[發(fā)明專利]燃料電池

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080058276.5
• 申請日: 2010-10-22
• 公開（公告）號: CN102696140A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A·克魯斯;M·J·托德;D·E·麥卡菲;R·P·K·威爾斯
• 申請（專利權(quán)）人: 阿伯丁大學(xué)大學(xué)評議會
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M4/92;B01J23/30;B01J23/652
• 代理公司: 北京紀凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民;張全信

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)。

背景技術(shù)

關(guān)于這一點，燃料電池是電化電池，其中，燃料氧化反應(yīng)產(chǎn)生的能量變化被轉(zhuǎn)化為電能。在這方面，燃料電池由三個主要元件組成，也就是陽極、質(zhì)子傳導(dǎo)膜、以及陰極。將例如氫或有機材料形式的燃料送入燃料電池的陽極室，在那里將其氧化。然后，被直接用作燃料或源自有機材料分解的氫在燃料電池的陽極離解為質(zhì)子和電子。通過質(zhì)子傳導(dǎo)膜將質(zhì)子引導(dǎo)至陰極，同時，電子繞外部負載電路行進至陰極，因而產(chǎn)生電池的電流輸出。空氣、富氧空氣、或氧氣本身形式的氧化劑被送至陰極室，在此，通過與質(zhì)子和電子的化學(xué)反應(yīng)，將氧化劑還原，形成水。

一些燃料電池要求在高溫下（例如，600至1000℃之間）運行，以便以所需方式分解燃料。然而，加熱至該高溫不適合需要快速啟動時間的某些應(yīng)用，例如當(dāng)使用燃料電池驅(qū)動車輛時。另外，在高溫下運行快速損耗燃料電池部件和氣體密封，所以高溫燃料電池趨向于特別不耐久。

低溫燃料電池，例如質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）以及直接乙醇燃料電池（DEFC）通常在從室溫上至80℃的溫度范圍下運行，但是一些也能在高達200℃的溫度運行。該低溫燃料電池具有短啟動時間和長耐久力的優(yōu)點。另外，PEMFC具有比高溫燃料電池通常更小和更輕的優(yōu)點。

在低溫下，在陽極提供的貴金屬催化劑（通常為鉑），能夠幫助氫或碳氫化合物在PEMFC的陽極氧化。然而，與PEMFC相關(guān)的問題在于，在催化劑-陽極表面強烈吸附污染物一氧化碳。一氧化碳源自有機燃料諸如陽極室內(nèi)的甲醇或乙醇的分解，或者源自受一氧化碳污染的氫——因為源自重整碳氫化合物的氫能夠包含超過100ppm的一氧化碳。在高溫燃料電池中，通常易于將該一氧化碳氧化為二氧化碳，后者易于從電極表面脫附。然而，由于一氧化碳到二氧化碳的氧化在低溫下效率較低，所以在低溫燃料電池的催化劑-陽極表面吸附一氧化碳，因而阻塞陽極處的氫氧化反應(yīng)的活性部位。雖然貴金屬催化劑，諸如鉑有效地催化氫的離解，但是其關(guān)于一氧化碳氧化的功能有限。隨著時間過去，氫氧化活性部位的阻塞引起電池性能明顯降低。

已探索從低溫PEMFC陽極清除一氧化碳的各種方法。

一種這類方法包含在運行期間脈沖電池電壓。然而，發(fā)現(xiàn)該方法干擾電池的能量輸出，如果需要恒定能量輸出時不期望該情況。

另一種方法包含將空氣引入陽極室。然而，這明顯降低了開路電池的電勢，并且因此降低電池性能。

而另一種方法已使用雙金屬催化劑，其包含貴金屬和非貴金屬，諸如鉑和釕的合金。然而，發(fā)現(xiàn)其在一氧化碳濃度超過25ppm時不防止電極中毒。已研究其他雙金屬或三金屬催化劑，諸如Pt/Ni、Pt/Co、Pt/Ru/Ni和Pt/Ni/Co。然而，在該系統(tǒng)中，非貴合金金屬需要顯示許多特性：如常使用Nafion（RTM）（四氟乙烯和全氟聚醚磺酸的共聚物）作為電解質(zhì)材料，因而產(chǎn)生強的全氟磺酸環(huán)境，非貴金屬必須在該環(huán)境中穩(wěn)定；同樣地，非貴金屬必須具有用于水離解反應(yīng)和從吸附的CO和吸附的OH形成COOH的低活化能。

不論上述方法如何，存在對提供這樣的燃料電池，尤其是PEMFC、DMFC和DEFC的需求，其能夠通過提供對一氧化碳污染陽極的增強耐受水平，而提高已知燃料電池的效率。

發(fā)明內(nèi)容

由于上述問題，本申請人已研究通過降低陽極處存在的污染物一氧化碳的量而提高燃料電池諸如PEMFC、DMFC或DEFC的效率的方法。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供用于燃料電池的陽極組件，該陽極組件具有陽極催化劑部件，所述陽極催化劑部件包含貴金屬催化劑和光催化劑，并且提供所述光催化劑，用于在受入射輻射的照射后增強污染物一氧化碳的氧化；陽極組件還包含電流收集裝置，其被電耦合至催化劑部件，并且對于所述入射輻射和燃料電池的燃料是多孔的；以及流板（flow?plate），其引入包含提供入射輻射的光源。

現(xiàn)有低溫燃料電池依賴于使用非常純凈的氫或已預(yù)純化的燃料作為燃料源。提供用于增強污染物一氧化碳的氧化的光催化劑允許產(chǎn)生具有一氧化碳耐受陽極組件的低溫燃料電池。該電池因而能夠利用碳氫化合物氣體或液體，諸如甲醇或乙醇作為燃料源，而無需凈化器和/或重整器。這降低該低溫燃料電池的體積(bulk)和運行成本。也降低了貴重的金屬催化劑負荷，這明顯降低燃料電池成本。另外，當(dāng)在DEFC中使用時，本發(fā)明的布置展示增加的電池效率。