无膜直接型燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种无膜直接型燃料电池，其直接使用可氧化的磷化合物、硫化合物或氮化合物作为燃料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无膜直接型燃料电池本专利技术涉及一种无膜直接型燃料电池，其直接使用可氧化的磷化合物、硫化合物或氮化合物作为燃料。
技术介绍
提供现有技术的以下讨论以便将本专利技术置于适当的技术背景下并使它的优点能够得到更充分的理解。然而，应当理解的是在整个说明书中现有技术的任何讨论不应被视为明确的或暗含的承认如此的现有技术是广泛已知的或形成本领域公知常识的一部分。燃料电池是一系列通过电化学过程而不是燃烧来发电的可持续能源技术。存在许多燃料电池类型，但主要类型包括碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、以及固体氧化物燃料电池(SOFC)。不同的燃料电池由于其特定的操作特征而以不同的方式应用。例如，AFC的商业用途非常有限，并且由于其对二氧化碳的敏感性，其通常用于受控的航空航天和水下环境中。MCFC和SOFC的操作温度高于其他类型的燃料电池，并且因此它们更适用于大型固定应用。直接型燃料电池(DFC)不仅广泛用于固定发电厂，而且广泛用于商业燃料电池车辆并且该应用的典型温度为80℃。直接甲醇燃料电池(DMFC)，其是直接型燃料电池中的一种经典类型，对在室温下的微型应用(如手机和笔记本电脑)是特别理想的。PAFC是一种使用液体磷酸作为电解质的燃料电池的类型，其比其他类型的燃料电池需要更高的昂贵铂催化剂的负载量。因为上述燃料电池的商业用途将导致衍生自煤、天然气、木材废料或其他生物质材料的碳基产品的更多消耗，并且最重要的是，产生更多的温室气体。因此，在本领域中对能量和成本节约以及环境友好的燃料电池存在显著需求。NaokoFujiwara等人(Rapidevaluationoftheelectrooxidationoffuelcompoundswithamultiple-electrodesetupfordirectpolymerelectrolytefuelcells[用用于直接聚合物电解质燃料电池的多电极装置快速评估燃料化合物的电氧化].JournalofPowerSource[电源杂志]164(2007)457-463)报道了一些燃料候选物在酸性介质中的电化学氧化。贵金属用作电催化剂并且当次磷酸和亚磷酸作为一系列燃料化合物应用时，制备了运行燃料电池的膜电极组件(MEA)。JP2011-060531披露了DFC，其特征在于，使用次磷酸、次磷酸盐、氨或它们的混合物作为燃料并且使用离子导电聚合物作为电解质。无机燃料的使用消除了碳消耗和CO2在大气中的释放。另一方面，由于使用阴离子交换膜(AEM)代替常规的基于磺酸的质子交换膜(PEM)，成为可能的是避免使用贵电极催化剂，如Pt、Pd、Ir、Ru、Rh和Au。还可能考虑便宜的贱金属，如Ni、Ag、Co、Fe、Cu、Zn。然而，昂贵的阴离子交换膜仍然不可避免地用于本专利技术中，因为在没有这种高电阻层的情况下发生“交叉”。如果不仔细设计电极，交叉通常导致阴极上的过电位，这降低电池性能。此外，此种AEM的电导率远低于液体电解质和PEM，这显著阻碍了燃料电池的性能。
技术实现思路
鉴于上述现有技术中的问题，本专利技术的目的特别是提供一种直接使用可氧化的磷化合物、硫化合物或氮化合物作为燃料的燃料电池，值得注意地是不使用离子交换膜的燃料电池。与使用贵金属催化剂和昂贵膜的燃料电池相比，便宜的阴极催化剂、无温室气体排放使得可能降低总成本并且更适用于商业生产。此外，本专利技术的燃料电池可以通过在阳极和阴极两者上应用高选择性催化剂来解决“交叉”问题。本专利技术的其他特征、细节和优点将在阅读下面的说明之后甚至更充分地显露。定义遍及本说明，包括权利要求书，术语“包含一个/一种”应理解为是与术语“包含至少一个/一种”同义，除非另外指明，并且“在…之间”应理解为包含极限值。如本文所使用的，术语“电解质”是在燃料电池的阳极与阴极部分之间提供离子电导率的离子传导介质。电解质介质可以是允许离子传导的任何类型的介质。如本文所使用的，术语“阳极”意指电子从其中迁移到外部电路的电极并且是发生氧化的电极。如本文所使用的，术语“阴极”意指电子从外部电路迁移到其中的电极并且是发生还原的电极。如本文所使用的，术语“可氧化的化合物”是能够被氧化或转化成氧化物的物质。如本文所使用的，术语“金属络合物”是由中心原子或离子(其通常是金属的并且被称为配位中心)和一系列周围的束缚分子或离子(其进而被称为配体或络合剂)组成的物质。如本文所使用的，术语“金属合金”是可以被视为固体金属-固体金属混合物的金属合金，在金属合金中，其中主要金属充当溶剂而其他一种或多种金属充当溶质；并且其中金属溶质的浓度不超过金属溶剂的溶解度极限。如本文所使用的，术语“过渡金属”是指IB族、IIB族、IIIB族、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族和VIIIB族的金属。该族包括具有原子序数为21至30(Sc至Zn)、39至48(Y至Cd)、72至80(Hf至Hg)以及104至112(Rf至Cn)的元素。如本文所使用的，术语“镧系元素”是指具有原子序数为57至71的金属。如本文所使用的，术语“锕系元素”是指具有原子序数为89至103的金属。如本文所使用的，术语“烷基”包括具有一个或多个碳原子的饱和烃，包括直链烷基(如甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基)，环状的烷基(或“环烷基”或“脂环族的”或“碳环型的”基团)(如环丙基、环戊基、环己基、环庚基、以及环辛基)，支链烷基(如异丙基、叔丁基、仲丁基、以及异丁基)，以及烷基取代的烷基(如烷基取代的环烷基以及环烷基取代的烷基)。术语“脂肪族基团”包括其特征是直链或支链的有机部分，典型地具有在1与22之间的碳原子。在复杂结构中，这些链可以是支链的、桥联的、或交联的。脂肪族基团包括烷基、烯基和炔基。如本文所使用的，术语“芳基”包括不饱和的并且芳香族的环状烃以及不饱和的并且芳香族的杂环(含有一个或多个环)。芳基还可以与脂环族环或不是芳香族的杂环稠合或桥连以便形成多环，如四氢化萘。“亚芳基”是芳基的二价类似物。如本文所使用的，术语“Ru+C”是指Ru黑催化剂粉末和活性炭的混合物。如果通过援引方式并入本申请的任何专利、专利申请、以及公开物的披露内容与本申请的说明相冲突到了可能导致术语不清楚的程度，则本说明应该优先。附图说明图1是通过使用Ag/C作为阴极催化剂并且使用玻璃纤维作为隔膜在实例1中组装的燃料电池的极化曲线。图2是通过使用Ru+C作为阴极催化剂并且使用玻璃纤维作为隔膜在实例1中组装的燃料电池的极化曲线。图3是通过使用Ag/C作为阴极催化剂并且使用PE作为隔膜在实例2中组装的燃料电池的极化曲线。图4是通过使用Ru+C作为阴极催化剂并且使用玻璃纤维作为隔膜在实例3中组装的燃料电池的极化曲线。图5是通过使用纯Ru作为阴极催化剂并且使用玻璃纤维作为隔膜在实例3中组装的燃料电池的极化曲线。图6说明了实例4中具有非常小的电极距离的无膜直接型燃料电池。1-鼓泡器、2-PTFE帽、3-电池的玻璃框、4-电极、4a-导线、4b-基底、4c-自立式(freestanding)催化剂膜。图7说明了实例4中具有非常大的电极距离的无膜直接型燃料电池。1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无膜直接型燃料电池，其包括：(i)阳极，其被配置和安排用于电氧化还原剂，该还原剂是在下组中选择的可氧化的化合物，该组由以下各项组成：磷化合物、硫化合物、氮化合物及其任何组合，(ii)阴极，其被配置和安排用于电还原氧化剂，(iii)溶剂，(iv)任选地电解质，其中该阳极和阴极被间隔开，并且该还原剂和氧化剂在该阳极与阴极之间自由连通。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种无膜直接型燃料电池，其包括：(i)阳极，其被配置和安排用于电氧化还原剂，该还原剂是在下组中选择的可氧化的化合物，该组由以下各项组成：磷化合物、硫化合物、氮化合物及其任何组合，(ii)阴极，其被配置和安排用于电还原氧化剂，(iii)溶剂，(iv)任选地电解质，其中该阳极和阴极被间隔开，并且该还原剂和氧化剂在该阳极与阴极之间自由连通。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，可氧化的磷化合物是次磷酸化合物或亚磷酸化合物。3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，次磷酸化合物在下组中选择，该组由以下各项组成：次磷酸、其碱金属盐、其碱土金属盐、其铵盐及其任何组合。4.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，亚磷酸化合物在下组中选择，该组由以下各项组成：亚磷酸、其碱金属盐、其碱土金属盐、其铵盐及其任何组合。5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，可氧化的硫化合物是亚硫酸化合物或硫代硫酸化合物。6.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，亚硫酸化合物在下组中选择，该组由以下各项组成：亚硫酸、其碱金属盐、其碱土金属盐、其铵盐及其任何组合。7.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，硫代硫酸化合物在下组中选择，该组由以下各项组成：硫代硫酸、其碱金属盐、其碱土金属盐、其铵盐及其任何组合。8.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，可氧化的氮化合物在下组中选择，该组由以下各项组成：亚硝酸、其碱金属盐、其碱土金属盐、其铵盐及其任何组合。9.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，可氧化的氮化合物是胺。10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池，其中，用于阳极或阴极的电极催化剂包含在下组中选择的金属元素，该组由以下各项组成：(i)过渡金属，(ii)镧系元素，(iii)锕系元素，(iv)周期表的IA族、IIA族、IIIA族、IVA族、VA族、VIA族、VIIA族的元素以及(v)其任何组合。11.根据权利要求10中任一项所述的燃料电池，其中，包含在阳极或阴极中的金属元素呈元素金属、金属合金、金属氧化物或金属络合物的形式。12.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池，其中，用于阳极或阴极的电极催化剂包含在下组中选择的非金属元素，该组由以下各项组成：周期表的IA族、IVA族、VA族、VIA族、VIIA族的元素或其任何组合。13.根据权利要求1至12中任一项所述的燃料电池，其中，阳极催化剂包含在下组中选择的元素，该组由以下各项...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍萌佳，P梅德威，夏永姚，
申请(专利权)人：罗地亚经营管理公司，复旦大学，
类型：发明
国别省市：法国,FR