[发明专利]有机燃料电池及其运行方法和电极制作方法

说明书

发明背景发明来源

这里描述的本发明是在NASA合同工作的进行中完成的，并且符合公共法律96-517(35 USC 202)的条款，其中立约人已选定保留所有权。

技术领域

本发明一般地涉及有机燃料电池和具体地是液体供料有机燃料电池。

技术背景

燃料电池是电化学电池，其中来自于燃料氧化反应的自由能转化为电能。在有机/空气燃料电池中，有机燃料例如甲醇、甲醛或甲酸在阳极上被氧化成二氧化碳，而空气或氧气在阴极上被还原成水。应用有机燃料的燃料电池对于固定和携带式应用特别具有吸引力，部分原因是有机燃料的高比能，例如甲醇的比能为6232Wh/kg。

两种类型的有机/空气燃料电池通常是已知的：

1.一种“间接”或“重整器”燃料电池，其中有机燃料被催化重整并加工成不含有一氧化碳的氢气，如此得到的氢气在燃料电池的阳极上氧化。

2.一种“直接氧化”燃料电池，其中有机燃料不经过任何预化学改性而直接加到燃料电池中，在阳极上被氧化。

直接氧化燃料电池不需要燃料的处理步骤。这样，直接氧化燃料电池比间接燃料电池提供了相当大的重量和体积优势。直接氧化燃料电池应用有机燃料的蒸气或液体供料。有前途的现有技术直接氧化燃料电池典型地使用液体供料设计，其中有机燃料和硫酸电解质的液体混合物循环经过燃料电池的阳极。

在现有技术的直接甲醇燃料电池中，硫酸电解质的应用存在几个问题。高腐蚀性硫酸的应用使燃料电池的结构材料受到了巨大的限制。典型地，需要昂贵的抗腐蚀性材料。在燃料电池中产生的硫酸根阴离子在电催化剂上具有强的吸附倾向，因此，阻碍了燃料的电氧化作用的动力学并导致燃料电极的差性能。同时，硫酸在温度高于80℃时就开始降解并且降解产物通常含有能够使电催化剂中毒的硫。在多电池组中，应用硫酸电解质可导致寄生旁路电流。

直接和间接型燃料电池的实例描述于美国专利号：3,013,908、3,113,049、4,262,063、4,407,905、4,390,603、4,612,261、4,478,917、4,537,840、4,562,123和4,629,664中。

例如，美国专利3,013,908和3,113,049描述了应用硫酸电解质的液体供料直接甲醇燃料电池。美国专利4,262,063、4,390,603、4,478,917和4,629,664描述了硫酸基甲醇燃料电池的改进，其中一种高分子量电解质或一种固体质子导电膜作为一种离子导电层而插入到阴极和阳极之间以降低从阳极到阴极的有机燃料的穿越。虽然应用离子导电层有助于降低穿越，但是离子导电层仅能与硫酸电解质结合使用。于是，燃料电池具有上述用硫酸作为电解质的各种缺点。

鉴于上述与应用硫酸作为电解质有关的问题，希望提供一种不需要硫酸作电解质的液体供料燃料电池。

除了液体供料燃料电池的运行特性的改进外，用于这样的燃料电池中的大表面电催化电极的常规制造方法也需要改进。制造燃料电池电极的现有方法是一个相当耗费时间并且费用较大的方法。具体地，首先电极制造需要通过一种化学方法制备一种大表面碳担载合金粉末，此化学方法通常需要大约24小时。一旦制备完毕，碳担载合金粉末与Teflon^TM粘合剂结合并涂敷到碳纤维基载体上而得到气体扩散电极。为了使杂质从Teflon^TM粘合剂挥发并得到纤维体的Teflon^TM基质，电极被加热到200-300℃。在加热步骤中，可能发生电催化剂的氧化和熔结，导致电极表面的活性降低。这样，电极在使用前经常需要重新活化。

通过常规方法制造的电极通常也是气体扩散型的，并且因为电极不能够被液体燃料完全润湿而不能够有效地应用到液体供料型燃料电池中。一般来说，应用在液体供料型燃料电池的燃料氧化电极(阳极)的结构和性能与气体/蒸气供料燃料电池例如氢气/氧气燃料电池是完全不同的。应用于液体供料燃料电池的电极结构应是多孔状的并且液体燃料溶液应湿润所有孔隙。应从反应区域有效地释放在燃料电极上放出的二氧化碳。对于液体供料燃料电池，甚至对于使用硫酸电解质的液体供料燃料电池来说，电极的完全润湿是一个主要问题。

可以理解，希望提供制造电极的改进的方法，特别对于应用于液体供料燃料电池的电极而言。也希望设计出将原来适用于气体供料燃料电池的电极加以修改而用于液体供料燃料电池的方法。