燃料电池的活化方法技术

本发明专利技术提供直接氧化型燃料电池的活化方法，所述燃料电池包括阳极、阴极、以及介于阳极和阴极之间的质子传导电解质膜。所述阳极和所述阴极在与所述质子传导电解质膜接触的端面上各自具有催化剂层。所述方法通过使来自于外电源的电流流过所述燃料电池来活化燃料电池，所述外电源的正极和负极分别与所述燃料电池的阳极和阴极连接，同时将有机燃料和惰性气体分别提供给所述阳极和所述阴极。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，尤其涉及直接利用有机燃料的直接氧化型。
技术介绍
根据所采用电解质的种类，燃料电池分为磷酸型、碱型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型和固体聚合物型等。其中，固体聚合物型燃料电池因具有低温操作和高输出密度的特点，在诸如汽车电源和家庭热电联供系统的应用中表现出商业实用性。同时，随着便携式设备如笔记本电脑、手机和个人数字辅助设备的功能日趋复杂，这些设备的电力消耗也相应地增大。在此情况下，当前便携式设备所用的电源——锂离子二次电池和镍氢二次电池的能量密度的改善，难以跟上功率消耗的增加，因此很快引起了上述电源容量不足的问题。作为解决上述问题的电源，固体聚合物型燃料电池(下文中称为“PEFC”)已经得到关注。其中，给予期望最大的是直接氧化型燃料电池，该电池不需要将液体燃料转化为氢气，可在常温下通过在电极上直接氧化液体燃料产生电能，所述燃料电池不需要改质器且能够轻易地小型化。低分子量的醇和醚已被验证可作为直接氧化型燃料电池的燃料。其中，最有前途的是提供高能量密度和高输出的甲醇。使用甲醇作为燃料的燃料电池被称为直接甲醇型燃料电池(下文中称为“DMFC”)。DMFC的阳极反应和阴极反应分别通过下列反应式(1)和(2)表示，在阴极上用作氧化剂的氧气通常来自空气。(1)(2)与PEFC中采用氢气作为燃料相同，将阳极产生的质子转移到阴极的离子传导电解质膜通常是全氟磺酸膜，如Nafion(注册商标)。而且，所述电解质膜的两侧通常具有包含催化物质的催化剂层。为保证质子的传导率，所述催化剂层一般通过涂布催化物质和含有全氟磺酸(与电解质膜的全氟磺酸是同种组分)的溶液的混合物，并经干燥制成。目前使用的固体聚合物型电解质膜只有在被水合时才显示出足够的离子传导率。因此在制造燃料电池的过程中，有必要将电解质膜水合。然而，聚合物电解质膜随室温和环境温度的变化会较迅速地吸水或脱水，从而引起尺寸的改变。因此制造含有水合的聚合物电解质膜的燃料电池是极为困难的。由于上述原因，燃料电池制成后，在其电解质膜在干燥的状态下，经常要经过水合处理，也称为活化处理，并且达到电解质膜尺寸的改变不会引起特定问题的程度。当燃料电池长期放置不用时，在与外界环境的空气流通被阻止了的或没有采取任何例如给电解质膜补充水分的增湿措施的情况下，电解质膜的质子传导率显著下降。在上述情况下，给电解质膜再补充水分的操作即活化也变得必要起来。所述活化方法在日本特开平6-196187号公报中已有描述。根据该申请，当将加湿的氢气和加湿的氧气分别提供给阳极和阴极时，在两电极间施加1.3V或更高的电压。接下来在电解质膜中水的电解生成氢气和氧气，使水的浓度梯度大幅增加，因而增加了水的扩散速度。根据所述方法，电解质膜迅速被水合。同样，美国专利NO.6596422提出了另一种方法。首先，将加湿的氢气和空气分别提供给阳极和阴极以用来发电，然后，将甲醇燃料和空气分别提供给阳极和阴极以维持运转。如上描述，已有使电解质膜水合的各种提议，但是运转燃料电池需要的加湿的氢气、氮气的供给装置、以及氢气的增湿装置。通常氢气非常易燃且具有较宽的爆炸极限浓度范围，所以对氢气的处理必须非常注意。因此有必要在可能使用大量氢气的生产过程中引入足够的安全保护装置。使用氢气作燃料的PEFC的生产过程中本身就具有所述装置，然而在DMFC的生产过程中，由于DMFC被期望作为便携式设备的电源而大量生产，生产设备需尽可能的简化，因此需要氢气的上述装置是不受欢迎的。在电解质膜中电解水的方法需要施加于每个单元电池1.3V或更高的电压。因此，所述方法的问题是如果一个燃料电池组的电池数目增加了，施加于该燃料电池组的电压会升高。此外，本专利的专利技术者认为以下问题也应被解决。用于直接氧化型燃料电池的典型催化剂是铂、其化合物、或者它们的混合物。虽然铂本身是抗氧化的物质，但如果在含氧气的气氛中高温下焙烧，其表面容易被氧化。因此认为铂的这种氧化减少了反应的有效活性部位的数目。由于燃料电池的催化剂是在惰性气氛或还原性气氛下高温焙烧的，因此上述氧化在燃料电池催化剂的生产过程中不可能出现，但是由于铂表面氧化而引起的活性部位数目的减少会在燃料电池的生产过程中出现，原因如下。如上描述，催化剂层由催化物质和电解质物质组成，但是仅仅涂布这两种物质的混合物不能促进发生在催化剂层中电解质之间的界面上的或催化剂层中的电解质与电解质膜之间的界面上的质子的迁移。为了改善所述质子迁移，通常进行热压过程，在此过程中，所述混合物被加热至等于或高于电解质的玻璃转化点温度，并被挤压以加强电解质之间的接合。上述过程通常在很短几分钟的时间内完成，但在高温下就会在较长的时间内完成。所述的过程可能会加速铂表面被空气中的氧气氧化。此外，铂表面不仅在燃料电池的制造过程中会被氧化，在燃料电池的使用和储存期间也会被氧化，因为尤其是阴极催化剂会长时间暴露在有氧气存在的较高的电势下，或在阴极上会生成作为副反应中间产物的强氧化剂过氧化氢。关于以上所述问题，还没有特定和有效的完成再生处理的活化方法。因此，本专利技术的目的是解决上述问题，在燃料电池的制造阶段使其初始活化，并在长期停止使用后能够再活化，同时在低成本下为燃料电池提供足够的活性。
技术实现思路
本专利技术提供直接氧化型，所述燃料电池包括阳极、阴极以及介于阳极和阴极之间的质子传导电解质膜。所述阳极和所述阴极在与质子传导电解质膜接触的端面上各自具有催化剂层。所述活化方法的特征在于来自于外部电源的电流通过燃料电池，所述外部电源的正极和负极分别与燃料电池的阳极和阴极相连，同时将有机燃料和惰性气体分别供给阳极和阴极。本专利技术在不引入氢气供给装置、按需要附加的安全保护装置或气体增湿装置的情况下，使燃料电池能在制造时被活化，并且在长期停止操作后仍能被再活化。例如，在使用甲醇作燃料的DMFC中，根据本专利技术，供给的燃料在阳极被氧化并释放出质子和电子，如反应式(1)所示。所述质子经电解质膜迁移到阴极，并与电子结合生成氢气。所述反应由下面的反应式(3)给出。(3)所述过程中，利用电渗作用促进了伴随质子迁移的水和甲醇在电解质膜中的移动，从而使整个电解质膜被水合且变得湿润。因此，与简单地将电解质膜浸入水中相比，所述方法能更迅速地完成燃料电池的活化。在此情况下，由于通过外电源将电压加在燃料电池上只是为了促进质子的迁移，因此所述电压不必与电解水的电压一样高。此外，对于催化剂表面氧化的问题，由于上述方法涉及特别是在阴极上氢的形成，因此阴极具有还原性气氛，催化剂表面的氧和羟基与氢气结合生成水，生成的水由电池排出。此时，如果阴极内的气流较小，产生的氢气就不能均匀地扩散进入电池，或者产生的水不希望地积聚在催化剂层内，从而覆盖了催化剂的活性部位。因此在本专利技术中，将惰性气体供给阴极以促进阴极气相的流动。正如上述日本特开平6-196187号公报中提到的，在利用电解的活化方法中，氢气还会在电极上生成。然而在上述情况下，氢气是在阳极上生成，这是由于外电源的连接使阴极具有比阳极更高的电势，即电流通过外电路从阳极流向阴极。相反，根据本专利技术，因为外电源的极性反向接入，氢在阴极上生成。因此操作和结果是完全不同的。用于本专利技术活化方法的燃料电池的燃料优选为甲醇。如上所述，由于甲醇具有高的理论能量转化率，与其本文档来自技高网...

【技术保护点】
直接氧化型燃料电池的活化方法，所述燃料电池包含阳极、阴极、以及介于该阳极和该阴极之间的质子传导电解质膜，所述阳极和所述阴极在与所述质子传导电解质膜接触的端面上各自具有催化剂层，所述方法包含使来自于外电源的电流流过所述燃料电池，所述外 电源的正极和负极分别与所述燃料电池的所述阳极和所述阴极连接，同时分别给所述阳极和所述阴极提供有机燃料和惰性气体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：秋山崇，冈田行广，涩谷聪，植田英之，高田雅弘，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]