[发明专利]直接甲醇燃料电池

说明书

本申请申请日为2005年3月11日、发明名称为“直接甲醇燃料电池”的中国专利申请200510054562.5的分案申请。

相关申请

本专利申请书是共同待审美国专利申请10/798032(2004年3月11日提出申请)的部分继续申请。

技术领域

本专利申请涉及直接甲醇燃料电池(DMFC)。

背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)涉及使甲醇进行催化氧化而产生电能。DMFC不同于利用氢气产生电能的PEM(质子交换膜)燃料电池或固体聚合物燃料电池。与PEM燃料电池相比，DMFC的主要优点是它能利用甲醇，成本较氢气低且材料易于处理。与PEM燃料电池相比，DMFC的一个主要缺点是会发生甲醇穿越。当甲醇从阳极透至阴极时即发生甲醇穿越。这会使电池的效率下降。尽管如此，DMFC仍适用作诸如蜂窝式电话或移动电话和手提电脑或笔记本电脑等装置中的便携式电源。参见“Types of Fuel Cell”Fuel Cells2000，www.fuelcells.org；Thomas等人，“Fuel Cells-Green Power，”Los Alamos National Laboratory，LA-VR-99-3231。

DMFC是一种电化学装置。阳极催化反应为：

CH₃OH+H₂O>CO₂+6H⁺+6e^-

阴极催化反应为：

3/2O₂+6H⁺+6e^->3H₂O

总的电池反应为

CH₃OH+3/2O₂>CO₂+2H₂O

这类电池在50-100℃时的电能转换效率为约40％，电能转换效率随操作温度上升而提高。参见上面所引的“Types of Fuel Cells，”Fuel Cells 2000；Thomas等人。

对任何化学反应来说，随着反应的进展，反应剂，产物和不需要的产物(副产物)会混和在一起，这些物质的分离是工程师面临的难题。因此，在阳极，甲醇、水和二氧化碳会混和在一起。我们必须注意，由于甲醇会穿过质子传导膜(PCM)，因而在阳极不会聚集过量的甲醇，从而会降低电池的效率。水对PCM是有利的，PCM膜需要水来维持质子传导性，但是如果水积聚的话，水就可能会阻止甲醇接触到催化剂，或者水可能会循环回到燃料混合物中，从而使燃料稀释。这两种情况都会降低电池的效率。必须除去二氧化碳(或CO_xS)以在阳极留出燃料空间。否则会使电池效率下降。

同样，在阴极，通常来自空气中的氧必须达到阴极而水必须除去。如果氧气不能达到阴极，则由于阴极半电池反应障碍而使电池效率下降。如果用来润湿PCM的水发生聚集，则会阻止氧到达阴极。

有关上述的一个难题是在不会大大地增加DMFC的体积或重量的前提下控制反应剂/产物的流出。研制DMFC的部分目的是为了用作蜂窝电话或移动电话和手提电脑或笔记本电脑中的便携式电源。

WO 02/45196 A2公开了一种DMFC。参看该文的图3，DMFC 40具有带CO₂传导元件52的质子传导膜(PCM)80。在阳极区41，有包括流场25的导电极板23、气体扩散层44和阳极催化剂42。在阴极区31，有包括流场35的导电极板33、气体扩散层48和阴极催化剂46。阳极区或阴极区的催化剂是施加在PCM 80的表面或气体扩散层44、48的表面上。各流场分别与各自气体扩散层相通，这些流场与扩散层的联合作用可以保证反应剂对催化剂呈均匀分布，还可有效地除去不要的产物、副产物和未反应的反应剂。气体扩散层是由碳纤维纸和/或碳纤维布制成的并可用PTFE聚合物作“防湿”处理。注意气体扩散层、催化剂和PCM是彼此密切接触的以促进电子或质子导电。