[发明专利]一种直接硼氢化物燃料电池的复合膜电极

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池复合膜电极。

背景技术

燃料电池由于具有高效率、无污染、燃料来源广泛、构造简单便于维护保养等优点，因而具有很好的应用前景。在燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)是研究最多、技术也相对成熟的一种。硼氢化物由于含氢丰富，如硼氢化钠的含氢体积容量为113.56kg/m³，已被研究用作燃料电池的燃料。硼氢化物用于燃料电池有间接和直接两种方式。间接的方式是先将硼氢化物催化水解产生氢气，将其用作PEMFC的燃料，但这样只利用了硼氢化物库仑电量的一半，因为水解过程不产生电能，1mol硼氢根水解产生2mol H₂，电氧化有4mol电子转移；而1mol硼氢根的直接电氧化有8mol电子转移。直接硼氢化物燃料电池具有更高的理论开路电压(1.64V)，硼氢化物的反应活性也比氢气和甲醇高，不必使用贵金属催化剂，降低了生产成本。因此，直接硼氢化物燃料电池已经成为燃料电池发展的一个趋势。

目前，直接硼氢化物燃料电池的研究越来越多。但同时也有研究表明，虽然硼氢化物在碱性溶液中是很稳定的，但在催化剂存在(对硼氢化物的电化学氧化有催化作用的催化剂同时对其水解也有一定的催化能力)或在较高温度的情况下，硼氢化物不可避免地存在一定程度的水解，从而造成燃料的损失。有研究者曾提出在溶液中添加抑制剂降低水解，但仍无法完全避免水解发生。为了清除氢气以减小电池的内压，科研人员做了很多努力，如：中国专利硼化合物为燃料的燃料电池的电池堆结构(公开号CN1549370，公开日2004.11.24)采用储氢合金吸收水解产生的氢气，中国专利硼化合物燃料电池的氢气排除装置(公开号CN1549381，公开日2004.11.24)则采用简单的气液分离装置将氢气与燃料废液分离，但这样做都使得原料的利用率降低。

发明内容

一种直接硼氢化物燃料电池的复合膜电极，解决了直接硼氢化物燃料电池水解产生的氢气无法利用、电池燃料总利用率低的问题。

直接硼氢化物燃料电池的复合膜电极由阳极、阴极和电解质膜构成，阳极和阴极分别位于电解质膜两侧并与电解质膜平行，三者热压成膜电极；阳极由硼氢根催化氧化阳极和氢气催化氧化阳极构成，氢气催化氧化阳极位于阳极上部，硼氢根催化氧化阳极位于阳极下部，且氢气催化氧化阳极与硼氢根催化氧化阳极都与电解质膜直接接触。

本发明与燃料电池现有的膜电极相比，最大不同是：硼氢根催化氧化阳极和氢气催化氧化阳极在与膜平行的同一侧面，二者同时做为电池阳极，氢气催化氧化阳极处于硼氢根催化氧化阳极的上方。因为硼氢根催化氧化阳极上进行以硼氢根为燃料的阳极催化氧化反应的时候，会不可避免的发生水解副反应产生氢气；而氢气也是燃料电池的一种燃料，且密度小，会聚集在硼氢化物溶液的上方，因此氢气可以进一步作为燃料在位于阳极上方的氢气催化氧化阳极上反应，从而提高燃料的总利用率。应用本发明的直接硼氢化物燃料电池的燃料利用率能比阳极为单一硼氢根催化氧化阳极膜电极电池的燃料利用率提高10％～50％。

本发明可以提高直接硼氢化物燃料电池的安全性。因为硼氢根催化氧化阳极上进行硼氢根为燃料的阳极氧化反应的时候，会不可避免的发生水解副反应产生氢气，若不能及时排除，会增加电池内压，而氢气本身又是一种易燃易爆的气体，具有潜在的危险性。本发明得到的膜电极上半部分为氢气催化氧化阳极，可以催化氢气反应使之消耗，从而降低电池内压。

此外，将硼氢根催化氧化阳极和氢气催化氧化阳极共用一个电解质膜和一个阴极，能使电池整体结构简单紧凑，便于生产和维护，降低电池成本。与其它利用氢气的PEMFC以及设法吸收或排除氢气的直接硼氢化物燃料电池相比，本发明的直接硼氢化物燃料电池复合膜电极能使直接硼氢化物燃料电池的体积缩小10％～90％。

附图说明

图1是直接硼氢化物燃料电池复合膜电极结构图。

图2是应用具体实施方式二十四膜电极A的燃料电池的正面剖视图。

图3是具体实施方式二十四膜电极A与单一硼氢根催化氧化阳极膜电极B的极化曲线图。图中-■-表示复合膜电极A的极化曲线，-●-表示单一硼氢根催化氧化阳极膜电极B的极化曲线。

图4是具体实施方式二十四膜电极A与单一硼氢根催化氧化阳极膜电极B功率密度曲线图。图中-■-表示复合膜电极A的功率密度曲线，-●-表示单一硼氢根催化氧化阳极膜电极B的功率密度曲线。

具体实施方式