[发明专利]一种无膜型直接硼氢化物燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及一种由外部直接供应液体燃料和空气/氧气的燃料电池堆，特别是一种无膜型直接硼氢化物燃料电池堆。 

背景技术

在经济高速发展的当今世界，能源危机和环境问题是人类目前面临的两大亟待解决的问题，开发资源节约型和环境友好型的新技术成为一项重大课题。燃料电池(Fuel Cell)是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转换成电能的装置。它不必经过卡诺热机循环，不受卡诺最大能量转换效率理论限制，能量转换效率高。由于燃料电池的能量转化效率高、对环境友好、操作安全等特点，被认为是最有希望的电源。 

传统质子交换膜燃料电池(PEMFC)，碱性燃料电池(AFC)、磷酸盐燃料电池(PAFC)采用氢气作为燃料，对氢气的储存安全运输提出了更高的要求，并且就目前技术而言，贵金属催化剂和质子交换膜(Nafion膜)的应用限制其市场化的进程。直接甲醇燃料电池(DMFC)，直接硼氢化物燃料电池(DBFC)是直接以液体电解质为燃料。但目前直接甲醇燃料电池应用也受到成本高(贵金属催化剂和昂贵的离子交换膜的应用)、能量转化率低和甲醇渗漏，以及工作电压低等问题的限制，另外，由于甲醇的毒性较大使得DMFC也存在甲醇的储运安全问题。 

直接硼氢化物燃料电池是一种将硼氢化物在阳极上直接氧化，氧气在阴极上还原而产生电能的装置，具有能量密度高(以NaBH₄为例，含氢量 为10.6％wt，理论电量为9.6Ah/g)；理论电压高(1.64V，比直接甲醇燃料电池高出0.43V)的特点；由于硼氢化钠和硼氢化钾具有不易燃的特点，故在储运方面很安全，另外，其放电后产生的副产品偏硼酸盐对环境无污染，且可以回收利用。基于这些特点，直接硼氢化物燃料电池可以作为便携式电源和电动车动力电源来研究开发，如果以过氧化氢(H₂O₂)代替空气/氧气时，可以获得更高的性能，可以作为安全、高效的航天飞机和潜水艇电源。 

这种新型碱性燃料电池的基本工作原理可以描述为：纯的氧气或者空气中的氧气在电池的正极(阴极)发生还原反应。其反应方程式为： 

O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

溶解在碱性电解质(KOH或NaOH)中的硼氢化物(如KBH₄或NaBH₄等)在电池的负极(阳极)发生氧化反应。其反应方程式为： 

BH₄^-+8OH^-→BO₂^-+6H₂O+8e^-

整个燃料电池的总反应方程式为； 

BH₄^-+2O₂→BO₂^-+2H₂O 

从以上方程式可以看出氧气和氢化物(如KBH₄或NaBH₄等)是该燃料电池的燃料，其总反应的理论电压为1.64V。 

目前关于硼氢化物燃料电池堆专利很少，中国专利(公开号：CN101013752A)介绍了一种三维电极用作直接硼氢化物燃料电池阳极的方法，用此方法制备的三维电极具有大的活性比表面积及传质面积，在所给定的操作条件下可显著减少活化极化及浓差极化，使DBFC具有操作电压高、输出功率大的优点。中国专利(授权公告号：CN 100341183C)介绍了一种以储氢合金为双极板的硼氢化物燃料电池堆。

但是以上两个专利所涉及的电池所面临的问题仍然是由于贵金属催化剂和离子交换膜的使用所导致的结构复杂和成本高，以及燃料电池效率低的问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、结构简单效率高的无膜型直接硼氢化物燃料电池堆。