[发明专利]一种基于纳米碳化硅材料的氢燃料电池结构

权利要求书

1.一种基于纳米碳化硅材料的氢燃料电池结构，其特征在于，氢燃料电池核心层的结构采用：双极板\扩散层\阳极＝掺杂金属原子和晶格缺陷浓度大于10¹⁹cm^-3的纳米碳化硅层\阴极＝掺杂金属和高浓度缺陷的纳米碳化硅层\扩散层\双极板，外部负载电路＝把阳极和阴极用带负载的导线连接起来，内部阳极和阴极间隔0.5～10nm，生成水的反应区间，形成回路，其氢燃料电池的机理为：

阳极：氢气从双极板进入扩散层，在重掺杂金属元素并具有高浓度缺陷的纳米碳化硅层表面上吸附从扩散层进入的氢气，变成氢原子态，被纳米碳化硅上具有自旋和电荷分离的缺陷通过交换作用氧化为质子并释放一个电子，或者说解离为电子和质子，其中电子沿外电路流向阴极，质子在该碳化硅层中嵌入、传导并沿梯度最大方向漂移、扩散，向阴极方向移动，直至接触间隔0.5`10nm右边阴极来的活化氧；

阴极：氧气经过扩散层后，接触掺杂金属元素并具有晶格缺陷的碳化硅烯层，被吸附，在该碳化硅层中氧被离解形成活性轴向O-O，漂移、扩散、传导并透射到该层外，与相隔0.5～10纳米的阳极碳化硅层中透射的质子接触，在外电路回路电子的作用下发生快速氧还原反应，生成水；阳极和阴极在外电路串联负载并连接起来，形成一个回路，质子与活性氧原子在外电路提供的电子作用下产生氧还原反应，形成电压V1，即在负载上产生的电压V＝V1。

2.根据权利要求1所述的基于纳米碳化硅材料的氢燃料电池结构，其特征在于，氢燃料电池的另一种核心层结构是，双极板\扩散层\阳极＝掺杂金属原子和晶格缺陷浓度大于10¹⁹cm^-3的纳米碳化硅层\强碱性聚合物电解质\阴极＝掺杂金属和高浓度缺陷的纳米碳化硅层\扩散层、双极板，外部负载电路＝把阳极和阴极用带负载的导线连接起来，内部阳极和阴极间隔0.5～10nm，生成水的反应区间，形成回路，其氢燃料电池的机理为：

阳极：扩散层，纳米碳化硅层，其上被吸附的氢原子态氧化为一个质子释放一个电子或者说解离为质子和电子，电子沿外电路流向阴极，而质子脱落在强碱性聚合物电解质中，如苯甲酸锂和铵盐，它可以阴极正向嵌入质子时传导质子，逆向阳极嵌入氢原子时传导氢原子，向阴极迁移；

阴极：掺杂的纳米碳化硅层接受从阳极迁移来的质子在其中嵌入、漂移、扩散、传导和透射，这是一个电池电压V1，同时碳化硅层吸附氧并在碳化硅中迁移活化为轴向氧分子，并在外电子参与下，与从阳极而来的质子相遇还原为水，这是一个电压V2；

外部连接电路：通过导线和负载连接阳极和阴极，氢燃料电池负载上的电压V＝V1+V2。

3.根据权利要求1所述的基于纳米碳化硅材料的氢燃料电池结构，其特征在于，氢燃料电池中一种使氢原子氧化为质子释放电子并且能使氧气分子活化为氧原子态的纳米碳化硅，其化学结构式为(Si,M)_xC_1-x，0x1，M是一种或以上的金属元素或者非金属元素或其组合，纳米碳化硅为至少有一维为纳米尺度，由一种以上的多型晶体构成。

4.根据权利要求1或2所述的基于纳米碳化硅材料的氢燃料电池结构，其特征在于，氢燃料电池阳极中纳米碳化硅，掺杂金属原子和硅空位、碳空位和氮空位或者复合空位或反空位的多型晶体碳化硅可以是碳化硅烯层。

5.根据权利要求1或2所述的基于纳米碳化硅材料的氢燃料电池结构，其特征在于，氢燃料电池阳极中纳米碳化硅可以分馏质子、氘离子和氚离子。

6.根据权利要求1所述的基于纳米碳化硅材料的氢燃料电池结构，其特征在于，氢燃料电池阳极中碳化硅烯层是多型碳化硅的一种，六角多型或立方多型，掺杂了金属钇和金属铁，掺杂金属浓度在10¹²～10¹⁹cm^-3。

7.根据权利要求1或2所述的基于纳米碳化硅材料的氢燃料电池结构，其特征在于，纳米碳化硅中硅空位、碳空位和双空位的浓度可高达10¹⁷～10²¹cm^-3，可以储氢和释放氢。