[发明专利]具有操作阻力的燃料源系统

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于各种燃料电池的燃料源系统，更具体地，本发明涉及 具有较高操作阻力的燃料源系统。

背景技术

燃料电池是一种将反应剂，即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，如燃 烧矿物燃料的装置更有效率，比便携式的电能存贮装置如锂离子电池也具有更 高的效率。

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。现今更重要的燃料电池可大致划分为几种 类型，即：(i)采用压缩的氢(H₂)作为燃料的燃料电池；(ii)质子交换膜 (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)能在很 高的温度下直接将碳氢化合物燃料转换成电力的固体氧化物燃料电池(SOFC)。

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 大的贮备燃料筒，因此对于消费类电子设备而言无法做到足够小。常规的转换 型燃料电池需要重组器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甲醇燃料电池或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原碳酸四甲酯燃料电 池。甲醇与燃料电池中的氧化剂直接反应的DMFC是一种最简单且最有可能做 到最小的燃料电池，其也有望作为消费类电子设备的电源。固体氧化物燃料电 池(SOFC)在高热下转换碳氢化合物燃料如丁烷而产生电力。SOFC需要在1000 ℃范围内的相对高温来使燃料电池反应发生。

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总反应可描述如 下：

阳极的半反应：

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极的半反应：

1.5O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

燃料电池的总反应：

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，因此电子流过外部电路，从而通过外部电路产生电流。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(PDA)、笔记本电脑以及动力工具等。

美国专利号5,992,008和5,945,231均对DMFC进行了描述，这两篇专利以引 用的方式全文并入这里。通常来讲，PEM由聚合物制成，如DuPont公司的或者是其它合适的膜，前者是厚度在约0.05mm到0.5mm之间的全氟化磺酸聚合 物。阳极通常由用聚四氟乙烯处理的碳纸制成，其上支撑并沉积有很薄的一层 催化剂，如铂-钌。阴极通常是气体扩散电极，其中有铂颗粒粘接到该膜的一 侧上。

金属氢化物如硼氢化钠，重组器燃料电池的另一种燃料电池反应如下：

NaBH₄+2H₂O→(热或催化剂)→4(H₂)+(NaBO₂)

阳极的半反应：

H₂→2H⁺+2e^-

阴极的半反应：

2(2H⁺+2e^-)+O₂→2H₂O