[发明专利]产生氢气的燃料电池卡匣

说明书

背景技术

燃料电池是直接将反应产生的化学能量转换成直流(DC)电能的装置，也即：燃料与氧气转换成直流电(DC)。燃料电池的效能优于传统能量产生器(例如：石化燃烧电池)以及传统的可携式能量储存器(例如：锂离子电池)，燃料电池的应用因此增加。

一般来说，燃料电池技术包括了多种不同的燃料电池，例如：碱性燃料电池、聚合物燃料电池、磷酸燃料电池、融熔碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池以及酵素燃料电池。现今主要的燃料电池可以区分为以下几类，即(i)利用压缩氢气(H₂)做为燃料的燃料电池；(ii)质子交换薄膜(PEM，proton exchangemembrane)燃料电池，其利用醇类，例如：甲醇(CH₃OH)，金属氢化物，例如氢硼化钠(NaBH₄)，碳氢化合物，或者其他燃料转换成氢气燃料；(iii)PEM燃料电池，其可直接消耗非氢气燃料或者引导氧化燃料电池；以及(iV)固体氧化物燃料电池(SOFC，solid oxide fuel cell)，其在高温下直接转换碳氢燃料为电能。

压缩氢气通常是在高压下保存，因此很难控制。再者，一般需要大型的储存器，并且无法制成非常小以用于消费电子装置。传统的再生燃料电池在燃料电池中需要再生物与其它挥发及辅助系统将燃料转换为氢气，使其与氧气反应。近来一些技术改进使得再生物与再生燃料电池可发展以应用于消费电子装置。较普遍的直接氧化物燃料电池是直接甲醇燃料电池或是DMFC。其它直接氧化物燃料电池包括直接乙醇燃料电池以及直接原碳酸四甲酯(Tetramethylorthocarbonate)燃料电池。DMFC是在燃料电池中，甲醇直接与氧化物反应，可能为最小、最简单的燃料电池，并且可作为消耗性电子装置的电力应用。SOFC将碳氢化合物燃料，例如丁烷，在高温下产生电能。SOFC需要相当高的温度范围(约1000℃)以使燃料电池的反应发生。

各种燃料电池所产生电能的化学反应并不相同。对于DMFC，在各电极的电化学反应以及整个直接甲醇燃料电池的化学反应如下所述：

阳极半反应：

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极半反应：

1.5O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

整个燃料电池反应：

CH₃OH+1.5O₂→CO₂+2H₂O

由于氢离子(H⁺)自阳极经过PEM移动至阴极，以及自由电子(e^-)无法穿过PEM，因此电子流经外部电路，由此产生流过外部电路的电流。上述外部电路可用以作为消耗性电子装置，例如：手机、计算器、个人数字助理(PDA)、手提电脑以及其他电子工具的电源。

美国专利号US5,992,008与US945,231披露了DFMC，在此引入参考。一般说来，PEM由聚合物所构成，例如DuPont公司所提供的商品Nafion^，是一种厚度范围约0.05～0.50mm的过氟磺酸聚合物或是其它合适的薄膜。阳极通常是由泰氟龙化(Teflonized)的碳纸加入一薄层催化剂，例如：铂-钌化物沉积于其表面所构成。阴极通常是气体扩散电极，在其中铂粒子贴敷在薄膜的一侧。

化学金属氢化物燃料电池中，氢硼化钠的形成及反应如下：

NaBH₄+2H₂O→(加热或催化剂)→4(H₂)+(NaBO₂)

阳极半反应：

H₂→2H⁺+2e^-

阴极半反应：

2(2H⁺+2e^-)+O₂→2H₂O

此反应中适当的催化剂包括铂与钌或是其它金属。由再生钠氢化硼所产生的氢燃料是在燃料电池中与氧化物(例如氧气)反应，以产生电能(或是电子流)以及副产物水。在制造过程中也产生副产物氧化硼钠(NaBO2)。美国专利号US4,261,956披露了一种氢硼化钠燃料电池，在此全文引入参考。