[发明专利]一种微型组合再生式燃料电池电源系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型质子交换膜燃料电源系统，该系统不需要使用外部氢源，为一种通过电解水和电池发电的循环操作来实现其“充电”和放电的组合再生式燃料电池电源系统。

背景技术

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。其中又以质子交换膜燃料电池(PEMFC)成为应用最为广泛的燃料电池。当PEMFC以H₂为燃料时，副产物只有热和水，是一种非常清洁、高效的能量转化方式。PEMFC还具有启动快速、可室温运行、无电解液流失、寿命长、比功率高等优点，在交通、电子、航空、国防等领域有着广泛的应用前景。

近年来，便携式电子产品对能持久电源的需求刺激了燃料电池微型化的研究。随着便携式电子产品市场的增长，对具有优良性能的电源的需求也增加了。这些电源必须同时满足这样的条件：有足够的输出功率，并且体积小、质量轻。微型燃料电池由此应运而生，它的特点——微型、高能量密度，使它迎合了一些便携式产品的需要，如PDA(个人数字助理)、膝上型电脑，移动电话，电池-充电器混合装置等。它可以通过内置或外置为这些产品提供1-50W的输出功率。

当微型燃料电池使用H₂作为燃料时，必须解决其产生和储运的问题。液态氢储存装置一般体积庞大，所需压力极高；而合金储氢量又很小，不能满足持续放电的要求；当重整制氢时，又因为附带了重整装置而降低了功率密度和增加了系统体积。因此，H₂的产生和储运成为了制约微型燃料电池应用的一个关键因素。

水的电解可以获得高纯度的氢。当氢氧燃料电池反向运转时，就是一个电解水的装置。如果将产生的氢储存起来再用来推动燃料电池工作，这就实现了把两种功能组合在一套装置上，这就是一个可循环操作的组合再生式燃料电池(URFC)。但是目前用做发电的PEMFC并不能直接用于电解水，这主要是因为结构和材料的问题。因为电解水过程中，在氧电极会产生一些高氧化活性的中间体(如氧原子和羟基自由基等)，对普通扩散层和催化层有强烈的腐蚀作用，极易造成循环性能的下降；因此，一个组合再生式燃料电池体系，必须要解决的是结构和材料的问题。另外，从上面的说明可知，这种燃料电池体系是以氢为能量介质的，能量的转化循环是伴随氢的储存和释放发生的，因此还必须解决氢气循环利用的问题。

目前对组合再生式燃料电池的研究主要是针对单电池性能提升的研究，主要集中在制备能同时催化氧还原反应和氧生成反应的双功能氧电极及具有优良抗氧化性能的扩散层上。

美国专利公开号US 2003/0068544A1的申请公开了一种用于组合再生式燃料电池的双功能氧电极的制作过程。这种电极包含一个改进了的双功能催化剂层和一个改进了的抗氧化扩散层。其中双功能催化剂层是利用铂黑和RuO₂-IrO₂固溶体的混合物再加上Nafion作为胶粘剂制成的；而扩散层是用编织的钛金属布做芯，并在表面涂覆了抗氧化的贵金属涂层，同时还在扩散层上设计有交替的亲水区域和憎水区域以利于水和氧气的传输。这种电极在催化剂层中加入了一定量的IrO₂，能将氧生成反应的过电势降到最低，而加入的RuO₂比IrO₂要便宜，并且导电性较IrO₂好很多，因此RuO₂的加入降低了催化剂的成本，并且在没有损失水电解效率的前提下提高了贵金属的利用率，同时还增加了催化剂层的导电性；涂覆了抗氧化贵金属涂层的钛扩散层也增强了电极的稳定性。但这种方法制备的催化层金属载量很高，达到4mg/cm²，再加上抗氧化性的金属扩散层，整个电极的制作成本很高，并且也没有涉及到氢气的循环利用问题。