[发明专利]燃料电池

说明书

本发明涉及燃料电池。一种氧化还原燃料电池，包括通过离子选择聚合物电解质膜隔开的阳极和阴极；将燃料提供至所述电池的阳极区的装置；将氧化剂提供至所述电池的阴极区的装置；在所述阳极和所述阴极之间提供电路的装置；与所述阴极流体流动连通的非挥发性阴极电解液溶液，所述阴极电解液溶液包含在所述电池运行中在所述阴极至少部分还原并且在所述阴极还原之后通过与所述氧化剂反应而至少部分再生的多金属氧酸盐氧化还原对，所述阴极电解液溶液包含至少约0.075M的所述多金属氧酸盐。

本申请是名为“燃料电池”、申请日为2007年3月23日，申请号为200780010285.5的中国专利申请的分案申请，申请200780010285.5是根据专利合作条约提交的国际申请(PCT/GB2007/050151)进入中国国家阶段的国家申请。

技术领域

本发明涉及燃料电池，具体涉及在用于电子元件和可移动电子部件的微型燃料电池中和用于汽车工业和固定应用的较大燃料电池中具有应用的间接或氧化还原燃料电池。本发明还涉及某些用于这类燃料电池的阴极电解液溶液。

背景技术

多年来，已知燃料电池应用于诸如汽车和可移动电子技术的可移动应用，不过只是近年来燃料电池才变成感兴趣的实际考虑对象。在其最简单的形式中，燃料电池是一种将燃料和氧化剂转化成为一种或更多种反应产物并在该过程中产生电和热的电化学能量转换装置。在这种电池的一个例子中，使用氢作为燃料，使用空气或氧作为氧化剂，反应产物是水。该气体被分别送入由在两个电极之间携带带电颗粒的固体或液体电解质隔开的扩散型催化电极中。在间接或氧化还原燃料电池中，氧化剂(和/或燃料(在一些情况下))不直接在电极反应，而是与还原形式(对燃料而言，氧化形式)的氧化还原对反应以将其氧化，并将该氧化的物质送到阴极。

存在几种类型的燃料电池，它们的特征在于具有不同的电解质。液体电解质碱性电解质燃料电池的固有缺点在于，电解质溶解CO₂，因此需要定期替换。具有质子导电的固体电池膜的聚合物电解质或PEM型电池是酸性的，因此避免了该问题。然而，已经证明在实践中难以从这种系统获得接近理论最高水平的功率输出，其原因是对于氧还原反应的电催化作用相对较差。此外，经常使用昂贵的贵金属电催化剂。

US-A-3152013公开了一种气体燃料电池，该气体燃料电池包括阳离子选择性可渗透膜、可透气的催化电极和第二电极，其中所述膜位于电极之间并仅与可透气的电极电接触。含水的阴极电解液设置为接触第二电极和所述膜，该阴极电解液中含有氧化剂对。提供装置用以将燃料气体供给到可渗透电极，并且用以将气态氧化剂供给到阴极电解液以氧化被还原的氧化剂材料。优选的阴极电解液和氧化还原对是HBr/KBr/Br₂。公开了氮氧化物作为优选的氧还原催化剂，但后果是需要纯氧作为氧化剂，因为使用空气作为氧化剂需要排放有害的氮氧化物。

有关电化学燃料电池的公认问题是可以计算出指定电极反应在限定条件下的理论电势，但是从不能完全获得该理论电势。该体系中的缺陷不可避免地导致电势损失至低于任意指定反应可获得的理论电势的某一水平。此前试图减少这种缺陷的尝试包括选择在阴极电解液溶液中经历氧化-还原反应的阴极电解液添加剂。例如，US-A-3294588公开了使用具有这种能力的醌和染料。已经尝试的另一种氧化还原对是钒酸盐/氧钒基对，如US-A-3279949中所公开的。

根据US-A-3540933，通过使用相同的电解液溶液作为阴极电解液和阳极电解液可以在电化学燃料电池中实现某些优点。该文献公开了使用其中包含多于两种氧化还原对的液体电解质，其平衡电势与电解质中任意其它氧化还原对的平衡电势差不超过0.8V。

US-A-3360401中还考虑了电解液溶液中不同氧化还原对的氧化还原电势的匹配，其中涉及使用中间电子传递物质来增加来自燃料电池的电能流量。