专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术。
背景技术：
关于这一点，燃料电池是电化电池，其中，燃料氧 化反应产生的能量变化被转化为电能。在这方面，燃料电池由三个主要元件组成，也就是阳极、质子传导膜、以及阴极。将例如氢或有机材料形式的燃料送入燃料电池的阳极室，在那里将其氧化。然后，被直接用作燃料或源自有机材料分解的氢在燃料电池的阳极离解为质子和电子。通过质子传导膜将质子引导至阴极，同时，电子绕外部负载电路行进至阴极，因而产生电池的电流输出。空气、富氧空气、或氧气本身形式的氧化剂被送至阴极室，在此，通过与质子和电子的化学反应，将氧化剂还原，形成水。一些燃料电池要求在高温下(例如，600至1000°C之间)运行，以便以所需方式分解燃料。然而，加热至该高温不适合需要快速启动时间的某些应用，例如当使用燃料电池驱动车辆时。另外，在高温下运行快速损耗燃料电池部件和气体密封，所以高温燃料电池趋向于特别不耐久。低温燃料电池，例如质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)以及直接乙醇燃料电池(DEFC)通常在从室温上至80°C的温度范围下运行，但是一些也能在高达200°C的温度运行。该低温燃料电池具有短启动时间和长耐久力的优点。另外，PEMFC具有比高温燃料电池通常更小和更轻的优点。在低温下，在阳极提供的贵金属催化剂(通常为钼)，能够帮助氢或碳氢化合物在PEMFC的阳极氧化。然而，与PEMFC相关的问题在于，在催化剂-阳极表面强烈吸附污染物一氧化碳。一氧化碳源自有机燃料诸如阳极室内的甲醇或乙醇的分解，或者源自受一氧化
碳污染的氢-因为源自重整碳氢化合物的氢能够包含超过IOOppm的一氧化碳。在高温
燃料电池中，通常易于将该一氧化碳氧化为二氧化碳，后者易于从电极表面脱附。然而，由于一氧化碳到二氧化碳的氧化在低温下效率较低，所以在低温燃料电池的催化剂-阳极表面吸附一氧化碳，因而阻塞阳极处的氢氧化反应的活性部位。虽然贵金属催化剂，诸如钼有效地催化氢的离解，但是其关于一氧化碳氧化的功能有限。随着时间过去，氢氧化活性部位的阻塞引起电池性能明显降低。已探索从低温PEMFC阳极清除一氧化碳的各种方法。—种这类方法包含在运行期间脉冲电池电压。然而，发现该方法干扰电池的能量输出，如果需要恒定能量输出时不期望该情况。另一种方法包含将空气引入阳极室。然而，这明显降低了开路电池的电势，并且因此降低电池性能。而另一种方法已使用双金属催化剂，其包含贵金属和非贵金属，诸如钼和钌的合金。然而，发现其在一氧化碳浓度超过25ppm时不防止电极中毒。已研究其他双金属或三金属催化剂，诸如Pt/Ni、Pt/Co、Pt/Ru/Ni和Pt/Ni/Co。然而，在该系统中，非贵合金金属需要显示许多特性如常使用Nafion (RTM)(四氟乙烯和全氟聚醚磺酸的共聚物)作为电解质材料，因而产生强的全氟磺酸环境，非贵金属必须在该环境中稳定；同样地，非贵金属必须具有用于水离解反应和从吸附的CO和吸附的OH形成COOH的低活化能。不论上述方法如何，存在对提供这样的燃料电池，尤其是PEMFC、DMFC和DEFC的需求，其能够通过提供对一氧化碳污染阳极的增强耐受水平，而提高已知燃料电池的效率。
发明内容
由于上述问题，本申请人已研究通过降低阳极处存在的污染物一氧化碳的量而提高燃料电池诸如PEMFC、DMFC或DEFC的效率的方法。根据本发明的第一方面，提供用于燃料电池的阳极组件，该阳极组件具有阳极催化剂部件，所述阳极催化剂部件包含贵金属催化剂和光催化剂， 并且提供所述光催化剂，用于在受入射辐射的照射后增强污染物一氧化碳的氧化；阳极组件还包含电流收集装置，其被电耦合至催化剂部件，并且对于所述入射辐射和燃料电池的燃料是多孔的；以及流板(flow plate),其引入包含提供入射福射的光源。现有低温燃料电池依赖于使用非常纯净的氢或已预纯化的燃料作为燃料源。提供用于增强污染物一氧化碳的氧化的光催化剂允许产生具有一氧化碳耐受阳极组件的低温燃料电池。该电池因而能够利用碳氢化合物气体或液体，诸如甲醇或乙醇作为燃料源，而无需净化器和/或重整器。这降低该低温燃料电池的体积(bulk)和运行成本。也降低了贵重的金属催化剂负荷，这明显降低燃料电池成本。另外，当在DEFC中使用时，本发明的布置展示增加的电池效率。本发明的燃料电池的特殊布置提供这样的优点与使用外部照明源的概念相反，本照明源紧密靠近催化剂层。因此，能够使用低确定光技术，其很大程度地降低成本。另夕卜，薄层光源的平面外形构造确保催化剂层的高效和均质照明，而外部照明概念不是这种情况。依照本发明的燃料电池可在许多装置中获得应用，其中受碳污染的氢或碳氢化合物燃料当前被用作产生能量的燃料。可能的用途为电池、小型便携式装置中的柴油发电机或内燃机、轻和重型车辆、以及备用或远程固定电源装置的补充或替换，因而允许使用市场上的电池，诸如便携式电子装置，移动或小型固定发电。光源可被提供为平面元件，并且可由燃料电池直接供电。有利地，光源为有机发光二级管(OLED)。光源被提供为平面元件允许燃料电池和双极板尺寸与传统部件相同，而不由于另外体积影响其紧凑性。便利地，至少一部分流板对于来自所述光源的辐射可以是多孔的。便利地，流板可具有用于在阳极周围引导燃料的流动引导表面，在阳极和光源之间提供流动引导表面。有利地，流板可由丙烯酸树脂或玻璃制成。电流收集装置可包含金属网(mesh)。可选地，电流收集装置可包含多个大体上平行的金属线或绳。在电流收集装置的每种布置中，网、线或绳可包含镀金材料、钛、镍或铬、或镀钼材料。可选地，电流收集装置可包含金属泡沫(foam)，诸如镍泡沫。作为进一步的可选项，电流收集装置可包含镀金属的或碳沉积覆复的聚合物织物。有利地，贵金属催化剂可包含钼。有利地，光催化剂可包含光催化活性金属氧化物，或源自光催化活性金属氧化物的材料。金属氧化物可为氧化钨、二氧化钛或氧化铁。根据本发明的进一步方面，提供流板，用于在根据本发明第一方面的阳极组件中使用。 根据本发明的进一步方面，提供流板，用于在包含用于绕传导元件引导燃料的流动引导表面的燃料电池中使用，其中，所述流板已在其中引入平面光源，用于通过流板朝着所述传导元件辐射光。常规上，流板还包括凹进部分(recess)，用于容纳所述光源。此外，对于光源辐射的光，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树脂或玻璃制成。流板可具有Imm至15_范围的厚度。根据本发明的进一步方面，提供用于燃料电池的阳极组件，该组件包括阳极催化剂部件，所述阳极催化剂部件包含密切接触的贵金属催化剂和光催化剂，提供所述光催化齐U，用于在受入射光辐射照射时增强污染物一氧化碳的氧化；阳极组件还包括电流收集装置，其被电耦合至催化剂部件，并且对于所述入射辐射和燃料电池的燃料是多孔的，所述电流收集装置包括金属线接触所述阳极催化剂部件的表面的布置，所述阳极催化剂部件面对引入光源的流板。
现在将参考附图，仅为了例证而描述本发明的实施方式，其中图I示出根据本发明实施方式的燃料电池的一般构造；图2示出图I的燃料电池的阳极组件；以及图3示出可用于形成图2的催化剂层的颗粒的图。
具体实施例方式能够从图I看出根据本发明的燃料电池10的一般构造，图2示出阳极室12的详细结构。首先参考图1，燃料电池10包含阳极室12和阴极室14，聚合物电解质膜16位于其中，并且接触阳极室12和阴极室14两者。聚合物电解质膜(PEM)层16可传导质子，并且优选由Nafion(RTM)形成，其为四氟乙烯和全氟聚醚磺酸的共聚物。在图2中，以参考标记号18示出提供阳极组件/PEM层界面的阳极室12的表面。如图2所示，阳极室12包含气体可渗透催化剂层20，以便该催化剂层20与PEM层16流体连通(参见图I)。催化剂层20包含钼催化剂和氧化钨可见光响应光催化剂。更特别地，催化剂层优选由图3中所示形式的分子形成。即，催化剂层包含复合材料，其由碳支撑物22上的氧化钨光催化剂纳米颗粒26和纳米尺寸钼催化剂24组成，氧化钨和钼的质量比在I : 99至99 I的范围内，优选在70 30至95 5的范围内，并且最优选在80 20至90 10的范围内。直接邻近催化剂层20提供的，并且与其电连通的是电流收集装置，在该实施方式中，其为镀金的铜的线网28的形式。在阳极室12的最外表面上提供流板30。流板30被成形，以形成多个流动通道32，其起到将燃料直接引导至阳极室12和绕阳极室12的作用。流板30的外部部分设置有有机发光二极管(OLED)光源34。流板30由丙烯酸树脂形成，并且至少在某些区域对0LED34提供的辐射透明。使用中，将燃料气体输送至阳极室12，燃料流动由流板30引导。燃料可为纯氢的形式，或为碳氢化合物燃料，诸如甲醇。该燃料能够穿过线网28，并且因而接触催化剂层20。然后，燃料中所含的氢在钼催化剂存在下依照式I被催化离解为质子和电子
2 H > 4H* + 4e..Uj一旦离解，质子就渗透通过催化剂层20以及PEM层16，以在阴极14聚集。在燃料电池10的阴极侧，将氧化剂，诸如空气、富氧空气或纯氧输送至阴极室14，氧化剂的流动由流板38引导。该氧化剂与已渗透通过PEM层16并且在阴极14聚集的质子反应，以依照式(2)形成水
4；i - .Ie.. + C 211.G ■12 i同时，电子被线网28收集并输送至外部负载电路36。电子的该流动提供电流，其形成燃料电池10的能量输出。如上所述，污染物一氧化碳可作为燃料分解的结果，或来自作为燃料使用的受一氧化碳污染的氢而在阳极室12中存在。为了防止该一氧化碳被吸附至阳极催化剂层20中，这将引起阻塞用于式I的氢氧化反应的活性部位，所以由0LED34照射阳极室。能够至少部分通过外部负载电流36中的电流向0LED34供电，并且得到的照射能够穿过透明流板30，并且穿过线网28到达催化剂层20。一旦已经以该方式照射催化剂层20中的氧化钨，污染物一氧化碳就被光催化氧化，形成二氧化碳。然后，得到的二氧化碳能够被容易地从阳极表面脱附，并且能够反向穿过线网，以便将其可从电池10排出。能够堆叠地提供根据本发明的许多电池10，以便向讨论的具体应用提供足够能量。已发现，根据本发明的燃料电池的效率能够通过控制阳极处的贵金属催化剂与光催化剂的比例而优化。对于由碳支撑物上的光催化剂纳米颗粒和纳米尺寸钼催化剂组成的复合催化剂层，已观察到，氧化钨与钼的质量比在70 30至95 5提供优良性能，对于甲醇氧化，最优范围为80 20至90 10。电极层中催化剂的优化Nafion(RTM)负荷也大大提高燃料电池效率，对于甲醇氧化，可能的Nafion(RTM)负荷为2%至30%，最优选5%至20%。电极层厚度优选为Imm至100mm,而优化的层厚度为5mm至20mm。应理解，本文描述的示例实施方式示出仅为了例证目的的一种形式的本发明应用。实践中，本发明也可应用于许多不同构造。例如，钼催化剂能够包含任何其他贵金属，并且可结合一种或多种非贵金属，以形成例如双金属或三金属催化剂，诸如Pt/Ru、Pt/Ni、Pt/Co、Pt/Ru/Ni或Pt/Ni/Co。同样地，光催化剂能够包含任何其他光催化活性金属氧化物，诸如氧化钨、二氧化钛或氧化铁，或者源自氧化钨、二氧化钛或氧化铁的化合物。阳极的孔隙率优选在50%至80%范围内，优选孔隙率在60%至70%范围内。最优选，阳极的孔隙率为大约65%。光催化剂颗粒的平均颗粒尺寸通常小于lOOnm。就此而论，平均颗粒尺寸通常在5至50nm之间，并且优选在10至20nm范围内。此外，不包含图3所示形式的颗粒，催化剂层20能够由碳、贵金属催化剂和金属氧化物光催化剂的层压布置形成。此外，线网28可由许多金属线或绳替代，优选大体上平行，这将排除关于传导率 的任何这样的问题，交叉点可因此威胁网与催化剂层的接触的问题。线网或金属线或绳可由任何其他适当的电子传导金属或金属合金制成，诸如包含钛或钼的那些。网或金属线或绳的主要要求在于，其导电，并且允许气体(燃料和废物产物)和光穿过。作为进一步的可选项，能够由金属泡沫诸如镍基泡沫替换网或金属线或绳。OLED能够由另外的用于光催化层的可见照射源代替。可以以脉冲方式提供照射，以最小化来自燃料电池的耗用功率。在任何情况下，为了最大化光催化效果，在光催化剂的表面上的照射源应是均匀的。可在电池外提供光源电源。另外，流板30可由任何其他对入射辐射透明的适当材料制成。
权利要求
1.一种用于燃料电池的阳极组件，所述阳极组件具有阳极催化剂部件，所述阳极催化剂部件包含贵金属催化剂和光催化剂两者，并且提供所述光催化剂用于在入射辐射照射时，增强污染物ー氧化碳的氧化；所述阳极组件还包含电流收集装置，其被电耦合至所述阳极催化剂部件，并且对于所述入射辐射和所述燃料电池的燃料是多孔的；以及流板，其引入用于提供入射辐射的光源。
2.根据权利要求I所述的阳极组件，其中，所述光源被提供为平面元件。
3.根据权利要求I或2所述的阳极组件，其中，由所述燃料电池直接对所述光源供电。
4.根据以上权利要求任一项所述的阳极组件，其中，所述光源为有机发光二极管(OLED)。
5.根据以上权利要求任一项所述的阳极组件，其中进ー步，所述流板包含用于容纳所述光源的凹进部分。
6.根据以上权利要求任一项所述的阳极组件，其中，至少一部分所述流板对于来自所述光源的辐射是多孔的。
7.根据以上权利要求任一项所述的阳极组件，其中，所述流板具有用于在所述阳极组件内引导燃料的流动引导表面，并且其中，在所述电流收集装置和所述光源之间提供所述流动引导表面。
8.根据以上权利要求任一项所述的阳极组件，其中，所述流板由丙烯酸树脂制成。
9.根据权利要求I至7任一项所述的阳极组件，其中，所述流板由玻璃制成。
10.根据以上权利要求任一项所述的阳极组件，其中，所述电流收集装置包含金属网。
11.根据权利要求I至9任一项所述的阳极组件，其中，所述电流收集装置包含多个大体上平行的金属线或绳。
12.根据权利要求10或11所述的阳极组件，其中，所述网、线或绳包含镀金材料。
13.根据权利要求10或11所述的阳极组件，其中，所述网、线或绳包含钛、镍或铬。
14.根据权利要求10或11所述的阳极组件，其中，所述网、线或绳包含镀钼材料。
15.根据权利要求I至9任一项所述的阳极组件，其中，所述电流收集装置包含金属泡沫。
16.根据权利要求15所述的阳极组件，其中，所述金属泡沫包含镍泡沫。
17.根据权利要求I至9任一项所述的阳极组件，其中，所述电流收集装置包含镀金属的或碳沉积覆复的聚合物织物。
18.根据以上权利要求任一项所述的阳极组件，其中，所述贵金属催化剂包含钼。
19.根据以上权利要求任一项所述的阳极组件，其中，所述光催化剂包含光催化活性金属氧化物。
20.根据权利要求I至18任一项所述的阳极组件，其中，所述光催化剂包含源于光催化活性金属氧化物的材料。
21.根据权利要求19或20所述的阳极组件，其中，所述金属氧化物为氧化钨、ニ氧化钛或氧化铁。
22.—种在根据上述权利要求任一项所述的阳极组件中使用的流板。
23.—种在包含用于在导电元件周围引导燃料的流动引导表面的燃料电池中使用的流板，其中，所述流板已在其中引入平面光源，用于通过所述流板朝着所述导电元件辐射光。
24.根据权利要求23所述的流板，还包含凹进部分，用于容纳所述光源。
25.根据权利要求23或24所述的流板，其中，至少一部分所述流板对于所述光源辐射的光是多孔的。
26.根据权利要求23至25任一项所述的流板，其中，所述流板部分地或完全地由丙烯酸树脂制成。
27.根据权利要求23至26任一项所述的流板，其中，所述流板部分地或完全地由玻璃制成。
28.根据权利要求23至27任一项所述的流板，具有Imm至5mm范围内的厚度。
29.—种用于燃料电池的阳极组件，所述组件包含阳极催化剂部件，所述阳极催化剂部件包含密切接触的贵金属催化剂和光催化剂，并且提供所述光催化剂用于在入射光辐射照射时，增强污染物ー氧化碳的氧化；所述阳极组件还包含电流收集装置，其被电耦合至所述催化剂部件，并且对于所述入射辐射和所述燃料电池的燃料是多孔的，所述电流收集装置包含金属线接触所述阳极催化剂部件的表面的布置，所述阳极催化剂部件面对引入光源的流板。
30.ー种本文充分參考附图描述的阳极组件。
31.ー种本文充分參考附图描述的流板。
全文摘要
一种用于燃料电池的阳极组件，所述阳极组件具有阳极催化剂部件，所述阳极催化剂部件包含贵金属催化剂和光催化剂两者，并且提供所述光催化剂用于在入射辐射照射时，增强污染物一氧化碳的氧化；所述阳极组件还包含电流收集装置(28)，其被电耦合至所述阳极催化剂部件，并且对于所述入射辐射和所述燃料电池的燃料是多孔的；以及流板(30)，其引入用于提供入射辐射的光源(34)。
文档编号H01M4/86GK102696140SQ201080058276
公开日2012年9月26日 申请日期2010年10月22日 优先权日2009年10月22日
发明者A·克鲁斯, D·E·麦卡菲, M·J·托德, R·P·K·威尔斯 申请人:阿伯丁大学大学评议会