專利名稱：不含選擇性滲透膜的直接燃料電池及其組成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，并涉及用于不含選擇性滲透膜的液體燃料電池的電極分離 組件(SEA)。具體地，當(dāng)使用醇類(優(yōu)選乙醇)作為碳基燃料來源和空氣時(shí)，本發(fā)明涉及的燃料 電池可以延長(zhǎng)使用時(shí)間，且具有更多的優(yōu)點(diǎn)不需要選擇性滲透膜，不需要使用昂貴的鉬作 為催化劑，也不要求高于環(huán)境溫度的操作溫度。更具體地，燃料電池在陰陽(yáng)極之間不含選擇性滲透膜或其它物理性的或選擇性滲 透的液體障礙物，而以分離器代替(電極分離組件(SEA)的一部分)。電極分離組件(SEA)包含一個(gè)多孔分離部件(代替選擇性滲透膜)，這種分離部件 允許燃料電池的所有元件之間的液體和電解質(zhì)自由地、非選擇性地?cái)U(kuò)散。更進(jìn)一步地，燃料電池由包含底物和催化劑的選擇性陽(yáng)極(電極)、以及包含防止 水溢的憎水鍍膜材料的選擇性陰極組成。因此，陽(yáng)極燃料的氧化(醇類，優(yōu)選為乙醇)和陰 極燃料的還原在很大程度上只分別發(fā)生在陽(yáng)極和陰極處。此外，陰極催化劑對(duì)陽(yáng)極燃料的反應(yīng)非常有限，而選擇性提高了燃料電池的性能。 而且，SEA允許燃料電池的堆垛，從而電源輸出功率更大。本發(fā)明還提供了一種用于SEA里 的陰極，該陰極可以承受水浸，且仍能有效運(yùn)作。本發(fā)明還提供一種與市售的鈀含量約30% 的鈀碳相比更高效的、鈀含量約8%的鈀碳陽(yáng)極，從而為液體燃料電池提供了一種更劃算的 陽(yáng)極。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能的電化學(xué)裝置。就這類能量轉(zhuǎn)換而言，燃 料電池可能類似于蓄電池和用于產(chǎn)生電能的內(nèi)燃機(jī)。但是與蓄電池不同的是，燃料電池只要有燃料供給就可以產(chǎn)生電流。此外，與內(nèi)燃 機(jī)相反，燃料電池可以通過電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電流，而不需要包括熱能和機(jī)械運(yùn)動(dòng)在內(nèi) 的多種能量轉(zhuǎn)換。在一個(gè)典型的燃料電池中，燃料被添加到陽(yáng)極并被氧化，釋放出質(zhì)子和電子。產(chǎn)生 的電子經(jīng)過外荷載而做電功，并返回陰極，同時(shí)質(zhì)子越過對(duì)質(zhì)子選擇性滲透(換句話說，對(duì) “陰極”選擇性滲透)的電解質(zhì)膜而遷移。在陰極，提供的氧化劑被質(zhì)子和電子還原，產(chǎn)生副 產(chǎn)物純水。燃料電池比傳統(tǒng)的電能發(fā)生裝置具有許多重要的優(yōu)點(diǎn)。燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有 很少活動(dòng)元件。由于其不復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，燃料電池可靠且耐久；也安靜。除了這些優(yōu)點(diǎn)，燃料 電池只有副產(chǎn)物水，環(huán)保。此外，與蓄電池不同的是，燃料電池通過補(bǔ)給燃料而具有持續(xù)的 運(yùn)作能力。必須注意的是，選擇性滲透膜，例如陽(yáng)離子交換膜(Nafion)，尤其是使用Pt或Ru 時(shí)，通常是常規(guī)燃料電池最昂貴的成分。除了成本外，燃料供給是燃料電池其次的最大問題。由于氫的高陽(yáng)極氧化反應(yīng)，以及除了純水外沒有其他的排放物，氫是燃料電池最優(yōu)選的燃料。然而，氫不像化石 燃料一樣天然產(chǎn)生的，因此，目前超過95%以上的氫產(chǎn)生于化石或其他石油化學(xué)產(chǎn)品， 如甲烷(CH4)、氨(NH3)、甲醇(CH3OH)、乙醇(C2H5OH)、汽油(C8H18)和類似的碳?xì)浠衔?(Τ.E.Lipman,"What Will Power the Hydrogen Economy ？ Present and Future Sources of Hydrogen Energy,，，Institute of Transportation Studies, Davis, CA, Tech. Rep. UCD-ITS-RR-04-10,2004)。為使燃料電池廣泛使用，需要提供使用現(xiàn)已可用的燃料的有效功率，且用非昂貴 的材料構(gòu)建。目前可用的燃料電池不能滿足其需要。堿性燃料電池可以提供有效功率，也 可以用非昂貴的材料構(gòu)建。然而，其使用氫作為陽(yáng)極燃料，其很貴，且難以操控。此外，在有 些情況下，其在高溫條件(高達(dá)250°C )下運(yùn)作，也要求昂貴的熱管理系統(tǒng)。最后，堿性燃料 電池不能忍受非常少量的二氧化碳，因此，燃料在使用之前必須擦洗，或在運(yùn)作過程中電解 質(zhì)必須更新。由于這些缺陷，堿性燃料電池沒有被廣泛使用。硼氫化物介導(dǎo)的燃料電池是堿性燃料電池的一個(gè)子集。在這類燃料電池中，硼氫 化鈉用作直接的陽(yáng)極燃料。然而，即使是在堿性媒質(zhì)中，硼氫化鈉都會(huì)水解產(chǎn)生氫氣。在硼 氫化物介導(dǎo)的燃料電池中，這個(gè)反應(yīng)減少了可用于陽(yáng)極反應(yīng)的硼氫化物的量，且產(chǎn)生的氫 氣必須安全解決。由于這些缺陷，硼氫化物介導(dǎo)的燃料電池沒有被廣泛使用。磷酸燃料電池可以使用天然氣而提供有效功率。其不需要選擇性滲透膜，操作溫 度在150°C -250°C之間，足夠高以使天然氣改造為氫氣，且含有痕量雜質(zhì)，可以直接用作陽(yáng) 極燃料。然而，其使用昂貴的鉬作為催化劑，且需花大量的錢進(jìn)行工廠的改造和熱管理。由 于這些缺陷，磷酸燃料電池沒有被廣泛使用。固體氧化物燃料電池可以通過使用已經(jīng)使用的燃料如天然氣而提供有效功率。其 使用選擇性滲透固體電解質(zhì)膜，其操作溫度可以達(dá)到1000°c，如果純度高、沒有硫磺，溫度 足夠高以使天然氣可以直接用作陽(yáng)極燃料。此外，其高操作溫度使在尋找燃料中使用的合 適的結(jié)構(gòu)和電子傳導(dǎo)材料產(chǎn)生了難題。這樣的溫度也造成了大的熱處理成本。由于這些缺 陷，固體氧化物燃料電池沒有被廣泛使用。聚電解質(zhì)，或質(zhì)子交換，膜燃料電池可以提供有效功率。它們一般在室溫至80 V的 溫度下操作，溫度低以使材料選擇和熱處理易于處理。然而，其使用昂貴的鉬作為催化劑。 它們使用氫作為陽(yáng)極燃料，其很昂貴，不易操控。鉬催化劑不能忍受氫中的雜質(zhì)，因此其難 以使用從其它燃料如天然氣轉(zhuǎn)化而得到的氫。為了防止燃料通過陰極催化劑的氫的反應(yīng)而去極化，其要求使用選擇性滲透電解 膜，通常是用如Nafion 的全氟樹脂材料，其很昂貴。為了將氣態(tài)燃料輸送至陽(yáng)極和陰極，其 需要復(fù)雜的輸送集管和三個(gè)大氣壓高的輸入壓力，這增加了燃料的構(gòu)造設(shè)計(jì)和材料成本。 由于這些缺陷，聚電解質(zhì)燃料電池沒有被廣泛使用。甲醇介導(dǎo)的燃料電池可以通過已使用的、便宜的燃料-甲醇而提供功率。其通常 的操作溫度在室溫至80°C，溫度低以使材料選擇和熱處理易于操作。由于陽(yáng)極燃料為液體， 甲醇介導(dǎo)的燃料電池的體積能量密度比使用氫氣的電池，如聚電解質(zhì)燃料電池要高。然而， 它們的催化劑使用昂貴的鉬，且處于非常高負(fù)載。它們會(huì)由于陽(yáng)極的中間反應(yīng)產(chǎn)物造成催 化劑中毒。由于甲醇從陽(yáng)極轉(zhuǎn)向陰極而去極化，也由于這種轉(zhuǎn)向而降低燃料利用率。它們 需要使用昂貴的選擇性滲透膜以減少甲醇到陰極的轉(zhuǎn)型。膜在含有高甲醇濃度的液體中不能正常操作，因此陽(yáng)極燃料濃度必須包括大量水，以降低燃料的能量密度。由于這些缺陷， 甲醇介導(dǎo)的燃料電池沒有被廣泛使用。Xiaoming Ren (9th國(guó)際年度研討會(huì)小型燃料電池2007 ；3，9，2007 ；信息平臺(tái))報(bào) 道了 Acta S. p. Α.發(fā)明的堿性燃料電池，其使用“非鉬”陽(yáng)極催化劑，以及包括乙醇、甲醇、 乙二醇、丙三醇及其它的各種陽(yáng)極燃料。作者報(bào)道了一種燃料電池，使用10%氫氧化鉀水溶 液中的10%乙醇作為陽(yáng)極燃料、以及大氣作為陰極燃料，還報(bào)道了在室溫每cm2產(chǎn)生^mW, 在80°C每cm2產(chǎn)生145mW。然而，這種燃料在其結(jié)構(gòu)中包含昂貴的選擇性滲透膜作為元件。 這種燃料電池沒有使用非昂貴材料。Finkelshtain et al. (U. S. 2003/0008199)報(bào)道了一種 Medis EL Ltd.發(fā)明的燃 料電池的簡(jiǎn)要說明，其使用轉(zhuǎn)換的金屬傳導(dǎo)的聚催化劑用作陽(yáng)極和陰極催化劑，水中添加 30%甲醇和一種未知的燃料分別作為陰極和陽(yáng)極燃料。該燃料電池不含有選擇性滲透膜。 作者稱該燃料電池產(chǎn)生“數(shù)小時(shí)25-30mW/cm2的功率密度”。沒有公開操作溫度或?qū)嶋H數(shù)據(jù)。 然而，這種燃料電池在陰極和陽(yáng)極都有使用鉬。該燃料電池沒有使用非昂貴材料，也沒有詳 細(xì)公開功率性能和陰極燃料。Medis Technologies LTD具有一種商品化的燃料電池，其可能可以用于充電和 /或?yàn)橐苿?dòng)電話提供功率。這些燃料電池標(biāo)明為硼氫化鈉介導(dǎo)的電池，分解或分析直接從 Medis購(gòu)買的單元，可以知道其為堿性燃料電池，其中氫陽(yáng)極燃料通過不受控制的硼氫化物 的水解而傳遞。這些燃料電池在其陽(yáng)極中包含大量的鉬，這使得燃料電池的購(gòu)買價(jià)格低于 陽(yáng)極中包含的鉬的價(jià)格。一部分功率似乎是由氧化錳陰極催化劑的恒電流還原而造成的。 此外，燃料電池不能處理其自主產(chǎn)生的氫氣，因此其具有嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。該燃料電池沒有 使用便宜的材料，且當(dāng)前售出的并不安全。便于攜帶的功率系統(tǒng)被認(rèn)為是未來的市場(chǎng)，其中不同的燃料電池系統(tǒng)具有商業(yè)應(yīng) 用。然而，只有基于選擇性滲透膜(也就是說，電解膜對(duì)特定的離子種類如質(zhì)子具有選擇 性)可以提供便于攜帶的功率系統(tǒng)(可以對(duì)手機(jī)、PDA和便攜式電腦較長(zhǎng)時(shí)間充電)需要的 功率密度。然而，這類選擇性滲透膜燃料電池系統(tǒng)成本高(由于其選擇性滲透膜成本高)、 需要大量昂貴的催化劑材料(如Pt或Ru)，壽命短(由于一氧化碳和其它中間化學(xué)種類的 產(chǎn)生使催化劑中毒)。堿性燃料電池壽命短是因?yàn)槎趸?，其與電解質(zhì)形成碳酸鹽，且阻礙了選擇性 滲透膜沉淀碳酸鹽。因此，有必要使燃料電池不需要選擇性滲透膜而達(dá)到需要的功率密度， 應(yīng)用于可攜帶功率領(lǐng)域。Verma and Basu (J. Power Sources 145 :282_285，2005) 艮道了一種不含有膜的 原型電池。作者Verma和Basu試圖在固定的工作臺(tái)頂部電池中使用甲醇和乙醇作為燃料， 其不需要移動(dòng)、在水平方向小心放置陰極以防止陰極水浸。然而，這樣的設(shè)計(jì)要求持續(xù)刺激 陽(yáng)極，不可攜帶，因?yàn)橐后w電解質(zhì)/燃料混合物的任何晃動(dòng)都會(huì)使陰極水浸(即不可攜帶)， 且乙醇的電流密度至多不到2mA/cm2，只有幾分鐘的運(yùn)行時(shí)間。因此，需要一種更加可靠的燃料電池，其使用便宜的材料，能長(zhǎng)時(shí)間提供功率，電 流密度大于2mA/cm2。本發(fā)明公開的燃料電池能實(shí)現(xiàn)上述目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的燃料電池不含膜，具有高電流和功率密度，能夠持續(xù)工作而不需要 停下來更新催化劑。而且，本發(fā)明的燃料電池不含選擇性滲透膜而產(chǎn)生高于lOmA/cm2的電 流密度。具體的是，本發(fā)明提供了一種不含滲透膜的燃料電池，包括(a)密閉式燃料電池，由陽(yáng)極室和陰極室組成，陽(yáng)極室和陰極室依靠機(jī)械的/電學(xué) 的多孔分離器分開，分離器允許極室之間液體和離子自由轉(zhuǎn)移；(b)所述陽(yáng)極室包括陽(yáng)極，以及燃料和電解質(zhì)的混合液，在所述陽(yáng)極上含有催化 劑；(c)所述陰極室包括憎水鍍膜的陰極和氧氣或空氣，所述陰極上含有催化劑；在燃料電池里，陽(yáng)極和陰極電學(xué)連接，從而產(chǎn)生電流，所述密閉式燃料電池中可以 產(chǎn)生至少10mA/cm2的電流。優(yōu)選地，所述燃料電池的電流密度可以達(dá)到至少15mA/cm2，或至少20mA/cm2，或至 少25mA/cm2，或至少30mA/cm2，或至少35mA/cm2，或至少40mA/cm2，或至少ΙΑ/cm2。優(yōu)選地， 所述陽(yáng)極上的催化劑的密度不超過lmg/cm2。優(yōu)選地，所述燃料電池在持續(xù)工作中電壓衰退 率小于100mV/hr，更優(yōu)選地，所述燃料電池的電壓衰退率約為50 μ V/hr。優(yōu)選地，所述燃料 電池可以在任何方位上工作，或與泵入或加入成批系統(tǒng)中的燃料/電解質(zhì)混合液一起工作。 優(yōu)選地，所述燃料電池的輸出功率密度至少為2mW/cm2。優(yōu)選地，所述燃料電池能夠持續(xù)工作 超過兩小時(shí)，更優(yōu)選地，超過200小時(shí)，更優(yōu)選地，超過500小時(shí)，最優(yōu)選地，超過1000小時(shí)。優(yōu)選地，燃料混合液包括酒精，硼氫化物，胼或多元醇或濃度為5% (體積)-100% (體積)的醇的混合液。更優(yōu)選地，酒精和多元醇的體積濃度為10%-50%。優(yōu)選地，燃料 混合液還包括電解質(zhì)，所述電解質(zhì)選自堿、酸、非水溶性堿、非水溶性酸。更優(yōu)選地，電解質(zhì) 為水溶性堿，其中PH足夠高以使醇完全電離。更優(yōu)選地，所述燃料為乙醇或甲醇。優(yōu)選地， 鍍膜陰極由憎水聚合物涂覆，該憎水聚合物選自聚酰胺、聚酰亞胺、含氟聚合物、有機(jī)硅、有 機(jī)鈦或其組合。優(yōu)選地，所述燃料電池在低于40°C的溫度下操作，更優(yōu)選地，在20°C至40°C的溫 度下操作。本發(fā)明還提供了一種燃料電池，該燃料電池不含分離陰極和陽(yáng)極的膜，且也不具 有與燃料電池伴隨的氧化還原反應(yīng)。更具體地，本發(fā)明的燃料電池包括(a)陽(yáng)極室，該陽(yáng)極室包括燃料混合液、陽(yáng)極和陽(yáng)極催化劑，其中所述燃料為水溶 性的、與電解質(zhì)混合，所述陽(yáng)極為酶敏電極，在其內(nèi)含有催化劑粒子；(b)陰極室，該陰極室具有空氣入口、傳導(dǎo)性鍍膜的陰極，其中陰極鍍膜為憎水的， 且催化劑材料包含在傳導(dǎo)性鍍膜陰極內(nèi)；(c)多孔分離器，該多孔分離器設(shè)置在陰極和陽(yáng)極之間，允許水溶性液體和電解離 子能自由移動(dòng)。優(yōu)選地，傳導(dǎo)性陰極鍍膜憎水材料防止陰極水浸。優(yōu)選地，所述燃料混合物包括濃度為5 % (體積)-約50 % (體積)的乙醇或多元 醇。更優(yōu)選地，燃料為乙醇或甲醇。優(yōu)選地，鍍膜陰極是由憎水聚合物涂覆的，該憎水聚合 物選自聚酰胺、聚酰亞胺、含氟聚合物、有機(jī)取代二氧化硅、有機(jī)取代二氧化鈦或其組合。本發(fā)明還提供了用于不含選擇性滲透膜的燃料電池的電極分離組件(SEA)，其提 升了將燃料電池組件裝配成成套組件的產(chǎn)率，并避免了具有選擇性滲透膜的燃料電池的MEAs(膜電極配件)所需的密封和壓縮過程。具體地，本發(fā)明提供了一種腔室內(nèi)含有多個(gè)多 層夾層配件的電極分離組件(SEA)，其中，每個(gè)多層夾層配件包括(a)大體平坦的陽(yáng)極，具有第一面和第二面，其中第一面與燃料庫(kù)相通；第二面與 平坦多孔分離器相通，相應(yīng)地與平坦陰極相通；(b)大體平坦的多孔分離器，具有第一面和第二面，允許液體相對(duì)無障礙地通過， 其中多孔分離器的第一面與陽(yáng)極的第二面相通；(c)大體平坦的陰極，具有第一面和第二面，其中第一面與多孔分離器相通，第二 面與空氣或氧氣源相通，其中陰極還具有憎水鍍膜；其中腔室包括封閉腔室，該封閉腔室內(nèi)，液體燃料與每個(gè)陽(yáng)極的第一面相通，空氣 或氧氣與每個(gè)陰極的第二面相通。優(yōu)選地，腔室與在熔融流條件下形成的圓周熱塑性部件一起成形。優(yōu)選地，SEA進(jìn) 一步密封到兩極板上以形成成套組件。


圖1展示了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電池極化曲線，其中陽(yáng)極是由固定于擠壓在鎳泡 沫材料內(nèi)的碳粒子上的鈀納米粒子構(gòu)成，陰極是由擠壓在碳泡沫材料中的鈷和碳粒子構(gòu) 成，電解質(zhì)為10%的氫氧化鉀溶液，燃料為10%的乙醇，陰極反應(yīng)物為大氣。在該燃料電池 中沒有使用選擇性滲透膜。數(shù)據(jù)顯示44mW/cm2的功率密度峰值，或較好的不含選擇性滲透 膜的燃料電池的輸出。圖1還顯示了當(dāng)電流增加時(shí)的電壓。這些數(shù)據(jù)是在高海拔位置獲得 的，其中大氣壓為11.68psi，而海平面為14. 7psi。圖2展示了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電池電壓，其中陽(yáng)極是由固定于擠壓在鎳泡沫材 料內(nèi)的碳粒子上的鈀納米粒子構(gòu)成，陰極是由擠壓在碳泡沫材料中的鈷和碳粒子構(gòu)成，電 解質(zhì)為10%的氫氧化鉀溶液，陽(yáng)極反應(yīng)物為10%的乙醇，陰極反應(yīng)物為大氣。圖2的燃料 電池具有與圖1所示不含選擇性滲透膜的燃料電池相同的結(jié)構(gòu)。在提交本發(fā)明臨時(shí)專利申 請(qǐng)時(shí)，該燃料電池達(dá)到374 的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。這些數(shù)據(jù)是在高海拔位置獲得的，其中大氣 壓為11. 68psi，而海平面為14. 7psi。圖3展示了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電池電壓、功率和電池極化曲線，其中陽(yáng)極由擠 壓進(jìn)鎳泡沫材料的鎳、鋅、鈀粒子構(gòu)成，陰極由擠壓進(jìn)碳泡沫材料的鈷和碳粒子構(gòu)成，電解 質(zhì)為10%的氫氧化鉀溶液，陽(yáng)極反應(yīng)物為10%的乙醇，陰極反應(yīng)物為大氣。該數(shù)據(jù)顯示了 功率密度和陽(yáng)極及陰極電位，以確定電極是否表現(xiàn)任何退化現(xiàn)象。這些數(shù)據(jù)表明該優(yōu)選實(shí) 施例的燃料電池陰極受限。這些數(shù)據(jù)是在高海拔位置獲得的，其中大氣壓為11. 68psi，而海 平面壓力為14. 7psi。圖4展示了兩種不同燃料電池結(jié)構(gòu)的對(duì)比曲線。封閉的正方形為含有選擇性滲透 膜的商業(yè)化陽(yáng)極和商業(yè)化陰極(膜為OH-氫氧根離子交換選擇性滲透膜)。三角形曲線為 本發(fā)明所述的“DNC改良的不含選擇性滲透膜的陰極”。這些對(duì)比數(shù)據(jù)表明本發(fā)明所述使用 電極分離組件(SEA)的燃料電池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生比得上傳統(tǒng)基于選擇性滲透膜的燃料電池的功 率密度。然而，本發(fā)明的具有SCA的燃料電池結(jié)構(gòu)可以提供持續(xù)的功率輸出(不需要再生 催化劑)，比傳統(tǒng)含有選擇性滲透膜的燃料電池的時(shí)間顯著增長(zhǎng)。這些數(shù)據(jù)是在高海拔位置 獲得的，其中大氣壓為11.68psi，而海平面壓力為14. 7psi。
圖5展示了含有分離的電池組件(SCA)的本發(fā)明燃料電池的結(jié)構(gòu)圖。具體地，燃料 和燃料庫(kù)位于陽(yáng)極的左邊，且包括含有混合有電解質(zhì)的液體燃料的腔室。陽(yáng)極本身多孔的， 包含SCA元件。陽(yáng)極夾層在多孔分離器的一面之間，允許液體和氣體自由通過兩層多孔結(jié) 構(gòu)(陽(yáng)極和多孔分離器)。SCA的另一面為陰極，在多孔分離器的一面具有微多孔層(MPL)。
具體實(shí)施例方式在這里，術(shù)語(yǔ)“功率密度”表示mW/cm2的計(jì)算結(jié)果，其中瓦特(W)為單位時(shí)間電壓。 面積(cm2)的計(jì)算結(jié)果是從本發(fā)明燃料電池的陽(yáng)極或陰極的較小面積計(jì)算而得。上文中， 本發(fā)明燃料電池在室溫的功率密度達(dá)到從未有過的超過lOmW/cm2，優(yōu)選為超過15mW/cm2， 優(yōu)選為超過20mW/cm2，或優(yōu)選為超過25mW/cm2。術(shù)語(yǔ)“催化劑負(fù)載”表示每單位面積添加到陽(yáng)極或陰極的催化劑材料的重量。本發(fā)明提供了一種在陽(yáng)極和陰極之間不含選擇性滲透膜或其他化學(xué)障礙物的燃 料電池。因?yàn)檫x擇性滲透膜，尤其是陰離子全氟磺酸選擇性滲透膜，如Nafion ,表示該燃料 電池非常昂貴，本發(fā)明通過消除選擇性滲透膜的成本，顯著降低了燃料電池的成分的成本。典型的燃料電池由包含陰極的陰極室，包含陽(yáng)極的陽(yáng)極室、以及將兩個(gè)極室分開 的膜構(gòu)成。通常選擇性滲透膜為選擇性離子交換膜；以堿性燃料電池為例，選擇性滲透膜傳 導(dǎo)氫氧根離子和水。陰極和陽(yáng)極通過外部導(dǎo)管而連接，該外部導(dǎo)管也可以通過負(fù)載以產(chǎn)生 有用功。一般來說，每個(gè)極室包含一種電極能浸入其中的電解質(zhì)。在一些情況下，燃料電池 采用一種或多種非液體而是氣體相的燃料。在另一些情況下，合適的電極通常位于氣體燃 料和電極之間的物理接觸面。在本發(fā)明中，燃料電池包括(a)陽(yáng)極室，包括燃料混合液、陽(yáng)極和陽(yáng)極催化劑，其中燃料為水溶性的，與電解質(zhì) 混合，陽(yáng)極為酶敏電極(優(yōu)選地，酶作用底物為炭紙)，其內(nèi)嵌入有催化劑粒子；(b)陰極室，包括空氣入口，傳導(dǎo)性鍍膜陰極，其中陰極鍍膜為憎水性的，催化劑材 料進(jìn)一步嵌入傳導(dǎo)性鍍膜陰極內(nèi)；(c)多孔分離器，位于陰極和陽(yáng)極之間，允許水溶性液體的自由運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選地，該傳 導(dǎo)性鍍膜陰極憎水性材料阻止陰極的水浸。關(guān)鍵組分為鍍膜的傳導(dǎo)性陰極，優(yōu)選含有與多孔分離器相鄰的憎水的多微孔層 (MPL)。陰極的MPL層可以通過如將炭紙浸入含氟聚合物混合物(如Teflon(PTFE)乳劑) 中制備而成。一旦被浸，聚合物被燒結(jié)或加熱至其玻璃轉(zhuǎn)化溫度(347° F)，以使傳導(dǎo)性炭 紙?jiān)魉?。通過噴涂工藝或利用噴槍而加入陰極催化劑。在另一個(gè)實(shí)施例中，陰極或陽(yáng)極上有含氟碳層的碳紙，以便在陰極提供憎水層，從 而防止陰極浸水，同時(shí)促使空氣中的氧氣溶解，從而提供氧氣庫(kù)。優(yōu)選地，氟碳層為聚四氟 乙烯(PTFEJP Teflon)。在該陰極中，MnO2催化劑首先連接在炭紙上，同時(shí)陰極然后是整個(gè) 薄板浸入融化的PTFE溶液中。本發(fā)明的燃料電池可以運(yùn)作，是因?yàn)榇呋瘎┑目蛇x擇性。例如，在10% (2-25%) KOH (或其他的堿性電解質(zhì)溶液)的電解質(zhì)溶液(從約2M至3M)中使用短鏈醇作為燃料，電 池利用陽(yáng)極面的鈀催化劑和陰極面的鈷(氧化物)催化劑。這種燃料電池可以產(chǎn)生沒平方 厘米面積約44mW或者每平方厘米催化劑/電極約44mW的穩(wěn)定的功率輸出。
燃料電池是重要的，一部分是因?yàn)槠湓陉帢O和陽(yáng)極之間不含選擇性滲透膜或其他 化學(xué)阻礙物。由于陽(yáng)極和陰極催化劑、其燃料和支持的電解質(zhì)為精選的，就有可能去除選擇 性滲透膜，這樣陽(yáng)極和陰極燃料和燃料電池電解質(zhì)可以不經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而混合。結(jié)果，陽(yáng)極燃料的氧化和陰極燃料的還原在很大程度上僅分別發(fā)生在陽(yáng)極和陰極 處。另外，陽(yáng)極和陰極催化劑是可選擇性的，這樣陽(yáng)極反應(yīng)不會(huì)被陰極燃料(O2)逆向影響， 且陰極材料不會(huì)被陽(yáng)極燃料(乙醇或多元醇)逆向影響。陽(yáng)極和陰極催化劑的這些特征也 使去除膜成為可能。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，陽(yáng)極和陰極燃料是從一系列該特定領(lǐng)域的、最合適的、基 于實(shí)用性的、成本、安全性或其他因素考慮的燃料中挑選出來的。然后陽(yáng)極和陰極催化劑利 用一些標(biāo)準(zhǔn)篩選出來的(i)當(dāng)與陰極催化劑和燃料一起使用時(shí)，陽(yáng)極催化劑以一定的電位和一定的速率 氧化陽(yáng)極燃料，產(chǎn)生電池電壓和電流，這是該領(lǐng)域所期待的；(ii)當(dāng)與陽(yáng)極催化劑和燃料一起使用時(shí)，陰極催化劑以一定的電位和一定的速率 還原陰極燃料，產(chǎn)生電池電壓和電流，這是該領(lǐng)域所期待的；(iii)陰極和陽(yáng)極催化劑量足夠，具有該領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)意義；(iv)陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑分別與陽(yáng)極燃料和陰極燃料反應(yīng)，可以維持一段時(shí) 間和/或工作周期的合適的電壓和速度，這是該領(lǐng)域所期待的。然后通過一些標(biāo)準(zhǔn)篩選電解質(zhì)(通常包括電解鹽和支持溶劑)。(I)電解質(zhì)具有充足的離子傳導(dǎo)性以支持預(yù)期的電池電位和電流；(II)電解鹽和溶劑不會(huì)干擾電極和其相應(yīng)的燃料之間的反應(yīng)，否則會(huì)污染電極；(III)電解質(zhì)量要足夠，具有本領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)意義；(IV)當(dāng)電極在電解質(zhì)和其相應(yīng)的燃料的接觸面中毒時(shí)，電解質(zhì)可以與陽(yáng)極或陰極 集電器和/或適合的氣態(tài)燃料壓力相匹配，這樣不會(huì)水浸集電器。例如，如上述領(lǐng)域一樣篩選微電流充電鋰離子手機(jī)電池。由于乙醇的廣泛應(yīng)用、可 攜帶性、安全性及低成本，選擇其作為陽(yáng)極燃料，由于氧氣的廣泛應(yīng)用及作為大氣成分的低 成本，選擇其作為陰極燃料。因此，陽(yáng)極催化劑選擇鈀，眾所周知其在約-0.5V vs.標(biāo)準(zhǔn)汞 電極、堿性媒介中氧化醇類。陰極催化劑選擇鈷，眾所周知其約+0.5V vs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極中還 原氧氣。兩種催化劑在應(yīng)用中均需要足夠量，這基于年度國(guó)際采礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)。作為可選擇的，燃料電池可以包括陽(yáng)極、含有電解質(zhì)、燃料和陰極反應(yīng)物的單個(gè)極 室，其中陽(yáng)極和陰極通過機(jī)械的或多孔分離器物理分開，以維持電極電位，分離器使液體可 以自由通過。優(yōu)選地，分離器由多孔聚醚醚酮樹脂或PEEK制備而成。燃料電池是重要的，一部分是因?yàn)槠湓陉帢O和陽(yáng)極之間不含選擇性滲透膜或其他 化學(xué)阻礙物。由于陽(yáng)極和陰極催化劑、其燃料和支持的電解質(zhì)為精選的，就有可能去除選擇 性滲透膜，這樣陽(yáng)極和陰極燃料和燃料電池電解質(zhì)可以不經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而混合。結(jié)果，陽(yáng)極燃 料的氧化和陰極燃料的還原在很大程度上僅分別發(fā)生在陽(yáng)極和陰極處，而不受其他燃料的 干擾。不含選擇性滲透膜的燃料電池的制備本發(fā)明提供了一種不含選擇性滲透膜的燃料電池的制備方法和系統(tǒng)。因此，本發(fā) 明公開的用于制備具有必需的功率密度的、不含選擇性滲透膜的燃料電池的方法依賴于催化劑和燃料的使用，所述燃料獨(dú)立地反應(yīng)到商業(yè)應(yīng)用要求的程度。例如，在第一實(shí)施例中， 燃料電池包括與分散在堿性電解質(zhì)中的乙醇燃料組合在一起的鈀基的陽(yáng)極、鈷基的陰極。 不管燃料電池的操作速率為多少，堿性電解質(zhì)中的陰極氧氣燃料不會(huì)影響陽(yáng)極的操作，同 樣地，陽(yáng)極催化劑獨(dú)立于陰極而與陽(yáng)極燃料反應(yīng)。作為選擇地，第二實(shí)施例的燃料電池含有與溶解在酸性電解質(zhì)中的氫氣燃料組 合在一起的鈀基的陽(yáng)極、鈷基的陰極。該燃料電池以相同的方式操作，這樣所有的陰極燃 料-氧氣在陰極被消耗，而不會(huì)進(jìn)入到電解質(zhì)中，且不會(huì)干擾陽(yáng)極反應(yīng)。因此，陽(yáng)極催化劑 獨(dú)立于陰極地與陽(yáng)極燃料反應(yīng)。在某些情況下，包括需要少于10小時(shí)的運(yùn)作時(shí)間的非常短 期的商業(yè)應(yīng)用，這種利用燃料的陰極消耗來防止電池的去極化的做法也可有效作用于這樣 的系統(tǒng)其中，陰極沒有消耗所有的陰極燃料，一些陰極燃料溶解到電解質(zhì)中。在這些情況下，由于由溶解造成的可預(yù)知的電池去極化、及隨后發(fā)生在陽(yáng)極的反 應(yīng)、陰極燃料發(fā)生的時(shí)間表比電池的運(yùn)作時(shí)間表長(zhǎng)，去極化對(duì)電池的商業(yè)性能影響很小或 沒有影響。本發(fā)明的液體燃料電池可以利用多種燃料如醇類和多元醇甲醇、乙醇、乙二醇、甘 油和其組合，醛類如甲醛等來操作。燃料濃度為0. 5-20M。使用堿性電解質(zhì)。運(yùn)作溫度從室 溫-80°C。燃料電池優(yōu)選在大氣壓下運(yùn)作以減少寄生功率損耗。一種液體燃料的供給辦法 為持續(xù)順流送料、劑量送料、或終端給料(被動(dòng)模式)?？諝夤┙o方法為空氣流或排氣(被 動(dòng)模式)驅(qū)動(dòng)。催化劑成分和結(jié)構(gòu)本發(fā)明還提供了包含大范圍陽(yáng)極催化劑的燃料電池，如鉬、鈀、鎳、銅、銀、金、銥、 銠、鈷、鐵、釕、鋨、錳、鉬、鉻、鎢、釩、鈮、鈦、銦、錫、銻、鉍、砷、硫、鋁、釔、鍶、鋯、鎂、鋰及其氧 化物。陽(yáng)極催化劑優(yōu)選為其純凈物形式，如二元混合物或合金、三元混合物或合金、四元混 合物或合金、或高元混合物或合金。作為選擇的，陽(yáng)極催化劑為其氧化形式，如氧化物、硫化 物、金屬中心的配位化合物如磷基配合物、硫基配合物或其他配合物。作為選擇的，陽(yáng)極催 化劑存在于導(dǎo)電介質(zhì)如碳粉中。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供了一種含有陽(yáng)極催化劑的燃料電池，陽(yáng)極催 化劑基于這些組分、或其合金和混合物、或其氧化物、硫化物或配位化合物的陽(yáng)極催化劑， 以其純凈物或分散劑形式，形成至少長(zhǎng)度尺寸小于IOOnm的微粒。這樣的微粒可為天然球 形，例如固定在碳微粒上的5nm直徑的鈀納米粒子，也可以為其他結(jié)構(gòu)和形態(tài)，例如直徑為 2nm的鍍膜10微米鈀的碳棒。這些顆?？梢詾榕c具有各種長(zhǎng)寬比、結(jié)構(gòu)及組分的其他微粒 的混合物。這些微?？梢酝ㄟ^電鍍于陽(yáng)極支座上而制備。本發(fā)明還提供了包含大范圍陰極催化劑的燃料電池，如鉬、鈀、鎳、銅、銀、金、銥、 銠、鈷、鐵、釕、鋨、錳、鉬、鉻、鎢、釩、鈮、鈦、銦、錫、銻、鉍、砷、硫、鋁、釔、鍶、鋯、鎂、鋰及相似 成分。陰極催化劑優(yōu)選為其純凈物形式，如二元混合物或合金、三元混合物或合金、四元混 合物或合金、或高元混合物或合金?；谶@些成分的陰極催化劑也可為合金和混合物，以其 氧化形式，如氧化物、硫化物、金屬中心的配位化合物如氧基配合物、氮基配合物、磷基配合 物、硫基配合物或者其他配合物?；谶@些組分的陰極催化劑為合金和混合物，以純凈物或某種方式物理和/或化 學(xué)分散于導(dǎo)電介質(zhì)如碳粉中?；谶@些組分的陰極催化劑為合金和混合物，或其氧化物、硫化物或配位化合物，以其純凈物或分散劑形式，形成至少長(zhǎng)度尺寸小于IOOnm的微粒。這樣 的微?？蔀樘烊磺蛐危绻潭ㄔ谔嘉⒘Ｉ系?nm直徑的鈀納米粒子，也可以為其他結(jié)構(gòu) 和形態(tài)，例如直徑為2nm的鍍膜10微米鈀的碳棒。這些顆?？梢詾榕c具有各種長(zhǎng)寬比、結(jié) 構(gòu)及組分的其他微粒的混合物。這些微?？梢酝ㄟ^電鍍于陰極支座上而制備。在一個(gè)實(shí)施例中，陰極是由碳上的MnO2作為催化劑材料而制備。催化劑材料加 入到碳電極上然后用PTFE鍍膜。催化劑是通過將高錳酸鉀(KMnO4)、碳(Vulcan X72R， CabotCorp. ,Billerica,MA)和去離子水一起加入而制備的。部分碳微粒在60°C左右加入 到去離子水中，同時(shí)攪拌制得漿。KMnO4加入到懸浮液中。調(diào)節(jié)pH(硫酸調(diào)節(jié)至pH7)，漿在 室溫?cái)嚢?。PH調(diào)節(jié)好后，被高錳酸氧化的碳將在碳微粒上形成二氧化錳催化劑。過濾懸浮 液，用去離子水洗滌，然后過夜干燥。80°C形成干粉。干粉在球磨機(jī)內(nèi)粉碎成精細(xì)粉。)Cray 和EDX分析表明沒有雜質(zhì)，且MnA催化劑材料中含有5-20Wt%的Mn。細(xì)粉在噴涂有多孔層(溶于醇的PTFE)的炭紙上被涂以油墨。炭紙電極的PTFE處 理，是將60% (w/v)PTFE溶液稀釋成5% (w/v) 0炭紙浸潤(rùn)在5%溶液中維持lmin，多余的 5% PTFE溶液被去除。浸潤(rùn)的炭紙放置在干燥架上室溫過夜。干燥的鍍膜炭紙放在110°C 烤箱中至少30min，然后將溫度升高至350°C，至少45min。重復(fù)這個(gè)工藝，除非炭紙?jiān)? % PTFE溶液中浸潤(rùn)時(shí)間更久，因?yàn)檫@時(shí)很難被浸透。通過用KOH(50-70%水溶液)的測(cè)點(diǎn)定 位來檢查質(zhì)量，這樣炭紙不會(huì)被滲透。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，陽(yáng)極在碳催化劑上使用Pd，(BASF)也使用碳(Vulcan X72R, Cabot Corp. ，Billerica, ΜΑ)。陽(yáng)極和陰極是用多孔支座結(jié)構(gòu)制成的。陽(yáng)極支座包括一種或多種傳導(dǎo)材料，該傳 導(dǎo)材料是預(yù)制的薄板，泡沫，布料或其它類似的具傳導(dǎo)性而多孔的結(jié)構(gòu)。支座為化學(xué)惰性 的，且僅物理地支撐陽(yáng)極催化劑及從支座轉(zhuǎn)移電子，和/或化學(xué)或電子化學(xué)活躍的，支持陽(yáng) 極反應(yīng)、燃料的預(yù)處理、陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物后處理、物理控制電解質(zhì)和其他燃料的定位、和/或 其他相似的有用工藝。陽(yáng)極支座包括如鎳泡沫材料、燒結(jié)的鎳粉，風(fēng)化的鋁-鎳混合物，碳 素纖維，以及碳布料。優(yōu)選地，使用鎳泡沫作為陽(yáng)極支座。陰極支座包括一種或多種傳導(dǎo)材料，該傳導(dǎo)材料是預(yù)制的薄板，泡沫，布料或其它 類似結(jié)構(gòu)。陰極支座為化學(xué)惰性的，且僅物理地支撐陰極催化劑及將電子轉(zhuǎn)移給支座，和/ 或化學(xué)或電子化學(xué)活躍的，支持陰極反應(yīng)、燃料的預(yù)處理、陰極反應(yīng)產(chǎn)物后處理、物理控制 電解質(zhì)和其他燃料的定位、和/或其他相似的有用工藝。陰極支座包括如鎳泡沫材料、燒結(jié) 的鎳粉，風(fēng)化的鋁-鎳混合物，金屬紗窗、碳素纖維，以及碳布料。本發(fā)明所述燃料電池包含經(jīng)過預(yù)處理以控制陰極水浸的陽(yáng)極和/或陰極支座。例 如，優(yōu)選的燃料電池包括陰極支座，該陰極支座包括碳纖維紙，碳纖維紙經(jīng)過特氟綸預(yù)處理 過。簡(jiǎn)單的說，理想的PTFE的濃度(30-60wt%)在使用前制備，且至少需要兩個(gè)小時(shí)的輕 柔的攪拌。特氟綸處理的碳纖維紙是通過將碳素纖維紙片平鋪在PTFE溶液里30秒，確保 碳素纖維紙完全浸沒。30秒鐘之后，移出所有的紙片，滴下lmin，然后將它們放在架子上 室溫干燥。干燥后，PTFE處理過的碳纖維紙?jiān)?35°C的火爐子中燒結(jié)15-20分鐘?？蛇x擇 地，也可以采用碳素紙噴霧法上的多微孔層(MPL)。簡(jiǎn)單地說，加入約140mg預(yù)處理的碳粉 和約ImL的水和0. 2mL的"Triton X-100制成溶液。該溶液被超聲降解約30秒鐘。加入約IOOmg 60%的PTFE溶液，然后再超聲降解10分鐘，中間停頓一會(huì)用玻棒將溶液混勻。碳纖 維紙(PTFE處理過的)依附于支座上以豎直位于罩內(nèi)。油墨一旦準(zhǔn)備好，就立即被轉(zhuǎn)移到 噴槍瓶中，在碳纖維紙上噴上薄薄的一層甚至數(shù)層，在下一層噴之前使上一層干燥。這個(gè)過 程可以直至油墨被用光。經(jīng)噴霧的碳纖維紙?jiān)?0°C烤箱中干燥30分鐘。干燥后，經(jīng)噴霧和 干燥的碳纖維紙片用導(dǎo)輥加壓2-3次，置于方形鋁箔和多微孔層之間。接下來，碳纖維紙被 重新置于120°C烤箱中，燒結(jié)10分鐘，再置于340°C熔爐中15分鐘。這種預(yù)處理過的陰極 支座憎水性十分好，所以單個(gè)腔室中的電解質(zhì)、溶劑和陽(yáng)極燃料不會(huì)也不曾水浸陰極，而影 響在陰極催化劑上氧氣的還原反應(yīng)。也可以使用類似方法對(duì)陽(yáng)極支座進(jìn)行預(yù)處理，以便同樣地包括使用氣態(tài)陽(yáng)極燃料 的電池的電解質(zhì)。經(jīng)過這些預(yù)處理，公開了一種生產(chǎn)不含膜的燃料電池的方法，其不依賴于它們的 物理方向而操作。例如，低質(zhì)燃料電池為避免陰極的水浸而將陰極漂浮于單個(gè)腔室的液體 的頂部，以重力的作用來減少液體流經(jīng)陰極支座，其不能被導(dǎo)向，從而使陰極在單個(gè)腔室底 部，或與單個(gè)腔室相平。本發(fā)明提供的燃料電池，由于其采用預(yù)處理的電極支座來控制陰極 的水溢，從而可以以任何方向?qū)颉?yīng)用的催化劑詵擇對(duì)陽(yáng)極支座施加陽(yáng)極催化劑和對(duì)陰極支座施加陰極催化劑的方法包括，例如撒 布，濕法噴涂，粉末沉積，電沉積，蒸汽沉積，干噴霧，貼花，油漆，陰極真空噴鍍，低壓蒸鍍， 電氣化學(xué)蒸鍍，流延成型及其它方法。分離器本發(fā)明所述燃料電池的一個(gè)關(guān)鍵成分是不傳導(dǎo)的分離器，其不妨礙單個(gè)腔室內(nèi)電 解質(zhì)，溶劑和任何液體陽(yáng)極或陰極燃料內(nèi)的自由運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選地，這個(gè)分離器對(duì)于位于單個(gè)腔 室中的材料在化學(xué)性質(zhì)上是惰性的，而對(duì)于單個(gè)腔室中的溫度，壓強(qiáng)和化學(xué)條件等在物理 性質(zhì)上是惰性的。這種分離器的化學(xué)和物理上的惰性至少在燃料電池的使用壽命上是穩(wěn)定 的。在一些情況下，對(duì)單個(gè)腔室中的化學(xué)或物理環(huán)境缺乏惰性的分離器被用來決定燃 料電池的最大使用壽命，或用來設(shè)計(jì)燃料電池的安全裝置。例如，燃料電池的分離器(在燃 料電池運(yùn)行100小時(shí)后，直至它完全干擾陰極和陽(yáng)極間離子的運(yùn)動(dòng)而被降解)可以將最大 使用壽命設(shè)定為100小時(shí)。但是，本發(fā)明所述燃料電池已經(jīng)持續(xù)運(yùn)行超過4000小時(shí)。在另一個(gè)實(shí)施例中，如果在單個(gè)腔室的溫度超過40°C，融化和阻礙陰陽(yáng)極離子之 間的移動(dòng)的分離器可以設(shè)定電池的最大使用溫度是40。C。分離器包括絕緣體材料，例如聚合物，玻璃，云母，金屬氧化物，纖維素和陶器及其 它。此類分離器可以制成多孔板或均一大小的微粒。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，分離器固定圍 繞著陽(yáng)極和陰極，保持陽(yáng)極和陰極分開固定的距離，在包括電解質(zhì)，溶劑和液體燃料的電極 間提供一個(gè)框架，使它們保持在陽(yáng)極和陰極之間，從而形成燃料電池的單個(gè)腔室。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，細(xì)PEEK網(wǎng)孔被用來作為分離器。分離器位于陽(yáng)極催化劑 層和陰極催化劑之間。優(yōu)選地，PEEK網(wǎng)孔的邊緣預(yù)封閉或與電池封閉相結(jié)合以防止向外泄 露。優(yōu)選地，PEEK網(wǎng)孔的厚度是2-3mm。燃料
本發(fā)明提供了一種不含滲透膜的燃料電池，其可以使用以預(yù)期的速度在陽(yáng)極或陰 極分別進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)的燃料，該氧化或還原反應(yīng)在電池的預(yù)期壽命內(nèi)不與其他材料 發(fā)生干擾。可用的燃料包括氫氣、醇類如甲醇，乙醇，金屬氫化物，化學(xué)氫化物，氨，天然氣， 碳?xì)浠衔锶缂淄?，丙烷和丁烷，多元醇如乙二醇和丙三醇，醛類如甲醛和乙醛，二甲基醚?胼，汽油，柴油，高能材料如三硝基甲苯和RDX，以及生物燃料等等。這些固體，液體或氣體的燃料被通過一些結(jié)構(gòu)如碳納米管引入到本發(fā)明的不含滲 透膜的燃料電池中，從最初的形態(tài)如硼氫化鈉，或以泥漿，溶液或相似的混合物的狀態(tài)被加 入到燃料電池中。這些燃料是由其它燃料經(jīng)過化學(xué)或物理變化而獲得的，如用天然氣改良 的氫氣，和/或通過電氣化學(xué)過程如對(duì)水進(jìn)行電解以獲得氫氣。這些燃料以不同的濃度、通 過如一次性將陽(yáng)極燃料和/或陰極燃料充入單個(gè)腔室中的形式被加入到燃料電池中?？蛇x 擇地，一個(gè)或多種燃料可以持續(xù)的例如，通過在電池的使用過程中允許環(huán)境新鮮的空氣接 觸陰極而被加入。可選擇地，一種或多種氣態(tài)的燃料被壓縮或與水結(jié)合?？蛇x擇地，當(dāng)需要 燃料電池表現(xiàn)更加高效的性能時(shí)對(duì)氣態(tài)或液態(tài)燃料進(jìn)行增壓，例如，作為一個(gè)移動(dòng)電話的 供電器的燃料電池，移動(dòng)電話使用者可以重復(fù)的朝一個(gè)方向推閥門而對(duì)陰極燃料和環(huán)境空 氣進(jìn)行加壓，引起陰極中氧氣的還原反應(yīng)率的增加，由此引起燃料電池的電流增加，移動(dòng)電 話電池以很快的速度被充滿。一種優(yōu)選的燃料是甲醇。但是，混合的醇類燃料也可以使用。其它的可以被混合 使用的燃料，例如短鏈醇(如乙醇，甲醇，丙醇和異丙醇)，硼氫化鈉和胼。當(dāng)乙醇被用作燃 料時(shí)，廢料是乙酸或乙酸鹽。當(dāng)用甲醇做燃料時(shí)，本發(fā)明燃料電池形成蟻酸或甲酸鹽。相似 地，用丙醇作燃料時(shí)，形成丙酸或丙酸鹽。電解質(zhì)和溶劑本發(fā)明提供的燃料電池，其陽(yáng)極和陰極的催化劑-燃料系統(tǒng)是經(jīng)挑選的，它們甚 至能夠在燃料混合的情況下進(jìn)行獨(dú)立的運(yùn)行。燃料電池中的溶劑和電解質(zhì)在陽(yáng)極和陰極的 催化劑-燃料系統(tǒng)的電子活性方面有很大的作用。溶劑和電解質(zhì)促進(jìn)這些活性，而不影響 或降低電子活性。例如，乙醇在可溶性堿性媒介中在鈀上被氧化。在這種情況下，目前的燃 料電池使用包括強(qiáng)堿的水溶液來促進(jìn)乙醇在鈀催化劑上的氧化。能夠在堿性媒介下運(yùn)行的 陰極催化劑-燃料的選擇很重要。溶劑和與陽(yáng)極燃料互相影響的電解質(zhì)促進(jìn)陽(yáng)極燃料的電子活性。溶劑和與陰極燃 料互相影響的陰極燃料促進(jìn)陰極燃料的電子活性。電解質(zhì)的濃度被選擇用來促進(jìn)一種或更 多燃料的電子活性，使電解質(zhì)和一種或更多催化劑之間不利的的影響最小化，使燃料電池 離子的傳導(dǎo)率和電流強(qiáng)度最大化，使燃料電池的酸度或堿度(即安全考慮)最小化。電解質(zhì)包括可溶性鹽，例如堿(氫氧化鉀，NaOH，K2CO3, Na2CO3, NH4. OH)、酸(硫磺 酸，磺酸)及其化合物。不同實(shí)施例在一個(gè)實(shí)施例中，5g在碳納米微粉上的10%鉬散布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)鎳 泡沫材料支座中，在空氣中干燥以制備陽(yáng)極。在碳粉上的5g 10%鈷同樣散布到異丙醇中。 糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以制備陰極。多孔分離器置于電極之間，與 電極一起呈夾層結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)電極內(nèi)的催化劑朝向位于其間的分離器。多孔碳纖維陰極 支座的背部暴露于大氣中，且燃料、10% KOH的水混合物中含有10%甲醇的電解混合液被引入到電極之間的多孔分離器形成的極室中。從陽(yáng)極支座到電負(fù)載中連接有電線頭。從電 負(fù)載到陰極支座連接有另一個(gè)電線頭。燃料電池開始運(yùn)行，提供20-60mW/cm2的電量。然 而，當(dāng)Pt催化劑運(yùn)作時(shí)，也有具有等于或大于Pt催化性能，但沒有Pt高成本的其他催化劑 系統(tǒng)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，2. 5g在碳納米顆粒上的10%鉬和2. 5gl0%的三氧化鈦納 米微粉散布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以制備陽(yáng)極。5g 在碳粉上的5g IO^MnO2同樣散布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣 中干燥以制備陰極。多孔分離器置于電極之間，與電極一起呈夾層結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)電極內(nèi)的 催化劑朝向位于其間的分離器。多孔碳纖維陰極支座的背部暴露于大氣中，且燃料、10%磺 酸的水混合物中含有10%甲醇的電解混合液被引入到電極之間的多孔分離器形成的極室 中。從陽(yáng)極支座到電負(fù)載連接有電線頭。從電負(fù)載到陰極支座連接有另一個(gè)電線頭。燃料 電池開始運(yùn)行，提供20-60mW/cm2的電量。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，2. 5g在碳納米顆粒上的10%金和2. 5gl0%的三氧化鈦納 米微粉散布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以制備陽(yáng)極。5g 在碳粉上的5g 10%鈷同樣散布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中 干燥以制備陰極。多孔分離器置于電極之間，與電極一起呈夾層結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)電極內(nèi)的催 化劑朝向位于其間的分離器。多孔碳纖維陰極支座的背部暴露于大氣中，且燃料、10%磺酸 的水混合物中含有10%甲醇的電解混合液被引入到電極之間的多孔分離器形成的極室中。 從陽(yáng)極支座到電負(fù)載連接有電線頭。從電負(fù)載到陰極支座連接有另一個(gè)電線頭。燃料電池 開始運(yùn)行提供，20-60mW/cm2的電量。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，4. 5g在碳納米顆粒上的10%鉬和0. 5g氧化鎳納米顆粒散 布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以制備陽(yáng)極。5g在碳粉上 的10%鈷同樣散布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以制備陰 極。多孔分離器置于電極之間，與電極一起呈夾層結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)電極內(nèi)的催化劑朝向位于 其間的分離器。多孔碳纖維陰極支座的背部暴露于大氣中，且燃料、10%磺酸的水混合物中 含有10%甲醇的電解混合液被引入到電極之間的多孔分離器形成的極室中。從陽(yáng)極支座到 電負(fù)載連接有電線頭。從電負(fù)載到陰極支座連接有另一個(gè)電線頭。燃料電池開始運(yùn)行，提 供20-60mW/cm2的電量。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，4. 5g在碳納米顆粒上的10%鈀和0. 5g氧化鎳納米顆粒散 布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以制備陽(yáng)極。5g在碳粉上 的10%鈷同樣散布到異丙醇(IPA)中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以 制備陰極。多孔分離器置于電極之間，與電極一起呈夾層結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)電極內(nèi)的催化劑朝 向位于其間的分離器。多孔碳纖維陰極支座的背部暴露于大氣中，且燃料、10%磺酸的水混 合物中含有10%甲醇的電解混合液被引入到電極之間的多孔分離器形成的極室中。從陽(yáng)極 支座到電負(fù)載連接有電線頭。從電負(fù)載到陰極支座連接有另一個(gè)電線頭。燃料電池開始運(yùn) 行，提供20-60mW/cm2的電量。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，5g鉬納米顆粒(直徑小于2nm，涂覆有利于減少納米顆粒凝 聚的配位化合物)散布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以制 備陽(yáng)極。5g在碳粉上的10%鈷同樣散布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以制備陰極。多孔分離器置于電極之間，與電極一起呈夾層結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè) 電極內(nèi)的催化劑朝向位于其間的分離器。多孔碳纖維陰極支座的背部暴露于大氣中，且燃 料、10%磺酸的水混合物中含有10%甲醇的電解混合液被引入到電極之間的多孔分離器形 成的極室中。從陽(yáng)極支座到電負(fù)載連接有電線頭。從電負(fù)載到陰極支座連接有另一個(gè)電線 頭。燃料電池開始運(yùn)行，提供當(dāng)20-60mW/cm2的電量。當(dāng)Pt催化劑運(yùn)作時(shí)，也有具有等于 或大于Pt催化性能，但沒有Pt高成本的其他催化劑系統(tǒng)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，5g鉬納米顆粒(長(zhǎng)寬比大于10，長(zhǎng)度小于40nm，寬度小于 5nm，涂覆有利于減少納米顆粒凝聚的配位化合物)散布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維 材料支座中，在空氣中干燥以制備陽(yáng)極。5g在碳粉上的10%鈷同樣散布到異丙醇中。糊劑 被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以制備陰極。多孔分離器置于電極之間，與電極 一起呈夾層結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)電極內(nèi)的催化劑朝向位于其間的分離器。多孔碳纖維陰極支座 的背部暴露于大氣中，且燃料、10%磺酸的水混合物中含有10%甲醇的電解混合液被引入 到電極之間的多孔分離器形成的極室中。從陽(yáng)極支座到電負(fù)載連接有電線頭。從電負(fù)載到 陰極支座連接有另一個(gè)電線頭。燃料電池開始運(yùn)行，提供20-60mW/cm2的電量。當(dāng)Pt催化 劑運(yùn)作時(shí)，也有具有等于或大于Pt催化性能，但沒有Pt高成本的其他催化劑系統(tǒng)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，2. 5g在碳納米顆粒上的10%鈀和2. 5g 10%氧化鎳納米顆 粒散布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以制備陽(yáng)極。5g在碳 粉上的10%鈷同樣散布到異丙醇中。糊劑被擠壓進(jìn)碳纖維材料支座中，在空氣中干燥以制 備陰極。多孔分離器置于電極之間，與電極一起呈夾層結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)電極內(nèi)的催化劑朝向 位于其間的分離器。多孔碳纖維陰極支座的背部暴露于大氣中，且燃料、10%磺酸的水混合 物中含有10%甲醇的電解混合液被引入到電極之間的多孔分離器形成的極室中。從陽(yáng)極 支座到電負(fù)載連接有電線頭。從電負(fù)載到陰極支座連接有另一個(gè)電線頭。燃料電池開始運(yùn) 行，提供20-60mW/cm2的電量。關(guān)鍵組分是鍍膜的傳導(dǎo)性陰極。陰極可以通過例如使炭紙浸入含氟聚合物混合 物(如Teflon(PTFE))中制備而得。一旦被浸，聚合物熔結(jié)或加熱至其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (347° F)以使炭紙防水。催化劑通過噴涂工藝或噴槍而被加入。本發(fā)明的燃料電池是由于催化劑的可選擇性而運(yùn)作的。例如，在10% (2%-25%) KOH電解溶液QM-3M)中使用短鏈醇作為燃料，在陽(yáng)極側(cè)使用鈀催化劑，在陰極側(cè)使用鈷催 化劑。這樣的燃料電池可以產(chǎn)生約20mW/cm2、40mW/cm2、20mW/cm2、或60mW/cm2的穩(wěn)定的功
率輸出。堆垛效應(yīng)本發(fā)明說明書提供了一種不含選擇性滲透膜的燃料電池的電極分離組件(SEA)， 提升了將燃料電池組件裝配成成套組件的產(chǎn)率，并避免了具有選擇性滲透膜的燃料電池的 MEAs(膜電極組件)所需的密封和壓縮過程。具體地，本發(fā)明說明書提供了一種腔室內(nèi)含有 多個(gè)多層夾層裝配的電極分離組件(SEA)，其中，每個(gè)多層夾層裝配包括(a)大體平坦的陽(yáng)極，具有第一面和第二面，其中第一面與燃料庫(kù)相通；第二面與 平坦多孔分離器相通，相應(yīng)地與平坦陰極相通；(b)大體平坦的多孔分離器，具有第一面和第二面，允許液體相對(duì)無障礙地通過， 其中多孔分離器的第一面與陽(yáng)極的第二面相通；
(c)大體平坦的陰極，具有第一面和第二面，其中第一面與多孔分離器相通，第二 面與空氣或氧氣源相通，其中陰極還具有憎水鍍膜；其中腔室包括封閉腔室，該封閉腔室內(nèi)，液體燃料與每個(gè)陽(yáng)極的第一面相通，空氣 或氧氣與每個(gè)陰極的第二面相通。優(yōu)選地，腔室與在熔融流條件下形成的圓周熱塑性部件一起成形。優(yōu)選地，SEA進(jìn) 一步密封到兩極板上以形成成套組件。這樣的成套組件可以通過堆垛多個(gè)SEA形成，從而 對(duì)成套組件提供功率輸出，其為每個(gè)SEA的加合。具體地，每個(gè)SEA被堆垛，陽(yáng)極-陰極，其間設(shè)置有兩極板。這產(chǎn)生了通道，以使用 燃料/電解質(zhì)流進(jìn)SEA的每個(gè)陽(yáng)極面，空氣或氧氣流到每個(gè)SEA的陰極面。例如，當(dāng)使用KOH中的乙醇作為燃料/電解質(zhì)，當(dāng)形成乙酸時(shí)，這樣一個(gè)堆垛裝置 的熱學(xué)功率輸出計(jì)算得到1. 17V。仍然達(dá)到0. 85-0. 95V的輸出功率。由于串行流，更確切 地說，燃料/電解質(zhì)溶液的非平行流(否則其為非傳導(dǎo)性的)，而達(dá)到相對(duì)于熱力學(xué)最大值 的高輸出。優(yōu)選地，兩極板使用鍍膜、例如聚合膜、瓷漆或其他電學(xué)絕緣材料涂覆除進(jìn)口孔外 的兩極板。流動(dòng)通道是連續(xù)的。每個(gè)兩極板是兩面薄板，兩個(gè)面上都鍍膜有絕緣材料。兩 極板的另一面(鄰近陰極或“陰極面”的一面)流動(dòng)燃料/電解質(zhì)，另一面(“陽(yáng)極面”)垂 直方向流動(dòng)空氣/氧氣(至電解質(zhì)/燃料流動(dòng)通道)。流動(dòng)方向通過最小化表面面積和最 大化電解質(zhì)開孔之間的距離(由于燃料/電解質(zhì)是電傳導(dǎo)性的)而降低短路損耗。實(shí)施例1該實(shí)施例提供了陽(yáng)極的制備工藝。本發(fā)明的不含選擇性滲透膜的燃料電池陽(yáng)極 通過在底物上施加陽(yáng)性催化劑而制備。陽(yáng)極催化劑可以為如黑色合金、具有碳支座的金屬 或金屬合金。合適的金屬包括但不限于Pt，Pd，Rh, Ru，W，Ir及其組合或合金或其氧化物。 底物優(yōu)選為電傳導(dǎo)性的、多孔的、化學(xué)/機(jī)械穩(wěn)定的、且非憎水的。這樣的電傳導(dǎo)性的、多孔 的、化學(xué)/機(jī)械穩(wěn)定的、且非憎水的底物如M泡沫材料、碳泡沫材料、不銹鋼泡沫材料、碳纖 維紙、碳布和其組合。該實(shí)施例提供了三種制備陽(yáng)極的方法。第一種方法為催化劑粘貼方法。第二種方 法為催化劑油墨方法。這兩種方法使用M泡沫材料底物。第三種方法使用碳纖維紙。催化劑油墨方法首先將Pd催化劑或含有金屬氧化物的Pd催化劑與聚氟化聚合 物(如Teflon)直接混合。從0. lmg/cm2至lOmg/cm2負(fù)載范圍的碳支座Pd催化劑(如 BASF 30% Pd)、或Pd黑金、或與金屬氧化物(如氧化錫)預(yù)混合與醇溶劑(如乙醇)中的 PTFE (1-70% )混合。具體地，將IOOmg來自BASF的碳基座上的30%的pd和IOOmg碳基座 上的金屬氧化物(例如，10% CoOx/C)混合。然后，加入20ml 95%乙醇，混合物超聲振蕩30min。然后將懸浮液于40 90°C 蒸發(fā)以獲得較好混合的Pd/c和CoOx/C固體。于該固體混合物中，加入Iml合適量的含有 0. 5% PTFE的95%乙醇(使最終的糊劑產(chǎn)物具有較好的稠度)，同時(shí)將粘合劑加入到混合 物中，小心攪拌。得到的均一催化劑糊劑然后噴涂到5cm2鎳泡沫底物上。鎳泡沫底物上預(yù) 計(jì)的Pd負(fù)載量為6mg/cm2。鎳泡沫底物上不同的Pd負(fù)載量可以通過調(diào)節(jié)使用的Pd/C和 CoOx/C的量相同的方式而獲得。一般來說，這種方法是通過有力攪拌或超聲10-300min直到形成均一的催化劑漿而混合的。均一的催化劑漿然后通過蒸發(fā)溶劑而濃縮直至形成糊劑。使用乙醇作為溶劑時(shí)， 最佳蒸發(fā)溫度為40-90°C直至形成糊劑。形成的糊劑然后黏貼(即刀片涂抹或噴涂)于底 物上以形成陽(yáng)極。優(yōu)選地，Ni泡沫材料用作底物。第二種方法為催化劑油墨方法。該方法是直接將碳支座Pd催化劑(如BASF 30% Pd)或Pd黑金，或已經(jīng)預(yù)混合的含異丙醇(IPA)的金屬氧化物(如氧化鈦)和含有Nafion (1-70% )的乙醇混合。溶液優(yōu)選通過超聲攪拌10-300min而混合，形成均勻的催化劑漿。 底物(優(yōu)選為Ni泡沫)首先優(yōu)選加熱至40-90°C，然后利用滴管或巴斯德吸管滴入催化劑 漿，最終使催化劑漿涂抹于M泡沫材料上。建議一次不要涂抹過多漿至M泡沫材料上。優(yōu) 選地，一次涂抹一層鍍膜，施加另一層鍍膜前于周圍溫度下干燥約5min。第三種方法利用碳纖維紙。這種方法是直接將碳支座Pd催化劑(如BASF 30% Pd)或Pd黑金，或預(yù)混合的Pd催化劑負(fù)載范圍為0. 1-lOmg/cm2的金屬氧化物(如氧化鈦)， 與細(xì)Ni粉混合。加入溶于乙醇的IPA，溶液超聲振蕩10-30min形成均一催化劑漿。均一催 化劑漿通過添加Nafion (l"70wt% )而被涂以油墨，超聲振蕩10-300min形成均一催化劑 油墨。均一的催化劑油墨通過之前所述的粘貼或滴加方法而涂抹于碳纖維紙上。實(shí)施例2該實(shí)施例提供了在底物上涂抹陰極催化劑的方式來制備陰極的方法。陰極催化劑 可以為黑色金屬氧化物、具有碳底座的金屬氧化物或金屬氧化物混合物。底物優(yōu)選具有電 傳導(dǎo)性、多孔、化學(xué)/機(jī)械學(xué)穩(wěn)定、以及憎水。優(yōu)選地，可以使用微多孔層(MPL)來促進(jìn)氧氣 傳輸。在我們的實(shí)驗(yàn)中，公開了兩種制備陰極的方法。第一種方法為催化劑涂覆方法，形 成了具有聚四氟乙烯(PTFE)處理物且以微多孔層(MPL)涂覆為基底的碳纖維紙。濃度為 0. l-10mg/cm2的陰極催化劑，如氧化錳、活性炭、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化銀、氧化鐵、 氧化鉻和其組合(所有商業(yè)可用的)，與水(0-20wt% )和乙醇(10-98Wt% )混合，超聲攪 拌至少15分鐘以混合形成的溶液。加入l-70wt%的PTFE溶液(30wt% )以形成漿，漿混 合至少10分鐘，優(yōu)選混合300分鐘以形成催化劑油墨漿。通過滴入(點(diǎn)滴器或滴管)催化 劑油墨漿，將平滑的催化劑油墨漿供給給底物，例如用MPL處理碳纖維紙的PTFE。一次鍍膜 一層，鍍膜另一層前烤箱(溫度設(shè)定為65°C )干燥5-10分鐘。添加催化劑漿于底物以形成 陰極后，陰極干燥G0-90°C 10-45分鐘)，壓平(滾壓陰極以增加催化劑層的密度)、進(jìn)一步 干燥(120°C 1小時(shí))，然后燒結(jié)(200-4500C 30-200分鐘)。第二種方法為催化劑油墨方法。集電器(優(yōu)選為細(xì)金屬網(wǎng))整合進(jìn)陰極，利用薄 的微多孔PTFE膜作為背襯層。不必使用經(jīng)PTFE處理、MPL鍍膜的碳纖維紙作為底物。催 化劑油墨方法首先將分散的0. l-10mg/cm2陰極催化劑(見之前所述的陰極催化劑)與水 (0-20wt% )和乙醇(10-98襯％ )混合，超聲攪拌至少15分鐘以混合形成的溶液。加入 l-70wt%的PTFE溶液(30wt% )以形成漿，漿混合至少10分鐘，優(yōu)選混合300分鐘以形成催 化劑漿。于放置于薄微多孔PFTE膜頂端的細(xì)金屬網(wǎng)上滴入催化劑油墨漿。通過滴入(點(diǎn)滴 器或滴管)催化劑油墨漿，將平滑的催化劑油墨漿供給給細(xì)金屬網(wǎng)。一次鍍膜一層，鍍膜另 一層前烤箱(溫度設(shè)定為65°C)干燥5-10分鐘。陰極40-90°C干燥10-45分鐘，50-150°C， 20-120psi熱壓1-10分鐘，然后200-450°C燒結(jié)30-200分鐘。實(shí)施例3
該實(shí)施例說明了燃料電池的構(gòu)造。通過在液體燃料電池的陰極和陽(yáng)極之間設(shè)置多 孔分離器而裝配成液體燃料電池。不必使用離子交換膜(陽(yáng)離子或陰離子)作為分離器。 分離器優(yōu)選為薄的、微多孔的、可濕潤(rùn)的、化學(xué)/機(jī)械穩(wěn)定的、不具備電傳導(dǎo)性。合適的分離 器包括如網(wǎng)、玻璃片、聚醚醚酮(PEEK)。優(yōu)選地，PEEK網(wǎng)用作分離器。優(yōu)選在陰極和陽(yáng)極均 使用集電器來收集燃料電池的電流。本發(fā)明的液體燃料電池也可以建成“雙電池”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括具有兩面的電池， 在每面上都有兩個(gè)陰極，在兩個(gè)陰極之間共有一個(gè)陽(yáng)極/燃料庫(kù)。該結(jié)構(gòu)可以顯著地降低 燃料電池的尺寸和重量，同時(shí)提高輸出功率密度。
權(quán)利要求
1.一種不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，包括(a)封閉式燃料電池，其具有陽(yáng)極室和陰極室，其中，所述陽(yáng)極室和陰極室由機(jī)械的/ 電的多孔分離器分隔開，所述分離器允許陽(yáng)極室和陰極室之間液體和離子的自由轉(zhuǎn)移；(b)所述陽(yáng)極室包括陽(yáng)極、以及燃料和電解質(zhì)的混合物，所述陽(yáng)極上具有催化劑；(c)所述陰極室包括具有憎水涂層的陰極和氧氣，所述陰極上具有催化劑；其中，所述陽(yáng)極和所述陰極電連接，以使電流通過，且所述封閉式燃料電池能夠產(chǎn)生至 少10mA/cm2的電流密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，所述燃料電池 的電流密度至少為15mA/cm2，或至少為20mA/cm2，或至少為25mA/cm2，或至少為30mA/cm2，或 至少為35mA/cm2，或至少為40mA/cm2，或至少為lA/cm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極上的 催化劑的密度不超過lmg/cm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，所述燃料電池 在持續(xù)工作中的電壓衰退率小于1 μ V/hr。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，所述燃料電池 在持續(xù)工作中的電壓衰退率小于50 μ V/hr。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，所述燃料電池 在任何方位上工作，或者與泵入或加入到成批系統(tǒng)中的燃料/電解質(zhì)混合物一起工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，所述燃料電池 的輸出功率密度至少為2mW/cm2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，所述燃料混合 物包括體積百分比濃度為約5% 100%的醇或聚醇。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，所述燃料為乙 醇或甲醇。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，所述具有憎水 涂層的陰極由憎水聚合物涂覆而成，所述憎水聚合物選自聚酰胺、聚酰亞胺、含氟聚合物、 有機(jī)硅、有機(jī)鈦，或者這些化合物的組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，所述燃料電池 在低于40°C的溫度下工作。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的不含選擇性滲透膜的燃料電池，其特征在于，所述溫度為 約 20°C 40"C。
13.一種燃料電池，其特征在于，包括(a)陽(yáng)極室，所述陽(yáng)極室包括燃料混合物、陽(yáng)極和陽(yáng)極催化劑，其中，所述燃料為水溶性 的、并與電解質(zhì)相混合，所述陽(yáng)極為碳紙電極、且其中嵌入有催化劑顆粒；(b)陰極室，所述陰極室具有空氣入口、導(dǎo)電且具有涂層的陰極，所述陰極的涂層是憎 水的，催化劑材料嵌入在所述導(dǎo)電且具有涂層的陰極內(nèi)；(c)多孔分離器，所述多孔分離器設(shè)置在陰極和陽(yáng)極之間，并允許水液的自由移動(dòng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，導(dǎo)電的陰極上涂覆有憎水材料，以 防止陰極被潤(rùn)濕。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，所述燃料混合物包括體積百分比 濃度為約5% -50%的醇或聚醇。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池，其特征在于，所述燃料為乙醇或甲醇。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，所述陰極具有憎水聚合物涂覆而 成的涂層，所述憎水聚合物選自聚酰胺、聚酰亞胺、含氟聚合物、有機(jī)硅、有機(jī)鈦，或者這些 化合物的組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，所述多孔分離器為多孔陶瓷板、多 孔玻璃纖維板或者多孔編織板。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，所述燃料電池能夠產(chǎn)生的電流密 度至少為15mA/cm2，或至少為20mA/cm2，或至少為25mA/cm2，或至少為30mA/cm2，或至少為 35mA/cm2，或至少為 40mA/cm2，或至少為 lA/cm2。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，所述燃料電池的電壓衰退率小于 lV/hr。
21.一種分離式電池組件，該分離式電池組件用于以醇或聚醇為燃料的、不含選擇性滲 透膜的燃料電池，并位于電解質(zhì)中，所述分離式電池組件包括電池分離裝置和燃料庫(kù)，其特 征在于，所述電池分離裝置包括(a)多孔平板式分離器，該分離器的厚度為Imm-lOmm，且具有陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)；(b)平板式陽(yáng)極，該陽(yáng)極由多孔的傳導(dǎo)性底物構(gòu)成，并具有燃料庫(kù)側(cè)和分離器側(cè)，在所 述陽(yáng)極的分離器側(cè)上層疊有陽(yáng)極催化劑材料；(c)平板式陰極，該陰極由多孔傳導(dǎo)性底物構(gòu)成，且具有空氣側(cè)和分離器側(cè)，所述分離 器側(cè)上具有憎水材料的多微孔層，在所述空氣側(cè)上和所述多孔傳導(dǎo)性底物內(nèi)遍布有催化 劑；所述平板式陽(yáng)極和平板式陰極與夾在它們二者之間的所述多孔平板式分離器構(gòu)成三 明治結(jié)構(gòu)，以形成電池分離裝置，且，所述平板式陽(yáng)極、平板式陰極和多孔分離器的面積基 本相等且基本對(duì)齊。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的分離式電池組件，其特征在于，所述多孔平板式分離器的 厚度為 1· 5mm-4mm。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的分離式電池組件，其特征在于，所述多孔平板式分離器為 編織的或非編織的網(wǎng)狀物，該網(wǎng)狀物由對(duì)燃料和電解質(zhì)混合物呈化學(xué)惰性的材料制備而 成。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的分離式電池組件，其特征在于，所述多孔平板式分離器由 聚醚醚酮制備而成。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的分離式電池組件，其特征在于，所述平板式陽(yáng)極是由傳導(dǎo) 性泡沫材料如M泡沫材料制備而成。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的分離式電池組件，其特征在于，所述平板式陽(yáng)極采用的催 化劑包括涂覆有金屬顆粒的近球狀碳顆粒。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的分離式電池組件，其特征在于，所述平板式陽(yáng)極的催化劑 為Pd。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的分離式電池組件，其特征在于，所述平板式陽(yáng)極為傳導(dǎo)性碳纖維，所述碳纖維為編織或非編織的紙狀。
29.根據(jù)權(quán)利要求21所述的分離式電池組件，其特征在于，構(gòu)成陰極分離器側(cè)上的多 微孔層的憎水材料由聚四氟乙烯制備而成。
30.根據(jù)權(quán)利要求21所述的分離式電池組件，其特征在于，所述燃料為乙醇，所述電解 質(zhì)為氫氧化鉀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池，包括浸入含有還原劑和氧化劑的電解質(zhì)中的陽(yáng)極和陰極。具體地說，所述燃料電池的陽(yáng)極和陰極之間不含有選擇性滲透膜或其他化學(xué)阻礙物。而燃料電池含有機(jī)械/電的多孔分離器，其使液體在燃料電池所有元件之間自由擴(kuò)散。燃料電池還包括含有催化劑的傳導(dǎo)性底物的陽(yáng)極、和包含憎水材料涂層以阻止水浸的陰極。陽(yáng)極燃料的氧化和陰極燃料的還原在很大程度上僅分別發(fā)生在陽(yáng)極和陰極處，能夠用于環(huán)境壓力/溫度和被動(dòng)工作模式。
文檔編號(hào)H01M8/02GK102099950SQ200980115559
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月25日
發(fā)明者潘迎輝, 約翰·鮑比 申請(qǐng)人:納米材料研究公司