[發明專利]質子交換膜燃料電池電解質用雙功能化離子液體

在審

• 申請號: 201410696322.4
• 申請日: 2014-11-25
• 公開（公告）號: CN104447425A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 高建;徐敏楠;匡雨靜;譚小耀;初園園;盧素敏
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: C07C309/14
• 分類號: C07C309/14;C07C309/04;C07C303/32;H01M8/10
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1.技術領域

本發明涉及離子液體合成及其在質子交換膜燃料電池的作為電解質的應用。?

2.背景技術

離子液體是一類低熔點有機鹽(參見：Fernicola，A.；Scrosati，B.；Ohno，H.，Potentialities?of?ionic?liquids?as?new?electrolyte?media?in?advanced?electrochemical?devices.Ionics?2006，12(2)，95-102.)，一般認為熔點低于100℃的鹽即為離子液體。這類鹽通常由體積較大且對稱性較差的陽離子和體積相對較小而對稱性良好的陰離子構成。離子液體具有電導高、蒸汽壓低以及溶解能力強等特點，早期的離子液體被認為是一種可替代傳統揮發性溶劑的綠色化學反應介質。隨著對離子液體認識的逐漸深入探索，其應用已遠超過當初的綠色化學的研究范疇，在電化學、太陽能電池、催化劑領域甚至醫學、生物等領域都存在巨大的應用前景。近年來，離子液體作為質子交換膜燃料電池(PEMFC)的替代電解質的研究引起來極大興趣(Ye，H.，et?al.″New?membranes?based?on?ionic?liquids?for?PEM?fuel?cells?at?elevated?temperatures.″Journal?of?Power?Sources?178，.2(2008)：651-660.)，這主要是因為PEMFC的傳統電解質膜-NAfion膜價格較高且在高溫下不能運行等缺點。?

目前研究較多的是咪唑類離子液體，以這類離子液體為電解質的燃料電池的性能普遍很低，一般最大功率密度只有1mW?cm^-2左右(Sekhon，S.S.，et?al.″Physicochemical?properties?of?proton?conducting?membranes?based?on?ionic?liquid?impregnated?polymer?for?fuel?cells.″Journal?of?Materials?Chemistry?16，23(2006)：2256-2265.)。對于此種現象，很多研究者也提出了很多解釋，例如有人認為是電池結構不合理，也有人提出是現有的測試設備不適合離子液體的PEMFC，還有人認為雖然離子液體雖然具有較高的電導，但是因為離子液體復合膜的電導相對較低，導致電池性能低下。我們研究組發現目前研究較多的咪唑類離子液體由于毒化燃料電池的Pt/C催化劑，很可能是導致電池性能低下的重要原因之一，因而提出了采用非咪唑類離子液體作為PEMFC電解質的設想，實驗結果表明電池性能得到大幅提高，最高功率密度可以達到60mW?cm^-2以上。雖然如此，該功率密度還是相對降低，有必要設法進一步提高電池性能。?

在以往的研究中，研究者關注較多的是離子液體的電導，而很少注意對PEMFC來說更為重要的一個參數，那就是質子電導。我們認為這是不合理的，因為離子液體的電導可能來自與多種離子的貢獻，而只有質子的電導對PEMFC來說才是有效的電導，因而通過提高質子電導，很有可能是一種提高PEMFC性能的有效手段之一。?

本專利的目的便是提出一種提高質子電導的離子液體，以期提高以這類離子液體為電解質的燃料電池的電池性能。由于磺酸根是公認的質子傳導基團，因而本專利擬向陰、陽離子同時引入該基團以達到上述目的。?

3發明內容

本發明目的在于開發一種低成本、操作簡便、質子電導更高的陰、陽離子同時磺酸化的雙功能離子液體以作為PEMFC的電解質。?

本發明通過以下方式實現。?

一種陰、陽離子同時磺酸化的非咪唑類離子液體的合成方法，它包括以下步驟：?

步驟1.將1，4丁磺酸內酯與三甲胺水溶液在50-80℃的水域中反應4-8小時，將水分蒸除后，得到白色固體-N，N，N三甲基丁磺酸銨([N1114SO₃]，這也是一種離子液體，但熔點過高，不適于做PEMFC的電解質。?

步驟2.將步驟1得到的產物與磺酸溶液反應。加入酸溶液后的體系攪拌2小時，得到離子液體[N1114SO₃H]CH₃SO₃^-的水溶液，將此溶液中的水采用旋轉蒸發儀蒸除后，在真空干燥箱中120℃干燥24小時后得到最終產物。?

上述的離子液體的合成方法，步驟1中所述的1，4丁磺酸內酯的主要作用為引入磺酸根。?