[发明专利]一种基于纳米碳化硅材料的氢燃料电池结构

说明书

本发明提供一种基于纳米碳化硅材料的氢燃料电池结构，用高浓度的缺陷和金属掺杂纳米碳化硅极片分别取代质子交换膜燃料电池中的膜电极(MEA)，无需使用碳材料作为衬底或载体，不用贵金属Pt、Lr或Pd作为传统意义上的催化剂。本发明采用宽带半导体碳化硅中广泛分布的掺杂原子、晶格或微管缺陷(缺陷浓度大于10¹⁹～10²⁴cm^‑3)，可以吸附氢气变成氢原子态；同时不同掺杂的纳米碳化硅也可以作为阴极，对氧气进行吸附，并可把氧气活化为氧轴向分子，让纳米碳化硅用作燃料电池的阳极和阴极或者质子电池的阴阳极。采用纳米碳化硅高活性催化剂取代贵金属Pt制造氢燃料电池，不仅有更高的输出功率和能量密度性能，还大大降低了氢燃料电池成本。

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种基于纳米碳化硅材料同相差异性构造的氢燃料电池结构。

背景技术

燃料电池具有多种类型，运行温度100℃左右的质子交换膜氢燃料电池(PEMFCs)，磷酸燃料电池(PAFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。氢燃料电池这里指通常指质子交换膜电池，它具有能量转换效率高，无杂音等特点。本发明研究对象指质子交换膜燃料电池。

质子交换膜的配置是，在质子交换膜与两侧的扩散层、催化层组成了燃料电池的膜电极(MEA)。质子交换膜氢燃料电池运行时需要催化剂贵金属，如Pt、Pd、Ir和Rh等元素吸附氢气和氧气。它们在地球上丰度小，价格昂贵，性能上也存在不稳定，易中毒。采取降低单位面积上Pt催化剂用量(0.3mg/cm²),或研究非贵金属催化剂，这种做法本身存在一个减少催化剂使用量，性能上必然下降、何况不可能永远降低催化剂用量的问题，可行的工程化有很长的路要走。尤其是氢燃料电池的阴极催化剂的氧还原反应速率，比阳极氢氧化为质子的速率低很多，而且质子交换膜寿命短，显然在工程领域，这样的境况限制了氢燃料电池车的运行，也限制了这类电池应用。

简略地说，质子交换膜燃料电池的核心部件是这样排列的，双极板、扩散层、催化剂层、质子交换膜、催化剂层、扩散层和双极板。而催化剂层与质子交换膜构成阳极，阴极即催化层，这三者也称为膜电极(MEA)。外部负载连接电路把阳极与阴极连起来，构成回路。

双极板是气体入口，一般为多空通道使气体流动的石墨烯或其它改性板材。扩散层是一种多孔介质,主要用于有效传输电子、热量及气相和液相中的反应物和产物。阳极催化剂是氢的电化学发生之处，是铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂。

质子交换膜是只透过质子隔绝其它粒子传播的介质，是全氟磺酸型固体聚合物电解质。阴极催化剂层是氧电化学生成水之处。其余部件是升压器、DC/DC转换电路等。

各层制造工艺的关系为，以磺酸膜两边的碳或石墨浸泡催化剂元素的溶液，干燥热压而成。

其运行原理是氢气为燃料，空气或纯氧为氧化剂；氢气从双极板充入，经过扩散层，被吸附在催化剂层的Pt颗粒上，在上面氧化为质子释放电子，质子在质子交换膜中经过磺酸基间转移后到达阴极，质子在电池内部导电。由此，质子迁移使阳极带负电，为负电端子，即阳极。同时，阴极催化剂吸附氧分子成为活性氧，带正电，成为正电端子。即在阳极负电终端和阴极正电终端之间存在一个电动势。通过外部连接阴阳两极，电子沿外部接线从阳极向阴极流动，质子与还原态的氧与外部电子加持下，反应生成水，产生电能量。单体电池的电化学电动势大约1V左右，其电流密度约为100mA/cm²。

另外，金属锂资源储量也稀少，难以满足世界电动化的发展。本发明提供一种质子电池，即采用纳米碳化硅层来制造阳极和阴极，并在两极片间加入强碱性聚合物电解质，它们可嵌入、储存、迁移质子，包括同位素离子的极片，用这种新结构的电池来取代锂离子电池，可避开锂资源稀少并毒化环境，形成环保电池产品。

质子交换膜燃料电池的电化学反应如下：