[发明专利]燃料电池

说明书

本发明涉及燃料电池，特别是作为电源用于以下方面的间接或氧 化还原燃料电池：便携式产品如便携式电子产品；运输工具如汽车， 主要的和辅助的电源；拖车及其它休闲车、小船等的辅助电源；诸如用 于医院计算机等的不间断电源以及家用和商用的热电联产的固定使用。 本发明还涉及用于这样的燃料电池某些催化剂的使用。

虽然燃料电池仅在近年真正成为实际的考虑因素，但公知其很多 年来一直用于诸如汽车和便携式电子技术方面的便携式应用。最简单 形式的燃料电池是电化学能量转化装置，其将燃料和氧化剂转化为反 应产物，在此过程中产生电和热量。在这样的电池的一实例中，使用 氢作为燃料，空气或氧气作为氧化剂，而反应产物是水。将气体分别 供给被固态或液态电解质分开的催化、扩散型电极，所述电解质传导 两电极之间的带电粒子。在间接或氧化还原燃料电池中，氧化剂(和/ 或在某些情况下为燃料)在电极处不直接发生反应，而与氧化还原对的 还原态(对于燃料为氧化态)反应而将其氧化，并将该被氧化的物质供 给阴极(对于燃料为阳极)。

存在以其不同电解质为特征的若干种类型的燃料电池。液态电解 质碱性电解质燃料电池的固有缺陷在于该电解质溶解CO₂并需要周期 性地更换。聚合物电解质或带有质子传导的固体电池隔膜的PEM型电 池是酸性的，从而避免了这一问题。然而，已证实由于氧气还原反应 相对较差的电催化作用，从这样的体系获得接近理论最大水平的功率 输出在实践中是困难的。此外还经常使用昂贵的贵金属电催化剂。

当前的很多燃料电池工艺使用这样的阴极：氧气直接流入电极， 然后在该电极处氧气与催化剂反应产生水。很多情况下，使用的催化 剂为贵金属铂。这不仅增加燃料电池的总成本，而且反应的低效还导 致可用功率的损失。

US-A-3152013公开了这样的气体燃料电池：其包含阳离子选择性渗 透膜、气体渗透的催化电极和第二电极，所述膜置于电极之间并且仅与 气体渗透的电极电接触。提供水性阴极电解液与第二电极和所述膜接触， 在该阴极电解液中包括氧化剂对。提供用于将燃料气体供给渗透电极的 装置，以及用于将气体氧化剂供给阴极电解液从而将还原的氧化剂材料 氧化的装置。优选的阴极电解液和氧化还原对是HBr/KBr/Br₂。 US-A-3152013公开了氮氧化物作为氧气还原的优选催化剂，但结果是需 要纯氧作为氧化剂，空气用作氧化剂则需要排出有毒的氮氧化物。

关于电化学燃料电池的公认的问题在于，能够计算出在限定条件下 给定的电极反应的理论电位但从未完全达到该电位。该体系的缺陷不可 避免地导致电位损失至由任何给定反应可得到的理论电位以下的水平。 为减少这样的缺陷而进行的在先尝试包括选择在阴极电解液中经历氧化- 还原反应的阴极电解液添加剂。例如，US-A-3294588公开了在该电容中 使用醌类和染料。已尝试的另一氧化还原对是钒酸盐/氧钒根对，如 US-A-3279949中公开。

根据US-A-3540933，通过阴极电解液和阳极电解液使用了相同的电 解质溶液，在电化学燃料电池中能够实现某些优势。该文献公开了除电 解质中的其它氧化还原对以外，使用其中包含多于两个氧化还原对的液 态电解质，平衡电位不高于0.8V。

在US-A-3360401中还考虑了在电解质溶液中的不同氧化还原对的 氧化还原电位的匹配，其涉及使用中间电子转移物质以增加来自燃料电 池的电能流速。US-A-3360401还公开了使用铂涂覆的电极。

存在几种类型的质子交换膜燃料电池。例如，在US 4396687中公开 了燃料电池，其包含可再生的阳极电解液和阴极电解液。阳极电解液溶 液是通过暴露于氢中而由氧化态被还原至还原态的溶液。根据US 4396687，在催化剂存在下，优选的阳极电解液溶液是钨硅酸(H₄SiW₁₂O₄₀) 或钨磷酸(H₃PW₁₂O₄₀)。