[发明专利]氧化还原燃料电池

说明书

本发明涉及燃料电池，特别是间接燃料电池或氧化还原燃料电池， 其应用于电子或便携式电子设备的微型燃料电池，且还用于汽车工业 和固定式以及其它便携式设备中较大的燃料电池。本发明还涉及用于 这样的燃料电池的某些阴极电解质溶液。

已知燃料电池在便携式应用例如汽车和便携式电子技术，以及固 定式应用例如备用和不间断电源中已有多年，然而直到最近几年燃料 电池才逐渐被重视。在其最简单的模式中，燃料电池是电化学能量转 化装置，其将燃料和氧化剂转化成反应产物，在该过程中产生电能和 热能。在这样的电池的一实例中，将氢用作燃料，并将空气或氧用作 氧化剂，反应产物为水。将这些气体分别加入到催化、扩散型电极中， 所述电极被两个电极之间携带带电粒子的固体或液体电解质隔开。在 间接燃料电池或氧化还原燃料电池中，氧化剂(和/或在某些情况下的 燃料)在电极处不直接反应，而是与氧化还原电对的还原型(对于燃料 而言是氧化型)反应以将其氧化，并将这种被氧化的物质加入阴极中。

以燃料电池电解质的不同为特点将其分为多种类型。液体电解质 碱性电解质燃料电池的固有缺陷是其中的电解质溶解CO₂并需要定期 更换。聚合物电解质或具有传导质子的固体电池膜的PEM型电池为酸 性且避免了这一问题。然而已经证实在实践中从这样的体系中获得的 输出功率难以接近理论的最大值，这是由于氧的还原反应的电催化作 用相对较弱。此外经常用到昂贵的贵金属电催化剂。

US-A-3152013公开了气体燃料电池，其包括阳离子选择性渗透 膜、气体渗透性催化电极和第二电极，该薄膜位于电极之间且仅与气 体渗透电极电接触。提供与第二电极和膜接触的含水阴极电解质，该 阴极电解质中包含氧化剂电对。提供向可渗透电极供给燃料气体以及 向阴极电解质供给气体氧化剂以氧化被还原的氧化剂的机构。优选的 阴极电解质和氧化还原电对是HBr/KBr/Br₂。公开了优选氮氧化物作为 氧还原的催化剂，但随之的结果是需要纯氧作为氧化剂，使用空气作 为氧化剂需要排出有害的氮氧化物。

US 2006/0024539公开了反应器及相应地使用燃料电池在室温下 通过使用多金属氧酸盐化合物选择性氧化CO产生电能的方法。

在WO 2007/110663中还公开了多金属氧酸盐氧化还原电对。

有关电化学燃料电池的公认难题是能够计算出确定条件下给定电 极反应的理论电势却无法全部获得。在此体系中的缺陷不可避免地导 致至电势降低至低于可从任何给定反应中所能获得的理论电势的某一 水平。曾尝试减少这样的缺陷，包括选择阴极电解质添加剂，其在阴 极电解质溶液中进行氧化-还原反应。例如，在这方面，US-A-3294588 公开了中使用苯醌和染料。曾尝试过的另一氧化还原电对是如 US-A-3279949中公开的钒酸盐/氧钒对。

根据US-A-3540933，能够通过在电化学燃料电池中使用相同的电 解质溶液既作为阴极电解质又作为阳极电解质实现某些优点。该文献 公开了使用其中含有两种以上的氧化还原电对的液体电解质，除了电 解质中的任何其它氧化还原电对以外，平衡电势不多于0.8V。

在电解质溶液中不同氧化还原电对的氧化还原电势的匹配在 US-A-3360401中也有所考虑，其涉及使用电子转移媒介体以增加来自 燃料电池的电能流出率。

存在多种类型的质子交换膜燃料电池。例如在US 4396687中公开 了含有可再生阳极电解质和阴极电解质溶液的燃料电池。该阳极电解 质溶液通过将阳极电解质溶液暴露于氢，从氧化型被还原至还原型。 根据US 4396687，优选的阳极电解质溶液是含有催化剂的硅钨酸 (H4SiW12O40)或磷钨酸(H3PW12O40)。

US 4396687的优选阴极电解质溶液通过将阴极电解质溶液直接 暴露于氧中从还原型被再氧化至氧化型。US 4396687的阴极电解质包 括含有VOSO4溶液的介质组分。该介质具有电子穴的功能，其从V(v) 的氧化态被还原至V(IV)。该阴极电解质还包括用于将介质再生至其 氧化态(VO2)2SO4的催化剂。US 4396687的阴极电解质中存在的催化 剂是名为H5PMo12V2O40的多金属氧酸盐(POM)溶液。