CN1809938A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有良好便携性和运输性并表现出优异发电效率的燃料电池，它可以使用能量密度高于气态燃料的液体或固体燃料。燃料电池包括电解质(1)、阳极(2)和阴极(3)，阳极(2)和阴极(3)的布置是将电解质(1)夹在中间，并且还包括将燃料供应到阳极(2)的燃料供应部分，将含氧的氧化剂供应到阴极(3)的氧化剂供应部分，以及加热燃料电池的电池加热部分，并且电解质(1)由固体氧化物制成，燃料在室温和常压下是液体或固体。

Description

燃料电池
发明领域
本发明涉及燃料电池。
背景技术
最近，为一些具体应用开发了不同类型的燃料电池，包括那些大容量的和小容量的，作为有助于节能的清洁能源产生装置。特别是，利用它们具有高容量的能力，燃料电池预计可以作为用于移动装置例如移动电话和笔记本电脑的电源销售，替代锂离子电池。移动装置的电源需要具有良好的便携性和运输性。
一般地，燃料电池根据所用电极类型分成几种类型。对于使用质子导电聚合物膜(例如，四氟乙烯磺酸(perfluoroethylene sulfonic acid)，DuPont的一个包括Nafion(R)的典型例子)作为电解质的燃料电池(PEFC)，工作温度在从室温附近到约100℃的范围内。另一方面，对于使用氧化物离子导电固体电解质(例如，氧化锆-，氧化铈-或镓酸镧基陶瓷)作为电解质的燃料电池(SOFC)，工作温度达到600℃高温或更高。这些工作温度是由燃料电池所用电解质的特性确定的。
当前，对于PEFC作为可便携和运输燃料电池已经进行了广泛研究。PEFC的工作温度接近室温，因此可以不用加热装置。并且，除了诸如氢气和天然气的气态燃料以外，可以使用诸如甲醇的液态燃料用于燃料电池(使用甲醇作为燃料的燃料电池可以特别地称为DMFC)。液态燃料具有比气态燃料更高的能量密度。因此，如果可以使用液态燃料，就可以提供具有改进便携性和运输性的燃料电池。
另一方面，SOFC的工作温度高达600℃或更高，并且需要加热装置和绝热结构，因此它们主要用于固定燃料电池，而不是可便携的和运输的燃料电池。因此，可以连续地供应的气态燃料例如氢气和天然气主要设计为SOFC使用的燃料，并且这些燃料电池的结构和配置也设计为注意使用气态燃料。
为了提供具有良好便携性和运输性的燃料电池，需要使燃料电池包括尽可能少的辅助设备，另外需要高效并表现出高的能量密度。但是，使用聚合物膜作为电解质的PEFC，由于其特性，需要对聚合物膜进行水管理。为达到此目的，需要提供，例如，加湿装置对作为氧化剂的空气加湿。当使用液态燃料时，可能出现燃料穿过聚合物膜的渗透(交叉)，导致燃料利用率下降。并且，由于这些燃料电池具有低的工作温度，它们表现出较低的发电效率，并且与其它类型的燃料电池相比，具有较窄的燃料和催化剂选择范围。另外，当使用不是纯氢的气态燃料时，需要重整器，因此需要另外的能量对燃料重整。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有良好便携性和运输性的燃料电池，其中可以使用比气态燃料能量密度高的液态或固态燃料。
根据本发明的一种燃料电池包括电解质；设置成将电解质夹在中间的阳极和阴极；将燃料供应到阳极的燃料供应部分；将含氧的氧化剂供应到阴极的氧化剂供应部分；以及加热燃料电池的电池加热部分，其中电解质是由固体氧化物制成，并且燃料在室温和常压下是液体或固体。
附图说明
图1是显示根据本发明燃料电池一个例子的示意图。
图2是显示根据本发明燃料电池另一个例子的示意图。
图3是显示根据本发明燃料电池中包括的电池加热部分的一个例子的示意图。
图4是显示根据本发明燃料电池中包括的电池加热部分的另一个例子的示意图。
图5是显示根据本发明燃料电池另一个例子的示意图。
图6是显示根据本发明燃料电池再一个例子的示意图。
图7是显示在一个实施例中测量的根据本发明燃料电池的发电特性一个例子的曲线图。
图8是显示根据本发明燃料电池又一个例子的示意图。
图9是显示在一个实施例中测量的根据本发明燃料电池的发电特性一个例子的曲线图。
图10是显示在一个实施例中测量的根据本发明燃料电池的发电特性一个例子的曲线图。
图11是显示根据本发明燃料电池另一个例子的示意图。
图12是显示在一个实施例中测量的根据本发明燃料电池的发电特性一个例子的曲线图。
图13是显示根据本发明燃料电池另一个例子的示意图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的实施例。在下面实施例的描述中应该注意的是，相同的参考标号可以应用于相同的部件，因此省略其重复说明。
图1表示根据本发明燃料电池的一个例子。图1所示的燃料电池具有电解质1，以及设置成将电解质1夹在中间的阳极2和阴极3。此外，它还具有石英管13，石英管13构成为阳极2供应燃料的燃料供应部分的一部分；以及石英管14，石英管14构成为阴极3供应含氧氧化剂的氧化剂供应部分的一部分。如图1所示，燃料通过石英管13供应到阳极2，空气作为氧化剂通过石英管14供应到阴极3。此外，图1所示燃料电池包括加热器17，作为电池加热部分用于加热燃料电池。电解质1是由固体氧化物制成，并且燃料在室温和常压下是液体或固体。应该注意的是，在本说明书中，“室温”是指通常需要使用燃料电池的环境温度，包括，例如，在从约-40℃到约50℃范围内的温度；“常压”是指，例如，从约70kPa到120kPa范围的压力。
在图1中，阳极2、阴极3和石英管13和14装在氧化铝管11内。氧化铝管11也作为排出例如未反应燃料或氧化剂以及反应产生的水的排出管。氧化铝管11设置在阳极2侧和阴极3侧，并通过玻璃封装12与二者之间设置的电解质1结合。玻璃封装12也用于从外侧密封阳极2和阴极3。
通过按上述方式形成燃料电池，可以提供具有良好便携性和运输性并表现出优异发电效率的燃料电池，它可以使用液体或固体燃料，液体或固体燃料具有比气态燃料高的能量效率。
应该注意的是，在图1中为了清楚起见省略了一部分剖面线。其它附图也有类似情况。
在本发明的燃料电池中，对电解质1没有特殊限制，只要它是具有氧化物离子导电性或质子导电性的固体氧化物。具体地，优选具有质子导电性的固体氧化物。在这种情况下，工作温度低于使用氧化物离子导电性固体氧化物情况下的工作温度，从而可以提供具有更加良好便携性和运输性的燃料电池。应该注意的是，本说明书的“工作温度”是指燃料电池连续发电的温度。“工作温度”中的“温度”是指例如电解质的温度。
对于电解质1的形状没有特别的限制。例如，它可以平面状的或圆柱状的。当电解质1的形状是平面状的，其垂直基面方向的厚度例如可以在10μm到500μm的范围内。当厚度太小时，可能造成燃料或氧化剂从阳极到阴极(从阴极到阳极)的穿透泄露。当厚度太大时，另一方面，可能降低离子导电性，由此降低作为电池的性能。
在本发明的燃料电池中，电解质1可以含有钡(Ba)以及从铈(Ce)和锆(Zr)中选出的至少一种。这样电解质具有良好的质子导电性，从而可以提供具有很高发电效率的燃料电池。
在本发明的燃料电池中，电解质可以具有的成分比例按分子式表示为：Ba(Zr1-xCex)1-yMyAlzO3-α，其中M是从In和三价稀土元素(不包括Ce)中选出的至少一种。即，M是从Gd、Y、Yb、Sm和In中选出的至少一种。并且，x，y，z和α是分别满足以下关系的数值：0≤x≤1，0＜y＜0.4，0≤z≤0.04以及0＜α＜1.5。这种电解质具有良好的质子导电性，从而可以提供表现出更高发电效率的燃料电池。应该注意的是，α是表示电解质中氧损失程度的数值，并且它也应用于下面说明的电解质。
具体是，优选的，上述M是从In、Gd、Y和Yb中选出的至少一种。更具体地，电解质可以具有从下面分子式选出的至少一种代表的成分比例：例如BaCe0.8Gd0.2Al0.02O3-α、BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3-α和BaZr0.4Ce0.4In0.2O3-α。这种电解质具有良好的质子导电性，从而它可以提供表现出更高发电效率的燃料电池。
除此之外，可以使用例如La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3-α、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3-α或La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-α作为电解质1。
在本发明的燃料电池中，只要使供应的燃料可被氧化，例如对阳极2的形状或成分没有特别的限制。例如，阳极包括含有从Pt、Ni、Ru、Ir和Pd中选出的至少一种的催化剂(阳极催化剂)是足够的。特别是，当使用含Pt的催化剂时，可以得到高效率的燃料电池。
在本发明的燃料电池中，只要能还原氧，例如，对阴极3的形状或成分没有特别的限制。例如，阴极包括含有Pt作为组份的催化剂(阴极催化剂)是足够的。
这里将解释形成阳极2和阴极3的一种典型方法。，例如可以通过在电解质1的一个基面上涂敷含有上述阳极催化剂的涂料、以及在另一个基面上涂敷含有上述阴极催化剂的涂料形成阳极2和阴极3。涂敷之后，将每个催化剂干燥或烘烤，从而得到一个叠层结构，其中阳极2和阴极3分别形成在电解质的两个基面上。利用这种方法，阳极2和阴极3的形状可以由电解质的形状确定。
由此形成的叠层结构还夹在一对隔板之间，隔板同时起到燃料或氧化剂通道以及集电器的作用，从而形成其中隔板、阳极、电解质、阴极和隔板按此顺序层叠的燃料电池(这种状态一般称为“单电池”)。此时，当电解质和隔板是平面状的，则得到平面状的燃料电池。此外，多个上述单电池可以堆在一起形成一个电池堆。由于单电池彼此串联电气连接，因此通过增加堆积的单电池数量，燃料电池的总输出电压增大。另外，可以使用例如诸如不锈钢的金属或者碳制成的平板作为隔板。并且，上面形成阳极和阴极的电解质可以夹在一对隔板之间，使得阳极或阴极与隔板上形成燃料或氧化剂通道的表面接触。图2表示包括这种隔板的平面状燃料电池的一个例子。
在图2所示的燃料电池中，由阳极、电解质和阴极构成的叠层结构4保持在由陶瓷制成的基体5上。四片叠层结构4保持在基体5上，每个叠层结构4的部分阳极和阴极从基体5中形成的孔中露到外部。燃料和氧化剂供应到这些暴露的部分。另外，基体5和叠层结构4被一对隔板18夹在中间，隔板18同时起到燃料或氧化剂通道以及集电器的作用。燃料供应管20和阳极排出管22、或者氧化剂供应管21和阴极排出管23，连接到隔板18上。隔板18还夹在薄膜加热器19之间，整个电池可以由加热器19加热。并且，整个燃料电池由绝热材料24覆盖。
另外，燃料电池的构成也可以将上述形成的叠层放入外壳中，外壳中形成阳极室和阴极室，从而阳极面对阳极室，阴极面对阴极室(即，阳极室和阴极室由叠层结构彼此分隔)。在这种情况下，燃料可以供应到阳极室，氧化剂可以供应到阴极室。另外，例如，对形成阳极室和阴极室的材料、以及阳极室和阴极室的容量或形状没有特别限制。并且，燃料电池的构成可以通过将上述形成的叠层结构放入外壳中，使得外壳内部被分成至少两个区。在这种情况下，燃料可以供应到叠层结构阳极面对的区域，氧化剂可以供应到叠层结构阴极面对的区域。另外，例如，对外壳的材料以及每个区域的容量或形状没有特别限制。
在本发明的燃料电池中，只要燃料可以供应到阳极，例如，对于燃料供应部分的结构或机构没有特别限制。例如，燃料供应部分可以设计成使用存储燃料的罐或筒、或者将燃料供应到阳极的泵或燃料供应管。另外，由于根据本发明的燃料电池使用室温和常压下是液体或固体的燃料，则罐、泵或类似物的尺寸和重量可以做得小于那些使用例如高压气体或液氢的燃料电池。因此，可以提供具有良好便携性和运输性的燃料电池。
只要可以将氧化剂供应到阴极，例如，对氧化剂供应部分的结构或机构没有特别限制。例如，氧化剂供应部分可以设计成使用存储氧化剂的罐或筒、或者将氧化剂供应到阴极的泵、压缩机或氧化剂供应管。只要含有氧，就对氧化剂没有特别限制，例如可以使用空气。当使用空气作为氧化剂时，可以省略存储氧化剂的罐或类似物。并且，当氧化剂在大气压下使用时，可以省略泵、压缩机或类似物。
只要能加热电池，例如，对电池加热部分的结构和机构没有特别限制。例如，电池加热部分可以设计成使用加热器。特别是，使用图2所示薄膜加热器19使加热器具有小的容量并且布置更加自由，从而为燃料电池提供更加良好的便携性和运输性。加热器的形状容易改变，以适应设置加热器部分的形状。对薄膜加热器19的形状没有特别限制。例如，如图3所示，可以使用加热器19，其中当电流经过时发热的加热元件31设置在具有导热性的薄膜结构33中。例如，电流可以通过端子32供应到加热元件31。能形成薄膜并具有一定程度导热性的任何材料都可以用作结构33的材料，而没有任何特别限制。例如，可以使用云母或陶瓷(例如，二氧化硅或氧化铝)。对于加热元件31所用的材料没有特别限制，例如，可以使用不锈钢、镍铬合金或铂。应该注意到，图3表示薄膜加热器19的最简单结构的一个例子。在需要时，可以包括性能不同的多个加热元件31。并且，可以使用加热器19，其中与需要加热的部件接触的表面由具有导热性的结构33构成，绝热材料设置在相对表面上。
不管燃料电池是平面状还是圆柱状，可以使用图3所示的薄膜加热器19。当燃料电池是圆柱状的，电池加热部分的结构可以是其中加热元件31简单地缠绕在圆柱电极板上。图4表示这种电池加热部分的一个例子。在图4所示例子中，作为电池加热部分，加热元件31缠绕在圆柱阳极2(其中设置有电解质和阴极)上。当加热元件31通过电流时电池被加热。这样，在本发明的燃料电池中，例如，电池加热部分的结构或形状可以自由设置。
电池加热部分根据需要可以加热电池任何部分。例如，它可以加热隔板，如上所述，或者可以加热电极，如阳极和阴极。还可以加热燃料供应部分或氧化剂供应部分。它可以加热燃料本身。当燃料是固体燃料时，优选的是加热燃料本身。加热燃料本身的一个例子将随后在实施例中说明。
在本发明的燃料电池中，电池加热部分可以包括使燃料与氧化剂反应的催化剂。在这种情况下，可以通过将部分燃料和氧化剂供应到催化剂而加热电池，从而可以提供效率比电池加热部分包括加热器(在使用加热器的情况下，对加热器的功率有要求)时更高的燃料电池。图5表示这种燃料电池的一个例子。
在图5所示燃料电池中，催化剂层30设置成与隔板18接触。每个催化剂层30设置在一块隔板18上，处在与朝向阳极2或阴极3的表面相反的表面上。并且，燃料电池的结构使未在阳极2反应而排出的未反应燃料以及未在阴极3反应而排出的未反应氧化剂的气体混合物(在图5中的燃料-空气气体混合物)供应到催化剂层30。因此，在图5所示的燃料电池中，可以将从构成燃料供应部分的一部分的罐42供应的燃料的未用燃料、以及从构成氧化剂供应部分的一部分的压缩机27供应的空气的未用空气在它们从隔板18排出后混合在一起，并且利用催化剂层30使它们反应。可以利用反应产生的热增大或维持电池温度。此外，催化剂层30产生的热量可以通过调节燃料和氧化剂的流速控制。
对于使燃料与氧化剂反应的催化剂没有特别限制，例如，可以使用Pt、Pd、Rh或Ru。催化剂可以施加到电池的隔板上，例如以膏的形式。另外，可以形成充满催化剂的室，并且该室设置成与电池接触。
对于将燃料和氧化剂供应到催化剂的方法没有特别限制。例如，在燃料和氧化剂供应到阳极和阴极之前，部分燃料和氧化剂可以分开供应到催化剂。在这种情况下，通过在分支点设置一个阀门，可以仅仅在需要时将燃料和氧化剂供应到催化剂。
此外，如图5所示，从阳极和阴极排出的未用燃料和氧化剂可以供应到催化剂。在燃料电池中，供应到阳极和阴极的所有燃料和氧化剂不能总是在阳极和阴极消耗(实际消耗量与供应量之比称为“利用率”)。一般地，刚启动后，电池温度低，利用率低，造成大量未用的燃料和氧化剂。此外，由于电池温度低，在刚启动后比任何其它时间更需要加热电池。因此，通过将未用燃料和氧化剂供应到催化剂，可以提供效率很高的燃料电池。
对催化剂层30设置的位置没有特别限制。在图5所示例子中，催化剂层30设置成与隔板18接触。但是，催化剂层30可以设置在任何给定位置，只要催化剂层30产生的热量能传导到所需加热的部件。在需要时，可选的材料可以置于催化剂层30与所需加热部件之间。此外，对于上述催化剂的形状没有特别限制，催化剂可以形成图5所示的层，或者是块或多孔结构。另外，上述所需的催化剂可以附加在并承载在诸如过滤器的多孔产品表面。应该注意的是，虽然图5表示一个平面状燃料电池的例子，但通过将催化剂层30按类似方式置于圆柱状燃料电池中，可以提供效率甚至更高的燃料电池。例如，催化剂层30可以按图6所示设置。图6表示所谓圆柱塔曼管式燃料电池的一个例子，其中催化剂层30置于排出管内壁表面上，排出管同时起到阳极排出管和阴极排出管的作用。
根据本发明的燃料电池还可以包括收集部分(阴极收集部分)，用于从阴极排出物中收集排出物中所含氧化剂和水中选出的至少一种。通过收集水，可以从燃料电池中获得水，也可以重新利用收集的水作为燃料。例如，对阴极收集部分的机构或结构没有特别限制。例如，在阴极排出物温度为100℃或更低状态下，可以利用气-液分离装置收集液体形态的氧化剂和/或水。这种燃料电池的一个具体例子将随后在实施例中说明。
并且，根据本发明的燃料电池可以包括收集部分(阳极收集部分)，用于从阳极排出物中收集排出物中所含燃料、二氧化碳和水中选出的至少一种。通过收集燃料，可以重新利用未用燃料，从而提供具有甚至更好便携性和运输性的燃料电池。通过收集水，可以从燃料电池中获得水，也可以重新利用收集的水作为燃料。此外，通过收集二氧化碳，可以在封闭空间中使用电池。通过此时从燃料中将二氧化碳收集出来，可以防止对发电没有贡献的气体混入将被重复利用的燃料中。例如，对于阳极收集部分的机构或结构没有特别限制。例如，可以利用气-液分离装置收集作为气体的二氧化碳。
换言之，在根据本发明的燃料电池中，燃料供应部分还可以包括燃料循环部分，它将阳极排出物中所含的未用燃料重新供应到阳极。此外，燃料循环部分可以包括二氧化碳收集部分，它用于收集阳极排出物中所含的二氧化碳。例如，对于二氧化碳收集部分的机构和结构没有特别限制。例如，可以使用上述的气-液分离装置，或者充满诸如氢氧化钠的基本固体的室。并且，例如，对燃料循环部分的机构或结构没有特别限制。这种燃料电池的一个具体例子将随后在实施例中说明。
在本发明的燃料电池中，对燃料没有特别限制，只要在室温和常压下是液体或固体。如上所述，“室温”是指，例如，在约-40℃到约50℃范围内的温度，优选地在-20℃到40℃的范围内。“常压”是指，例如，压力在约70kPa到约120kPa的范围内。在上述范围的温度对应于人类可以进行活动(即，本发明燃料电池一般被使用)的环境温度。燃料不需要在所有上述范围内是液体或固体。在上述范围的一些范围内可以是液体或固体。可以是液体和固体的混合状态。例如，丁烷的沸点为-0.5℃，在20℃和1大气压的压力下是气体。但是，它在-0.5℃或低于此温度转变成液体，并且甚至在20℃下施加小的压力即可液化。因此，它可作为燃料用于本发明的燃料电池。另外，以小的和轻的便携罐装气体形式，市场上可以大量购得丁烷。
更具体地，燃料可以是，例如，有机燃料和水的混合物。对于有机燃料没有特别限制，只要它可以与水混合。例如，燃料可以是从甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二甲醚中选出的至少一种。这些低的醇类可以容易地与水按照任何给定的比例混合。特别是，优选地使用从乙醇、丙醇、丁醇和二甲醚中选出的至少一种。这些有机燃料不像甲醇，没有毒性，因此可以为燃料电池提供较高的安全程度。
在本发明的燃料电池中，燃料可以是从甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、三氧杂环己烷、二甲氧基甲烷、二甲醚、丁烷和三甲氧基甲烷中选出的至少一种。特别是，优选地使用从乙醇、丙醇、丁醇、丁烷和和二甲醚中选出的至少一种。这些燃料不像甲醇，没有毒性，因此可以为燃料电池提供较高的安全程度。
在本发明的燃料电池中，燃料可以在室温和常压下是固体。例如，它可以是具有约12到约26个碳原子的较高脂族醇。更具体地，燃料可以是从十二烷醇和1-十四醇中选出的至少一种。应该注意的是，十二烷醇和1-十四醇不像甲醇，没有毒性。
并且，燃料可以是，例如，汽油、煤油、轻油和重油。这些中的每种可以是市场上可购得的燃料，如汽油、煤油、轻油和重油。虽然市场上购得的汽油含有各种添加剂，但“汽油”一般是指当由原油提炼时，具有从约30℃到约220℃的最低气化部分并且含有碳原子数约4到12的碳氢化合物的燃料。例如，这对应于JIS(日本工业标准)-K-2201、JIS-K-2203、JIS-K-2206中定义的燃料。“煤油”一般是指沸点在约145℃到300℃范围内的部分构成的燃料。例如，它对应于JIS-K-2203中定义的燃料。“轻油”一般是指沸点在约180℃到350℃范围内的部分构成的燃料。例如，它对应于JIS-K-2204中定义的燃料。“重油”作为一种成份包含从原油中精炼例如汽油、煤油和轻油后残余油的燃料，它对应于JIS-K-2205中定义的燃料。
另外，燃料可以是含有乙醇的凝胶。特殊的例子包括固体燃料，它是由乙醇和醋酸钙饱和溶液混合形成的凝胶。
在上述本发明燃料电池中，工作温度可以是例如在100℃到500℃范围内，更优选的在从150℃到350℃的范围内。这些范围比PEFC的工作温度范围高，因此可以提供比PEFC发电效率高的燃料电池。此外，这些范围低于SOFC的工作温度，因此与SOFC相比，可以提供一种简化加热装置和绝热装置的燃料电池，并具有良好的便携性和运输性，而这是SOFC难以达到的。
实施例
下面通过实施例更加详细地说明本发明。应该注意的是，本发明并不限于以下的实施例。
实施例1
在此实施例中，实际做出燃料电池，并使用甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、混有水的甲醇(含水量50％)作为燃料进行发电试验，这些燃料在室温和常压下是液体，还使用丁烷进行试验。首先说明在此实施例中使用的制造燃料电池的方法。
首先，制造具有质子导电性的氧化物(形状是直径13mm、厚220μm的圆盘)作为电解质。更具体地，通过高温固相工艺制成上述氧化物的圆柱烧结产品(直径13mm，厚10mm)，然后切割并抛光，从而制成厚度220μm的电解质。另外，电解质(氧化物)的成份为：BaZr0.4Ce0.4In0.2O3-α(其中0＜α＜0.3)。
接着，将作为催化剂的铂膏(由Tanaka Kikinzoku Group制造，型号是TR7905)施加在上述制作的圆盘电解质的两侧，并烘烤以形成阳极和阴极。每个阳极和阴极的厚度约5μm。
接着，将上述形成的阳极、电解质和阴极的层叠结构制成图1所示的燃料电池。如上所述，在图1所示的燃料电池中，阳极2和阴极3形成在电解质1的两侧，电解质1通过玻璃封装12夹在氧化铝管11之间。燃料通过石英管13供应到阳极2，作为氧化剂的空气通过石英管14供应到阴极3。石英管13和石英管14分别构成燃料供应部分和氧化剂供应部分的一部分。并且，将输出引线15和电位测量引线16结合在阳极2和阴极3的每个上，从而在将发电产生的电力输出到外部的同时，可以测量阳极2和阴极3之间产生的电压(电池电压)。在图1所示的燃料电池中，作为电池加热部分，加热器17设置成覆盖氧化铝管11。氧化铝管11是上述外壳的一种类型。
发电试验是在上述制作的燃料电池上进行的。试验方法将在下面说明。首先，用加热器17将氧化铝管11内部加热到350℃。此时，电解质1、阳极2和阴极3的温度设定为350℃(这种状态称为电池温度为350℃)。接着，通过石英管13和石英管14供应燃料和空气，并测量作为负载的电流密度与电池电压之间的关系(I-V特性)。I-V特性结果表示在图7中。
如图7所示，可以发现，在使用甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、混有水的甲醇、丁烷作为燃料的每种情况下，都可以发电。此外，当电池温度为100℃、150℃或200℃时，可以得到与图7基本相同的结果。
并且，当使用具有质子导电性的其它氧化物，例如，BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3-α、BaZr0.4Ce0.4Y0.2O3-α、BaZr0.4Ce0.4Yb0.2O3-α、BaCe0.8Gd0.2O3-α、BaCe0.8Gd0.2Al0.02O3-α、BaZr0.4Ce0.4In0.2Al0.02O3-α、BaZr0.6Ce0.2Gd0.2Al0.02O3-α、BaZr0.52Ce0.24Gd0.24O3-α、BaZr0.56Ce0.24Gd0.2O3-α、BaZr0.3Ce0.5In0.2O3-α(但是，在所述上述成分分子式中，0＜α＜0.3)作为氧化物用于电解质时，也可以得到相同结果。
另外，当使用含有Ru或Rh的催化剂作为催化剂用于阳极和阴极时，并且当电解质的厚度在10μm到500μm范围内时，也可以得到相同结果。
实施例2
在此实施例中，实际做出燃料电池，并使用混有水的甲醇(含水量50％)作为燃料进行发电试验。首先说明在此实施例中使用的制造燃料电池的方法。
首先，制造具有质子导电性的氧化物(形状是直径13mm、厚220μm的圆盘)作为电解质。更具体地，通过高温固相工艺制成上述氧化物的圆柱烧结产品(直径13mm，厚10mm)，然后切割并抛光，从而制成厚度220μm的电解质。另外，电解质(氧化物)的成份：BaCe0.8Gd0.2Al0.02O3-α(其中0＜α＜0.3)。
接着，将作为催化剂的铂膏(由Tanaka Kikinzoku Group制造，型号是TR7905)施加在上述制作的圆盘电解质的两侧，并烘烤以形成阳极和阴极。每个阳极和阴极的厚度约2μm。
接着，将上述形成的阳极、电解质和阴极的叠层结构制成图2所示的燃料电池。如上所述，在图2所示的燃料电池中，由阳极、电解质和阴极形成的叠层结构4保持在陶瓷制成的基体5上。四片叠层结构4保持在基体5上，每个叠层结构4的部分阳极和阴极从基体5中形成的孔中露到外部。由于燃料和氧化剂供应到这些暴露的部分，因此图2所示燃料电池的电极面积等于暴露部分的总面积。在此实施例中，总电极面积是2cm2。
并且，在图2所示燃料电池中，基体5和叠层结构4被一对隔板18夹在中间，隔板18同时起到燃料或氧化剂通道以及集电器的作用。燃料供应管20和阳极排出管22、或者氧化剂供应管21和阴极排出管23连接到隔板18上。隔板18还夹在薄膜加热器19之间，整个电池可以由加热器19加热。并且，图2所示的整个燃料电池由绝热材料24覆盖，绝热材料24是含二氧化硅的材料制成。另外，可以使用不锈钢作为隔板18的材料。
图8表示图2所示整个燃料电池的示意图。如图8所示，图2所示燃料电池具有二级电池作为辅助电源29，可以在电池启动时由辅助电源29向加热器19供电。因此，可以使用辅助电源29的电力将由阳极2、电解质1和阴极3构成的叠层结构4加热到预定温度，然后供应燃料以及作为氧化剂的空气发电。当开始发电后，一旦电池温度由发电产生的热量维持，则中止从辅助电源29向加热器19供电，相反辅助电源29可以由产生的电力充电。
此外，图2所示燃料电池具有罐26和泵25(输出为0.15mW)作为燃料供应部分，如图8所示。罐26还连接到阳极排出管22，并且还作为阳极收集部分和燃料循环部分。此外，罐26包括气-液分离装置，从而仅仅将阳极排出物中包含的二氧化碳排到外部。另外，使用压电泵作为泵25。
类似地，图2所示的燃料电池具有压缩机27作为氧化剂供应部分，罐28作为阴极收集部分。罐28包括气-液分离装置，并且仅将阴极排出物中所含的空气排放到外部。
发电试验是在上述制作的燃料电池上进行的，使用混有水的甲醇(含水量50wt％)作为燃料。此时，电池温度设定为350℃，并评价负载电流和电池电压之间的关系(图9的I-V特性)以及负载电流和输出之间的关系(图9中的输出特性)。结果表示在图9中。在图9中，水平轴表示负载电流(mA)。
如图9所示，在此实施例中，可以得到1mW的最大输出。此时，当减去诸如泵、加热器和压缩机的辅助机械消耗的功率，仍可得到约0.15mW的输出。即，可以发现，此实施例的燃料电池能独立发电，为辅助机械供电。因此，可以说，此实施例的燃料电池是具有良好便携性和运输性的燃料电池。
另外，当使用实施例1所述电解质作为电解质时，也可以得到基本相同结果。并且，使用含Ru或Rh的催化剂作为用于阳极和阴极的催化剂，以及当电解质的厚度在10μm到500μm时，也可得到基本相同结果。此外，甚至当使用较低电阻的材料作为隔板材料时，可以进一步提高输出。
实施例3
在此实施例中，制造对图2所示燃料电池的结构进行部分修改的燃料电池，并且进行发电试验。
首先，制造具有质子导电性的氧化物(形状是直径13mm、厚220μm的圆盘)作为电解质。更具体地，通过高温固相工艺制成上述氧化物的圆柱烧结产品(直径13mm，厚10mm)，然后切割并抛光，从而制成厚度220μm的电解质。另外，电解质(氧化物)的成份：BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3-α(其中0＜α＜0.3)。
接着，将作为催化剂的铂膏(由Tanaka Kikinzoku Group制造，型号是TR7905)施加在上述制作的圆盘电解质的两侧，并烘烤以形成阳极和阴极。每个阳极和阴极的厚度约3μm。
接着，将上述形成的阳极、电解质和阴极的叠层结构制成图2所示的燃料电池。但是，在此实施例中，设置含Pt的催化剂层代替加热器19，作为催化剂使燃料与氧化剂反应。并且，使用碳作为隔板18的材料。图5表示此实施例中使用的整个燃料电池的示意图(其它结构、电极面积以及其它的与实施例2相同)。
如上所述，在此实施例的燃料电池中，催化剂层30设置成与隔板18接触。在这种燃料电池中，可以将构成燃料供应部分的罐42供应的燃料的未用燃料与构成氧化剂供应部分的压缩机27供应的空气的未用空气在它们从隔板18排出后混合，并使用催化剂层30使它们反应。反应释放的热量用于增大或维持电池温度。此外，催化剂层30中产生的热量可以通过调节燃料和氧化剂的流动速率进行控制。另外，催化剂层30的面积设置成与隔板18的面积相同，并且催化剂层30的厚度设定为5μm。
发电试验是在上述制作的燃料电池上进行的，使用丁烷作为燃料。首先，将丁烷和空气供应到催化剂层30并在催化剂层30燃烧，以将电池温度设定为350℃。接着，调节丁烷和空气的流动速率，并且进行发电试验。结果如图10所示。
如图10所示，在此实施例中，可以得到0.35mW的最大输出。此时，当减去诸如泵的辅助机械消耗的功率，仍可得到约0.2mW的输出。即，可以发现，此实施例的燃料电池能独立发电，为辅助机械供电。因此，可以说，此实施例的燃料电池是具有良好便携性和运输性的燃料电池。
另外，当使用实施例1所述电解质作为电解质时，也可以得到基本相同结果。并且，使用含Ru或Rh的催化剂作为用于阳极和阴极的催化剂，以及当电解质的厚度在10μm到500μm时，也可得到基本相同结果。
实施例4
在此实施例中，制造对图1所示燃料电池的结构进行部分修改的燃料电池，并且进行发电试验。并且，使用在室温和常压下是固体的燃料(含醇凝胶、十二烷醇和1-十四醇)作为燃料。
首先，制造具有质子导电性的氧化物(形状是直径13mm、厚220μm的圆盘)作为电解质。更具体地，通过高温固相工艺制成上述氧化物的圆柱烧结产品(直径13mm，厚10mm)，然后切割并抛光，从而制成厚度220μm的电解质。另外，电解质(氧化物)的成份：BaZr0.4Ce0.4In0.2Al0.01O3-α(其中0＜α＜0.3)。
接着，将作为催化剂的铂膏(由Tanaka Kikinzoku Group制造，型号是TR7905)施加在上述制作的圆盘电解质的两侧，并烘烤以形成阳极和阴极。每个阳极和阴极的厚度约8μm。
接着，将上述形成的阳极、电解质和阴极的叠层结构制成图11所示的燃料电池。除了固体燃料密封在其中的罐41嵌在加热器17中，图11所示的燃料电池与图1所示的燃料电池相同。由于罐41嵌在加热器17中，图11所示的燃料电池是能用电池加热部分加热燃料的燃料电池。发电试验是在上述制作的燃料电池上进行的，将电池温度设定为350℃。应该注意的是，用作燃料的含醇凝胶是固体凝胶，它是通过将乙醇与醋酸钙饱和溶液混合形成的凝胶。发电试验的结果如图12所示。
如图12所示，在使用室温和常压下是固体的十二烷醇、1-十四醇和含醇凝胶为燃料的情况下也可以充分发电。
另外，当使用实施例1所述电解质作为电解质时，也可以得到基本相同结果。并且，使用含Ru或Rh的催化剂作为用于阳极和阴极的催化剂，以及当电解质的厚度在10μm到500μm时，也可得到基本相同结果。
实施例5
在此实施例中，所述的一个例子是实际生产的一种燃料电池的原型，它用作个人电脑(PC)、移动电话以及类似装置的电源。图13表示此实施例中设计的燃料电池51。图13所示的燃料电池51包括：电池52；燃料罐57；将燃料从燃料罐57供应到电池52的泵54；阳极收集部分53；向电池52供应空气的压缩机55；以及阴极收集部分56。，如图5所示的电解质1、阳极2、阴极3、隔板18和催化剂层30的叠层结构用作电池52。另外，燃料电池51的尺寸是30mm×30mm×20mm，电池52的电极面积是3cm2。
可以发现，在使用上述实施例1到4所述氧化物作为电解质、上述实施例1到4所述催化剂作为阳极和阴极、并且使用上述实施例1到4的燃料作为燃料用作如此制作的燃料电池的燃料的情况下，可以提供具有更高能量转化效率的燃料电池，实际容量比包括辅助机械的具有相同尺寸的PEFC大约1.2倍。容量是从得到的I-V曲线(电流-电压特性曲线)计算的。
在不偏离本发明精神或本质特征的情况下，本发明可以按其它形式实施。本发明申请给出的实施例在所有方面都被认为是说明性的和非限制性的。本发明的范围由权利要求而不是上述说明限定，与权利要求等同的含义和范围内的所有变化包括在本发明中。
工业适用性
如上所述，根据本发明，可以提供一种具有良好便携性和运输性并表现出优异发电效率的燃料电池，可以为其使用比气态燃料具有更高能量密度的液体或固体燃料。

Claims (21)

1.一种燃料电池，包括：
电解质；
设置成将电解质夹在中间的阳极和阴极；
将燃料供应到阳极的燃料供应部分；
将含氧的氧化剂供应到阴极的氧化剂供应部分；以及
加热燃料电池的电池加热部分；
其中，电解质是由固体氧化物制成；以及
燃料在室温和常压下是液体或固体。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，还包括：
收集部分，用于从阴极排出物中收集排出物中所含的氧化剂和水中选择的至少一种。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，还包括：
收集部分，用于从阳极排出物中收集排出物中所含的燃料、二氧化碳和水中选择的至少一种。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
燃料供应部分包括将阳极排出物中所含的未用燃料重新供应到阳极的燃料循环部分。
5.如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于：
燃料循环部分还包括收集排出物中所含二氧化碳的二氧化碳收集部分。
6.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
电池加热部分包括使燃料与氧化剂反应的催化剂。
7.如权利要求6所述的燃料电池，其特征在于：
燃料和氧化剂分别含有从阳极和阴极排出的未用燃料和氧化剂。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
电解质由具有质子导电性的氧化物制成。
9.如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于：
电解质含有钡(Ba)以及从铈(Ce)和锆(Zr)中选择的至少一种。
10.如权利要求9所述的燃料电池，其特征在于：
电解质具有如下分子式表示的成分比例：Ba(Zr1-xCex)1-yMyAlzO3-α；
其中，M是从In以及除Ce之外的三价稀土元素中选择的至少一种；以及
x，y，z和α是分别满足如下关系的数值：
0≤x≤1
0＜y＜0.4
0≤z＜0.04
0＜α＜1.5。
11.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：
M是从In、Gd、Y和Yb中选择的至少一种。
12.如权利要求11所述的燃料电池，其特征在于：
电解质是具有从以下分子式中选择的至少一种表示的成分：BaCe0.8Gd0.2Al0.02O3-α、BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3-α和BaZr0.4Ce0.4In0.2O3-α。
13.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
燃料是有机燃料和水的混合物。
14.如权利要求13所述的燃料电池，其特征在于：
有机燃料是从甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二甲醚中选择的至少一种。
15.如权利要求14所述的燃料电池，其特征在于：有机燃料是从乙醇、丙醇、丁醇和二甲醚中选择的至少一种。
16.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
燃料是从甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、三氧杂环己烷、二甲氧基甲烷、三甲氧基甲烷、十二烷醇、二甲醚、丁烷和1-十四醇中选出的至少一种。
17.如权利要求16所述的燃料电池，其特征在于：
燃料至少是从乙醇、丙醇、丁醇、十二烷醇、二甲醚、丁烷和1-十四醇中选出的至少一种。
18.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
燃料是具有至少12个和至多26个碳原子的较高脂族醇。
19.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
燃料是从汽油、煤油、轻油和重油中选择的至少一种。
20.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
燃料是含醇凝胶。
21.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
工作温度在从100℃到500℃的范围内。
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