[发明专利]改进的燃料电池组件

说明书

本申请是申请号为200780026390.8、申请日为2007年7月10日、名称为“改进的燃料电池组件”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明大体上涉及改进的燃料电池系统，更具体地涉及包含基本上成平面的燃料电池阵列或具有相对均匀的阳极侧面氢气源的膜电极组件(MEA)的燃料电池组件。

背景技术

燃料电池是将反应剂，即燃料和氧化物的化学能直接转换成直流(DC)电的设备。对于越来越多的应用场合来说，燃料电池比常规的发电方式如矿物燃料的燃烧以及便携式的电力存贮装置如锂离子电池具有更高的效率。

一般来讲，燃料电池技术中包括有多种不同类型的燃料电池，如碱性燃料电池、聚合物电解型燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池以及酶燃料电池。现今更重要的燃料电池可划分为几个总的类型，即：(i)采用压缩的氢(H₂)作为燃料的燃料电池；(ii)质子交换膜(PEM)燃料电池，其采用的是醇类如甲醇(CH₃OH)、金属氢化物如硼氢化钠(NaBH₄)、碳氢化合物或者是能转化成氢燃料的其它燃料；(iii)能够直接消耗非氢燃料的PEM燃料电池或者是直接氧化燃料电池；以及(iv)在高温下直接将碳氢化合物燃料转换成电的固体氧化物燃料电池(SOFC)。

压缩的氢通常保持在高压状态下，因此其操作困难。此外，其通常需要大型贮存槽，因此对于消费类电子设备而言无法制作得足够小。常规的转化型燃料电池需要转化器以及其它的蒸发和辅助系统来将燃料转换成氢从而与燃料电池中的氧化剂反应。最新的进展使转化器或转换型燃料电池有望用于消费类电子设备。最常用的直接氧化燃料电池是直接甲醇燃料电池或DMFC。其它的直接氧化燃料电池包括直接原碳酸四甲酯燃料电池。甲醇与燃料电池中的氧化剂直接反应的DMFC是最简单并且可能是最小型的燃料电池，其也有望作为消费类电子设备的电力应用。固体氧化物燃料电池(SOFC)在高热下转换碳氢化合物燃料如丁烷而产生电。SOFC需要在1000℃范围内的相对高温来使燃料电池反应发生。

用来产生电的化学反应对每一类燃料电池来说都是不同的。对于DMFC来说，每一个电极处的化学-电学反应以及直接甲醇燃料电池的整体反应可描述如下：

阳极处的半反应：

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极处的半反应：

1.5O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

整个燃料电池的反应：

CH₃OH+1.5O₂→CO₂+2H₂O

整个燃料电池的反应：

CH₃OH+1.5O₂→CO₂+2H₂O

由于氢离子(H⁺)穿过PEM从阳极迁移到阴极，并且由于自由电子(e-)不能穿过PEM，因此电子流过外部电路，从而产生通过外部电路的电流。该外部电路可用来给许多有用的消费类电子设备提供电，如移动电话或蜂窝电话、便携式音乐播放器、计算器、个人数字助理、膝上电脑以及电动工具等。

美国专利4,390,603和4,828,941中论述了DMFC，这两篇专利以引用的方式全文并入这里。通常来讲，PEM由聚合物制成，如可从DuPont公司得到的或者是其它合适的膜，前者是厚度在约0.05mm到约0.5mm范围内的全氟磺酸聚合物。阳极通常由用聚四氟乙烯(特氟隆)处理的碳纸支撑物制成，该支撑物上沉积有催化剂如铂-钌的薄层。阴极通常是气体扩散电极，其中有铂粒子粘接到该膜的一侧。

在化学金属氢化物燃料电池中，硼氢化钠被转化并且反应如下：

NaBH₄+2H₂O→(热或催化剂)→4(H₂)+(NaBO₂)

阳极处的半反应：

H₂→2H⁺+2e^-

阴极处的半反应：