專利名稱：燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術。
背景技術：
關于這一點，燃料電池是電化電池，其中，燃料氧 化反應產(chǎn)生的能量變化被轉化為電能。在這方面，燃料電池由三個主要元件組成，也就是陽極、質(zhì)子傳導膜、以及陰極。將例如氫或有機材料形式的燃料送入燃料電池的陽極室，在那里將其氧化。然后，被直接用作燃料或源自有機材料分解的氫在燃料電池的陽極離解為質(zhì)子和電子。通過質(zhì)子傳導膜將質(zhì)子引導至陰極，同時，電子繞外部負載電路行進至陰極，因而產(chǎn)生電池的電流輸出?？諝?、富氧空氣、或氧氣本身形式的氧化劑被送至陰極室，在此，通過與質(zhì)子和電子的化學反應，將氧化劑還原，形成水。一些燃料電池要求在高溫下(例如，600至1000°C之間)運行，以便以所需方式分解燃料。然而，加熱至該高溫不適合需要快速啟動時間的某些應用，例如當使用燃料電池驅(qū)動車輛時。另外，在高溫下運行快速損耗燃料電池部件和氣體密封，所以高溫燃料電池趨向于特別不耐久。低溫燃料電池，例如質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)以及直接乙醇燃料電池(DEFC)通常在從室溫上至80°C的溫度范圍下運行，但是一些也能在高達200°C的溫度運行。該低溫燃料電池具有短啟動時間和長耐久力的優(yōu)點。另外，PEMFC具有比高溫燃料電池通常更小和更輕的優(yōu)點。在低溫下，在陽極提供的貴金屬催化劑(通常為鉬)，能夠幫助氫或碳氫化合物在PEMFC的陽極氧化。然而，與PEMFC相關的問題在于，在催化劑-陽極表面強烈吸附污染物一氧化碳。一氧化碳源自有機燃料諸如陽極室內(nèi)的甲醇或乙醇的分解，或者源自受一氧化
碳污染的氫-因為源自重整碳氫化合物的氫能夠包含超過IOOppm的一氧化碳。在高溫
燃料電池中，通常易于將該一氧化碳氧化為二氧化碳，后者易于從電極表面脫附。然而，由于一氧化碳到二氧化碳的氧化在低溫下效率較低，所以在低溫燃料電池的催化劑-陽極表面吸附一氧化碳，因而阻塞陽極處的氫氧化反應的活性部位。雖然貴金屬催化劑，諸如鉬有效地催化氫的離解，但是其關于一氧化碳氧化的功能有限。隨著時間過去，氫氧化活性部位的阻塞引起電池性能明顯降低。已探索從低溫PEMFC陽極清除一氧化碳的各種方法。—種這類方法包含在運行期間脈沖電池電壓。然而，發(fā)現(xiàn)該方法干擾電池的能量輸出，如果需要恒定能量輸出時不期望該情況。另一種方法包含將空氣引入陽極室。然而，這明顯降低了開路電池的電勢，并且因此降低電池性能。而另一種方法已使用雙金屬催化劑，其包含貴金屬和非貴金屬，諸如鉬和釕的合金。然而，發(fā)現(xiàn)其在一氧化碳濃度超過25ppm時不防止電極中毒。已研究其他雙金屬或三金屬催化劑，諸如Pt/Ni、Pt/Co、Pt/Ru/Ni和Pt/Ni/Co。然而，在該系統(tǒng)中，非貴合金金屬需要顯示許多特性如常使用Nafion (RTM)(四氟乙烯和全氟聚醚磺酸的共聚物)作為電解質(zhì)材料，因而產(chǎn)生強的全氟磺酸環(huán)境，非貴金屬必須在該環(huán)境中穩(wěn)定；同樣地，非貴金屬必須具有用于水離解反應和從吸附的CO和吸附的OH形成COOH的低活化能。不論上述方法如何，存在對提供這樣的燃料電池，尤其是PEMFC、DMFC和DEFC的需求，其能夠通過提供對一氧化碳污染陽極的增強耐受水平，而提高已知燃料電池的效率。

發(fā)明內(nèi)容
由于上述問題，本申請人已研究通過降低陽極處存在的污染物一氧化碳的量而提高燃料電池諸如PEMFC、DMFC或DEFC的效率的方法。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供用于燃料電池的陽極組件，該陽極組件具有陽極催化劑部件，所述陽極催化劑部件包含貴金屬催化劑和光催化劑， 并且提供所述光催化劑，用于在受入射輻射的照射后增強污染物一氧化碳的氧化；陽極組件還包含電流收集裝置，其被電耦合至催化劑部件，并且對于所述入射輻射和燃料電池的燃料是多孔的；以及流板(flow plate),其引入包含提供入射福射的光源?，F(xiàn)有低溫燃料電池依賴于使用非常純凈的氫或已預純化的燃料作為燃料源。提供用于增強污染物一氧化碳的氧化的光催化劑允許產(chǎn)生具有一氧化碳耐受陽極組件的低溫燃料電池。該電池因而能夠利用碳氫化合物氣體或液體，諸如甲醇或乙醇作為燃料源，而無需凈化器和/或重整器。這降低該低溫燃料電池的體積(bulk)和運行成本。也降低了貴重的金屬催化劑負荷，這明顯降低燃料電池成本。另外，當在DEFC中使用時，本發(fā)明的布置展示增加的電池效率。本發(fā)明的燃料電池的特殊布置提供這樣的優(yōu)點與使用外部照明源的概念相反，本照明源緊密靠近催化劑層。因此，能夠使用低確定光技術，其很大程度地降低成本。另夕卜，薄層光源的平面外形構造確保催化劑層的高效和均質(zhì)照明，而外部照明概念不是這種情況。依照本發(fā)明的燃料電池可在許多裝置中獲得應用，其中受碳污染的氫或碳氫化合物燃料當前被用作產(chǎn)生能量的燃料?？赡艿挠猛緸殡姵?、小型便攜式裝置中的柴油發(fā)電機或內(nèi)燃機、輕和重型車輛、以及備用或遠程固定電源裝置的補充或替換，因而允許使用市場上的電池，諸如便攜式電子裝置，移動或小型固定發(fā)電。光源可被提供為平面元件，并且可由燃料電池直接供電。有利地，光源為有機發(fā)光二級管(OLED)。光源被提供為平面元件允許燃料電池和雙極板尺寸與傳統(tǒng)部件相同，而不由于另外體積影響其緊湊性。便利地，至少一部分流板對于來自所述光源的輻射可以是多孔的。便利地，流板可具有用于在陽極周圍引導燃料的流動引導表面，在陽極和光源之間提供流動引導表面。有利地，流板可由丙烯酸樹脂或玻璃制成。電流收集裝置可包含金屬網(wǎng)(mesh)?？蛇x地，電流收集裝置可包含多個大體上平行的金屬線或繩。在電流收集裝置的每種布置中，網(wǎng)、線或繩可包含鍍金材料、鈦、鎳或鉻、或鍍鉬材料?？蛇x地，電流收集裝置可包含金屬泡沫(foam)，諸如鎳泡沫。作為進一步的可選項，電流收集裝置可包含鍍金屬的或碳沉積覆復的聚合物織物。有利地，貴金屬催化劑可包含鉬。有利地，光催化劑可包含光催化活性金屬氧化物，或源自光催化活性金屬氧化物的材料。金屬氧化物可為氧化鎢、二氧化鈦或氧化鐵。根據(jù)本發(fā)明的進一步方面，提供流板，用于在根據(jù)本發(fā)明第一方面的陽極組件中使用。 根據(jù)本發(fā)明的進一步方面，提供流板，用于在包含用于繞傳導元件引導燃料的流動引導表面的燃料電池中使用，其中，所述流板已在其中引入平面光源，用于通過流板朝著所述傳導元件輻射光。常規(guī)上，流板還包括凹進部分(recess)，用于容納所述光源。此外，對于光源輻射的光，至少一部分流板可以是多孔的。有利地，流板可部分或完全由丙烯酸樹脂或玻璃制成。流板可具有Imm至15_范圍的厚度。根據(jù)本發(fā)明的進一步方面，提供用于燃料電池的陽極組件，該組件包括陽極催化劑部件，所述陽極催化劑部件包含密切接觸的貴金屬催化劑和光催化劑，提供所述光催化齊U，用于在受入射光輻射照射時增強污染物一氧化碳的氧化；陽極組件還包括電流收集裝置，其被電耦合至催化劑部件，并且對于所述入射輻射和燃料電池的燃料是多孔的，所述電流收集裝置包括金屬線接觸所述陽極催化劑部件的表面的布置，所述陽極催化劑部件面對引入光源的流板。


現(xiàn)在將參考附圖，僅為了例證而描述本發(fā)明的實施方式，其中圖I示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的燃料電池的一般構造；圖2示出圖I的燃料電池的陽極組件；以及圖3示出可用于形成圖2的催化劑層的顆粒的圖。
具體實施例方式能夠從圖I看出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池10的一般構造，圖2示出陽極室12的詳細結構。首先參考圖1，燃料電池10包含陽極室12和陰極室14，聚合物電解質(zhì)膜16位于其中，并且接觸陽極室12和陰極室14兩者。聚合物電解質(zhì)膜(PEM)層16可傳導質(zhì)子，并且優(yōu)選由Nafion(RTM)形成，其為四氟乙烯和全氟聚醚磺酸的共聚物。在圖2中，以參考標記號18示出提供陽極組件/PEM層界面的陽極室12的表面。如圖2所示，陽極室12包含氣體可滲透催化劑層20，以便該催化劑層20與PEM層16流體連通(參見圖I)。催化劑層20包含鉬催化劑和氧化鎢可見光響應光催化劑。更特別地，催化劑層優(yōu)選由圖3中所示形式的分子形成。即，催化劑層包含復合材料，其由碳支撐物22上的氧化鎢光催化劑納米顆粒26和納米尺寸鉬催化劑24組成，氧化鎢和鉬的質(zhì)量比在I : 99至99 I的范圍內(nèi)，優(yōu)選在70 30至95 5的范圍內(nèi)，并且最優(yōu)選在80 20至90 10的范圍內(nèi)。直接鄰近催化劑層20提供的，并且與其電連通的是電流收集裝置，在該實施方式中，其為鍍金的銅的線網(wǎng)28的形式。在陽極室12的最外表面上提供流板30。流板30被成形，以形成多個流動通道32，其起到將燃料直接引導至陽極室12和繞陽極室12的作用。流板30的外部部分設置有有機發(fā)光二極管(OLED)光源34。流板30由丙烯酸樹脂形成，并且至少在某些區(qū)域?qū)?LED34提供的輻射透明。使用中，將燃料氣體輸送至陽極室12，燃料流動由流板30引導。燃料可為純氫的形式，或為碳氫化合物燃料，諸如甲醇。該燃料能夠穿過線網(wǎng)28，并且因而接觸催化劑層20。然后，燃料中所含的氫在鉬催化劑存在下依照式I被催化離解為質(zhì)子和電子
2 H > 4H* + 4e..Uj一旦離解，質(zhì)子就滲透通過催化劑層20以及PEM層16，以在陰極14聚集。在燃料電池10的陰極側，將氧化劑，諸如空氣、富氧空氣或純氧輸送至陰極室14，氧化劑的流動由流板38引導。該氧化劑與已滲透通過PEM層16并且在陰極14聚集的質(zhì)子反應，以依照式(2)形成水
4；i - .Ie.. + C 211.G ■12 i同時，電子被線網(wǎng)28收集并輸送至外部負載電路36。電子的該流動提供電流，其形成燃料電池10的能量輸出。如上所述，污染物一氧化碳可作為燃料分解的結果，或來自作為燃料使用的受一氧化碳污染的氫而在陽極室12中存在。為了防止該一氧化碳被吸附至陽極催化劑層20中，這將引起阻塞用于式I的氫氧化反應的活性部位，所以由0LED34照射陽極室。能夠至少部分通過外部負載電流36中的電流向0LED34供電，并且得到的照射能夠穿過透明流板30，并且穿過線網(wǎng)28到達催化劑層20。一旦已經(jīng)以該方式照射催化劑層20中的氧化鎢，污染物一氧化碳就被光催化氧化，形成二氧化碳。然后，得到的二氧化碳能夠被容易地從陽極表面脫附，并且能夠反向穿過線網(wǎng)，以便將其可從電池10排出。能夠堆疊地提供根據(jù)本發(fā)明的許多電池10，以便向討論的具體應用提供足夠能量。已發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的效率能夠通過控制陽極處的貴金屬催化劑與光催化劑的比例而優(yōu)化。對于由碳支撐物上的光催化劑納米顆粒和納米尺寸鉬催化劑組成的復合催化劑層，已觀察到，氧化鎢與鉬的質(zhì)量比在70 30至95 5提供優(yōu)良性能，對于甲醇氧化，最優(yōu)范圍為80 20至90 10。電極層中催化劑的優(yōu)化Nafion(RTM)負荷也大大提高燃料電池效率，對于甲醇氧化，可能的Nafion(RTM)負荷為2%至30%，最優(yōu)選5%至20%。電極層厚度優(yōu)選為Imm至100mm,而優(yōu)化的層厚度為5mm至20mm。應理解，本文描述的示例實施方式示出僅為了例證目的的一種形式的本發(fā)明應用。實踐中，本發(fā)明也可應用于許多不同構造。例如，鉬催化劑能夠包含任何其他貴金屬，并且可結合一種或多種非貴金屬，以形成例如雙金屬或三金屬催化劑，諸如Pt/Ru、Pt/Ni、Pt/Co、Pt/Ru/Ni或Pt/Ni/Co。同樣地，光催化劑能夠包含任何其他光催化活性金屬氧化物，諸如氧化鎢、二氧化鈦或氧化鐵，或者源自氧化鎢、二氧化鈦或氧化鐵的化合物。陽極的孔隙率優(yōu)選在50%至80%范圍內(nèi)，優(yōu)選孔隙率在60%至70%范圍內(nèi)。最優(yōu)選，陽極的孔隙率為大約65%。光催化劑顆粒的平均顆粒尺寸通常小于lOOnm。就此而論，平均顆粒尺寸通常在5至50nm之間，并且優(yōu)選在10至20nm范圍內(nèi)。此外，不包含圖3所示形式的顆粒，催化劑層20能夠由碳、貴金屬催化劑和金屬氧化物光催化劑的層壓布置形成。此外，線網(wǎng)28可由許多金屬線或繩替代，優(yōu)選大體上平行，這將排除關于傳導率 的任何這樣的問題，交叉點可因此威脅網(wǎng)與催化劑層的接觸的問題。線網(wǎng)或金屬線或繩可由任何其他適當?shù)碾娮觽鲗Ы饘倩蚪饘俸辖鹬瞥桑T如包含鈦或鉬的那些。網(wǎng)或金屬線或繩的主要要求在于，其導電，并且允許氣體(燃料和廢物產(chǎn)物)和光穿過。作為進一步的可選項，能夠由金屬泡沫諸如鎳基泡沫替換網(wǎng)或金屬線或繩。OLED能夠由另外的用于光催化層的可見照射源代替?？梢砸悦}沖方式提供照射，以最小化來自燃料電池的耗用功率。在任何情況下，為了最大化光催化效果，在光催化劑的表面上的照射源應是均勻的?？稍陔姵赝馓峁┕庠措娫?。另外，流板30可由任何其他對入射輻射透明的適當材料制成。
權利要求
1.一種用于燃料電池的陽極組件，所述陽極組件具有陽極催化劑部件，所述陽極催化劑部件包含貴金屬催化劑和光催化劑兩者，并且提供所述光催化劑用于在入射輻射照射時，增強污染物ー氧化碳的氧化；所述陽極組件還包含電流收集裝置，其被電耦合至所述陽極催化劑部件，并且對于所述入射輻射和所述燃料電池的燃料是多孔的；以及流板，其引入用于提供入射輻射的光源。
2.根據(jù)權利要求I所述的陽極組件，其中，所述光源被提供為平面元件。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的陽極組件，其中，由所述燃料電池直接對所述光源供電。
4.根據(jù)以上權利要求任一項所述的陽極組件，其中，所述光源為有機發(fā)光二極管(OLED)。
5.根據(jù)以上權利要求任一項所述的陽極組件，其中進ー步，所述流板包含用于容納所述光源的凹進部分。
6.根據(jù)以上權利要求任一項所述的陽極組件，其中，至少一部分所述流板對于來自所述光源的輻射是多孔的。
7.根據(jù)以上權利要求任一項所述的陽極組件，其中，所述流板具有用于在所述陽極組件內(nèi)引導燃料的流動引導表面，并且其中，在所述電流收集裝置和所述光源之間提供所述流動引導表面。
8.根據(jù)以上權利要求任一項所述的陽極組件，其中，所述流板由丙烯酸樹脂制成。
9.根據(jù)權利要求I至7任一項所述的陽極組件，其中，所述流板由玻璃制成。
10.根據(jù)以上權利要求任一項所述的陽極組件，其中，所述電流收集裝置包含金屬網(wǎng)。
11.根據(jù)權利要求I至9任一項所述的陽極組件，其中，所述電流收集裝置包含多個大體上平行的金屬線或繩。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的陽極組件，其中，所述網(wǎng)、線或繩包含鍍金材料。
13.根據(jù)權利要求10或11所述的陽極組件，其中，所述網(wǎng)、線或繩包含鈦、鎳或鉻。
14.根據(jù)權利要求10或11所述的陽極組件，其中，所述網(wǎng)、線或繩包含鍍鉬材料。
15.根據(jù)權利要求I至9任一項所述的陽極組件，其中，所述電流收集裝置包含金屬泡沫。
16.根據(jù)權利要求15所述的陽極組件，其中，所述金屬泡沫包含鎳泡沫。
17.根據(jù)權利要求I至9任一項所述的陽極組件，其中，所述電流收集裝置包含鍍金屬的或碳沉積覆復的聚合物織物。
18.根據(jù)以上權利要求任一項所述的陽極組件，其中，所述貴金屬催化劑包含鉬。
19.根據(jù)以上權利要求任一項所述的陽極組件，其中，所述光催化劑包含光催化活性金屬氧化物。
20.根據(jù)權利要求I至18任一項所述的陽極組件，其中，所述光催化劑包含源于光催化活性金屬氧化物的材料。
21.根據(jù)權利要求19或20所述的陽極組件，其中，所述金屬氧化物為氧化鎢、ニ氧化鈦或氧化鐵。
22.—種在根據(jù)上述權利要求任一項所述的陽極組件中使用的流板。
23.—種在包含用于在導電元件周圍引導燃料的流動引導表面的燃料電池中使用的流板，其中，所述流板已在其中引入平面光源，用于通過所述流板朝著所述導電元件輻射光。
24.根據(jù)權利要求23所述的流板，還包含凹進部分，用于容納所述光源。
25.根據(jù)權利要求23或24所述的流板，其中，至少一部分所述流板對于所述光源輻射的光是多孔的。
26.根據(jù)權利要求23至25任一項所述的流板，其中，所述流板部分地或完全地由丙烯酸樹脂制成。
27.根據(jù)權利要求23至26任一項所述的流板，其中，所述流板部分地或完全地由玻璃制成。
28.根據(jù)權利要求23至27任一項所述的流板，具有Imm至5mm范圍內(nèi)的厚度。
29.—種用于燃料電池的陽極組件，所述組件包含陽極催化劑部件，所述陽極催化劑部件包含密切接觸的貴金屬催化劑和光催化劑，并且提供所述光催化劑用于在入射光輻射照射時，增強污染物ー氧化碳的氧化；所述陽極組件還包含電流收集裝置，其被電耦合至所述催化劑部件，并且對于所述入射輻射和所述燃料電池的燃料是多孔的，所述電流收集裝置包含金屬線接觸所述陽極催化劑部件的表面的布置，所述陽極催化劑部件面對引入光源的流板。
30.ー種本文充分參考附圖描述的陽極組件。
31.ー種本文充分參考附圖描述的流板。
全文摘要
一種用于燃料電池的陽極組件，所述陽極組件具有陽極催化劑部件，所述陽極催化劑部件包含貴金屬催化劑和光催化劑兩者，并且提供所述光催化劑用于在入射輻射照射時，增強污染物一氧化碳的氧化；所述陽極組件還包含電流收集裝置(28)，其被電耦合至所述陽極催化劑部件，并且對于所述入射輻射和所述燃料電池的燃料是多孔的；以及流板(30)，其引入用于提供入射輻射的光源(34)。
文檔編號H01M4/86GK102696140SQ201080058276
公開日2012年9月26日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權日2009年10月22日
發(fā)明者A·克魯斯, D·E·麥卡菲, M·J·托德, R·P·K·威爾斯 申請人:阿伯丁大學大學評議會