[发明专利]燃料电池用的外壳和使用该外壳的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于通过利用液体燃料诸如甲醇产生电的液体燃料电池的外壳，所述外壳包含电极、质子交换膜等；以及涉及包含所述外壳的燃料电池。 

背景技术

近年来，在电子设备领域中，根据技术上的进展，由移动电话和个人数字助理所代表的小型便携式电子设备得到了迅速的发展。在这种情况下，这种电子设备的电池存在的需求是所述电池小型并且可长时间使用。至于这样的电池，存在从常规的单一用途的一次电池到二次电池的工业范围的转变，所述二次电池可以重复充电和放电。所述二次电池的实例是镍氢二次电池，并且已经开发出了实现更高性能的电池。还开发出了另一种二次电池，即，具有更高性能的锂离子二次电池，并且已经获得可靠的(certain)性能。锂离子二次电池正在接近普遍的商业化。然而，便携式电子设备正在显著地获得更多功能和更高性能，因此提高了设备的功率消耗。因而需要可以保证便携式电子设备充分长时间连续工作的高性能电池。在这些情况下，作为替代二次电池的下一代电池的燃料电池得到了关注。 

利用氢气作为它们的燃料的燃料电池一般提供高的功率密度。因而已经开发了利用氢燃料的聚合物电解质燃料电池(PEFC)，作为用于高速可移动体如电动汽车的的电源，或作为用于家庭、办公室、仓库等的分散型电源。 

一般地，PEFC是通过将多个电池单元层压以构成层压体而形成的，由此提高了功率输出。每一个电池单元都是由氢电极(阳极)、氧电极(阴极)和安插在所述电极之间的质子交换膜(PEM)构成的膜电极组件(MEA)。 

通过将氢提供给氢电极作为燃料并且提供氧或空气给氧电极作为氧化剂，电池单元经由氢电极中发生的氧化反应和氧电极中发生的还原反应而获得电动势。将铂(platinum)催化剂用于所述电极中以促进电极中的电化学反应。氢电极上产生的质子(氢离子)经由PEM移动到氧电极。 

然而，利用PEFC的燃料电池不适合作为电子设备诸如小型便携式设备的电源，因为所述电池具有问题，如用于提供氢气燃料的下部结构需要改良并且每单位体积氢气的能量密度低。为了克服这样的问题，已经研究了重整型的燃料电池，其中氢通过重整烃燃料或液体燃料诸如甲醇获得。然而，这样的燃料电池也不适合作为便携式设备等的电源，因为所述燃料电池需要除燃料电池本身以外的重整设备。 

作为适用于燃料电池尺寸减小的技术，已经开发了直接甲醇燃料电池(DMFC)，其具有类似于PEFC的发电电池构造并且通过将甲醇作为燃料直接提供到阳极电极而实现阳极氧化反应。将甲醇直接提供到阳极的DMFC是在通常温度可操作的电功率发生器。DMFC具有容易实现其尺寸减小的优点，因为甲醇燃料是直接提供到阳极上的并且DMFC不需要用于从液体燃料提取氢的重整设备。甲醇具有高能量密度并且提供操作的容易性。 

DMFC使用浓度为3质量％至64质量％的甲醇水溶液作为阳极燃料。根据阳极化学方程式：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e，对于1摩尔甲醇需要1摩尔水，并且甲醇水溶液在这种情况下的浓度是64质量％。甲醇燃料浓度越高，单位能量下的包含燃料容器的电池容积可以减少得越多。然而，甲醇浓度越高，其中甲醇穿过质子交换器与在阴极侧上的氧反应，由此降低输出电压的窜度现象(crossover phenomenon)变得越显著。为了抑制所述现象，根据要使用的质子交换器的甲醇渗透性确定最佳甲醇浓度。DMFC的阴极化学方程式是3/2O₂+6H⁺+6e→H₂O，并且DMFC使用空气中的氧作为阴极燃料。 

用于将阳极燃料和阴极燃料提供到电极的催化剂层的方法分别包括通过利用辅助机器诸如泵实现所述燃料的强制循环的有源模式；和不利用辅助机器，通过在气体燃料情况下将催化剂层暴露于空气或者通过在液体燃料情况下利用毛细管作用或重力下降而提供燃料的无源模式。所述有源模 式具有优势，诸如通过提供空气而能够高功率输出，和通过循环在阴极产生的水而能够使用高浓度甲醇燃料，但是这种方式具有难以实现尺寸减小的缺点，因为需要辅助机器提供燃料以及由所述辅助机器的电力消耗。无源模式具有适于实现尺寸减小的优点，但是这种方式具有难以获得高功率输出的缺点，因为提供燃料趋于变成速度决定步骤。