[发明专利]燃料电池的燃料供应装置

说明书

本申请为中国专利申请200480029243.2的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种供应燃料到不同燃料电池的燃料盒和盒上元件。

背景技术

燃料电池是一种直接将例如燃料和氧化剂的反应物的化学能量，转换成直流电(DC)的装置。由于应用数量的增多，燃料电池较例如化学燃料燃烧的其它发电机构，以及例如锂离子电池的便携式存储电源更有效率。

通常，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、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池和酶燃料电池。较重要的燃料电池可以分成三大类别，即：使用压缩氢气作为燃料的燃料电池；使用甲醇(CH₃OH)、硼氢化钠(NaBH₄)、碳氢化合物(例如丁烷)或其他燃料重整成氢气燃料的质子交换膜(PEM)燃料电池；以及直接使用甲醇(CH₃OH)作为燃料的PEM燃料电池(“直接甲醇燃料电池”或DMFC)。压缩氢气通常要被保持在高压下，因而很难处理。此外，它通常需要大容量存储箱因而无法制作成用于消费电子装置所需的足够小型。传统的重整燃料电池需要重整器以及其它蒸发和辅助系统来将燃料转化成氢气来和氧化剂在燃料电池中发生反应。最近的进步使得重整器或重整燃料电池有希望应用于消费性电子装置。甲醇与氧化剂在燃料电池中直接发生化学反应的DMFC是最简单且有可能最小的燃料电池，也有希望应用于消费性电子装置。

在相对大型的应用上，典型的DMFC包括一个风扇或压缩机供应氧化剂到阴极上，氧化剂通常为空气或氧气，泵供应水/甲醇混合物到阳极和膜电极组件(MEA)上。膜电极组件通常包括阴极、PEM和阳极。操作过程中，水/甲醇混合液体燃料直接供应到阳极上，氧化剂供应到阴极上。每个电极上发生电化学反应，直接甲醇燃料电池的整体反应描述如下：

阳极上发生的反应：

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极上发生的反应：

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

燃料电池的整体反应：

CH₃OH+1.5O₂→CO₂+2H₂O

由于氢离子(H⁺)透过PEM由阳极移动到阴极，而自由电子(e^-)不能透过PEM，所以电子必须流经外部电路因而产生流经外部电路的电流。外部电路可以是任何可以的消费性电子装置，例如移动或蜂窝电话、计算机、个人数码助手(personal digital assistants)、笔记本电脑、和其它电源工具。DMFC已在美国专利5992008和5945231中讨论过，并通过参考将其整体并入文本。通常，PEM由例如杜邦公司的Nafion薄膜之类的聚合物制成，它是一种含氟材料，厚度范围由大约0.05mm到大约0.5mm，或是其它合适的薄膜。阳极一般由特氟纶碳纸担载催化剂薄层例如铂-钌沉积其上制备。阴极通常为气体扩散电极，铂粒子粘结在薄膜的一边。

硼氢化钠重整燃料电池的电池反应如下：

NaBH₄(水状)+2H₂O→(热或催化剂)→4(H₂)+NaBO₂(水状)

H₂→2H⁺+2e^-(在阳极)

2(2H⁺+2e^-)+O₂→2H₂O(在阴极)

合适的催化剂包括除了别的金属之外的铂和钌。在燃料电池中由硼氢化钠转换产生的氢气燃料与例如氧气的氧化剂反应以产生电流(或电子流)以及水副产物。在重整过程中同时产生四硼酸钠(NaBO₂)副产品。硼氢化钠燃料电池已在美国公开的专利申请号为2003/0082427的专利中有所讨论，并通过参考并入文本。

燃料电池应用上一个最重要的特点就是燃料储存。燃料供应装置应该非常容易地被内置于燃料电池或电子装置(device that the fuel cellpower)中。此外，燃料供应装置也应该容易更换或再充填。

发明内容