[发明专利]燃料电池

说明书

本发明涉及燃料电池，特别是间接或氧化还原燃料电池，其在固定、备用和热电联产(chp)背景下具有应用，以及在用于汽车工业的燃料电池及用于电子和便携式电子设备的微型燃料电池中具有应用。

已知燃料电池多年来用于便携式应用，例如汽车和便携式电子技术，尽管仅在最近几年燃料电池变为重要的实际考虑。在最简单的形式中，燃料电池为将燃料和氧化剂转化为反应产物的电化学能量转换装置，其在运行中产生电和热。在这类电池的一个实例中，氢用作燃料，并且空气或氧气用作氧化剂，并且反应产物为水。分别将气体引入由在两个电极间运载带电颗粒的固体或液体电解质隔离的催化、扩散型电极。在间接或氧化还原燃料电池中，氧化剂(在某些情况下，和/或燃料)不在电极直接反应，而与氧化还原对的还原形式(对于燃料而言，是氧化形式)反应以使其氧化，并且该氧化的物质被引入阴极。

在氧化氧化还原对的步骤中存在许多限制。氧化还原对的氧化应当尽可能地快速发生，因为通过阴极的阴极电解质流速降低将降低能量产生的速率。如果氧化还原对的氧化没有尽可能完全，即如果氧化还原对的大部分仍然未氧化，则也将降低能量产生的速率。需要在进行氧化步骤时确保消耗的能量较低，否则燃料电池的总的能量产生性能将降低，从而对快速并完全氧化存在于阴极电解液中的氧化还原对的设备条件产生挑战。此外，用于氧化氧化还原对的设备应尽可能紧凑，尤其是当燃料电池旨在用于便携式或汽车应用中时。

对平衡这些矛盾要求的需要导致电池效能的低效，特别是在汽车应用和热电联产中。

本发明的目的是克服或改善前述缺点的一个或多个。本发明的另一目的是提供用于有效氧化氧化还原对的改善的氧化还原燃料电池结构。

根据本发明的第一方面，提供了氧化还原燃料电池，其包括：

由离子选择性聚合物电解质膜隔开的阳极和阴极

用于将燃料供给至所述电池的阳极区域的装置；

用于将氧化剂供给至所述电池的阴极区域的装置；

用于在所述电池的各个阳极和阴极间提供电路的装置；

阴极电解液，其包含至少一种阴极电解质组分，所述阴极电解液包含氧化还原介体对；以及

再生区，其包括阴极电解质通道和具有活性表面的多孔元件，所述阴极电解质通道设置为邻近或朝向所述活性表面引导阴极电解液流，用于将氧化剂供给至所述电池的装置适于将所述氧化剂供给至所述多孔元件。

“阴极区域”是指通过膜电极装置的阴极侧而固定在一侧上的部分电池。或者，或以及，“阴极区域”可以被认为是部分电池，其中在电池运行时流经的至少一部分的阴极电解质与膜电极装置的阴极侧接触。

同样，“阳极区域”是指通过电极装置的阳极侧而固定在一侧上的部分电池。

在电池的运行中，流动的阴极电解质通过电池的阴极区域与阴极流体连通。在电池的运行中，在阴极至少部分还原氧化还原介体对，并且在阴极进行这样的还原之后，通过与氧化剂反应至少部分再生。在再生区实现氧化还原介体对的至少部分再生。具体地，通过多孔元件活性表面的氧化剂以及朝向或邻近多孔元件流动的阴极电极质的界面面积是大的。氧化还原介体对的再生在该点开始，并且继续作为阴极电解液，与混在其中的氧化剂一起通过再氧化区。

在优选的布置中，至少部分的通道壁是敞开的以将阴极电解质通道的内部暴露于至少部分的多孔元件活性表面。

多孔元件可以由任意多孔材料形成，所述多孔材料允许氧化剂以足够体积通流，从而使至少部分还原的氧化还原对能够至少部分再生，即氧化。适当材料的实例包括烧结玻璃或金属粉末、多孔或半透膜、网和钻孔板或穿孔板。

为了提高多孔元件的性能，其可以特定地形成或改进以使通过的氧化剂表面积最大化。例如，可以控制孔的位置和尺寸以促进小气泡的释放。此外，朝向或通过多孔元件的阴极电解质流在它们有时间生长之前促进小泡的释放。泡的快速除去是有利的，因为其允许新的阴极电解质液体接触多孔元件的活性表面。

典型地，平均泡尺寸直径为1微米至1000微米。优选地，形成的泡尺寸较小，例如直径为150微米或更小，1微米至100微米，或者最优选地，直径为25微米至50微米。为了实现平均直径落入这些优选范围的泡流，应提供直径比目标泡直径小3至10倍的孔。