[发明专利]无膜直接型燃料电池

说明书

本发明涉及一种无膜直接型燃料电池，其直接使用可氧化的磷化合物、硫化合物或氮化合物作为燃料。

本发明涉及一种无膜直接型燃料电池，其直接使用可氧化的磷化合物、硫化合物或氮化合物作为燃料。

背景技术

提供现有技术的以下讨论以便将本发明置于适当的技术背景下并使它的优点能够得到更充分的理解。然而，应当理解的是在整个说明书中现有技术的任何讨论不应被视为明确的或暗含的承认如此的现有技术是广泛已知的或形成本领域公知常识的一部分。

燃料电池是一系列通过电化学过程而不是燃烧来发电的可持续能源技术。存在许多燃料电池类型，但主要类型包括碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、以及固体氧化物燃料电池(SOFC)。不同的燃料电池由于其特定的操作特征而以不同的方式应用。例如，AFC的商业用途非常有限，并且由于其对二氧化碳的敏感性，其通常用于受控的航空航天和水下环境中。MCFC和SOFC的操作温度高于其他类型的燃料电池，并且因此它们更适用于大型固定应用。直接型燃料电池(DFC)不仅广泛用于固定发电厂，而且广泛用于商业燃料电池车辆并且该应用的典型温度为80℃。直接甲醇燃料电池(DMFC)，其是直接型燃料电池中的一种经典类型，对在室温下的微型应用(如手机和笔记本电脑)是特别理想的。PAFC是一种使用液体磷酸作为电解质的燃料电池的类型，其比其他类型的燃料电池需要更高的昂贵铂催化剂的负载量。

因为上述燃料电池的商业用途将导致衍生自煤、天然气、木材废料或其他生物质材料的碳基产品的更多消耗，并且最重要的是，产生更多的温室气体。因此，在本领域中对能量和成本节约以及环境友好的燃料电池存在显著需求。

Naoko Fujiwara等人(Rapid evaluation of the electrooxidation of fuelcompounds with a multiple-electrode setup for direct polymer electrolyte fuelcells [用用于直接聚合物电解质燃料电池的多电极装置快速评估燃料化合物的电氧化].Journal of Power Source[电源杂志]164(2007)457-463)报道了一些燃料候选物在酸性介质中的电化学氧化。贵金属用作电催化剂并且当次磷酸和亚磷酸作为一系列燃料化合物应用时，制备了运行燃料电池的膜电极组件(MEA)。

JP 2011-060531披露了DFC，其特征在于，使用次磷酸、次磷酸盐、氨或它们的混合物作为燃料并且使用离子导电聚合物作为电解质。无机燃料的使用消除了碳消耗和CO₂在大气中的释放。另一方面，由于使用阴离子交换膜(AEM)代替常规的基于磺酸的质子交换膜(PEM)，成为可能的是避免使用贵电极催化剂，如Pt、Pd、Ir、Ru、Rh和Au。还可能考虑便宜的贱金属，如Ni、Ag、Co、Fe、Cu、Zn。然而，昂贵的阴离子交换膜仍然不可避免地用于本发明中，因为在没有这种高电阻层的情况下发生“交叉”。如果不仔细设计电极，交叉通常导致阴极上的过电位，这降低电池性能。此外，此种AEM的电导率远低于液体电解质和PEM，这显著阻碍了燃料电池的性能。

发明内容

鉴于上述现有技术中的问题，本发明的目的特别是提供一种直接使用可氧化的磷化合物、硫化合物或氮化合物作为燃料的燃料电池，值得注意地是不使用离子交换膜的燃料电池。与使用贵金属催化剂和昂贵膜的燃料电池相比，便宜的阴极催化剂、无温室气体排放使得可能降低总成本并且更适用于商业生产。此外，本发明的燃料电池可以通过在阳极和阴极两者上应用高选择性催化剂来解决“交叉”问题。

本发明的其他特征、细节和优点将在阅读下面的说明之后甚至更充分地显露。

定义

遍及本说明，包括权利要求书，术语“包含一个/一种”应理解为是与术语“包含至少一个/一种”同义，除非另外指明，并且“在…之间”应理解为包含极限值。