分电池外壳为多孔结构；所述含氧气氛(正极使用的气体)为纯氧气或空气，或者，所述含氧气氛为包含任意比例氧气成分的各类混合气体。

所述正极催化剂为金属箔、铁、铜等各类纯金属；或者，所述正极催化剂为氮化硼、氧化铜或磷化镍等各类非金属；或者，所述正极催化剂为石墨烯、碳纳米管等各类碳材料和其改性材料中的一种或几种的复合。