[发明专利]利用气凝胶催化剂的氢气发生器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年12月23日提交的美国临时专利申请61/140,313的优先权，通过引用将该临时专利申请的并入本文中。

技术领域

本发明涉及生成用于燃料电池的氢气的方法和系统。具体地，本发明涉及氢气发生装置，该氢气发生装置包括涂覆有具有良好分散性的催化剂的有机气凝胶，其加速了放出热量并释放氢气的氢化物-水的氧化反应。本发明还涉及能够维持反应直到所有反应物大体上耗尽的反应室。

背景技术

燃料电池是直接将反应物(即燃料和氧化剂)的化学能量转化为直流电(DC)的设备。对于很多应用来说，燃料电池比常规发电(例如燃料化石燃料)和便携式能量存储装置(如锂离子电池)更加高效。

一般而言，燃料电池技术包括多种不同的燃料电池，例如：碱性燃料电池、聚合物电解质燃料电池、磷酸燃料电、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和酶燃料电池。目前，更重要的燃料电池可分为几个大类，即：(i)利用压缩氢气(H₂)作为燃料的燃料电池；(ii)利用醇类(如：甲醇CH₃OH)、金属氢化物(如：硼氢化钠NaBH₄)、碳氢化合物或重组为氢燃料的其他燃料的质子交换膜(PEM)燃料电池；(iii)可直接使用非氢燃料的PEM燃料电池和直接氧化燃料电池；及(iv)在高温下直接将碳氢化合物燃料转化为电力的固态氧化物燃料电池(SOFC)。

压缩氢气一般在高压下保存，因此难于控制。此外，通常需要大型储罐，而且不能将其做得足够小以用于消费性电子产品。传统的重新格式化燃料电池需要重组器和其他汽化和辅助系统以将燃料转化为氢，从而与燃料电池中的氧化剂反应。最新的进展使得重组器或重新格式化燃料电池有希望用于消费性电子产品。最常见的直接氧化燃料电池是直接甲醇燃料电池或DMFC。其他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乙酯燃料电池。DMFC有希望应用于消费性电子产品中，在DMFC中，甲醇与燃料电池中的氧化剂直接反应。SOFC将碳氢化合物燃料(如丁烷)在高温下转化以产生电力。SOFC需要相对高的在1000℃范围内的温度以便发生燃料电池反应。

另一种液体燃料是联氨，其可以是无水的或者处于其一水化合物形态。联氨可溶于水并分解以在存在水的情况下形成氢，具体如下：

N₂H₄H₂O+H₂O→2H₂+N₂+2H₂O

对于不同类型的燃料电池，产生电力的化学反应也不同。对于DMFC来说，直接甲醇燃料电池在每个电极上的化学-电反应和总反应描述如下：

阳极上的半反应：

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极上的半反应：

1.5O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

燃料电池总反应：

CH₃OH+1.5O₂→CO₂+2H₂O

由于氢离子(H⁺)通过PEM从阳极迁移到阴极，而且自由电子(e^-)不能通过PEM，因此，电子流过外部电路，由此产生通过外部电路的电流。外部电路可用于驱动许多有用的消费性电子产品，特别是例如移动或蜂窝电话、计算机、个人数字助理、手提电脑和电动工具。

DMFC在美国专利5,992,008和5,945,231中有所描述，通过引用将这两项专利的全文并入本文中。通常，PEM由聚合物制成，例如可商购于Dupont的或其他合适的薄膜，是厚度大约为0.05mm-0.50mm的全氟磺酸聚合物。阳极通常由利用沉积在其上的催化剂薄层(例如铂钌合金)支撑的铁氟龙碳纸制成。阴极通常是气体扩散电极，其中，铂粒子附着在薄膜的一侧。

在另一种直接氧化燃料电池中，硼氢燃料电池(DBFC)反应如下：

阳极上的半反应：

BH₄-+8OH-→BO₂-+6H₂O+8e-

阴极上的半反应：