[发明专利]氢薄膜分离器

说明书

相关专利申请的交叉引用

本专利申请是2009年11月3日申请的指定美国的国际专利申请号PCT/US2009/063108的部分延续。该项申请在此全文引入作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及燃料电池的燃料供应装置。特别是，本发明涉及用于将氢气从反应流体中分离的疏水薄膜组件。

背景技术

燃料电池是将反应物，即燃料和氧化剂的化学能直接转化成直流电(DC)的装置。燃料电池的常用燃料是氢气，其可以储存为压缩形式或者储存在吸氢材料中，例如镧镍合金，LaNi₅H₆，或其它吸氢的金属氢化物。还可以根据需要通过化学金属氢化物，例如硼氢化钠，NaBH₄，和水或甲醇之间的化学反应而产生氢。

在化学金属氢化物反应中，金属氢化物例如NaBH₄，如下反应产生氢：

NaBH₄+2H₂O→(加热或催化剂)→4(H₂)+(NaBO₂)

阳极的半反应：

H₂→2H⁺+2e^-

阴极的半反应：

2(2H⁺+2e^-)+O₂→2H₂O

该反应的合适催化剂包括钴、铂和钌，以及其它金属。由重组硼氢化钠而产生的氢燃料在燃料电池中与氧化剂，例如O₂反应以产生电(或电子流)和水副产物。硼酸钠(NaBO₂)副产物也通过重组过程而产生。在美国专利号4,261,956中讨论了硼氢化钠燃料电池，其在此全文引入作为参考。通过化学金属氢化物产生的氢可以压缩或储存在金属氢化物的吸氢材料中以备燃料电池的后期消耗。

使用化学氢化物作为燃料的已知氢气发生器的一个缺点是由反应产生的氢气分离并不总是完全的。随着时间的经过，水、水蒸汽、反应试剂、和反应副产物可以从气体发生器通入燃料电池，降低燃料电池的效率和操作寿命。

因此，需要获得带有薄膜组件的氢气发生器设备，其从反应溶液中有效分离所得的氢气。

发明内容

本发明涉及在燃料电池的燃料供应装置中在产生气体的设备中使用的疏水薄膜组件。本发明还涉及含有本发明的疏水薄膜组件的反应室、气体发生设备、和/或燃料供应装置。

本发明的一个方面涉及带有反应室的气体发生设备；燃料混合物，其在反应室中在催化剂存在的情况下反应产生气体。反应室包含放置在两个气体可渗透而基本上液体不可渗透的薄膜之间的疏水格栅结构的氢产出组合物，由燃料混合物反应产生的气体在格栅结构周围流动通过一个或两个薄膜。疏水格栅结构可以具有大于大约120°的与水的静态接触角，并且甚至可以大于大约150°。还有，疏水格栅结构可以具有小于大约40mJ/m²的表面能，并且该表面能可以具有小于大约40mJ/m²的扩散能分量和小于大约2.0mJ/m²的极化能分量。疏水格栅结构的表面能还可以小于大约20mJ/m²，并且该表面能可以具有小于大约20mJ/m²的扩散能分量和小于大约1.0mJ/m²的极化能分量。此外，疏水格栅结构的表面能可以小于大约10mJ/m²，并且该表面能可以具有小于大约10mJ/m²的扩散能分量和小于大约0.5mJ/m²的极化能分量。疏水格栅结构还可以具有小于大约40°，可能甚至小于大约20°，或者进一步还小于大约10°的接触角滞后测量值。