[发明专利]质子交换膜燃料电池电解质用双功能化离子液体

说明书

1.技术领域

本发明涉及离子液体合成及其在质子交换膜燃料电池的作为电解质的应用。 

2.背景技术

离子液体是一类低熔点有机盐(参见：Fernicola，A.；Scrosati，B.；Ohno，H.，Potentialities of ionic liquids as new electrolyte media in advanced electrochemical devices.Ionics 2006，12(2)，95-102.)，一般认为熔点低于100℃的盐即为离子液体。这类盐通常由体积较大且对称性较差的阳离子和体积相对较小而对称性良好的阴离子构成。离子液体具有电导高、蒸汽压低以及溶解能力强等特点，早期的离子液体被认为是一种可替代传统挥发性溶剂的绿色化学反应介质。随着对离子液体认识的逐渐深入探索，其应用已远超过当初的绿色化学的研究范畴，在电化学、太阳能电池、催化剂领域甚至医学、生物等领域都存在巨大的应用前景。近年来，离子液体作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的替代电解质的研究引起来极大兴趣(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.)，这主要是因为PEMFC的传统电解质膜-NAfion膜价格较高且在高温下不能运行等缺点。 

目前研究较多的是咪唑类离子液体，以这类离子液体为电解质的燃料电池的性能普遍很低，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.)。对于此种现象，很多研究者也提出了很多解释，例如有人认为是电池结构不合理，也有人提出是现有的测试设备不适合离子液体的PEMFC，还有人认为虽然离子液体虽然具有较高的电导，但是因为离子液体复合膜的电导相对较低，导致电池性能低下。我们研究组发现目前研究较多的咪唑类离子液体由于毒化燃料电池的Pt/C催化剂，很可能是导致电池性能低下的重要原因之一，因而提出了采用非咪唑类离子液体作为PEMFC电解质的设想，实验结果表明电池性能得到大幅提高，最高功率密度可以达到60mW cm^-2以上。虽然如此，该功率密度还是相对降低，有必要设法进一步提高电池性能。 

在以往的研究中，研究者关注较多的是离子液体的电导，而很少注意对PEMFC来说更为重要的一个参数，那就是质子电导。我们认为这是不合理的，因为离子液体的电导可能来自与多种离子的贡献，而只有质子的电导对PEMFC来说才是有效的电导，因而通过提高质子电导，很有可能是一种提高PEMFC性能的有效手段之一。 

本专利的目的便是提出一种提高质子电导的离子液体，以期提高以这类离子液体为电解质的燃料电池的电池性能。由于磺酸根是公认的质子传导基团，因而本专利拟向阴、阳离子同时引入该基团以达到上述目的。 

3发明内容

本发明目的在于开发一种低成本、操作简便、质子电导更高的阴、阳离子同时磺酸化的双功能离子液体以作为PEMFC的电解质。 

本发明通过以下方式实现。 

一种阴、阳离子同时磺酸化的非咪唑类离子液体的合成方法，它包括以下步骤： 

步骤1.将1，4丁磺酸内酯与三甲胺水溶液在50-80℃的水域中反应4-8小时，将水分蒸除后，得到白色固体-N，N，N三甲基丁磺酸铵([N1114SO₃]，这也是一种离子液体，但熔点过高，不适于做PEMFC的电解质。 

步骤2.将步骤1得到的产物与磺酸溶液反应。加入酸溶液后的体系搅拌2小时，得到离子液体[N1114SO₃H]CH₃SO₃^-的水溶液，将此溶液中的水采用旋转蒸发仪蒸除后，在真空干燥箱中120℃干燥24小时后得到最终产物。 

上述的离子液体的合成方法，步骤1中所述的1，4丁磺酸内酯的主要作用为引入磺酸根。