Dmfc型燃料電池裝置及其操作的製作方法

2023-06-08 10:21:41 1

專利名稱：Dmfc型燃料電池裝置及其操作的製作方法
技術領域：
本發明涉及DMFC型燃料電池的操作方法，其中將通式RCH2OH的脂 肪族短鏈水溶性液態醇、通式RCHO的醛或者通式RCOOH的酸氧化為二 氧化碳和水，其中R表示H、 CH3、 C2Hs或者C3H7。
本發明還涉及DMFC型燃料電池裝置，所述裝置包括具有陽極和用 於陽極反應的催化劑的陽極側、具有陰極和用於陰極反應的催化劑的陰極 側、以及將陽極側和陰極側彼此隔開的中間膜。
背景技術：
通過直接曱醇驅動的燃料電池是先前已知的，參見例如 http:〃www.wpi.edu/Pubs/ETD/Available/etd-051205-151955/unrestricted/A.Hac quard.pdf上公布的Alexander Hacquard ， Improving and Understanding Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Performance(提交給Worcester Polytechnic Institute教員的論文)。在可獲得的優點中，可提及燃料是液態的，因此使 得能夠快速加燃料；可以低的成本生產曱醇以及可製成緊湊設計的燃料電 池兩者；以及燃料電池可設計用於許多不同的固定或者移動/可攜式應用。 此外，DMFC型燃料電池是環境友好的，僅排出水和二氧化碳；不形成硫 或者氮的氧化物。
已知的DMFC型燃料電池的最顯著缺點為由於陽極處曱醇的緩慢電 化學氧化，功率密度太低；和曱醇能夠穿過PEM膜(聚合物電解質膜)遷移 到其中氧化曱醇的陰極。這不僅導致燃料損失，而且導致所形成的一氧化 碳使在陰極處所使用的鉑催化劑中毒，這導致降低的效率。反應的複雜性 使得難以獲得令人滿意的收率。此外，膜的將質子(水合氫離子)從陽極遷移 到陰極的能力受到限制且容易被超過，因為每個曱醇分子產生六個將通過 的質子，這與其中每個氫分子氫形成兩個質子的氫燃料電池中的情形不同。

發明內容
6本發明的主要目的是在DMFC型燃料電池中實現較高的功率密度，即 給定尺寸的燃料電池的較高輸出功率，以及給定功率的燃料電池應為佔較 少空間的。
在介紹中所提及的方法中，該目的根據本發明通過如下實現如果從 所述酸開始，則使用優化用於所需陽極反應的催化劑，使其經受該陽極反 應的反應步驟以形成二氧化碳、比所述酸少一個碳原子的醇，或者如果R 表示氫則形成二氧化碳和水，並且釋放質子和電子；如果從所述醛開始， 則在前面反應步驟中使用優化用於所需陽極反應的催化劑，使其經受該陽 極反應以形成所述酸，並且釋放質子和電子；如果從所述醇開始，則在更 在前的前面反應步驟中使用優化用於所需陽極反應的催化劑，使其經受該 陽極反應以形成所述醛，並且釋放質子和電子，並且如果所形成的比所述 酸少一個碳原子的醇不是曱醇，則使其經受上述系列反應步驟直至所形成 的醇是曱醇，在這之後使所述曱醇經受所述系列反應步驟。
相應地，在介紹中所提及的燃料電池裝置的目的根據本發明通過如下 裝置實現該裝置適於使用通式RCH2OH的脂肪族短鏈水溶性液態醇、通 式RCHO的醛、或者通式RCOOH的酸作為燃料，其中R表示H、 CH3、 C2Hs或者C3H7,和該裝置分成流動狀態串聯連接的用於進行多步驟陽極反
催化劑。
通過這種將所述方法和所述燃料電池裝置分成多個步驟，可精製和控 制該反應以增加產率(yidd),這導致較高的功率密度。流動狀態串聯連接降 低了不同反應產物以不期望的方式彼此反應的風險和反應在錯誤方向上進 行的風險。
合適地，所述方法為在使用優化用於陽極反應(a)的催化劑的同時，
在該陽極反應中醇氧化為醛
RCH2OH — RCHO + 2 H++2 e- (a),
在使用優化用於陽極反應(b)的催化劑的同時，在該陽極反應中醛氧化
以形成酸
RCHO + H20 — RCOOH + 2 #+2 e- (b)，
和在使用優化用於陽極反應(c)的催化劑的同時，在該陽極反應中酸氧 化以形成二氧化碳和醇(如果R表示H,則形成二氧化碳和水)RCOOH + H20 — C02 + ROH + 2e- (c)。
因此，合適的是單獨使用或者與Au和/或Ti02組合使用含有60-94 %Ag、 5-30%Te和/或Ru、和l-10%Pt的催化劑作為用於醇氧化為醛的陽 極反應的催化劑，優選以約90:9:1的比例；與Ag組合使用Si02和Ti02作 為用於醛氧化為酸的陽極反應的催化劑；和單獨使用或者與1102和/或Te 組合使用Ag作為用於在酸氧化為醇(如果R表示H則氧化為水)的陽極反應 的催化劑。從而可精製和控制所需反應以更好地利用曱醇和提高功率密度。 可使用氧氣例如空氣中的氧氣作為陰極處的氧化劑，但是優選使用過 氧化氫，合適地與炭粉(炭黑)、蒽醌和Ag催化劑一起用於在各個步驟中的 下列陰極反應(d)
H202 + 2 H++2 e- — 2 H20 (d)。
通過使用過氧化氫替代空氣作為氧化劑，獲得需要低得多的體積流動
的優點。此外，對於空氣的情況E^ 1.227V,而對於過氧化氫E^ 1.766V。
使用過氧化氫作為氧化劑將因此導致較高的電壓並因此導致較高的功率。 所述三個反應步驟合適地在燃料電池裝置中的流動狀態串聯連接的三
個電池中進行，並且適當地控制對不同步驟的氧化劑供應，使得在每個單
獨的步驟中在陽極側和陰極側上的反應彼此處於化學計量平衡。因此，可
更可靠地精製和控制反應以提高產率。
燃料電池裝置優選使得第 一 個電池在陽極側上具有單獨的或者與Au
和/或Ti02組合的含有60-94 %Ag、 5-30%Te和/或Ru、和l-10。/oPt的催化
劑，優選以約90:9:1的比例，用於進行下列陽極反應(a)
RCH2OH — RCHO + 2 H++2 e- (a) 第二個電池具有與Ag組合的Si02和Ti02催化劑，用於進行下列陽極
反應(b)
RCHO + H20 — RCOOH + 2e- (b)
以及第三個電池具有單獨的或者與Ti02和/或Te組合的Ag催化劑，用
於進行下列陽極反應(c)
RCOOH + H20 — C02 + ROH + 2 H++2 e- (c)。
合適地，所有電池設計成使用液態氧化劑，並且所有電池在陰極側上
具有炭粉(炭黑)、蒽醌和Ag催化劑以及酚醛樹脂用於在下列陰極反應(d)中
使用過氧化氫作為液態氧化劑
8H202 + 2 H++2 e- — 2 H20 (d)。
已在上面討論了使用過氧化氫替代空氣作為氧化劑的優點。
優選地，膜構成陽極側以及陰極側上的催化劑的載體。因此，實現了 緊湊設計和高功率密度。
合適的是，陽極、陰極和膜通過彼此附著的厚度小於lmm並且具有一 個平面側的薄板形成，並且所述陽極和陰極在它們面向膜的側面上具有表 面結構，所述表面結構導致在基本上該板的整個側面上的優化的液體流動。
而且合適的是，所述表面結構由具有波形橫截面的通道組成。這種通 道易於實現並且使得能夠實現所需流型。
合適地，薄的陽極板和陰極板由厚度大小為0.6mm下至0.1mm,優選 0.3mm的金屬片構成，並且所述通道具有的寬度大小為2mm上至3mm和 深度大小為0.5mm下至0.05mm。由此，燃料電池裝置的尺寸可減小，並且 同時可控制所需反應以更好地利用曱醇和提高功率密度。
優選地，所述膜由適當摻雜以允許質子/水合氫離子通過的玻璃組成。 實際上，玻璃膜在電池中的反應物中是不溶的並且因此不受這些影響。而 且，其對於其它離子是不能透過的。
在第一個優選的實施方式中，燃料電池裝置設計成由曱醇驅動並且其 包括流動狀態串聯連接的三個電池，第一個電池將曱醇氧化為曱醛，第二 個電池將曱醛氧化為曱酸且第三個電池將曱酸氧化為二氧化碳和水。
在第二個實施方式中，燃料電池裝置設計成由乙醇驅動並且包括流動
狀態串聯連接的六個電池。第一個電池將乙醇氧化為乙醛，第二個將乙醛 氧化為乙酸且第三個將乙酸氧化為二氧化碳和曱醇。如上所述，第四個電 池將曱醇氧化為曱醛，第五個將曱醛氧化為曱酸且第六個將曱酸氧化為二 氧化碳和水。當使用例如機動車輛時，這種燃料電池裝置具有如下的優點 容易在乙醇操作和曱醇操作之間切換，使得可使用那時可得到的和/或最合 適的燃料。
當然，具有用於第 一 種醇逐步氧化為少 一 個^^友原子的第二種醇的三個 電池的成組電池的系統可擴大為使用任何脂肪族短鏈水溶性液態醇、醛或 者酸作為起始材料。如果需要，例如完全可能在IO個電池的第一個電池中 例如將丁酸氧化為丙醇和水，在下一電池中將丙醇氧化為丙醛，在下一電 池中將丙醛氧化為丙酸，在下一電池中將丙酸氧化為二氧化碳和乙醇，以便然後在剩下的六個電池中繼續將乙醇氧化為二氧化碳和水，如上所述。


以下，將參照優選實施方式以及附圖更詳細地描述本發明。
圖1為顯示DMFC型燃料電池裝置的優選實施方式的原理流程圖，其 中液態曱醇在燃料電池中逐步氧化形成二氧化碳和水。
圖2為根據圖1的燃料電池裝置的橫截面視圖，顯示電極、中間膜和 流體通道的優選布置。
圖3和4為兩個不同流型的平面視圖，其中可在各個裝置內部引導反 應物。
具體實施例方式
圖1中的原理流程圖顯示根據本發明的DMFC型燃料電池裝置的優選 實施方式。在該燃料電池裝置中，通式RCH2OH的脂肪族短鏈水溶性液態 起始醇例如曱醇在燃料電池中氧化以形成二氧化碳和比起始醇少 一個碳原 子的醇，或者如果該起始醇含有一個碳原子則形成二氧化碳和水。所示的 燃料電池裝置包括流動狀態串聯連接的三個燃料電池1、 2、 3以在三個單 獨的步驟中進行逐步氧化，其中各個燃料電池包括陽極11、陰極12和將這 些彼此隔開的膜13。
在電池1中的第一個步驟中，在使用優化用於第一個所需陽極反應的 催化劑的同時，使起始醇例如曱醇經受該第 一個陽極反應以將醇氧化到醛 以及釋放質子和電子；將來自第一個步驟的反應產物引導至電池2中的第 二個步驟，其中在使用優化用於第二個所需陽極反應的催化劑的同時進行 該第二個陽極反應以將醛氧化到酸以及釋放質子和電子；將來自第二個步 驟的反應產物引導至電池3中的第三個步驟，其中在使用優化用於第三個 所需陽極反應的催化劑的同時進行該第三個陽極反應以將酸氧化到二氧化 和比起始的醇少一個碳原子的醇的氧化，或者如果該起始材料含有一個碳 原子則氧化到二氧化碳和水，以及釋放質子和電子。
在陽極側上，在使用優化用於反應(a)的催化劑，合適地單獨使用或者 與Au和/或Ti02組合使用含有60-94 % Ag、 5-30 % Te和/或Ru、和1-10 % Pt 的催化劑(優選以約90:9:1的比例)的同時，其中R表示H、 CH3、 。2115或者
10C3H7的起始醇RCH2OH通過該反應氧化為醛
RCH2OH — RCHO + 2e- (a)，
在第二個步驟中，在使用優化用於反應(b)的催化劑，合適地與Ag組合 使用Si02和Ti02的同時，得到的醛通過該反應氧化為酸 RCHO + H20 —RCOOH + 2H++2e- (b)，和
在第三個步驟中，在使用優化用於反應(c)的催化劑，合適地單獨使用 或者與Ti02和/或Te組合使用Ag的同時，得到的酸通過該反應氧化為二氧 化碳和比所述酸少一個碳原子的醇，或如果R表示H則氧化為二氧化碳和 水
RCOOH + H20 — C02 + ROH + 2 H++2 (c)。
通過將醇氧化到二氧化碳和水分成幾個步驟，可用優化用於各個步驟 的催化劑精製和控制所需反應，使得醇被更好地利用並且功率密度增加。 下面將描述其中醇為曱醇的情況。
對於曱醇氧化到乙醛，EG 0.9V，對於乙醛氧化到曱酸，EQ 0.4V,並 且對於曱酸氧化到二氧化碳，EQ 0.2V，並且在低的負載下這一起將提供約 1.5~1.6V。當轉化良好時，熱可/人中間電池2取出。
在圖1中所示的實施方式中，在使用炭粉(炭黑)、蒽醌和Ag催化劑以 及盼醛樹脂的同時，新鮮供應的過氧化氫通過如下反應在陰極側上在各個 步驟中還原以形成水
H202 + 2 H++2 e- — 2 H20 (d)，
極側上的反應處於彼此化學計量平衡。因此，反應可更可靠地精製和可通 過常規的控制設備(未示出)控制，使得產率可增加。可以但不優選使用氧氣 例如空氣中的氧氣作為氧化劑。通過使用過氧化氫代替空氣作為氧化劑， 獲得需要低得多的體積流動的優點。此外，對於空氣的情況EG= 1.227V, 而對於過氧化氫EQ= 1.766V。使用過氧化氫作為氧化劑將因此導致較高的 電壓並因此導致較高的功率。在膜13兩側上具有液相也是優點。
蒽醌(CAS no.84-65-l)是具有286°C的熔點並且在水和醇中不溶但是在 硝基苯和苯胺中可溶的結晶粉末。催化劑可通過如下製造將炭粉(炭黑)、 蒽醌和銀與例如酚醛樹脂混合，此後將其形成為塗層，讓所述塗層乾燥。 然後將塗層與其載體分離，將其粉碎並且細磨，之後所獲得的粉末在合適
ii的溶劑中調漿，塗布在所需處，之後讓溶劑揮發。
所述三個燃料電池l、 2和3還是串聯電連接的。兩個電子從步驟l中 的陽極ll,經由以燈泡形式顯示的負栽15去往步驟3中的陰極123;兩個電 子從步驟3中的陽極113去往步驟2中的陰極122;並且兩個電子從步驟2 中的陽極112去往步驟1中的陰極12i。在所有的三個電池1、 2和3中，所 形成的質子/水合氫離子從陽極11穿過膜13去往陰極12。
圖2是根據圖1的燃料電池裝置的橫截面視圖，顯示電極ll、 12、中 間膜13和流體通道的優選布置。陽極11、陰極12和膜1.3由彼此附著以形 成組(package)或者堆(pile)的薄板或者片形成。所述接合可為機械的，例如 通過連杆(未示出)，但是優選使用合適的膠水例如矽酮型膠水的接合(未示 出)以將所述板/片保持在一起。在膜13和陽極11之間以及在膜13和陰極 12之間布置表面結構16，所述表面結構將在基本上該板的整個側面上提供 優化的液體流動。此外，從圖2清楚的是，進行串聯電連接使得構成步驟1 中的陰極12,的板與作為步驟2中的陽極112的板導電錶面接觸，和構成步 驟2中的陰極122的板與作為步驟3中的陽極113的板導電錶面接觸。圖1 中所示的在單獨的燃料電池1、 2和3之間的流線由在板組/堆中形成的流動 連接以及圖2中所示的位於外部的流動連接構成。
膜13可由NafionTM的常規PEM膜構成，但是在優選實施方式中，該 膜由優選地摻雜以允許質子/水合氫離子從膜一側遷移至另 一側的薄玻璃板 構成。所述玻璃可有利地由便宜的玻璃級別，如鈉鉀玻璃和綠玻璃組成。 當使得這種玻璃薄時，其回彈性和其對機械負載的比耐久性將增加。作為 玻璃中的摻雜劑，可想到幾種不同的金屬，但是優選使用氯化銀形式的銀， 其相當便宜。摻雜劑以及小的玻璃厚度促進質子/水合氫離子穿過膜的遷移。 此外，所述玻璃阻止其它離子和分子例如曱醇的通過，並且其不導電，這 意味著來自陰極的電子不能穿過膜傳遞至陽極。因此，不會發生從陽極U 到陰極12的甲醇遷移，這意味著沒有由於甲醇遷移引起的燃料損失和在陰 極12處一氧化碳的形成，所述一氧化碳的形成否則可降低此處任選使用的 鉑催化劑的效率。
在圖2中所示的優選實施方式中，陽極ll、陰極12和膜13具有小於 lmm的厚度。陽極11以及陰極12具有一個平面側，並且所述表面結構16 布置在陽極11以及陰極12上，而中間膜13的兩側為平面的，所述表面結
12構在基本上所述板的整個側面上提供優化的液體流動。然後將圖1中所示
的燃料電池裝置中的電池1中的陰極12,的平面側與電池2中的陽極112的 平面側鄰接接觸等等。容易實現，燃料電池1、 2和3可具有陽極11、膜 13以及陰極12,其全部具有面向在鄰接板上具有表面結構16的一側的平 面側，反之亦然，或者陽極11和陰極12具有面向膜13的平面側，所述膜 13的兩側具有表面結構16。
合適地，陽極11以及陰極12由導電並且耐反應物的材料例如不鏽鋼的 薄金屬片構成，所述薄金屬片的厚度大小為0.6mm下至0.1mm，優選0.3mm。 膜13中的任何表面結構16以及在陽極11和陰極12中的表面結構可由波形 橫截面的通道形成。合適地，通道16具有寬度大小為2mm上至3mm和深 度大小為0.5mm下至0.05mm。玻璃膜13中的任何表面結構16例如通過蝕 刻產生，並且在陽極和陰極板ll、 12中表面結構通過絕熱成型(也稱為高沖 擊成型)產生。這種成型的一個實例^Hf於美國專利No. 6,821,471中。通過 絕熱成型製造的期望表面結構或者流型的板的成本僅為其上的流型通過碎 片切割除去實現的板的成本的約1/10。
圖3和4顯示兩種不同的表面結構或者流型16，其在基本上該板的上 整個側面上產生優化的液體流動。在圖3中，平行通道反覆地橫向貫穿， 使得整個表面結構由以格子樣式布置的肩(shoulder)構成並且通道16以類似 于格柵的樣式布置。最後，圖4顯示還可使用平行運行的曲流形通道16。 在包括不同的可能流徑的所有情況中，應該爭取使它們從入口到出口是等 長的。
優選地，玻璃板13具有一個平面側並且所述平面側適當地具有進行燃 料電池或者反應器中的陽極反應或者陰極反應必須的催化劑，並且優選所 述催化劑熔合(fbse)在膜一側上的玻璃表面上。因此還合適的是，玻璃板13 的另 一側是平的並且進行陰極反應必須的催化劑熔合在膜另 一側上的玻璃 表面上。從其中還顯示兩個膜13在兩側上具有催化劑的層14的圖2清楚 的是，促進具有包括一個平面側和具有表面結構的一側的相同薄板形狀的 電才及ll、 12的燃料電池1、 2、 3的緊湊堆的構造，由此可獲得高的功率密 度。
如上所述，用於第二個步驟的優化的催化劑合適地是由Si02、 7102和 Ag構成。在膜13由玻璃構成的情況下，Si02已包含在玻璃中，這意味著
13僅需要單獨地塗布7102和Ag。
通過將催化劑合適地熔合在玻璃表面上，在保持給出高的功率密度的 緊湊結構的同時保護其免受機械破壞。所述熔合例如通過雷射，合適地在
惰性氣氛中進行，並且在所述熔合之前自然應該使催化劑顆粒非常小，例 如通過在球磨機中研磨，以提高催化劑面積。
自然，催化劑也可為電極ll、 12之一或者兩者所攜帶。或者，催化劑 的至少之一，例如含有蒽醌和銀的催化劑，可布置在中間的單獨載體(未示 出)例如碳纖維氈載體中。然而，這樣的布置將意味著擴散變慢，這意味著 即使這種變化是較不優選的，儘管其是可能的。
上述催化劑不是僅特別對於R表示H的情況，而是可用於當R表示 CH3 、 C2H5或者C3H7時的相應反應。
從以上描述中清楚的是，參照附圖，在第一個優選的實施方式中燃料 電池裝置設計成由曱醇驅動並且其包括流動狀態串聯連接的三個電池，第 一個電池將曱醇氧化為曱醛，第二個電池將曱醛氧化為曱酸，並且第三個 電池將曱酸氧化為二氧化碳和水。
在第二個但是未示出的實施方式中，燃料電池裝置設計成由乙醇驅動 並且包括流動狀態串聯連接的六個電池，其中第 一個電池將乙醇氧化為乙 醛，第二個電池將乙醛氧化為乙酸，第三個電池將乙酸氧化為二氧化碳和 曱醇，第四個電池將曱醇氧化為曱醛，第五個電池將曱醛氧化為曱酸，並 且第六個電池將曱酸氧化為二氧化碳和水。當使用例如機動車輛時，這種 燃料電池裝置具有如下優點容易在乙醇操作和曱醇操作之間切換，使得 可使用當時可得到的和/或最合適的燃料。
當然，具有用於將第一種醇逐步氧化為少一個碳原子的第二種醇的三 個電池的成組電池的系統可擴大為使用任何脂肪族短鏈水溶性液態醇、醛 或者酸作為起始材料。如果需要，例如完全可能在IO個的第一個電池中將 例如丁酸氧化為丙醇和水，在下一電池中將丙醇氧化為丙醛，在下一電池 中將丙醛氧化為丙酸，在下一電池中將丙酸氧化為二氧化碳和乙醇，以便 然後在剩下的六個電池中繼續將乙醇氧化為二氧化>^和水，如上所述。如 此，可使用在本文中先前未考慮的化合物作為燃料電池裝置中的燃料。可 能地，還可選擇落在醇、醛和酸的上述組之外但是可藉助於催化劑通過合 適的陽極反應氧化以在所述組中結束的化合物作為起始物。
權利要求
1. DMFC型燃料電池裝置的操作方法，其中將通式RCH2OH的脂肪族短鏈水溶性液態醇、通式RCHO的醛或者通式RCOOH的酸氧化為二氧化碳和水，其中R表示H、CH3、C2H5和C3H7，特徵在於如果從所述酸開始，則使用優化用於所需陽極反應的催化劑，使所述酸經受該陽極反應的反應步驟，該陽極反應用於形成二氧化碳、比所述酸少一個碳原子的醇，或者如果R表示H則形成二氧化碳和水，並且釋放質子和電子，如果從所述醛開始，則在在前反應步驟中使用優化用於所需陽極反應的催化劑，使所述醛經受該陽極反應，該陽極反應用於形成所述酸，並且釋放質子和電子，如果從所述醇開始，則在更前的在前反應步驟中使用優化用於所需陽極反應的催化劑，使所述醇經受該陽極反應，該陽極反應用於形成所述醛，並且釋放質子和電子，和如果所形成的比所述酸少一個碳原子的醇不是甲醇，則使其經受上述系列反應步驟直至所形成的醇是甲醇，之後使所述甲醇經受所述系列反應步驟。
2. 權利要求l的方法，特徵在於在使用優化用於陽極反應(a)的催化 劑的同時，所述醇在該陽極反應中氧化以形成醛RCH2OH — RCHO + 2e- (a),在使用優化用於陽極反應(b)的催化劑的同時，所述醛在該陽極反應中 氧化以形成酸RCHO + H20 —RCOOH+ 2 H++2e- (b)，和在使用優化用於陽極反應(c)的催化劑的同時，所述酸在該陽極反應中 氧化以形成二氧化碳和醇，或者如果R表示H則形成二氧化碳和水RCOOH + H20 — C02 + ROH + 2 H++2 e- (c)。
3. 權利要求2的方法，特徵在於單獨使用或者與Au和/或Ti02組合使 用含有60-94 % Ag、 5-30 % Te和/或Ru、和1-10 %Pt的催化劑，優選以約卯:9:1 的比例，作為用於醇氧化為醛中的陽極反應的催化劑。
4. 權利要求2或3的方法，特徵在於與Ag組合使用Si02和Ti02作為用於醛氧化為酸中的陽極反應的催化劑。
5. 權利要求2-4中任一項的方法，特徵在於單獨使用或者與Ti02和/ 或Te組合使用Ag作為用於酸分別氧化為二氧化碳和醇或二氧化碳和水中 的陽極反應的催化劑。
6. 權利要求2-5中任一項的方法，特徵在於使用氧氣例如空氣中的氧 氣作為陰極(12)處的氧化劑。
7. 權利要求2-5中任一項的方法，特徵在於使用過氧化氫作為陰極(12) 處的氧化劑。
8. 權利要求7的方法，特徵在於所述過氧化氫與炭粉、蒽醌和Ag催H202 + 2 Pf+2 e- — 2 H20 (d)。
9. 權利要求2-8中任一項的方法，特徵在於所述反應步驟在燃料電池 裝置中流動狀態串聯連接的電池(1,2,3)中進行。
10. 權利要求2-9中任一項的方法，特徵在於控制對不同步驟(1,2,3)的 氧化劑供給使得在每個單獨的步驟中陽極側和陰極側上的反應處於彼此化 學計量平衡。
11. DMFC型燃料電池裝置，該裝置包括具有陽極(ll)和用於陽極反應 的催化劑的陽極側、具有陰極(12)和用於陰極反應的催化劑的陰極側、以及 將所述陽極側和所述陰極側彼此隔開的中間膜(13),特徵在於所述裝置適 合使用通式RCH2OH的脂肪族短鏈水溶性液態醇、通式RCHO的醛、或者 通式RCOOH的酸作為燃料，其中R表示H、 CH3、 C2H^pC3H7;並且所 述裝置分成流動狀態串聯連接的多個電池用於進行多步驟陽極反應，各個 電池中的陽極側和陰極側具有優化用於將在所述電池中進行的反應步驟的 催化劑。
12. 權利要求11的燃料電池裝置，特徵在於第一個電池(l)在陽極側 上具有單獨的或者與Au和/或Ti02組合的含有60-94% Ag、 5-30%Te和/或 Ru、和l-10%Pt的催化劑，優選以約90:9:1的比例，用於進行下列陽極反 應(a)RCH2OH — RCHO + 2e- (a) 流動狀態順次的第二個電池(2)具有與Ag組合的Si02和Ti02催化劑， 用於進行下列陽極反應(b)RCHO + H20 — RCOOH + 2 tf+2 e- (b) 和流動狀態順次在所述第二個電池之後的第三個電池(3)具有單獨的或 者與Ti02和/或Te組合的Ag催化劑，用於進行下列陽極反應(c)RCOOH + H20 — C02 + ROH + 2 H++2 e- (c)。
13. 權利要求12的燃料電池裝置，特徵在於所有電池(1，2,3)設計成使 用液態氧化劑。
14. 權利要求13的燃料電池裝置，特徵在於所有電池(1，2,3)在陰極側 上具有炭粉、蒽醌和Ag催化劑用於在下列陰極反應(d)中使用過氧化氫作為 液態氧化劑H202 + 2 H++2 e- — 2 H20 (d)。
15. 權利要求11-14中任一項的燃料電池裝置，特徵在於所述膜(13)構 成在所述陽極側和/或陰極側上的催化劑的載體。
16. 權利要求11-15中任一項的燃料電池裝置，特徵在於陽極(ll)、陰 極(12)和膜(13)由彼此附著的厚度小於lmm並且具有平面側的薄板構成，膜 (13)的兩側是平面的，並且所述陽極(11)和陰極(12)各自具有一個平面側並 且在面向膜(13)的其各自相反側上具有表面結構(16)，所述表面結構(16)在 基本上該板的整個側面上產生優化的液體流動。
17. 權利要求16的燃料電池裝置，特徵在於所述表面結構(16)由具有 波形橫截面的通道構成。
18. 權利要求17的燃料電池裝置，特徵在於所述薄的陽極板和陰極板 (11,12)由厚度大小為0.6mm下至0.1mm,優選0.3mm的金屬片構成，並且 所述通道(16)具有寬度大小為2mm上至3mm和深度大小為0.5mm下至 0.05mm。
19. 權利要求11-18中任一項的燃料電池裝置，特徵在於所述膜(13)由 3皮璃構成。
20. 權利要求19的燃料電池裝置，特徵在於所述玻璃是摻雜的以容許 質子/水合氫離子通過。
21. 權利要求11-20中任一項的燃料電池裝置，使用液態曱醇作為燃料， 特徵在於其包括流動狀態串聯連接的三個電池，其中第 一個電池(1 )具有優 化以進行下列陽極反應(a)的催化劑CH3OH — HCHO + 2 tf+2 e- (a)流動狀態順次的第二個電池(2)具有優化以進行下列陽極反應(b)的催化劑HCHO + H20 —HCQOH + 2H++2e- (b)和流動狀態順次在所述第二個電池之後的第三個電池(3)具有優化以進行下列陽極反應(c)的催化劑HCOOH + H20 — C02 + H20 + 2 H++2 e' (c)。
22.權利要求11-20中任一項的燃料電池裝置，使用液態乙醇作為燃料，特徵在於其包括流動狀態串聯連接的六個電池，其中第 一個電池具有優化以進行下列陽極反應(a)的催化劑C2H5OH — CH3CHO + 2e- (a) 流動狀態順次的第二個電池具有優化以進行下列陽極反應(b)的催化劑 CH3CHO + H2。 — CH3COOH + 2 H++2 e- (b) 流動狀態順次在所述第二個電池之後的第三個電池具有優化以進行下列陽極反應(c)的催化劑CH3COOH + H20 — C02 + CH3OH + 2e- (c) 流動狀態順次在所述第三個電池之後的第四個電池具有優化以進行下列陽極反應(d)的催化劑CH3OH — HCHO + 2 H++2 e- (d) 流動狀態順次在所述第四個電池之後的第五個電池具有優化以進行下列陽極反應(e)的催化劑HCHO + H20 — HCOOH + 2 H++2 e- (e) 流動狀態順次在所述第五個電池之後的第六個電池具有優化以進行下列陽極反應(f)的催化劑HCOOH + H20 — C02 + H20 + 2 H++2 e國 (f)'
全文摘要
為在其中將液態甲醇氧化為二氧化碳和水的DMFC型燃料電池中獲得較高的功率密度，在使用優化用於第一個所需的陽極反應(a)的催化劑的同時使甲醇在第一個步驟(1)中經受所述第一個反應，將來自所述第一個步驟的反應產物引導至其中在使用優化用於第二個所需的陽極反應(b)的催化劑的同時進行所述反應的第二個步驟(2)，和將來自所述第二個步驟的反應產物引導至其中在使用優化用於第三個所需的陽極反應(c)的催化劑的同時進行所述第三個反應的第三個步驟(3)。所述三個反應步驟合適地在燃料電池裝置中的流動狀態串聯連接的三個電池(1，2，3)中進行，和適當地控制不同步驟的氧化劑供給使得在每個單獨的步驟中在陽極側和陰極側上的反應是彼此化學計量平衡的。因此，可更加可靠地精製和控制所述反應以提高產率。優選使用過氧化氫作為氧化劑。通過將兩個這種燃料電池裝置流動狀態串聯連接，可使用液態乙醇作為燃料。在第一個裝置中，乙醇氧化為二氧化碳和甲醇，和在第二個裝置中甲醇氧化為二氧化碳和水。
文檔編號H01M8/06GK101479875SQ200780021896
公開日2009年7月8日 申請日期2007年6月14日 優先權日2006年6月16日
發明者奧洛夫·達爾伯格, 阿爾夫·拉森 申請人:莫菲克科技股份公司