[发明专利]用于在浓缩燃料下操作的直接氧化燃料电池系统的多孔输送结构

说明书

背景

发明领域

本发明大体上涉及用于便携式能源的燃料电池。

背景讨论

直接氧化燃料电池(“DOFC”)是通过液体燃料的完全电氧化而 产生电的电化学装置。通常的液体燃料包括甲醇、乙醇、甲酸、二甲 醚、它们的水溶液以及其组合。氧化剂可以是基本上纯的氧或诸如在 空气中的稀释气流。在便携式和移动的应用(如笔记本电脑、移动电话、 PDA等)中使用DOFC的显著优点包括容易储存/处理以及液体燃料的 高能量密度。

DOFC系统的一个实例是直接甲醇燃料电池(“DMFC”)。DMFC 通常使用具有阳极、阴极以及二者之间的质子传导性膜电解质的膜- 电极组件(“MEA”)。有时称为聚合物电解质膜或PEM的膜电解质的典 型实例是其为E.I.Dupont de Nemours and Company的注册 商标。将甲醇/水溶液直接提供至阳极作为燃料，并将空气提供至阴极 作为氧化剂。在阳极处，甲醇与水在通常为Pt-Ru催化剂的催化剂存 在下反应，产生二氧化碳、质子和电子，即：

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-    (1)

质子经由质子传导性膜电解质迁移至阴极。聚合物电解质膜对电 子是非传导性的。电子经由传输电能的外部电路运动至阴极。在阴极 处，质子、电子和来自空气的氧分子在通常为Pt催化剂的催化剂存在 下结合以形成水，即：

3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O      (2)

两个电化学反应(1)和(2)形成总电池反应为：

CH₃OH+3/2O₂→CO₂+2H₂O    (3)

通常在DMFC中，甲醇从阳极部分地透过膜电解质到阴极。该甲 醇被称为“跨越甲醇”(crossover methanol)。跨越甲醇在阴极处与氧反 应，这降低了燃料电池的燃料利用效率和阴极电势，结果是燃料电池 产生较低的功率。除了甲醇，水也跨越经过膜。该“跨越水”至少部 分地由电渗透拉动和扩散所驱动，结果是阳极损失大量的水。

为了限制甲醇的跨越及其有害的结果，并且为了提供足够的水以 维持过量的水通过膜跨越至阴极，常规的DMFC系统在阳极处使用稀 释的(3-6％体积比)甲醇溶液。这样的系统的问题在于所需的大量水对 便携式系统产生负担，并且其牺牲了系统的能量密度。

由于DMFC技术与锂离子和其它先进电池的竞争，高度期望便携 式能源使用高浓度燃料的能力。已经显示(美国公开的申请第 2006/0134487号和第2007/0087234号，二者均以参考的方式全部并入 本文)，实现水从阳极经过膜至阴极的低跨越或负跨越是在高浓度甲醇 燃料下操作燃料电池的一个关键。

水经由膜的跨越的一个量度是净水输送系数，即α。净水输送系 数定义为每一质子的穿透电解质膜的水分子的数目。净水输送系数α 是公知的术语并被描述于例如已以参考的方式并入的美国公开的申请 第2007/0087234号中。对于浓度为10M、17M和24M(纯甲醇)的甲 醇燃料，使用甲醇直接运行的DMFC的理论α值分别为0.52、0.05和 -0.167。