專利名稱：直接氧化燃料電池及運(yùn)行直接氧化燃料電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其是一種可直接利用燃料而無(wú)須將其轉(zhuǎn)變?yōu)闅涞墓腆w聚合物電解質(zhì)燃料電池，以及涉及一種運(yùn)行包含這種固體聚合物電解質(zhì)燃料電池系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
便攜式小型電子設(shè)備如便攜式電話、個(gè)人數(shù)字助理、筆記本個(gè)人電腦及攝像機(jī)等正變得日益復(fù)雜，這些電子設(shè)備消耗的電能及連續(xù)工作時(shí)間也等量的提高。為解決這些問(wèn)題，要求為這類小型電子設(shè)備供電的電池必須具有更高的能量密度。目前，這些設(shè)備使用的電源主要為鋰二次電池，但據(jù)估計(jì)鋰二次電池的能量密度很快將達(dá)到其極限值，約600Wh/L。作為鋰二次電池的替代電源，盡早實(shí)現(xiàn)固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的實(shí)用化是非常必要的。
在固體聚合物電解質(zhì)燃料電池中，直接氧化燃料電池正日益受到關(guān)注。直接氧化燃料電池通過(guò)向電池直接提供無(wú)需轉(zhuǎn)化為氫的燃料并使其在電極上氧化來(lái)發(fā)電。由于這類電池采用具有高理論能量密度并易于儲(chǔ)存的有機(jī)燃料，因此其系統(tǒng)能夠得到簡(jiǎn)化。目前與此相關(guān)的研究正在積極進(jìn)行中。
例如，直接甲醇燃料電池至少包含一個(gè)單元電池，該單元電池包括介于陽(yáng)極側(cè)與陰極側(cè)隔離層間的膜電極組件(MEA)。MEA由夾于陽(yáng)極和陰極間的固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜構(gòu)成。陽(yáng)極和陰極各自都包含催化劑層和擴(kuò)散層。這類燃料電池通過(guò)向陽(yáng)極提供作燃料用的甲醇或甲醇水溶液、向陰極提供氧化劑氣體(典型的為空氣)來(lái)發(fā)電。
直接甲醇燃料電池電極反應(yīng)式如下所示陽(yáng)極CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-陰極3/2O2+6H++6e-→3H2O在陽(yáng)極上，甲醇和水反應(yīng)生成了二氧化碳，質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)膜向陰極遷移。在陰極上，質(zhì)子和氧與流經(jīng)外電路的電子相結(jié)合生成了水。
然而，實(shí)現(xiàn)這類直接甲醇燃料電池的商業(yè)化還需解決一些問(wèn)題。
問(wèn)題之一是“甲醇穿越”現(xiàn)象，即供給陽(yáng)極的甲醇未發(fā)生反應(yīng)而通過(guò)電解質(zhì)膜遷移至陰極側(cè)。因全氟烴基磺酸組成的離子交換膜具有良好的質(zhì)子傳導(dǎo)率、耐熱性及耐酸性，故常被用作直接甲醇燃料電池的電解質(zhì)膜。該電解質(zhì)膜由疏水聚四氟乙烯(PTFE)的主鏈及末端為親水磺酸基的全氟基團(tuán)的側(cè)鏈組成。因?yàn)榧状纪瑫r(shí)具有親水的和疏水的基團(tuán)，故它是電解質(zhì)膜的良好溶劑并易于透過(guò)電解質(zhì)膜。
甲醇穿越效應(yīng)不僅降低了燃料的利用率，還降低了陰極電勢(shì)，從而導(dǎo)致發(fā)電特性明顯變差。甲醇穿越效應(yīng)發(fā)生概率隨甲醇含量的提高而增大。因此目前使用的甲醇溶液均被稀釋到約2到4M的濃度。但采用如此低濃度的燃料會(huì)極大防礙燃料電池系統(tǒng)尺寸的減小。
另一問(wèn)題是有關(guān)陽(yáng)極側(cè)濃差極化。在采用甲醇水溶液(液體燃料)為燃料的直接甲醇燃料電池中，陽(yáng)極側(cè)的燃料擴(kuò)散速度低于氫燃料電池的擴(kuò)散速度。燃料擴(kuò)散速度低會(huì)導(dǎo)致發(fā)電特性變差。尤其在燃料流道的下游，由于甲醇燃料被消耗，供給催化劑層的燃料變得明顯不足，從而使此處的甲醇濃差極化變大。另一方面，如果通過(guò)提高甲醇濃度來(lái)解決上述問(wèn)題，在燃料流道的上游會(huì)導(dǎo)致供應(yīng)給催化劑層的甲醇過(guò)量，從而增大甲醇穿越效應(yīng)，最終導(dǎo)致電池發(fā)電特性變差并降低燃料利用率。
因此，為解決這些問(wèn)題，人們提議改善陽(yáng)極擴(kuò)散層的自身結(jié)構(gòu)。
例如，為抑制甲醇在燃料流道前半部分的穿越及在燃料流道后半部分的供應(yīng)不足，以實(shí)現(xiàn)甲醇向陽(yáng)極催化劑層的均勻供應(yīng)，專利文獻(xiàn)1(特開2002-110191號(hào)公報(bào))公開了一種直接甲醇燃料電池，該電池中陽(yáng)極擴(kuò)散層的甲醇滲透系數(shù)要遠(yuǎn)高于燃料流道下游的。陽(yáng)極擴(kuò)散層包含基層如碳紙，以及形成于該基層表面上的由炭黑和聚四氟乙烯的混合層。專利文獻(xiàn)1所述方法諸如沿燃料流向降低混合層的厚度、聚四氟乙烯的比重或炭黑的疏水性，或提高炭黑的孔隙度及孔徑。
為實(shí)現(xiàn)向陽(yáng)極催化劑層均勻供應(yīng)燃料并提高二氧化碳(反應(yīng)產(chǎn)物)的排放率，專利文獻(xiàn)2(特開2005-108837號(hào)公報(bào))公開了一種具有彼此獨(dú)立的以任意方式設(shè)置的液體燃料供應(yīng)通道(親水通道，其將催化劑層與擴(kuò)散層基層相連)和氣體產(chǎn)物排放通道(疏水通道)的電極擴(kuò)散層。親水通道由導(dǎo)電粒子的多孔聚集體組成，多孔聚集體形成有作為極性液體的傳輸通道的三維網(wǎng)絡(luò)。疏水通道由導(dǎo)電粒子和疏水粘合劑樹脂的多孔聚集體組成，它們形成的三維網(wǎng)絡(luò)對(duì)極性液體不浸潤(rùn)，而是作為氣體的傳輸通道。
此外，為降低陽(yáng)極中液體燃料的濃差極化，專利文獻(xiàn)3(特開2004-322489號(hào)公報(bào))公開了一種陽(yáng)極擴(kuò)散層，該陽(yáng)極擴(kuò)散層由涂有親水材料的導(dǎo)電多孔基層和充填于該基層中的導(dǎo)電粉料組成。
為降低燃料電池的尺寸和重量并使其能長(zhǎng)時(shí)間工作，可行的方法之一是采用高濃度的燃料。然而，根據(jù)傳統(tǒng)方法制得的高濃度直接氧化燃料電池，很難同時(shí)具有良好的發(fā)電特性而不降低燃料的利用率，因此，傳統(tǒng)制造方法還存在許多待解決的問(wèn)題。
專利文獻(xiàn)1中所述方法并未充分考慮甲醇濃度及發(fā)電的運(yùn)行溫度對(duì)陽(yáng)極擴(kuò)散層中甲醇穿透系數(shù)的影響。因此，例如，當(dāng)采用高濃度甲醇或升高發(fā)電運(yùn)行溫度時(shí)，甲醇穿越效應(yīng)增大而發(fā)電特性明顯變差。
專利文獻(xiàn)2或3中所述方法可提高反應(yīng)產(chǎn)物二氧化碳的排放率。然而，該方法所設(shè)計(jì)的擴(kuò)散層并不能抑制甲醇在垂直于燃料流道方向(擴(kuò)散層的厚度方向)上的擴(kuò)散，也未能確保甲醇在平行于燃料流道方向(擴(kuò)散層的平面方向)上的擴(kuò)散。因此，例如，當(dāng)一個(gè)較小的高濃度甲醇的供應(yīng)量接近于發(fā)電所需消耗的量時(shí)，供應(yīng)給催化劑層的甲醇燃料就變得不均勻，從而導(dǎo)致電池發(fā)電特性變差。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問(wèn)題，本發(fā)明的目標(biāo)之一是提供一種直接氧化燃料電池，通過(guò)使燃料均勻供應(yīng)給整個(gè)催化劑層并同時(shí)降低燃料穿越效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)即使在直接供應(yīng)高濃度燃料時(shí)，該電池仍同時(shí)具有高的燃料利用率及良好的發(fā)電特性。
陽(yáng)極擴(kuò)散層有如下基本功能將來(lái)自燃料流道的燃料均勻供應(yīng)/擴(kuò)散到催化劑層；將催化劑層中產(chǎn)生的二氧化碳即時(shí)排入燃料流道；以及將催化劑層中產(chǎn)生的電子即時(shí)傳送到隔離層。除了以上基本功能外，本發(fā)明中的陽(yáng)極擴(kuò)散層還具有控制燃料透過(guò)通量(flux)的新功能。該新功能可將適量的燃料均勻供應(yīng)給陽(yáng)極催化劑層并降低燃料穿越效應(yīng)以及因燃料供應(yīng)不足引起的濃差極化。
本發(fā)明涉及的直接氧化燃料電池包含至少一個(gè)單元電池。該單元電池包括陽(yáng)極，陰極，介于陽(yáng)極與陰極之間的氫離子導(dǎo)體聚合物電解質(zhì)膜，陽(yáng)極側(cè)隔離層及陰極側(cè)隔離層，陽(yáng)極側(cè)隔離層帶有用于向陽(yáng)極供給或從其中排出燃料的流道，陰極側(cè)隔離層帶有用于向陰極供給或從其中排出氧化劑氣體的流道。
本發(fā)明的特征在于，其陽(yáng)極包括與聚合物電解質(zhì)膜相接觸的催化劑層；以及擴(kuò)散層，該擴(kuò)散層包括由疏水粘合材料及電子導(dǎo)電材料組成的多孔復(fù)合層；設(shè)置在多孔復(fù)合層中陽(yáng)極側(cè)隔離層一側(cè)的第一導(dǎo)電多孔基層；以及設(shè)置在多孔復(fù)合層中催化劑層一側(cè)的第二導(dǎo)電多孔基層。
本發(fā)明還提供了一種運(yùn)行包含上述燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的方法。該燃料電池系統(tǒng)包括通過(guò)燃料供應(yīng)通道與燃料電池陽(yáng)極進(jìn)口相連的燃料槽；與燃料電池陽(yáng)極出口相連的燃料排出通道；通過(guò)氧化劑供應(yīng)通道與燃料電池陰極進(jìn)口相連的氧化劑供應(yīng)源；以及與燃料電池陰極出口相連的氧化劑排放通道。該運(yùn)行方法的特征在于，供給燃料電池陽(yáng)極的燃料量是燃料電池發(fā)電所消耗燃料量的1.1到2.2倍。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)向陽(yáng)極供給高濃度燃料時(shí)，擴(kuò)散層中燃料沿厚度方向的阻斷率得到控制并且能提高其沿平面方向的擴(kuò)散率。因此，有可能實(shí)現(xiàn)燃料向整個(gè)催化劑層的均勻供應(yīng)并同時(shí)降低燃料穿越效應(yīng)。
雖然本發(fā)明的新特征在附加的權(quán)利要求中具體列出，但通過(guò)下面詳細(xì)的描述并結(jié)合附圖，能夠更好的了解本發(fā)明的內(nèi)容，其它發(fā)明目的及其特征。


圖1A是本發(fā)明的陽(yáng)極擴(kuò)散層的示意圖，展示了燃料擴(kuò)散行為；圖1B是對(duì)照例的陽(yáng)極擴(kuò)散層的示意圖，展示了燃料擴(kuò)散行為；圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中的燃料電池的單元電池的縱向剖面示意圖；圖3是單元電池的陽(yáng)極擴(kuò)散層的主要部分的剖面示意圖；圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖；圖5是用于測(cè)定甲醇透過(guò)通量的設(shè)備的結(jié)構(gòu)的縱向剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的直接氧化燃料電池包括至少一個(gè)單元電池。該至少一個(gè)單元電池包含陽(yáng)極、陰極、介于陽(yáng)極和陰極間的氫離子導(dǎo)體聚合物電解質(zhì)膜、陽(yáng)極側(cè)隔離層及陰極側(cè)隔離層，其中陽(yáng)極側(cè)隔離層帶有用于向陽(yáng)極供給或從其中排出燃料的流道，陰極側(cè)隔離層帶有用于向陰極供給或從其中排出氧化劑氣體的流道。
陽(yáng)極包括和聚合物電解質(zhì)膜相接觸的催化劑層；以及擴(kuò)散層，該擴(kuò)散層包括由疏水粘合材料和電子導(dǎo)電材料組成的多孔復(fù)合層；設(shè)置在多孔復(fù)合層中陽(yáng)極側(cè)隔離層一側(cè)的第一導(dǎo)電多孔基層；以及設(shè)置在多孔復(fù)合層中催化劑層一側(cè)的第二導(dǎo)電多孔基層。
圖1a所示為陽(yáng)極擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)示意圖。
該擴(kuò)散層包括至少由三層構(gòu)成的疊層含有疏水粘合材料和電子導(dǎo)電材料的多孔復(fù)合層1；設(shè)置在多孔復(fù)合層1中陽(yáng)極側(cè)隔離層一側(cè)的第一導(dǎo)電多孔基層2；以及設(shè)置在多孔復(fù)合層1中催化劑層一側(cè)的第二導(dǎo)電多孔基層3。
當(dāng)燃料如甲醇水溶液沿箭頭A所示方向供給到擴(kuò)散層時(shí)，燃料將沿箭頭a1，a2及a3方向擴(kuò)散并進(jìn)入第一導(dǎo)電多孔基層2。在多孔基層2中，燃料不僅沿厚度方向擴(kuò)散，還沿平面方向擴(kuò)散，但多孔基層中的燃料濃度通常在燃料供給的上游比下游要高。擴(kuò)散進(jìn)入多孔基層2的燃料接著沿箭頭b1，b2及b3所示的厚度方向擴(kuò)散進(jìn)入多孔復(fù)合層1，到達(dá)第二導(dǎo)電多孔基層3。在多孔基層3中，由于燃料還沿多孔基層3的平面方向擴(kuò)散，經(jīng)箭頭b1方向擴(kuò)散后的燃料接著沿箭頭c1-1，c1-2及c1-3方向擴(kuò)散。同樣的，經(jīng)箭頭b2及b3方向擴(kuò)散的燃料接著沿多孔基層的平面方向擴(kuò)散。燃料以這種方式向基層后部擴(kuò)散并到達(dá)催化劑層。
圖1B所示為一對(duì)照例中的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)。該擴(kuò)散層由兩層組成多孔復(fù)合層1，與圖1A中的相同；以及設(shè)置在多孔復(fù)合層1中陽(yáng)極側(cè)隔離層一側(cè)的多孔基層4。
當(dāng)燃料沿箭頭A所示方向供給到擴(kuò)散層時(shí)，燃料擴(kuò)散進(jìn)入多孔基層4，到達(dá)多孔復(fù)合層1，并沿多孔復(fù)合層1的厚度方向擴(kuò)散。
在圖1B所示結(jié)構(gòu)中，如果透過(guò)多孔基層4的燃料通量增加，燃料則難以沿?cái)U(kuò)散層平面方向充分?jǐn)U散。因此，催化劑層的燃料濃度變得不均勻，導(dǎo)致發(fā)電特性變差。此外，如果透過(guò)多孔基層4的燃料通量降低，則向催化劑層的燃料供給變得不足，使?jié)獠顦O化變大并使發(fā)電特性變差。
與此相反，在圖1A所示結(jié)構(gòu)中，介于多孔基層2和3之間的多孔復(fù)合層1中，燃料沿?cái)U(kuò)散層厚度方向的擴(kuò)散被適當(dāng)?shù)刈钄?，而在多孔基?和3中，燃料沿?cái)U(kuò)散層平面方向的擴(kuò)散被促進(jìn)。因此有可能抑制燃料穿越，使燃料幾乎均勻地供給到催化劑層，從而改善電池的發(fā)電特性。
透過(guò)第一導(dǎo)電多孔基層及多孔復(fù)合層的燃料通量?jī)?yōu)選值應(yīng)低于其透過(guò)第二導(dǎo)電多孔基層的通量值。
在這種情況下，當(dāng)供給高濃度燃料時(shí)，可均勻的控制燃料透過(guò)整個(gè)擴(kuò)散層的擴(kuò)散率。因此，這有可能解決燃料流道上游燃料供給過(guò)剩引起的燃料穿越問(wèn)題及燃料流道下游燃料供給不足引起的濃差極化問(wèn)題。
在本發(fā)明的陽(yáng)極擴(kuò)散層中，多孔復(fù)合層具有一個(gè)與第二導(dǎo)電多孔基層相連的基本平的表面，這可防止多孔復(fù)合層中的疏水粘合材料及電子導(dǎo)電材料進(jìn)入第二導(dǎo)電多孔基層。如果多孔復(fù)合層中的疏水粘合材料和電子導(dǎo)電材料進(jìn)入了第二導(dǎo)電多孔基層，則燃料沿?cái)U(kuò)散層平面方向上的擴(kuò)散率將降低。為抑制多孔復(fù)合層中的構(gòu)成材料進(jìn)入第二導(dǎo)電多孔基層，最好采用如下制造方法。首先，在第一導(dǎo)電多孔基層上形成多孔復(fù)合層，使其具有與第二導(dǎo)電多孔基層相連的基本平的表面。之后，將第二導(dǎo)電多孔基層與多孔復(fù)合層的平表面相連。
此處所說(shuō)的“防止多孔復(fù)合層中的疏水粘合材料及電子導(dǎo)電材料進(jìn)入第二導(dǎo)電多孔基層”是指，防止疏水粘合材料及電子導(dǎo)電材料進(jìn)入第二導(dǎo)電多孔基層的程度應(yīng)以不影響燃料沿第二導(dǎo)電多孔基層平面方向的擴(kuò)散為準(zhǔn)。
在本發(fā)明的陽(yáng)極擴(kuò)散層中，多孔復(fù)合層中的疏水粘合材料優(yōu)選主要由氟碳樹脂組成。
采用具有化學(xué)穩(wěn)定的C-F鍵的氟碳樹脂作為疏水粘合材料可形成一疏水表面，即與其他分子相互作用微弱的表面。氟碳樹脂的例子包括聚四氟乙烯樹脂(PTFE)，四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)，聚氟乙烯樹脂(PVF)，聚偏二氟乙烯樹脂(PVDF)，以及四氟乙烯-全氟(烷基乙烯醚)共聚物(PFA)。
在本發(fā)明的陽(yáng)極擴(kuò)散層中，多孔復(fù)合層中的電子導(dǎo)電材料優(yōu)選主要由導(dǎo)電炭黑組成。
導(dǎo)電炭黑是一種高度結(jié)構(gòu)化材料(一次顆粒以恒定方式聚集)，具有大的比表面積。因此，采用這類導(dǎo)電炭黑作為電子導(dǎo)電材料可使催化劑層中生成的二氧化碳迅速?gòu)臍饪着懦龆瑫r(shí)確保電子傳導(dǎo)性。
在本發(fā)明的陽(yáng)極擴(kuò)散層中，第一和第二導(dǎo)電多孔基層中可均附有疏水粘合材料。在該例中，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)電多孔基層中疏水粘合材料的量，可控制燃料的透過(guò)通量。
當(dāng)疏水粘合材料在第一和第二導(dǎo)電多孔基層表面或這些多孔基層的氣孔內(nèi)壁上積累時(shí)，由于疏水粘合材料顆粒形狀各異而使表面或內(nèi)壁凹凸不平(不規(guī)則碎片形)，從而增強(qiáng)基層本身的疏水性。因此，通過(guò)控制第一或第二導(dǎo)電多孔基層中疏水粘合材料的量，可改變基層的疏水性并且控制燃料的透過(guò)通量。
在本發(fā)明的陽(yáng)極擴(kuò)散層中，第一和第二導(dǎo)電多孔基層中的疏水粘合材料優(yōu)選主要由氟碳樹脂組成。疏水粘合材料中所用的氟碳樹脂可選用與多孔復(fù)合層中所用的相同。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，最好使供應(yīng)給燃料電池的燃料量設(shè)置為發(fā)電所消耗燃料量的1.1到2.2倍。
當(dāng)供應(yīng)給燃料電池的燃料量與發(fā)電所消耗的燃料量非常接近時(shí)，可顯著降低因燃料剩余導(dǎo)致的燃料穿越量。如果燃料供應(yīng)量是發(fā)電消耗量的2.2倍以上時(shí)，燃料穿越會(huì)使電池的發(fā)電特性顯著變差。
燃料電池所消耗的燃料量由預(yù)定的輸出功率確定。而且可通過(guò)調(diào)整供給燃料電池的燃料濃度及供應(yīng)速度對(duì)燃料供應(yīng)量進(jìn)行控制。
在一個(gè)用以運(yùn)行本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式中，燃料選用甲醇或甲醇水溶液，電池發(fā)電時(shí)燃料濃度及電池溫度設(shè)定值應(yīng)使燃料透過(guò)第一導(dǎo)電多孔基層及多孔復(fù)合層這兩層的通量在0.6×10-4到1.5×10-4mol/(cm2.min)之間。
通過(guò)調(diào)整透過(guò)燃料流道側(cè)的第一導(dǎo)電多孔基層及多孔復(fù)合層這兩層的甲醇通量在上述數(shù)值范圍內(nèi)，就有可能使燃料在擴(kuò)散層厚度方向的阻斷率達(dá)到最優(yōu)，并解決燃料流道上游燃料供給過(guò)量引起的燃料穿越問(wèn)題。如果甲醇透過(guò)通量高于1.5×10-4mol/(cm2.min)，則甲醇沿?cái)U(kuò)散層厚度方向的透過(guò)速度將顯著提高，結(jié)果使供給整個(gè)催化劑層的甲醇量變得不均勻，從而導(dǎo)致發(fā)電特性變差。另一方面，如果甲醇透過(guò)通量低于0.6×10-4mol/(cm2.min)，則會(huì)使供給催化劑層的燃料不充足，結(jié)果使?jié)獠顦O化增大，使發(fā)電特性變差。
在用以運(yùn)行本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的另一優(yōu)選實(shí)施方式中，燃料選用甲醇或甲醇水溶液，電池發(fā)電時(shí)，燃料濃度及電池溫度的設(shè)定值應(yīng)使透過(guò)第二導(dǎo)電多孔基層的燃料通量取值范圍在4.5×10-4到8.0×10-4mol/(cm2.min)之間，通過(guò)調(diào)整透過(guò)第二導(dǎo)電多孔基層的甲醇通量在上述數(shù)值范圍內(nèi)，就有可能使燃料沿?cái)U(kuò)散層平面方向均勻擴(kuò)散并解決燃料流道下游燃料供給不足產(chǎn)生的濃差極化問(wèn)題。如果甲醇透過(guò)通量高于8.0×10-4mol/(cm2.min)，則甲醇沿第二導(dǎo)電多孔基層厚度方向的透過(guò)速度相對(duì)于其沿平面方向的透過(guò)速度將顯著提高，結(jié)果使供給整個(gè)催化劑層的甲醇量變得不均勻，從而導(dǎo)致發(fā)電特性變差。另一方面，如果甲醇透過(guò)通量低于4.5×10-4mol/(cm2.min)，則使供給催化劑層的燃料不充足，結(jié)果使?jié)獠顦O化增大，從而使發(fā)電特性變差。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，即使直接供給高濃度燃料，燃料也能均勻地供給到整個(gè)催化劑層并使燃料穿越效應(yīng)降低。因此根據(jù)本發(fā)明有可能制造出同時(shí)具有較高燃料利用率及良好發(fā)電特性的直接氧化燃料電池。
下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式。
實(shí)施方式1圖2為采用本發(fā)明實(shí)施方式制造的燃料電池的縱向剖面示意圖。在本例中，燃料電池由一個(gè)單元電池組成。單元電池10包含夾在陽(yáng)極側(cè)隔離層14及陰極側(cè)隔離層15之間的薄膜電極組件(MEA)。MEA包括氫離子導(dǎo)體電解質(zhì)膜11及將其夾于中間的陽(yáng)極12和陰極13。陽(yáng)極和陰極各自包含與電解質(zhì)膜相接觸的催化劑層及在隔離層側(cè)的擴(kuò)散層。陽(yáng)極側(cè)隔離層14在其面向陽(yáng)極側(cè)具有流道16，燃料經(jīng)流道16供給和排出。陰極側(cè)隔離層15在其面向陽(yáng)極側(cè)具有空氣流道17，氧化劑氣體通過(guò)流道17供給和排出。墊片18和19適配于陽(yáng)極和陰極外圍以?shī)A住電解質(zhì)膜。
單元電池10還包括集電器板20和21，加熱器板22和23，絕緣體板24和25，以及電池兩個(gè)面上的底板26和27，用夾緊方法將這些組件固定在一起。
電解質(zhì)膜11可由任一具有良好耐熱性及化學(xué)穩(wěn)定性的氫離子(質(zhì)子)導(dǎo)體材料制成，其對(duì)此類材料并無(wú)特別限定。
陽(yáng)極和陰極催化劑層各自由厚度約為10到100μm的薄膜構(gòu)成，該薄膜主要由聚合物電解質(zhì)及載有催化劑金屬或金屬細(xì)顆粒的導(dǎo)電碳粒子組成。陽(yáng)極催化劑層的催化劑金屬為以細(xì)顆粒形式存在的鉑-釕(Pt-Ru)合金，而陰極催化劑層的催化劑金屬為以細(xì)顆粒形式存在的鉑。聚合物電解質(zhì)所用材料最好與電解質(zhì)膜所用的相同。
如圖3所示，陽(yáng)極12包括擴(kuò)散層30和催化劑層34。擴(kuò)散層30是由至少三層組成的疊層由疏水粘合材料和電子導(dǎo)電材料組成的多孔復(fù)合層31；設(shè)置在多孔復(fù)合層31中陽(yáng)極側(cè)隔離層一側(cè)的第一導(dǎo)電多孔基層32；以及設(shè)置在多孔復(fù)合層31中催化劑層一側(cè)的第二導(dǎo)電多孔基層33。
多孔復(fù)合層30中的疏水粘合材料可是主要由氟碳樹脂組成的任何材料。優(yōu)選的氟碳樹脂例子包括聚四氟乙烯樹脂(PTEE)，四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)，聚氟乙烯樹脂(PVF)，聚偏二氟乙烯樹脂(PVDF)，以及四氟乙烯-全氟(烷基乙烯醚)共聚物(PFA)。多孔復(fù)合層30的電子導(dǎo)電材料可是主要由導(dǎo)電炭黑組成的任何材料。優(yōu)選的導(dǎo)電炭黑的例子是比表面積為200m2/g以上的高結(jié)構(gòu)化材料。第一和第二導(dǎo)電多孔基層可包含具有燃料擴(kuò)散性、對(duì)發(fā)電生成的二氧化碳的可排出性和電子導(dǎo)電性的導(dǎo)電多孔材料，該材料附有主要以氟碳樹脂組成的疏水粘合材料。這類導(dǎo)電多孔材料包括碳紙和碳布，這類疏水粘合材料包括聚四氟乙烯樹脂，四氟乙烯-六氟丙烯共聚物，聚氟乙烯樹脂，聚偏二氟乙烯樹脂，以及四氟乙烯-全氟代(烷基乙烯醚)共聚物。
多孔復(fù)合層10的材料被抑制進(jìn)入催化劑層側(cè)的第二導(dǎo)電多孔基層。
陰極13的擴(kuò)散層可為具有空氣擴(kuò)散性、對(duì)發(fā)電產(chǎn)生的水的排出性和電子傳導(dǎo)性的導(dǎo)電多孔基層，如碳紙或碳布。
圖4所示為包含本發(fā)明上述燃料電池的系統(tǒng)的實(shí)施方式的示意圖。該系統(tǒng)為非循環(huán)型燃料電池系統(tǒng)，其中從燃料電池陽(yáng)極側(cè)排出的液體和氣體不再回收以用于再次發(fā)電。也就是說(shuō)，燃料供應(yīng)量盡可能與發(fā)電消耗量相接近，以使陽(yáng)極側(cè)燃料排放量最小化。因此，該系統(tǒng)不需配備冷卻器及氣-液分離器這類裝置。
燃料電池40包括一個(gè)或多個(gè)單元電池的堆疊體，單元電池夾在集電器板、加熱器板、絕緣體板及端板之間。加熱器板用于控制電池溫度。燃料槽49中的燃料通過(guò)配有燃料泵48的燃料供給通道47供給到燃料電池40的陽(yáng)極43。作為氧化劑氣體的空氣通過(guò)配有氣泵45的供氣通道44將供給到燃料電池40的陰極42。從燃料電池40的陽(yáng)極43排出的燃料經(jīng)燃料排出通道50輸送到催化劑燃燒室51中。由陰極42排出的空氣經(jīng)空氣排出通道46輸送到催化劑燃燒室51中。從燃料電池中排出的燃料在催化劑燃燒室中被氧化/凈化，以含有水和二氧化碳的氣體排入大氣中。催化劑燃燒室51由兩個(gè)燃燒室組成，這兩個(gè)燃燒室被帶有催化劑層的多孔板隔開。其中一個(gè)燃燒室僅提供一個(gè)入口，用以導(dǎo)入由燃料電池40排出的燃料。另一燃燒室則提供一個(gè)用以引入空氣的進(jìn)口和一個(gè)用來(lái)將催化燃燒后的含有水和二氧化碳的氣體排出的空氣排放通道52。
燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行的燃料濃度及電池溫度應(yīng)使通過(guò)陽(yáng)極擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)通量在本發(fā)明的優(yōu)選范圍內(nèi)。這種燃料濃度和電池溫度按照如下步驟確定。
(1)第一步使用圖5所示裝置測(cè)量甲醇透過(guò)通量，在不同的甲醇水溶液濃度和溫度條件下測(cè)量甲醇透過(guò)擴(kuò)散層的通量。具體地說(shuō)，測(cè)量透過(guò)與第一導(dǎo)電多孔基層結(jié)合的多孔復(fù)合層的甲醇通量和透過(guò)第二導(dǎo)電多孔基層的甲醇通量。使用圖5所示裝置測(cè)定甲醇透過(guò)通量的方法將在后面的實(shí)施例中描述。
考慮到實(shí)際工作溫度，測(cè)量溫度取值在20到80℃之間。將測(cè)量裝置在恒溫箱中放置60分鐘，在甲醇水溶液溫度穩(wěn)定后開始測(cè)量。
(2)第二步基于上述測(cè)量結(jié)果確定達(dá)到優(yōu)選透過(guò)通量的甲醇濃度和溫度。
當(dāng)透過(guò)與第一導(dǎo)電多孔基層結(jié)合的多孔復(fù)合層的甲醇透過(guò)通量達(dá)到優(yōu)選值時(shí)所需的甲醇濃度及溫度與其透過(guò)第二導(dǎo)電多孔基層的不同時(shí)，采用透過(guò)第二導(dǎo)電多孔基層的甲醇濃度和溫度。然后調(diào)整多孔復(fù)合層的厚度和組成，使得相同甲醇濃度和溫度下透過(guò)與第一導(dǎo)電多孔基層結(jié)合的多孔復(fù)合層的甲醇透過(guò)通量達(dá)到優(yōu)選值。
(3)第三步該燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)電中，向陽(yáng)極供給燃料濃度為第二步確定的甲醇濃度，電池溫度則設(shè)定為第二步確定的甲醇水溶液溫度。
下面將舉例具體說(shuō)明本發(fā)明內(nèi)容。
實(shí)施例1將平均粒度均為3nm的30wt％的鉑和30wt％的釕涂于平均一次粒度為30nm的炭黑(導(dǎo)電碳粒子)上(ketjen黑EC，三菱化學(xué)品公司)，制得陽(yáng)極催化劑載體粒子。將平均粒度為3nm的50wt％的鉑涂于同一ketjen黑EC上制得陰極催化劑載體粒子。將陽(yáng)極催化劑載體粒子和陰極催化劑載體粒子各自在異丙醇水溶液中超聲分散。各個(gè)分散體與聚合物電解質(zhì)相混合后在球磨機(jī)里高度分散。通過(guò)這種方法制得陽(yáng)極催化劑漿料和陰極催化劑漿料。催化劑漿料中導(dǎo)電碳粒子和聚合物電解質(zhì)的重量比是1∶1。采用的聚合物電解質(zhì)是全氟化碳磺酸離聚物(Flemion，Asahi玻璃公司)。
用刮片將陽(yáng)極和陰極催化劑漿料涂在聚四氟乙烯片材(Naflon聚四氟乙烯片材，NICHIAS公司)上，并在室溫下置于空氣中晾干6小時(shí)。通過(guò)這種方法可制成陽(yáng)極催化劑層和陰極催化劑層。這些帶有催化劑層的片材被切成6cm×6cm大小。將電解質(zhì)膜夾在帶有陽(yáng)極催化劑層的片材和帶有陰極催化劑層的片材中間并使各催化劑層面向內(nèi)設(shè)置。將這一組合體在7MPa、130℃下熱壓5分鐘，以使各催化劑層粘合到電解質(zhì)膜上。采用的電解質(zhì)膜是全氟烴基磺酸的離子交換膜(Nafion117，E.I.Du Pont de Nemours & Company)。其后，將聚四氟乙烯片材從制得的組件中移出，以使陽(yáng)極催化劑層和陰極催化劑層形成于電解質(zhì)膜上。陽(yáng)極和陰極上的鉑的量均為1.8mg/cm2。
將用作第一導(dǎo)電多孔基層的碳紙(TGP-H090，Toray工業(yè)公司)浸入到含7wt％的聚四氟乙烯樹脂(PTFE)(D-1E，來(lái)自Daikin工業(yè)公司，用離子交換水稀釋)的分散體中1分鐘。將碳紙?jiān)谑覝叵麓髿庵懈稍?小時(shí)后，將其放入氮?dú)庵性?60℃下焙燒1小時(shí)以去除其表面活化物質(zhì)。經(jīng)該方法處理后的碳紙具有疏水性。第一導(dǎo)電多孔基層上附有的PTFE的量為11.5wt％。
之后，以下述方式在獲得的第一導(dǎo)電多孔基層32的表面上形成多孔復(fù)合層31。首先，將導(dǎo)電炭黑(Vulcan XC-72R，CABOT公司)超聲分散在含表面活性劑(Trition X-100，Sigma-Aldrich公司)的水溶液中，之后使用HIVIS MIX(PRIMIX公司)進(jìn)行高度分散。將該分散體與PTFE分散體(D-1E，Daikin工業(yè)公司)混合后再次高度分散以制得用以形成多孔復(fù)合層的漿料。用刮片將多孔復(fù)合層漿料均勻地涂在第一導(dǎo)電多孔基層32的整個(gè)表面上，并在室溫大氣條件下干燥8小時(shí)。之后將其放入氮?dú)庵性?60℃下焙燒1小時(shí)以移除其表面活化物質(zhì)。由此制得的多孔復(fù)合層31的厚度約為50μm，導(dǎo)電炭黑與聚四氟乙烯的重量比為3/5。
接著，將其上形成有多孔復(fù)合層31的第一導(dǎo)電多孔基層32，和第二導(dǎo)電多孔基層33切成6cm×6cm大小。之后將第二導(dǎo)電多孔基層33放置在形成于第一導(dǎo)電多孔基層32上的多孔復(fù)合層31上，在4MPa、130℃下熱壓3分鐘以獲得擴(kuò)散層30。第二導(dǎo)電多孔基層33所用材料為碳紙(TGP-H060，來(lái)自Toray工業(yè)公司)，該碳紙也以與第一導(dǎo)電多孔基層32相同的方式，用含3wt％聚四氟乙烯的分散體進(jìn)行疏水處理，使得有5.5wt％的聚四氟乙烯附于碳紙上。
通過(guò)形成如上所述的擴(kuò)散層30，多孔復(fù)合層31和第二導(dǎo)電多孔基層33得以層疊而不使多孔復(fù)合層的材料進(jìn)入第二導(dǎo)電多孔基層33中。
之后，將帶有陽(yáng)極催化劑層和陰極催化劑層的電解質(zhì)膜11夾于大小為6cm×6cm的陽(yáng)極擴(kuò)散層30和6cm×6cm的陰極擴(kuò)散層之間。將該組件在4MPa、130℃下熱壓3分鐘。陰極擴(kuò)散層所用材料為碳布(LT2500W，來(lái)自E-TEK)。
此外，在4MPa、130℃下使墊片18和19熱粘合于陽(yáng)極12和陰極13外圍5分鐘，以?shī)A住電解質(zhì)膜，形成電解質(zhì)膜電極組件(MEA)。
MEA被夾在隔離層，集電器板，加熱器板，絕緣體板，以及底板之間，其外尺寸為10cm×10cm，整個(gè)單元用夾緊棒條固定。每個(gè)隔離層區(qū)的夾緊壓力為20kgf/cm2。陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)隔離層分別由4毫米厚的玻璃碳板組成，該玻璃碳板在面向陽(yáng)極一側(cè)或面向陰極一側(cè)具有寬1.5mm深1mm的彎曲流道。集電器板為鍍金不銹鋼板，底板為不銹鋼板。通過(guò)該方法制得燃料電池A。
實(shí)施例2用與實(shí)施例1相同的制造方法制得燃料電池B，只是多孔復(fù)合層中導(dǎo)電炭黑與聚四氟乙烯的重量比變?yōu)?/3，并且多孔復(fù)合層31的厚度變?yōu)榧s30μm。
實(shí)施例3用與實(shí)施例1相同的制造方法制得燃料電池C，只是第一導(dǎo)電多孔基層32經(jīng)過(guò)了含13wt％聚四氟乙烯的分散體的疏水處理，使其上附有20.5wt％的聚四氟乙烯，以及多孔復(fù)合層31的厚度變?yōu)榧s60μm。
實(shí)施例4用與實(shí)施例1相同的制造方法制得燃料電池D，只是使用Toray工業(yè)公司的TGP-H030碳紙作為第二導(dǎo)電多孔基層33并經(jīng)過(guò)含7wt％聚四氟乙烯的分散體的疏水處理，使其上附有11.5wt％的聚四氟乙烯。
實(shí)施例5
用與實(shí)施例1相同的制造方法制得燃料電池E，只是第二導(dǎo)電多孔基層33經(jīng)過(guò)含7wt％聚四氟乙烯的分散體的疏水處理，使其上附有11.5wt％的聚四氟乙烯。
實(shí)施例6用與實(shí)施例1相同的制造方法制得燃料電池F，只是第一導(dǎo)電多孔基層32經(jīng)過(guò)了含3wt％聚四氟乙烯的分散體的疏水處理，使其上附有5.5wt％的聚四氟乙烯，多孔復(fù)合層31中導(dǎo)電炭黑與聚四氟乙烯的重量比變?yōu)?/3，并且多孔復(fù)合層31的厚度變?yōu)榧s20μm。
實(shí)施例7用與實(shí)施例1相同的制造方法制得燃料電池G，只是第一導(dǎo)電多孔基層32經(jīng)過(guò)了含13wt％聚四氟乙烯的分散體的疏水處理，使其上附有20.5wt％的聚四氟乙烯，以及多孔復(fù)合層31的厚度變?yōu)榧s80μm。
實(shí)施例8用與實(shí)施例1相同的方法制得燃料電池H，只是使用Toray工業(yè)公司的TGP-H030碳紙作為第二導(dǎo)電多孔基層33并未經(jīng)疏水處理。
實(shí)施例9用與實(shí)施例1相同的制造方法制得燃料電池I，只是第二導(dǎo)電多孔基層33經(jīng)過(guò)含13wt％聚四氟乙烯的分散體的疏水處理，使其上附有20.5wt％的聚四氟乙烯。
實(shí)施例10用與實(shí)施例1相同的制造方法制得燃料電池J，只是用刮片將多孔復(fù)合層漿料均勻涂在第二導(dǎo)電多孔基層33上而不是第一導(dǎo)電多孔基層32上。
實(shí)施例11用與實(shí)施例1相同的制造方法制得燃料電池K，只是使用Toray工業(yè)公司的TGPH060碳紙作為第一導(dǎo)電多孔基層32并經(jīng)過(guò)含3wt％聚四氟乙烯的分散體的疏水處理，使其上附有5.5wt％聚四氟乙烯，以及使用Toray工業(yè)公司的TGP H090作為第二導(dǎo)電多孔基層33并經(jīng)過(guò)含7wt％聚四氟乙烯的分散體的疏水處理，使其上附有11.5wt％的聚四氟乙烯。
對(duì)照例1用與實(shí)施例1相同的方法制得燃料電池1，只是陽(yáng)極擴(kuò)散層僅由第一導(dǎo)電多孔基層32組成(單層結(jié)構(gòu))并且所用材料為Toray工業(yè)公司的TGP-H120。
對(duì)照例2用與實(shí)施例1相同的方法制得燃料電池2，只是陽(yáng)極擴(kuò)散層由多孔復(fù)合層31和第一導(dǎo)電多孔基層32組成(雙層結(jié)構(gòu))。
對(duì)照例3用與實(shí)施例1相同的方法制得燃料電池3，只是陽(yáng)極擴(kuò)散層由多孔復(fù)合層31和第一導(dǎo)電多孔基層32組成(雙層結(jié)構(gòu))，使用Toray工業(yè)公司的TGP-H120碳紙作為第一導(dǎo)電多孔基層32并經(jīng)過(guò)含13wt％聚四氟乙烯的分散體的疏水處理，使其上附有20.5wt％的聚四氟乙烯，以及多孔復(fù)合層31的厚度變?yōu)榧s80μm。
針對(duì)實(shí)施例1到11及對(duì)照例1到3中所用的每個(gè)陽(yáng)極擴(kuò)散層，用如下方式測(cè)定透過(guò)與多孔復(fù)合層31結(jié)合的第一導(dǎo)電多孔基層32的甲醇通量和透過(guò)第二導(dǎo)電多孔基層33的甲醇通量。測(cè)定結(jié)果如表1所示。
在燃料電池A到J中，透過(guò)第二導(dǎo)電多孔基層的甲醇通量高于透過(guò)第一導(dǎo)電多孔基層的甲醇通量。在燃料電池K中，透過(guò)第一導(dǎo)電多孔基層的甲醇通量高于透過(guò)第二導(dǎo)電多孔基層的甲醇通量。
表1


(1)甲醇透過(guò)通量圖5所示為一種由玻璃制成的H形電池60。電池60包括玻璃容器61，玻璃容器62，以及連接61和62的連接部件63。連接部件63的截面積為3.14cm2，并配有將樣品66托于其間的膠環(huán)67及68。所用樣品66為第二導(dǎo)電多孔基層33或結(jié)合有多孔復(fù)合層31的第一導(dǎo)電多孔基層32。該電池60放于60℃恒溫箱中。往玻璃容器61中引入50cc的6M甲醇水溶液，往玻璃容器62中引入200cc離子交換水。用攪拌器64和65等速攪拌這些溶液。之后每隔一段時(shí)間從玻璃容器62中取樣約1cc水溶液，用氣相色譜法測(cè)定甲醇濃度。根據(jù)每單位時(shí)間內(nèi)甲醇的增加量計(jì)算甲醇透過(guò)通量。
然后，使用實(shí)施例1到11的燃料電池A到K和對(duì)照例1到3的燃料電池1到3制備如圖4所示的燃料電池系統(tǒng)。運(yùn)行這些燃料電池系統(tǒng)以評(píng)估燃料電池的電流-電壓特性及持續(xù)發(fā)電特性。評(píng)估方法如下所述，評(píng)估結(jié)果如表1所示。
(2)電流-電壓特性6M的甲醇水溶液以0.14cc/min的流量供給到陽(yáng)極側(cè)，空氣則以0.3L/min的流率供給到陰極側(cè)。電池溫度保持在60℃，發(fā)電時(shí)的電流密度為150mA/cm2。在電池發(fā)電15分鐘后，測(cè)量其有效電壓。在該評(píng)定條件下，燃料供給量設(shè)置成發(fā)電所需燃料消耗量的1.5倍，供氣量設(shè)置成發(fā)電所需空氣消耗量的3.1倍。
(3)持續(xù)發(fā)電特性在上述條件下，燃料電池發(fā)電15分鐘后測(cè)定的有效電壓定義為初始電壓。相同條件下，連續(xù)發(fā)電100小時(shí)后測(cè)量有效電壓。計(jì)算該電壓與初始電壓的比值(電壓保持率)。
由表1可清楚的看出，在采用高濃度甲醇的運(yùn)行條件下的燃料電池A到K具有良好的發(fā)電特性。這是由于陽(yáng)極擴(kuò)散層的三層結(jié)構(gòu)，即由疏水的導(dǎo)電多孔基層、多孔復(fù)合層和導(dǎo)電多孔基層。這種三層結(jié)構(gòu)有可能控制燃料沿?cái)U(kuò)散層厚度方向的阻斷率并提高燃料沿?cái)U(kuò)散層平面方向的擴(kuò)散率。尤其是燃料電池A到E的發(fā)電特性有明顯改善。其原因可能是首先，將透過(guò)結(jié)合有多孔復(fù)合層的第一導(dǎo)電多孔基層和第二導(dǎo)電多孔基層(它們形成了陽(yáng)極擴(kuò)散層)的甲醇透過(guò)通量控制在合適范圍內(nèi)。其次，多孔復(fù)合層和第二導(dǎo)電多孔基層形成疊層而不使多孔復(fù)合層的材料進(jìn)入第二導(dǎo)電多孔基層，結(jié)果使適量的甲醇均勻的沿?cái)U(kuò)散層平面方向擴(kuò)散。
另一方面，就對(duì)照例中的燃料電池1來(lái)說(shuō)，其陽(yáng)極擴(kuò)散層是僅由疏水性的導(dǎo)電多孔基層構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)。因此，甲醇沿?cái)U(kuò)散層厚度方向的阻斷率不夠高，使得燃料流道上游的甲醇穿越顯著增大，最終使發(fā)電特性顯著變差。
就對(duì)照例中燃料電池2而言，其陽(yáng)極擴(kuò)散層是由疏水性的導(dǎo)電多孔基層及多孔復(fù)合層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。因此，這使得適量甲醇很難沿?cái)U(kuò)散層平面方向均勻擴(kuò)散，并且可能導(dǎo)致發(fā)電特性變差。
就對(duì)照例中的燃料電池3來(lái)說(shuō)，其陽(yáng)極擴(kuò)散層是由疏水性的導(dǎo)電多孔基層及多孔復(fù)合層構(gòu)成的較厚的雙層結(jié)構(gòu)。因此，供給催化劑層的燃料量變得不充足，這使得濃差極化增大，最終導(dǎo)致發(fā)電特性變差。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，擴(kuò)散層是三層結(jié)構(gòu)的疊層，但并不局限于此。同時(shí)，多孔復(fù)合層可由不同導(dǎo)電炭黑與聚四氟乙烯重量比的兩層組成。
根據(jù)本發(fā)明制造的燃料電池可直接用甲醇，二甲醚等作為燃料，而無(wú)須將它們轉(zhuǎn)變?yōu)闅?，因此該類電池可用作便攜式小型電子器件的電源，如便攜式電話，個(gè)人數(shù)字助理(PDA)，筆記本個(gè)人電腦，以及攝像機(jī)等。此外，根據(jù)本發(fā)明制造的燃料電池還可用于電車，汽車電源等。
盡管本發(fā)明已按照最優(yōu)方案進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解，這樣的公開并不是一種限制。對(duì)那些與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)熟練人員來(lái)說(shuō)，在了解了上述公開內(nèi)容后，無(wú)疑可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變更和修改。因此，所附加的權(quán)利要求應(yīng)被解釋為覆蓋了所有落在本發(fā)明的宗旨和范圍內(nèi)的變化。
權(quán)利要求
1.一種直接氧化燃料電池，它包含至少一個(gè)單元電池，所述單元電池包括陽(yáng)極、陰極、介于所述陽(yáng)極與所述陰極之間的氫離子導(dǎo)體聚合物電解質(zhì)膜、陽(yáng)極隔離層和陰極隔離層，所述陽(yáng)極隔離層帶有用于向所述陽(yáng)極供給或從其中排出燃料的流道，所述陰極隔離層帶用于向陰極供給或從其中排出氧化劑氣體的流道，其中所述陽(yáng)極包括與所述聚合物電解質(zhì)膜相接觸的催化劑層；以及擴(kuò)散層，所述擴(kuò)散層包括含有疏水粘合材料和電子導(dǎo)電材料的多孔復(fù)合層；設(shè)置在所述多孔復(fù)合層的陽(yáng)極側(cè)隔離層一側(cè)的第一導(dǎo)電多孔基層；以及設(shè)置在所述多孔復(fù)合層的催化劑層一側(cè)的第二導(dǎo)電多孔基層。
2.如權(quán)利要求1所述的直接氧化燃料電池，其特征在于，透過(guò)所述第一導(dǎo)電多孔基層和所述多孔復(fù)合層的燃料通量低于透過(guò)所述第二導(dǎo)電多孔基層的燃料通量。
3.如權(quán)利要求1所述的直接氧化燃料電池，其特征在于，多孔復(fù)合層具有與所述第二導(dǎo)電多孔基層相連接的基本平的表面，用以防止所述多孔復(fù)合層中的疏水粘合材料和電子導(dǎo)電材料進(jìn)入所述第二導(dǎo)電多孔基層。
4.如權(quán)利要求1所述的直接氧化燃料電池，其特征在于，所述疏水粘合材料主要由氟碳樹脂組成。
5.如權(quán)利要求1所述的直接氧化燃料電池，其特征在于，所述電子導(dǎo)電材料主要由導(dǎo)電炭黑組成。
6.如權(quán)利要求1所述的直接氧化燃料電池，其特征在于，所述第一導(dǎo)電多孔基層和所述第二導(dǎo)電多孔基層含有疏水粘合材料。
7.如權(quán)利要求6所述的直接氧化燃料電池，其特征在于，所述疏水粘合材料主要由氟碳樹脂組成。
8.一種運(yùn)行直接氧化燃料電池系統(tǒng)的方法，所述直接氧化燃料電池系統(tǒng)包括如權(quán)利要求1所述的燃料電池；通過(guò)燃料供給通道與所述燃料電池的陽(yáng)極進(jìn)口相連的燃料槽；與所述燃料電池的陽(yáng)極出口相連的燃料排出通道；通過(guò)氧化劑供給通道與所述燃料電池的陰極進(jìn)口相連的氧化劑供應(yīng)源；以及與所述燃料電池的陰極出口相連的氧化劑排出通道，所述方法包括，運(yùn)行所述燃料電池使得供給到所述燃料電池的陽(yáng)極的燃料量是所述燃料電池發(fā)電所消耗的燃料量的1.1到2.2倍。
9.如權(quán)利要求8所述的運(yùn)行直接氧化燃料電池系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述燃料是甲醇或甲醇水溶液，所述方法包括，在一定燃料濃度和電池溫度下運(yùn)行所述燃料電池，使得透過(guò)所述第一導(dǎo)電多孔基層和所述多孔復(fù)合層的燃料通量在0.6×10-4到1.5×10-4mol/(cm2.min)之間。
10.如權(quán)利要求8所述的運(yùn)行直接氧化燃料電池系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述燃料是甲醇或甲醇水溶液，所述方法包括，在一定燃料濃度和電池溫度下運(yùn)行所述燃料電池，使得透過(guò)所述第二導(dǎo)電多孔基層的燃料通量在4.5×10-4到8.0×10-4mol/(cm2.min)之間。
全文摘要
一種直接氧化燃料電池，包括至少一個(gè)單元電池。該至少一個(gè)單元電池包括陽(yáng)極、陰極和介于陽(yáng)極與陰極之間的氫離子導(dǎo)體聚合物電解質(zhì)膜。該陽(yáng)極包括與聚合物電解質(zhì)膜相接觸的催化劑層；以及擴(kuò)散層。該擴(kuò)散層包括含有疏水粘合材料和電子導(dǎo)電材料的多孔復(fù)合層；設(shè)置在多孔復(fù)合層中陽(yáng)極側(cè)隔離層一側(cè)的第一導(dǎo)電多孔基層；以及設(shè)置在多孔復(fù)合層中催化劑層一側(cè)的第二導(dǎo)電多孔基層。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1983698SQ20071000833
公開日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2007年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月1日
發(fā)明者植田英之, 福田真介 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社