[发明专利]制氢燃料电池盒

说明书

技术领域

燃料电池是一种将反应剂，如燃料和氧化物的化学能直接转换成 直流(DC)电的设备。对于越来越多的应用场合来说，燃料电池比 常规的发电装置如矿物燃料的燃烧以及便携式的电能存贮装置如锂 离子电池具有更高的效率。

背景技术

一般来讲，燃料电池技术中包括有多种不同类型的燃料电池，如 碱性燃料电池、聚合物电解型燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融型碳 酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池以及酶燃料电池。现如今那些最 为重要的燃料电池可被分成几个大类，即：(i)采用压缩的氢(H₂) 作为燃料的燃料电池；(ii)质子交换膜(Proton exchange membrane----PEM)燃料电池，其采用的是醇类如甲醇(CH₃OH)、 金属氢化物如硼氢化钠(NaBH4)、碳氢化合物或者是其它能转换成 氢燃料的燃料；(iii)能够直接消耗非氢燃料的PEM燃料电池或者是 直接氧化燃料电池；以及(iv)固体氧化物燃料电池(SOFC)，其能 在很高的温度下直接将碳氢化合物燃料转换成电力。

压缩的氢通常处于高压状态，因此其操作非常困难。此外，其通 常需要很大的贮盒，因此很难把消费类的电子设备做得很小。常规的 转换型燃料电池需要转换剂以及其它的蒸发和辅助系统来将燃料转 换成氢从而与燃料电池中的氧化剂反应。最新的进展使转换剂或转换 型燃料电池很有希望用于消费类电子设备。最常用的直接氧化燃料电 池是直接采用甲醇的燃料电池或DMFC。其它的直接氧化燃料电池包 括直接乙醇燃料电池和直接四甲基原碳酸盐燃料电池。DMFC，其中 甲醇与燃料电池中的氧化剂直接反应，是一种最简单并且有可能做到 最小的燃料电池，其很希望成为消费类电子设备的电源应用。SOFC 在很高的温度下将碳氢化合物燃料如丁烷进行转换从而产生电力。 SOFC需要1000℃范围相对高温使燃料电池发生反应。

用来生成电力的化学反应对每一类燃料电池来说都是不同的。对 于DMFC来说，每一个电极处的化学-电学反应以及直接甲醇燃料电 池的整个反应均可描述如下：

阳极的半反应：

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极的半反应：

1.5O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

整个燃料电池的反应：

CH₃OH+1.5O₂→CO₂+2H₂O

由于氢离子(H⁺)穿过PEM从阳极迁移到阴极，并且由于自由 电子e^-不能穿过PEM，因此这些电子必须流过一个外部电路，从而 形成一个电流。该外部电路可用来给许多有用的消费类电子设备提供 电力，如移动电话或蜂窝电话、计算器、个人数字助理、膝上电脑以 及动力工具等。

美国专利文献US5992008和US5945231均对DMFC进行了描述， 这两篇文献以引用的方式全文并入这里。通常来讲，PEM由一种聚 合物制成，如DuPont公司的Nafion或者是其它合适的膜，前者是 一种厚度在0.05mm到0.5mm之间的全氟化聚合物磺酸材料。阳极通 常由一张用聚四氟乙烯处理的碳纸制成，其上支撑并沉积有很簿的一 层催化剂，如铂-钌。阴极通常是一种气体扩散电极，其中有铂颗粒 粘接到该膜的一侧上。

在另一种直接氧化燃料电池中，硼氢化物燃料电池(DBFC)的 反应如下：

阳极的半反应如下：

BH₄-+8OH-→BO₂-+6H₂O+8e-

阴极的半反应如下：

2O₂+4H₂O+8e-→8OH-

在化学金属氢化物燃料电池中，通常来说液态硼氢化钠经改性并 反应如下：

NaBH₄+2H₂O→(加热或催化)→4(H₂)+NaBO₂

阳极的半反应：