燃料制造技术

本发明专利技术公开了草酸二甲酯、乙二醇、其草酸、乙醛酸和甲酸酯、二羟乙酸及其甲酯、乙二醛和聚草酸乙二醇酯在供给燃料电池燃料中的应用，通过这些化合物供给燃料的燃料电池，含有这些燃料电池的混合能源，以及评估其在溶液中的浓度的方法。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池和在燃料电池中应用的有机燃料。本专利技术提供了燃料电池用的有机燃料。本专利技术的有机燃料选自草酸二甲酯(DMO)、乙二醇(EG)、其草酸酯、乙醛酸酯和甲酸酯、二羟乙酸及其甲酯、乙二醛(glyoxylic aldehyde)和聚草酸乙二醇酯，后者是草酸与乙二醇的聚酯。本专利技术的有机燃料在非碱性燃料电池中，特别在酸性燃料电池中进行清洁和有效的氧化。本专利技术优选的燃料是草酸二甲酯、乙二醇、其甲酸酯、草酸乙二醇酯和聚草酸乙二醇酯。本专利技术最优选的燃料是乙二醇和草酸二甲酯。本专利技术优选的燃料是当在燃料电池中用作燃料时，转化成CO2的转化率超过80％，且仅留下可忽略量的非挥发副产物的那些。在使用本专利技术燃料的情况下，可满意地工作的燃料电池的非限制性实施例是液体原料燃料电池、气体原料燃料电池、高温燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和使用质子交换或质子传导膜的燃料电池。优选使用质子交换或质子传导膜的燃料电池或者固体氧化物燃料电池。本专利技术还提供本专利技术燃料的混合物，以及本专利技术燃料与在燃料电池中作为燃料应用的已知有机燃料(如甲醇)的混合物。特别地在高温下，本专利技术的一些燃料在碱性燃料电池情况下也可以是有用的。然而，当使用碱性电解质时，由于在碱性环境下燃料的不完全电氧化，以及这种不完全电氧化导致的碳酸盐或其它有机盐的累积，从而需要不时地更换燃料。当燃料电池借助本专利技术的燃料工作时，它们显示的交叉(crossover)电流密度低于借助甲醇(它是目前在这种电池中最常用的燃料)工作的相同燃料电池所显示的交叉电流密度。低的交叉电流导致高的效率。在未受理论束缚的情况下，可认为低的交叉电流归功于与甲醇相比，本专利技术燃料的分子尺寸大。大的分子尺寸与小的扩散系数有关，而小的扩散系数导致小的交叉电流密度。此外，本专利技术的燃料具有比甲醇高的沸点，从而主要在其液相中通过质子传导膜进行运输。自然地，液相中的扩散系数低于气相。本专利技术的固体燃料(如DMO和聚草酸乙二醇酯)比起象甲醇类的液体燃料来，由于数种原因(如它们较容易操作和它们在水中的溶解度低)可以是有利的。因此，它们维持低浓度，而低浓度辅助保持低交叉电流。此外，例如在燃料电池的阳极室中，可将其饱和溶液与大量固体燃料一起储藏，其中当电池在使用中以及燃料被消耗时，所述固体燃料会溶解，而未溶解的固体燃料充当燃料储存器。根据本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种直接氧化燃料电池，它具有阳极、阴极、排列在所述阳极和所述阴极之间的质子传导膜；向阳极供应有机燃料的装置以及向阴极供应氧气的装置，其中所述有机燃料选自草酸二甲酯(DMO)、乙二醇(EG)、其草酸酯、乙醛酸酯和甲酸酯、二羟乙酸及其甲酯、乙二醛和聚草酸乙二醇酯。根据本专利技术的这一方面，优选的电池是其中燃料选自草酸二甲酯、乙二醇、其草酸酯和甲酸酯以及聚草酸乙二醇酯的那些。根据本专利技术的这一方面，最优选的电池是其中燃料选自乙二醇和草酸二甲酯的那些。根据一个实施方案，本专利技术这一方面的燃料电池的特征进一步在于在其使用过程中，通过位于阳极室或燃料罐中的薄的疏水多孔基质释放所产生的CO2，从而使得在没有损失溶液的情况下放出气体。根据本专利技术另一实施方案，本专利技术提供了一种燃料电池，它特别适用于与本专利技术的燃料一起工作。这种燃料电池的特征在于阴极除了含氧气还原催化剂之外，还含有燃料氧化催化剂，其非限制性实例是Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-Ru-Sn、Pt-Ag-Ru、Pt-Os催化剂或这些催化剂的结合。在阴极处的燃料氧化催化剂改进穿越过膜的燃料的氧化性并防止阴极的氧气还原催化剂(典型地为Pt或Pt合金催化剂)失活。还原催化剂与氧化催化剂的实际比介于1％-50％，优选5％-20％(w/w)或介于0.01-5mg，优选介于0.05-0.2mg氧化催化剂/cm2氧气电极。根据本专利技术的另一实施方案，本专利技术提供一种在预先设定温度下，评估新型燃料浓度的方法，该方法包括下述步骤(a)在燃料电池中，在所述预先设定温度下，制作交叉电流对燃料浓度的校正曲线；(b)在所述燃料电池中，在所述预先设定温度下，测量交叉电流；和 (c)由步骤(b)中测量的电流和步骤(a)中制作的校正曲线来评估燃料浓度。这一方法是基于本专利技术者发现的本专利技术燃料电池中的交叉电流与燃料浓度直接成正比。例如，发现在80℃下，1M EG的交叉电流密度是在相同温度下，0.5M EG的约2倍(分别是41和19mA/cm2)，以及发现在60℃下0.25M DMO的交叉电流密度是在相同温度下，0.1M DMO的约2.5倍(分别是2.5和0.9mA/cm2)。在确保在其测量中，所测量的电流与电压无关的条件下，这一发现是正确的。本专利技术的方法可用于测量在工作的燃料电池中燃料溶液的燃料浓度。这可通过测量在工作的燃料电池中的交叉电流得以进行。或者可提供进行测量用的小的辅助燃料电池。这一可供选择的方案使得可根据本专利技术进行测量，而没有必须在测量所要求的电压下操作整个燃料电池。辅助燃料电池可与燃料电池物理地分离，或安装在其中，或与其相连接或与燃料罐相连接。本专利技术还提供一种混合能源，它包括至少一种本专利技术的燃料电池、一种DC到DC的变换器和一种可再充电的电池。直接的甲醇燃料电池(DMFC)和液体原料燃料电池(LFFC)的能量低。然而，象蜂窝电话、计算机和小型电子设备之类的仪器在短时间内需要高的能量。对于这些和类似的应用来说，可将本专利技术的燃料电池与小型高功率可再充电电池结合，所述小型高功率可再充电电池在所需时可供应高能量。这一结合比起现有技术的混合能源来是有利的，这种有利特别归功于小的交叉电流。目前，DC到DC的变换器可从0.7V起开始工作。正因为如此，可通过DC到DC的变换器尽可能使电池组结合少至两种或三种燃料电池(串联结合)。若交叉电流密度足够小，如15mA/cm2或更低，则不必经常地供给这一混合能源燃料。因此，这种混合能源优选使用低交叉电流密度的燃料电池如本专利技术的燃料电池。燃料电池使电池组充电并供应低的能量要求，而高能电池组则供应大的负荷。这种所要求的燃料电池的数量少，使得能使用平而薄的燃料电池体系。本专利技术提供一种用本专利技术燃料供给燃料的这种混合能源。用本专利技术的固体燃料供应这种混合能源燃料将是最有利的。例如，可使用由2节薄的燃料电池、DC到DC的变换器以及小的高能锂离子电池组成的混合能源向蜂窝电话供应能量，其中这2节燃料电池以串联结合的方式连接，并通过本专利技术的液体燃料(如EG)或通过本专利技术的固体燃料(如DMO)来供应燃料。一些实施方案的详细描述实施例1获得一些燃料的极化曲线在使用纯的金属催化剂替代碳上承载的催化剂的情况下，制造燃料电池。通过下述工艺制备阴极催化剂墨水(ink)按照下述重量比混合Pt纳米粉末(Pt黑，购于“Johnson Matthey”)、TeflonTM乳液和5％NafionTM溶液60％Pt、25％Teflon乳液和15％Nafion。首先通过声波处理混合Pt粉末和Teflon乳液15分钟。在两次声波处理周期后，将所得墨水放置在磁搅拌器上至少一个晚上。通过下述工艺制备阳极催化剂墨水按照下述重量比混合Pt∶Ru纳米粉末(Pt∶Ru黑，50％，购于“Johnson Matthey”)和PVDF91％催化剂粉末和9％本文档来自技高网...

【技术保护点】
在非碱性燃料电池中用作燃料的有机化合物，它们选自草酸二甲酯、乙二醇、其草酸酯、乙醛酸酯和甲酸酯、二羟乙酸及其甲酯、乙二醛和聚草酸乙二醇酯。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：E匹莱德，T杜德瓦尼，A枚尔曼，A阿哈隆，A阿哈隆，
申请(专利权)人：特拉维夫大学未来技术发展有限合伙公司，
类型：发明
国别省市：IL[以色列]