CN100359733C - 燃料电池、电极催化剂和用于燃料电池的电极 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池，其包括：由涂敷有镍的储氢合金制得的燃料电极、氧电极和设置在燃料电极和氧电极之间的电解质单元。该燃料电池即使在使用了很长时间后依然能够提供稳定的电力。

Description

燃料电池、电极催化剂和用于燃料电池的电极
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，尤其涉及一种使用储氢合金作为电极的燃料电池。
背景技术
燃料电池指用于将氢气之类的燃料的氧化反应所产生的化学能直接转化为电能的电池。
图1是一般燃料电池的实例的示意图。
如图1所示，燃料电池包括燃料电极(阳极)14和氧电极(阴极)16，两电极之间置有电解质。
在如此结构的燃料电池中，如氢气之类的燃料通过燃料供应管13提供给燃料电极14，同时如氧气或空气之类的氧化剂通过氧化剂供应管17提供给氧电极16。
此时，电子在催化剂辅助下被释放出来，阳极柱14上发生氧化反应。在阳极14上产生的电子通过连接在阳极14和阴极18之间的负载转移到阴极16上。
在阴极16中，随着用借助于催化剂转移的电子发生还原反应，氧化剂被还原。
正离子/负离子通过设置在阳极14和阴极16之间的电解质12从阳极14转移到阴极16或从阴极16转移到阳极14。
特别地，如果用氢气作燃料，随着燃料电池的运行，氢在阳极14中电离为氢离子H+和电子e-，在阳极14上生成的H+通过电解质转移到阴极16上，电子e-通过阳极14转移到外负载18上。
在阴极16中，通过电解质12转移的H+与空气中的氧反应，生成水和反应热，该过程用如下的发应方程式表示：
燃料电极/阳极：H2(g)→2H++2e-
氧电极/阴极：
Figure C0382650400041
总反应方程式：
Figure C0382650400042
一般，在燃料电池中，负载连接在阳极14和阴极16上。当燃料电池运行时，电子e-不断在阳极14上生成，并通过负载流向阴极16，也就是说当电子从阳极14向阴极16转移时，产生能够驱动电子器件等等的电流。
为了符合高能量密度、小型化且重量轻、寿命长这一趋势，使用如金属氢化物之类的储氢合金作为燃料电池的阳极。在使用储氢合金的情形中，没有镉之类的会造成污染的材料，所以可以显著地减少污染。
一般，期望燃料电池能够长时间地提供稳定的电力。用作阳极或阴极的材料和电极特征强烈地影响着燃料电池的寿命和输出性能。
为了提高燃料电池的效率并延长燃料电池的寿命，提出了各种与电极相关的方法，其中包括日本公开特许第2002-246039号和PCT申请WO 01/68246中提及的。
但是，在上述文献中的燃料电池的制造方法是复杂的，并且因为粉末形式的催化剂未完全附着在催化剂载体元件上，催化剂从催化剂载体上脱落，导致的问题是电极效率下降、电池寿命缩短。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够连续保持稳定的性能并能够促进催化剂和催化剂载体元件之间的耦联的燃料电池、一种电极催化剂和用于燃料电池的电极。
为了实现这些目的，提供一种燃料电池，其包括：由涂敷有镍的储氢合金制得的燃料电极；氧电极；和设置在燃料电极和氧电极之间的电解质单元。
为了实现上述目的，还提供一种燃料电池的电极的电极催化剂，其中的燃料电池具有燃料电极、氧电极和安装在燃料电极和氧电极之间的电解质单元，其中电极催化剂由其表面涂敷有镍的储氢合金制得的。
为了实现上述目的，还提供一种用上述电极催化剂制造的燃料电池的电极。
附图说明
图1是一般燃料电池的实例的构造示意图。
图2是依据本发明的电极催化剂的放大图。
图3是图2所示的催化剂被切割之后的放大图。
图4是图3的放大图。
图5A至图5C是表示图2中的1、2和3各部分的组成的图。
图6是使用本发明的电极催化剂的燃料电池及其对比例的电流密度-电压相关图。
具体实施方式
参照附图对依据本发明的燃料电池、电极催化剂和用于燃料电池的电极进行详细说明。
本发明的燃料电池包括燃料电极(阳极)和氧电极(阴极)，电解质设置在燃料电极(阳极)和氧电极(阴极)之间。
形成阳极或阴极的电极包括用于促进氢气之类的燃料的氧化反应和氧气或空气之类的氧化剂的还原反应的催化剂、用于以电极形式耦联催化剂的催化剂载体元件。
催化剂载体元件可由如镍或镍合金之类的金属材料制得。出于机械性能方面的考虑，载体元件也可与如PTFE之类的粘合剂一起使用。
特别地，若催化剂载体元件是由如镍或镍合金之类的金属材料制得，其一个表面涂敷有镍的本发明的电极催化剂可稳定地附着在催化剂载体元件上，故而当燃料电池运作时，催化剂不会从催化剂载体元件上分离。
使用如金属氢化物(MH)之类的储氢合金作为组成电极的催化剂。
使用基于LaNi5、MnNi5(Mn：混合稀土金属：稀土金属的混合物)的AB5基合金和主要包括C14或C15a拉夫斯相(laves phase)的AB2基合金作为金属氢化物(MH)。AB5基合金或AB2基合金等是单原子基合金，其中部分的La或Ni被不同的元素所取代。也就是说，Zr或Ti用作元素‘A’，Ni、V、Mn、Cr、Al等用作元素‘B’。
催化剂可制成不同的形式。特别地，优选以能够使催化剂与氢之类的燃料之间的接触面积增加的形式使用。即，催化剂可以细小粉末、细纤维或多孔体之类的形式使用。当然，催化剂附着在催化剂载体元件上形成一个电极。
用于燃料电池电极的催化剂一般用于燃料电极(阳极)，但是也可用于氧电极(阴极)。
下面描述依据本发明的燃料电池、电极催化剂和用于燃料电池的电极的实施例。
实施例
金属氢化物(MH)用作电极催化剂，使用Zr0.9Ti0.1Cr0.55Fe1.45(重量％：41.73，2.44，14.54，41.28)的MH1和Zr0.9Ti0.1Mn0.6V0.2Co0.1Ni1.1(重量％：40.93，2.39，16.46，5.08，2.94，32.2)的MH2，是AB2基合金。
将粉末形式的金属氢化物放到一含有镍并具有一恒定pH值的溶液中，使金属氢化物上涂上镍。即，将包含10克CO3·Ni(OH)2·4H2O(镍碱式碳酸盐)和5克C6H5O7Na3·H2O(柠檬酸钠)的第一溶液、包含20克NaPH2O2·H2O(一水合亚磷酸氢钠)、5克C6H5Na3·H2O(柠檬酸钠)和10毫升HF的第二溶液、和控制和稳定pH值的第三溶液相混合，并且将其温度保持在70℃以下，pH值保持在6.5，粉末形式的金属氢化物在其中放置5分钟、10分钟或15分钟，用来在粉末形式的金属氢化物表面上实施镍的涂敷。
图2至4是用扫描电镜(SEM)拍到的电极催化剂的放大图，图5A至5C是用EDS(能量分散光谱)对图2中1、2、3各部分所表示的材料组成进行分析所得到的图。依据本发明涂镍的结果列于表1、2和3中。
表1
Ni  Mn  Zr  Co  V  Ti 总和
重量％ 60.48  16.05  14.75  4.15  3.16  1.42 100
原子％ 62.59  17.75  9.82  4.28  3.77  1.8 100
表2
Ni  P  Mn  V 总和
重量％ 93.18  4.68  1.67  0.47 100
原子％ 89.27  8.49  1.71  0.52 100
表3
Ni  P  Mn  V  Ti 总和
重量％ 91.1  6.92  1.48  0.38  0.12 100
原子％ 85.63  12.33  1.48  0.42  0.14 100
如图2至4和表1至3所示，注意到镍已经涂敷到氢合金的表面上。
依据本发明涂有镍的MH1和MH2的燃料电池和如日本特许公开第2002-246039中所描述进行氟化物处理的MH2的燃料电池在约35℃的运行结果示于图6中。注意到的是，依据本发明的燃料电池与使用氟化物处理过的MH2催化剂作为电极的燃料电池具有相似的性能。
到目前为止所述的依据本发明的燃料电池、电极催化剂和用于燃料电池的电极对于提供给阳极的燃料具有抗氧化性。因此，即使燃料电池使用了很长一段时间，它也能够提供稳定的电源。
另外，当电解催化剂附着在用镍制成的催化剂载体元件上时，它稳定的附着在载体催化剂元件上，燃料电池的寿命得以延长。
可对本发明的燃料电池、电极催化剂和用于燃料电池的电极进行各种修改和调整而不背离本发明的精神或范围，这对于本领域一般技术人员是显而易见的。因此，本发明旨在涵盖此发明的修改和调整，只要它们落在所附权利要求和等同方案的范围内。

Claims (11)

1.一种燃料电池，其包括：
具有电极催化剂和催化剂载体元件的燃料电极，所述电极催化剂由表面涂敷有镍的储氢合金制得，所述催化剂载体元件由镍或镍合金材料制得，所述电极催化剂附着在所述催化剂载体元件上；
氧电极；和
设置在所述燃料电极和氧电极之间的电解质单元。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，储氢合金是金属氢化物。
3.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述金属氢化物是粉末形式的。
4.如权利要求2或3所述的燃料电池，其特征在于，所述金属氢化物是AB2基的。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述氧电极是涂敷有镍的储氢合金。
6.一种用于燃料电池的燃料电极的电极催化剂，所述燃料电池具有燃料电极、氧电极和设置在燃料电极和氧电极之间的电解质单元，
其中，所述电极催化剂由其表面涂敷有镍的储氢合金制得，且所述电极催化剂附着在由镍或镍合金材料制成的催化剂载体元件上。
7.如权利要求6所述的催化剂，其特征在于，所述电极催化剂为粉末形式。
8.如权利要求6所述的催化剂，其特征在于，所述电极催化剂为细纤维形式。
9.如权利要求6所述的催化剂，其特征在于，所述电极催化剂形成一多孔体。
10.如权利要求6所述的催化剂，其特征在于，所述储氢合金是金属氢化物。
11.一种燃料电池的电极，所述电极由如权利要求6或7所述的催化剂制成。
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