[发明专利]燃料电池

说明书

本发明是关于燃料电池的，更具体地讲，是关于甲醇-空气酸性电解质燃料电池的。

燃料电池是输入燃料与氧化剂，在电极上进行电化学反应，直接产生电能，它一直被作为一种具有高效率的新型能源而瞩望。特别是作为小体积可移动的能源，甲醇-空气酸性电解质燃料电池在使用液体燃料的燃料电池中更为引人注目。甲醇能够容易地从微生物发酵，煤的液化而制得，并容易操作。所以人们期望将甲醇燃料电池投入实际使用。

输入燃料电池的燃料中，甲醇的浓度对于维持燃料电池的额定功率输出是至关重量的。当甲醇浓度低于规定值，则输出功率自然要降低;甲醇浓度增加时，就达到了额定的输出功率。然而，由于电渗和扩散等原因而通过电解质的甲醇愈多，在氧化剂电极上被消耗的也就愈多。所以甲醇的利用率就降低。

由于这个原因，为了维持输出功率没有波动，燃料输入时必须维持甲醇浓度恒定在预先规定的范围内。

从题为“燃料电池的浓度传感器”的日本专利公告56-118273号（1981）中图2看到，已经提出了检测燃料中甲醇浓度的早期技术，即在燃料电池中单独构成一个小型燃料电池，燃料输入燃料电池以产生电能，此时燃料中甲醇的浓度则根据这小型燃料电池的电动势进行检测和控制。

早期技术向氧化剂电极提供空气和液体电解质，由于它要求空气经电解液冒出因此需要一个空气室。

本发明的目的是提供一种燃料电池，其中包含检测输入燃料电池的燃料中甲醇的浓度和控制甲醇浓度保持恒定的装置，而不需要安装复杂的空气室，从而保持输出的功率稳定，不波动。

发明者深入地研究了燃料电池的进展。结果发现在燃料电池工作温度为50°～60℃时，电池（示于附在后面的图2）的开路电压与甲醇浓度有关，示于图4。此外当氧化剂电极浸在含有电解质（阳极电解液）的燃料中时，开路电压与图9所示燃料甲醇浓度的关系，示于图5。这些都指出了与甲醇浓度相应的开路电压和电势能够用作指示甲醇浓度的指标，如图4与图5所示的那样。

本发明利用上述的浓度依赖关系，独特地设置一个装置，在此装置中，利用单体电池的开路电压和氧化剂电极的开路电位来控制输入燃料中甲醇的浓度稳定在预先规定的浓度。本发明注意到甲醇浓度取决于它透过和混合入空气电极（示于附在后面的图2或图9）的数量，在此种结构中没有复杂的空气室。

本发明包括以下三个系统（1）～（3）：

（1）一个单体电池（示于图2和图7，附在后面）安置在燃料电池的燃料输入通道上，检测单体电池的开路电压，新的甲醇补充进来以维持预先规定的开路电压，从而使浓度稳定在预先规定范围内的燃料输入燃料电池。（2）一个单体电池（示于附在后面的图6和图8）安置在燃料电池的燃料输入通道上，再安置一个使甲醇保持其预先规定浓度（例如1克分子/升）的单体电池，分别检测各单体电池的开路电压，控制甲醇进料，使两个电池的开路电压能相同，从而使输入燃料电池的燃料中甲醇浓度保持稳定在预先规定的浓度。（3）如附在后面的图9和图11所示，阳极电解液与氧化剂电极保持接触，根据那时候电位降低来测定甲醇浓度，同时根据测量信号向燃料电池重新输入甲醇，从而使甲醇浓度保持不变。

关于（3），如附在后面的图9所示，建立这样一个系统是可能的，其中与氧化剂电极相对的对应电极和氧化剂电极浸在同一阳极电解液中，或者如附在后面的图11所示，建立这样一个系统，其中隔膜，如离子交换膜，插入氧化剂电极与对应电极之间，阳极电解液在隔膜和氧化剂电极之间循环，而隔膜和对应电极之间的空间则加入标准溶液，如含固定量的甲醇或作为电解质的硫酸水溶液的参比阳极电解液。再说，2-单体电池系统是可以做到的，在此系统中，参比甲醇浓度电池（其甲醇浓度可很好地保持为零）的安置与前述系统（2）一样，对参比电池和被测电池的电压差别进行判断，从而测出燃料电池阳极电解液的甲醇浓度。任何一种材料，只要对于电解质是化学稳定的，并能导电，都可用作第（3）条叙述的系统中的对应电极材料。

图1是应用于本发明的装有甲醇浓度控制装置的甲醇燃料电池的示意透视图。

图2是甲醇浓度控制装置（Ⅰ）的结构示意图。

图3是电流密度-电位（i-E）曲线用来评价电极与电池电压（电位差）性能。

图4是图2中单体电池的特性曲线，表示燃料的甲醇浓度与开路电压之间关系。

图5是图9中氧化剂电极的开路电位与甲醇浓度的关系曲线。

图6是甲醇浓度控制装置（Ⅱ）的结构示意图。

图7是甲醇浓度控制装置（Ⅱ）的结构示意图。

图8是甲醇浓度控制装置（Ⅳ）的结构示意图。

图9是甲醇浓度控制装置（Ⅴ）的结构示意图。