[發(fā)明專利]燃料電池用的外殼和使用該外殼的燃料電池

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010168155.8
• 申請(qǐng)日: 2006-09-15
• 公開（公告）號(hào): CN101901881A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 山口英久;川內(nèi)祐治;安藤節(jié)夫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 日立金屬株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01M2/02
• 分類號(hào): H01M2/02
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 陳平

本申請(qǐng)是發(fā)明創(chuàng)造名稱為“燃料電池用的外殼和使用該外殼的燃料電池”的中國(guó)申請(qǐng)200680034112.2(原國(guó)際申請(qǐng)PCT/JP2006/318350，申請(qǐng)日2006年9月15日)的分案申請(qǐng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于通過利用液體燃料諸如甲醇產(chǎn)生電的液體燃料電池的外殼，所述外殼包含電極、質(zhì)子交換膜等；以及涉及包含所述外殼的燃料電池。

背景技術(shù)

近年來，在電子設(shè)備領(lǐng)域中，根據(jù)技術(shù)上的進(jìn)展，由移動(dòng)電話和個(gè)人數(shù)字助理所代表的小型便攜式電子設(shè)備得到了迅速的發(fā)展。在這種情況下，這種電子設(shè)備的電池存在的需求是所述電池小型并且可長(zhǎng)時(shí)間使用。至于這樣的電池，存在從常規(guī)的單一用途的一次電池到二次電池的工業(yè)范圍的轉(zhuǎn)變，所述二次電池可以重復(fù)充電和放電。所述二次電池的實(shí)例是鎳氫二次電池，并且已經(jīng)開發(fā)出了實(shí)現(xiàn)更高性能的電池。還開發(fā)出了另一種二次電池，即，具有更高性能的鋰離子二次電池，并且已經(jīng)獲得可靠的(certain)性能。鋰離子二次電池正在接近普遍的商業(yè)化。然而，便攜式電子設(shè)備正在顯著地獲得更多功能和更高性能，因此提高了設(shè)備的功率消耗。因而需要可以保證便攜式電子設(shè)備充分長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的高性能電池。在這些情況下，作為替代二次電池的下一代電池的燃料電池得到了關(guān)注。

利用氫氣作為它們的燃料的燃料電池一般提供高的功率密度。因而已經(jīng)開發(fā)了利用氫燃料的聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)，作為用于高速可移動(dòng)體如電動(dòng)汽車的的電源，或作為用于家庭、辦公室、倉(cāng)庫(kù)等的分散型電源。

一般地，PEFC是通過將多個(gè)電池單元層壓以構(gòu)成層壓體而形成的，由此提高了功率輸出。每一個(gè)電池單元都是由氫電極(陽(yáng)極)、氧電極(陰極)和安插在所述電極之間的質(zhì)子交換膜(PEM)構(gòu)成的膜電極組件(MEA)。

通過將氫提供給氫電極作為燃料并且提供氧或空氣給氧電極作為氧化劑，電池單元經(jīng)由氫電極中發(fā)生的氧化反應(yīng)和氧電極中發(fā)生的還原反應(yīng)而獲得電動(dòng)勢(shì)。將鉑(platinum)催化劑用于所述電極中以促進(jìn)電極中的電化學(xué)反應(yīng)。氫電極上產(chǎn)生的質(zhì)子(氫離子)經(jīng)由PEM移動(dòng)到氧電極。

然而，利用PEFC的燃料電池不適合作為電子設(shè)備諸如小型便攜式設(shè)備的電源，因?yàn)樗鲭姵鼐哂袉栴}，如用于提供氫氣燃料的下部結(jié)構(gòu)需要改良并且每單位體積氫氣的能量密度低。為了克服這樣的問題，已經(jīng)研究了重整型的燃料電池，其中氫通過重整烴燃料或液體燃料諸如甲醇獲得。然而，這樣的燃料電池也不適合作為便攜式設(shè)備等的電源，因?yàn)樗鋈剂想姵匦枰剂想姵乇旧硪酝獾闹卣O(shè)備。

作為適用于燃料電池尺寸減小的技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)了直接甲醇燃料電池(DMFC)，其具有類似于PEFC的發(fā)電電池構(gòu)造并且通過將甲醇作為燃料直接提供到陽(yáng)極電極而實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極氧化反應(yīng)。將甲醇直接提供到陽(yáng)極的DMFC是在通常溫度可操作的電功率發(fā)生器。DMFC具有容易實(shí)現(xiàn)其尺寸減小的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榧状既剂鲜侵苯犹峁┑疥?yáng)極上的并且DMFC不需要用于從液體燃料提取氫的重整設(shè)備。甲醇具有高能量密度并且提供操作的容易性。

DMFC使用濃度為3質(zhì)量％至64質(zhì)量％的甲醇水溶液作為陽(yáng)極燃料。根據(jù)陽(yáng)極化學(xué)方程式：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e，對(duì)于1摩爾甲醇需要1摩爾水，并且甲醇水溶液在這種情況下的濃度是64質(zhì)量％。甲醇燃料濃度越高，單位能量下的包含燃料容器的電池容積可以減少得越多。然而，甲醇濃度越高，其中甲醇穿過質(zhì)子交換器與在陰極側(cè)上的氧反應(yīng)，由此降低輸出電壓的竄度現(xiàn)象(crossover?phenomenon)變得越顯著。為了抑制所述現(xiàn)象，根據(jù)要使用的質(zhì)子交換器的甲醇滲透性確定最佳甲醇濃度。DMFC的陰極化學(xué)方程式是3/2O₂+6H⁺+6e→H₂O，并且DMFC使用空氣中的氧作為陰極燃料。

用于將陽(yáng)極燃料和陰極燃料提供到電極的催化劑層的方法分別包括通過利用輔助機(jī)器諸如泵實(shí)現(xiàn)所述燃料的強(qiáng)制循環(huán)的有源模式；和不利用輔助機(jī)器，通過在氣體燃料情況下將催化劑層暴露于空氣或者通過在液體燃料情況下利用毛細(xì)管作用或重力下降而提供燃料的無源模式。所述有源模式具有優(yōu)勢(shì)，諸如通過提供空氣而能夠高功率輸出，和通過循環(huán)在陰極產(chǎn)生的水而能夠使用高濃度甲醇燃料，但是這種方式具有難以實(shí)現(xiàn)尺寸減小的缺點(diǎn)，因?yàn)樾枰o助機(jī)器提供燃料以及由所述輔助機(jī)器的電力消耗。無源模式具有適于實(shí)現(xiàn)尺寸減小的優(yōu)點(diǎn)，但是這種方式具有難以獲得高功率輸出的缺點(diǎn)，因?yàn)樘峁┤剂馅呌谧兂伤俣葲Q定步驟。