[发明专利]用于直接液体燃料电池的亲水化阳极

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年1月5日提交的美国专利申请No.11/325，466的优先权，其全部公开在此特别引入以作参考。

技术领域

本发明涉及使用氢化物燃料的直接液体燃料电池(DLFC)用亲水化阳极，并具体地涉及提供燃料电池的快速活化和高的初始功率的阳极。

背景技术

直接液体燃料电池在新能源转化技术领域中相当重要。在文献中，最频繁讨论的用于DLFC的液体燃料是甲醇。直接甲醇燃料电池(DMFC)的主要缺点包括甲醇的毒性、室温下非常差的放电特性，和由于高的催化剂负载造成的复杂性和成本，以及差的性能。

基于(金属)氢化物和硼氢化物化合物如硼氢化钠(例如，在碱性溶液中)的燃料(以下有时统称为“氢化物燃料”)具有非常高的化学和电化学活性。因此，使用这些燃料的DLFC即使在室温下也具有极其高的放电特性(电流密度、比能量等)。

使用(硼)氢化物燃料的DLFC的有效运行要求向阳极的催化剂颗粒连续输送(硼)氢化物。例如，使硼氢化物在阳极通过根据下列等式的生成BO₂^-和水的直接反应来电化学氧化：

BH₄^-+8OH^-＝BO₂^-+6H2O+8e^-　　　　　(1)

因为大多数氢化物燃料包含水和无机化合物如金属氢化物和/或硼氢化物，所以期望的是使用氢化物燃料的燃料电池用阳极是尽可能亲水性的，从而确保燃料电池的有效运行。同样，液体燃料电池的快速活化依赖于随阳极的亲水性而增大的阳极润湿速率，至少只要该燃料是亲水性的。

用于液体燃料电池的阳极的催化活性层通常包含在颗粒载体上的催化剂(例如，分散在多孔颗粒载体如多孔碳载体中的催化活性材料)，以及粘合剂(通常为聚合物材料如聚四氟乙烯(PTFE))。多孔碳载体的实例包括活性碳、炭黑、石墨和碳纳米管。这些材料可具有不同的亲水性/疏水性质比；通常，它们疏水性多于亲水性。活性碳通常比炭黑和石墨更亲水。分散在载体内的催化活性材料通常是亲水性的。如果使用传统的粘合剂如PTFE，该粘合剂同样为疏水性材料，这增强了阳极的疏水性质。

如前所述，期望给予使用氢化物燃料(即，亲水性燃料)的液体燃料电池的阳极尽可能的亲水性，但是不会在任何显著的程度上不利地影响所期望的阳极性质如活性层的电催化活性、机械完整性和导电性。甚至更期望包含碱性物质如碱金属氢氧化物的燃料，该碱性物质趋于增大(水性)燃料的表面张力从而使其更难以润湿包含疏水性材料的阳极。

发明内容

本发明提供用于液体燃料电池的阳极，其中要接触液体燃料的阳极侧面的至少一部分已进行亲水化处理。

一方面，本发明的阳极可以包含在载体上的催化活性金属。例如，该催化活性金属可包含Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、Au和Re的一种或多种，和/或该载体可包含活性碳、炭黑、石墨和碳纳米管的一种或多种。该阳极可另外包含粘合剂如聚四氟乙烯(PTFE)以及集电器。

另一方面，至少要接触液体燃料的成品阳极的侧面已进行亲水化处理。

另一方面，至少负载催化活性金属的载体已进行亲水化处理。

又一方面，本发明的阳极已使用一种或多种亲水化试剂进行处理。该亲水化试剂的非限定性实例包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、多元羧酸及其盐、含氧酸及其盐、糖、糖醇、糖衍生物和纤维素衍生物。例如，该亲水化试剂可以包含一种或多种烷基硫酸盐，烷基磺酸盐，聚亚烷基二醇，聚亚烷基二醇醚(通常具有不高于约1,000的重均分子量)，丙烯酸的均聚物或共聚物，单体多元羧酸或其盐，糖如葡萄糖、果糖，木糖、山梨糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖和半乳糖，糖醇如山梨糖醇、木糖醇、甘露醇、麦芽糖醇、乳糖醇、半乳糖醇和赤藓糖醇，糖衍生物如葡萄糖酸，和羧甲基纤维素和/或其盐。

另一方面，该阳极可以包含约0.001至约5mg/cm²，例如约0.05至约0.5mg/cm²阳极的亲水化试剂。

本发明阳极的另一方面中，其亲水化处理可以包含对至少要与液体燃料接触的成品阳极的那一侧面进行冷等离子体刻蚀。