[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术。

背景技术

关于这一点，燃料电池是电化电池，其中，燃料氧化反应产生的能量变化被转化为电能。在这方面，燃料电池由三个主要元件组成，也就是阳极、质子传导膜、以及阴极。将例如氢或有机材料形式的燃料送入燃料电池的阳极室，在那里将其氧化。然后，被直接用作燃料或源自有机材料分解的氢在燃料电池的阳极离解为质子和电子。通过质子传导膜将质子引导至阴极，同时，电子绕外部负载电路行进至阴极，因而产生电池的电流输出。空气、富氧空气、或氧气本身形式的氧化剂被送至阴极室，在此，通过与质子和电子的化学反应，将氧化剂还原，形成水。

一些燃料电池要求在高温下（例如，600至1000℃之间）运行，以便以所需方式分解燃料。然而，加热至该高温不适合需要快速启动时间的某些应用，例如当使用燃料电池驱动车辆时。另外，在高温下运行快速损耗燃料电池部件和气体密封，所以高温燃料电池趋向于特别不耐久。

低温燃料电池，例如质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）以及直接乙醇燃料电池（DEFC）通常在从室温上至80℃的温度范围下运行，但是一些也能在高达200℃的温度运行。该低温燃料电池具有短启动时间和长耐久力的优点。另外，PEMFC具有比高温燃料电池通常更小和更轻的优点。

在低温下，在阳极提供的贵金属催化剂（通常为铂），能够帮助氢或碳氢化合物在PEMFC的阳极氧化。然而，与PEMFC相关的问题在于，在催化剂-阳极表面强烈吸附污染物一氧化碳。一氧化碳源自有机燃料诸如阳极室内的甲醇或乙醇的分解，或者源自受一氧化碳污染的氢——因为源自重整碳氢化合物的氢能够包含超过100ppm的一氧化碳。在高温燃料电池中，通常易于将该一氧化碳氧化为二氧化碳，后者易于从电极表面脱附。然而，由于一氧化碳到二氧化碳的氧化在低温下效率较低，所以在低温燃料电池的催化剂-阳极表面吸附一氧化碳，因而阻塞阳极处的氢氧化反应的活性部位。虽然贵金属催化剂，诸如铂有效地催化氢的离解，但是其关于一氧化碳氧化的功能有限。随着时间过去，氢氧化活性部位的阻塞引起电池性能明显降低。

已探索从低温PEMFC阳极清除一氧化碳的各种方法。

一种这类方法包含在运行期间脉冲电池电压。然而，发现该方法干扰电池的能量输出，如果需要恒定能量输出时不期望该情况。

另一种方法包含将空气引入阳极室。然而，这明显降低了开路电池的电势，并且因此降低电池性能。

而另一种方法已使用双金属催化剂，其包含贵金属和非贵金属，诸如铂和钌的合金。然而，发现其在一氧化碳浓度超过25ppm时不防止电极中毒。已研究其他双金属或三金属催化剂，诸如Pt/Ni、Pt/Co、Pt/Ru/Ni和Pt/Ni/Co。然而，在该系统中，非贵合金金属需要显示许多特性：如常使用Nafion（RTM）（四氟乙烯和全氟聚醚磺酸的共聚物）作为电解质材料，因而产生强的全氟磺酸环境，非贵金属必须在该环境中稳定；同样地，非贵金属必须具有用于水离解反应和从吸附的CO和吸附的OH形成COOH的低活化能。

不论上述方法如何，存在对提供这样的燃料电池，尤其是PEMFC、DMFC和DEFC的需求，其能够通过提供对一氧化碳污染阳极的增强耐受水平，而提高已知燃料电池的效率。

发明内容

由于上述问题，本申请人已研究通过降低阳极处存在的污染物一氧化碳的量而提高燃料电池诸如PEMFC、DMFC或DEFC的效率的方法。

根据本发明的第一方面，提供用于燃料电池的阳极组件，该阳极组件具有阳极催化剂部件，所述阳极催化剂部件包含贵金属催化剂和光催化剂，并且提供所述光催化剂，用于在受入射辐射的照射后增强污染物一氧化碳的氧化；阳极组件还包含电流收集装置，其被电耦合至催化剂部件，并且对于所述入射辐射和燃料电池的燃料是多孔的；以及流板（flow plate），其引入包含提供入射辐射的光源。

现有低温燃料电池依赖于使用非常纯净的氢或已预纯化的燃料作为燃料源。提供用于增强污染物一氧化碳的氧化的光催化剂允许产生具有一氧化碳耐受阳极组件的低温燃料电池。该电池因而能够利用碳氢化合物气体或液体，诸如甲醇或乙醇作为燃料源，而无需净化器和/或重整器。这降低该低温燃料电池的体积(bulk)和运行成本。也降低了贵重的金属催化剂负荷，这明显降低燃料电池成本。另外，当在DEFC中使用时，本发明的布置展示增加的电池效率。