一种高温离子液体基燃料电池制造技术

本发明专利技术属于电化学及能源材料技术领域，公开了一种高温离子液体基燃料电池，本发明专利技术的燃料电池的阴极中包含具有三元电导率(电子、质子、氧离子)的非铂基氧催化剂，使用具有高稳定性以及高离子电导率的离子液体制备离子液体基电解质隔膜应用到燃料电池中，可以配合性地使燃料电池具有优异的效果，本发明专利技术的燃料电池可在250～350℃稳定工作，可以直接使用碳氢作为燃料，可有效解决目前质子交换膜燃料电池中对铂等贵金属催化剂的高依赖性、燃料单一性(只能使用纯氢气做燃料)、催化剂易中毒、水热管理系统复杂等问题，本发明专利技术的燃料电池可以是双腔室燃料电池或单腔室燃料电池，有望实现其在交通工具、便携式发电装置等领域的广泛应用。

High temperature ionic liquid base fuel cell

The invention belongs to the technical field of electrochemical energy and materials, and discloses a high temperature ionic liquid fuel cell, fuel cell cathode of the invention contains three yuan (electron, proton conductivity, oxygen ion) non platinum based catalyst, with high stability and high ionic conductivity of ionic liquid prepared by ion liquid electrolyte fuel cell can be applied to, with the fuel cell has an excellent effect, the fuel cell of the invention can be used in the 250 to 350 DEG C stability, can be used directly as a hydrocarbon fuel, which can effectively solve the problem of high current proton exchange fuel, dependent on platinum catalysts of fuel cell membrane in the single (only use pure hydrogen as fuel), catalyst poisoning and complex water heat management system, fuel cell of the invention can be double chamber Fuel cells or single chamber fuel cells are expected to be widely used in transportation, portable power generation and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种高温离子液体基燃料电池
本专利技术属于电化学及能源材料
，涉及一种燃料电池，尤其涉及一种高温离子液体基燃料电池。
技术介绍
燃料电池作为一种能量转换装置，具有高效、清洁、易模块化、环境适应性强、不需要并网发电等优点，因此，可被广泛应用于固定式发电系统、家用分布式电源、交通运输、便携式电子设备等国民生产生活领域，是未来清洁能源产业最具潜力的技术之一。目前，最受科学家及工程技术人员关注的两类燃料电池——交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)——都因各自的局限性而无法产业化，如PEMFC具有高度依赖铂催化剂、碳氢燃料副产物易毒化催化剂、质子导体易损失、水热管理系统复杂、以及燃料单一(只能使用纯氢气)等缺点；而SOFC的工作温度被限制在600℃以上，从而引起制备工艺复杂、造价高、对材料热兼容性要求高等问题。因而有必要开发一种制备低成本、可直接使用碳氢燃料、无需水管理系统等优点的燃料电池。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种高温离子液体基燃料电池，本专利技术的燃料电池可以在250℃～350℃的范围内稳定工作，可解决现有质子燃料电池高度依赖铂催化剂、催化剂易中毒、质子导体易损失、水热管理系统复杂等问题以及固体氧化物燃料电池的工作温度被限制在600℃以上引起制备工艺复杂、造价高、对材料热兼容性要求高等问题。为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种燃料电池，尤其是一种高温离子液体基燃料电池，所述燃料电池的阴极中包含具有三元电导率的非铂基氧催化剂，而且，所述燃料电池中的电解质隔膜为离子液体基电解质隔膜。本专利技术所述“具有三元电导率的非铂基氧催化剂”指：该非铂基氧催化剂具有电子电导率、质子电导率以及氧离子电导率。本专利技术所述“离子液体基电解质隔膜”指：该电解质隔膜的制备过程中加入了离子液体作为原料。本专利技术的离子液体基电解质隔膜中的离子液体具有高稳定性(250℃～350℃)以及高离子电导率(σ>0.1S/cm)。本专利技术通过限定燃料电池的阴极中包含具有三元电导率的非铂基氧催化剂，并配合性地限定燃料电池中的电解质隔膜为离子液体基电解质隔膜，可以制备得到能够在250℃～350℃稳定工作的燃料电池。而且，该燃料电池可以以碳氢作为燃料，既可以做成单腔室的燃料电池，又可以做成双腔室的燃料电池。本专利技术的燃料电池的燃料可以是碳氢燃料，比如烷烃类燃料或液体石油等。优选地，所述具有三元电导率的非铂基氧催化剂包括但不限于Ba1-yCoxFe0.8-xZr0.1Y0.1O3-δ(其中，0≤x≤0.8，0≤y≤0.1，δ为晶格中的氧空位含量)、BaZrO锆基系列、BaCeO铈基系列、BaPrO镨基系列、LiNiCoO系列中的任意一种或至少两种的。本专利技术中的具有三元电导率的非铂基氧催化剂可以是市售的，也可以是制备得到的，比如可以参照现有技术中的方法[ChuanchengDuan,JianhuaTong,MengShang,StefanNikodemski,MichaelSanders,SandrineRicote,AliAlmonsoori,RyanO’Hayre.Readilyprocessedprotonicceramicfuelcellswithhighperformanceatlowtemperatures[J].Scincexpress23July2015/10.1126/sicence.aab3987]进行制备。优选地，所述离子液体基电解质隔膜中的离子液体的离子电导率σ＞0.1S/cm，例如σ为0.15S/cm、0.2S/cm、0.3S/cm、0.35S/cm、0.4S/cm、0.5S/cm、0.6S/cm或0.8S/cm等。优选地，所述离子液体基电解质隔膜中的离子液体为亲水性离子液体或疏水性离子液体中的任意一种。优选地，所述离子液体基电解质隔膜中的离子液体为咪唑类、吡咯类、吡啶类或哌啶类中的任意一种或至少两种的组合，优选为[Bmim][BF4]、[dema][TFO]、[Nim][TFO]、[C3OHmin][BF4]中的任意一种或至少两种的组合。作为本专利技术所述燃料电池的优选技术方案，所述离子液体基电解质隔膜为聚酰亚胺/离子液体复合电解质隔膜、固体氧化物/离子液体复合电解质隔膜或离子液体基复合凝胶电解质隔膜中的任意一种。优选地，所述聚酰亚胺/离子液体复合电解质隔膜通过如下方法制备得到：将聚酰亚胺PI树脂粉溶于溶剂中，然后向得到的溶液中滴入离子液体，搅拌得到均匀溶液，去除溶剂，得到聚酰亚胺/离子液体复合电解质隔膜(简称为PI/IL复合电解质隔膜)。优选地，所述溶剂包括但不限于二甲基甲酰胺(N,N-Dimethylformamide，DMF)、N-甲基吡咯烷酮(1-Methyl-2-pyrrolidinone，NMP)或二甲基乙酰胺(Dimethylacetamide，DMAc)中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述离子液体与PI树脂粉的质量比为1:9～9:1，例如为1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2或9:1等。优选地，去除溶剂的方式为真空蒸发溶剂或自然挥发溶剂中的任意一种。优选地，所述真空蒸干的温度为60℃。优选地，所述固体氧化物/离子液体复合电解质隔膜中的固体氧化物为：固体氧化物燃料电池中的固体氧化物电解质，例如可以是电解质支撑型固体氧化物燃料电池中的固体氧化物电解质，也可以是阳极支撑型固体氧化物燃料电池中的固体氧化物电解质。优选地，所述固体氧化物为氧离子导体型氧化物或质子导体型氧化物中的任意一种或两种的组合。优选地，所述氧离子导体型氧化物包括氧化钐掺杂的氧化铈(Sm-DopedCeria，SDC)、氧化钆掺杂的氧化铈(Gadolinia-DopedCeria，GDC)、氧化钇稳定掺杂的氧化锆YSZ或镁掺杂镓酸镧LSGM中的任意一种或至少两种的组合，但并不限于上述列举的物质，其他本领域常用的氧离子导体型氧化物也可用于本专利技术。优选地，所述质子导体型氧化物包括BaZr0.8Y0.2O3-δ或BaCe0.6Zr0.3Y0.1O3-δ中的任意一种或两种的组合，其中，δ为晶格中的氧空位含量，但并不限于上述列举的物质，其他本领域常用的质子导体型氧化物也可用于本专利技术。优选地，所述固体氧化物/离子液体复合电解质隔膜通过如下方法制备得到：以固体氧化物作为基底，在基底上真空浸渍离子液体，干燥，得到固体氧化物/离子液体复合电解质隔膜。本专利技术所述“在基底上真空浸渍离子液体”可以是直接在固体氧化物基底上真空浸渍离子液体；也可以是在将不含离子液体的固体氧化物与阴极结合之后，从阴极一端真空浸渍离子液体，利用毛细作用力使离子液体浸入到电解质隔膜中，形成固体氧化物/离子液体复合电解质隔膜。优选地，所述离子液体基复合凝胶电解质隔膜通过如下两种方式中的任意一种制备得到：方式一：将离子液体、聚氧化乙烯PEO与二苯甲酮Bp混匀，加热并保温，紫外线UV照射，得到凝胶，然后采用玻璃纤维隔膜浸泡凝胶，然后取出烘干，得到离子液体基复合凝胶电解质隔膜。方式二：将离子液体、PEO与Bp混匀，加热并保温，UV照射，得到凝胶，然后将得到的凝胶刮涂于玻璃纤维隔膜上，烘干，得到离子液体基复合凝胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池的阴极中包含具有三元电导率的非铂基氧催化剂，而且，所述燃料电池中的电解质隔膜为离子液体基电解质隔膜。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池的阴极中包含具有三元电导率的非铂基氧催化剂，而且，所述燃料电池中的电解质隔膜为离子液体基电解质隔膜。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述具有三元电导率的非铂基氧催化剂包括Ba1-yCoxFe0.8-xZr0.1Y0.1O3-δ，BaZrO锆基系列、BaCeO铈基系列、BaPrO镨基系列、LiNiCoO系列中的任意一种或至少两种的组合，其中0≤x≤0.8，0≤y≤0.1，δ为晶格中的氧空位含量；优选地，所述离子液体基电解质隔膜中的离子液体的离子电导率σ＞0.1S/cm；优选地，所述离子液体基电解质隔膜中的离子液体为亲水性离子液体或疏水性离子液体中的任意一种；优选地，所述离子液体基电解质隔膜中的离子液体为咪唑类、吡咯类、吡啶类或哌啶类中的任意一种或至少两种的组合，优选为[Bmim][BF4]、[dema][TFO]、[Nim][TFO]、[C3OHmin][BF4]中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述离子液体基电解质隔膜为聚酰亚胺/离子液体复合电解质隔膜、固体氧化物/离子液体复合电解质隔膜或离子液体基复合凝胶电解质隔膜中的任意一种。4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述聚酰亚胺/离子液体复合电解质隔膜通过如下方法制备得到：将聚酰亚胺PI树脂粉溶于溶剂中，然后向得到的溶液中滴入离子液体，搅拌得到均匀溶液，去除溶剂，得到聚酰亚胺/离子液体复合电解质隔膜；优选地，所述溶剂包括二甲基甲酰胺DMF、N-甲基吡咯烷酮NMP或二甲基乙酰胺DMAc中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述离子液体与PI树脂粉的质量比为1:9～9:1；优选地，去除溶剂的方式为真空蒸发溶剂或自然挥发溶剂中的任意一种；优选地，所述真空蒸干的温度为60℃。5.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述固体氧化物/离子液体复合电解质隔膜中的固体氧化物为：固体氧化物燃料电池中的固体氧化物电解质；优选地，所述固体氧化物为氧离子导体型氧化物或质子导体型氧化物中的任意一种；优选地，所述氧离子导体型氧化物包括氧化钐掺杂的氧化铈SDC、氧化钆掺杂的氧化铈GDC、氧化钇稳定掺杂的氧化锆YSZ或镁掺杂镓酸镧LSGM中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述质子导体型氧化物包括BaZr0.8Y0.2O3-δ或BaCe0.6Zr0.3Y0.1O3-δ中的任意一种或两种的组合，其中，δ为晶格中的氧空位含量；优选地，所述固体氧化物/离子液体复合电解质隔膜通过如下方法制备得到：以固体氧化物作为基底，在所述基底上真空浸渍离子液体，干燥，得到固体氧化物/离子液体复合电解质隔膜。6.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述离子液体基复合凝胶电解质隔膜通过如下两种方式中的任意一种制备得到：方式一：将离子液体、聚氧化乙烯PEO与二苯甲酮Bp混匀，加热并保温，紫外线UV照射，得到凝胶，然后采用玻璃纤维隔膜浸泡凝胶，然后取出烘干，得到离子液体基复合凝胶电解质隔膜；方式二：将离子液体、PEO与Bp混匀，加热并保温，UV照射，得到凝胶，然后将得到的凝胶刮涂于玻璃纤维隔膜上，烘干，得到离子液体基复合凝胶电解质隔膜；优选地，所述方式一和方式二中，离子液体与PEO的质量比独立地为2:1～15:1；优选地，所述方式一和方式二中，PEO与Bp的质量比均为20:1；优选地，所述方式一和方式二中，加热到的温度独立地为87℃～150℃；优选地，所述方式一和方式二中，保温的时间独立地为1h～24h。7.根据权利要求1-6任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池的电极中包含扩散层，所述扩散层为疏离子液体的扩散层；优选地，所述电极为阴极和/或阳极。8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，当燃料电池中的离子液体基电解质隔膜为聚酰亚胺/离子液体复合电解质隔膜或离子液体基复合凝胶电解质隔膜中的任意一种时，所述燃料电池中的电极通过如下方法制备得到：(A)以碳纸为基底，在碳纸基底上均匀刷涂疏离子液体的浆料，干燥，得到位于碳纸基底上的疏离子液体的扩散层；(B)配制均匀的电极浆料，然后滴入粘合剂，超声分散均匀形成墨水状的浆料，然后干燥至得到膏状物；(C)将步骤(B)得到的膏状物均匀涂覆于步骤(A)的位于碳纸基底上的疏离子液体的扩散层的表面，干燥，得到电极；优选地，所述电极为阴极或阳极中的任意一种；优选地，步骤(A)所述疏离子液体的浆料中的疏离子液体为亲水性聚合物或疏水性聚合物中的任意一种；优选地，步骤(A)所述疏离子液体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐保民，李向楠，张杰，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44