[发明专利]改进的能量生成或能量存储系统

说明书

公开了一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)，其包含由多孔硅晶片形成的多孔膜元件，其中孔至少部分地涂覆有贵金属。可替代地，可将多孔硅晶片夹在浸渍有贵金属的纸、碳或石墨片之间。分离器是使用MEMS技术形成的。还公开了一种锂离子电池，具有：阴极电极；由多孔硅基板形成的阳极电极，其中多孔硅基板的孔的表面至少部分地涂覆有金属硅化物；设置在阴极和阳极之间的分隔元件；以及电解液。

技术领域

本公开一方面涉及质子交换膜燃料电池和形成燃料电池的方法，更具体地涉及包括由多孔硅材料形成的新型膜的质子交换膜燃料电池，以及形成用于质子交换膜燃料电池的新型多孔硅膜的方法。另一方面，本公开涉及具有由至少部分地涂覆有金属硅化物的多孔硅基底形成的阳极电极的锂离子可充电电池。

背景技术

燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高理论效率和反应副产物的无污染特性而极具吸引力。

此外，PEMFC提供大的功率范围，这使得它们适用于稳定的应用，例如用于发电的高功率装置，以及用于电动汽车，或需要自主电源的任何其他设备(发电机组、便携式电子设备等)。

通常，PEMFC通过在阳极氧化燃料(例如氢气或甲醇)，并通过借助于质子交换膜从阳极到阴极的质子交换来运行。氧化反应产生的电子通过外部电路传送回阴极，其中化学能转化为电能和热。

PEMFC有很多优点，例如对二氧化碳不敏感；允许快速启动的相对较低的工作温度；使用和热管理的灵活性；电极腐蚀问题减少；以及没有电解液泄漏。

但是，PEMFC也有缺点，例如对一氧化碳的高敏感性；相对较低的工作温度(低于100℃)，从而无法有效利用产生的热量；和昂贵的贵金属催化剂(通常基于铂)。

用于PEMFC的有用膜必须不透气、具有良好的机械性能和高质子传导。此外，它们应该很薄，通常具有几微米的厚度。最后，膜应该由电化学和化学稳定的材料制成。

目前，PEMFC的膜由全氟磺酸盐型离聚物(PFSA)形成，例如杜邦的和Solvay特种聚合物的在此类全氟磺酸盐离聚物中，膜的质子传导性由-SO₃H基团(磺酸功能)确保。

然而，这种膜由于它们对甲醇和氢气的渗透性而具有缺点。此外，它们的机械性能会在超过其最佳工作温度(80℃)时降低。例如，这对于汽车领域尤其有限制。事实上，对于这种类型的应用，需要在-30和120℃之间且稍微湿润的气体(相对湿度在0和50％之间)存在的情况下运行的PEMFC。

PEMFC的性能还与其他问题相关，包括：

-一氧化碳(CO)的存在通常导致催化剂中毒。当通过重整获得氢气(燃料)时，它通常含有微量的一氧化碳。CO的存在会降低吸附它的铂基催化剂的效率。因此降低了PEMFC的性能。另一方面，CO在铂基催化剂上的吸附在低温下有利，但在高温下由于吸附反应的负熵而受到影响。因此，对CO的耐受性随温度而增加。由于CO中毒引起的PEMFC的性能退化因此可以在高温(大约140℃)下显著减弱。

-PEMFC的热管理在低温下更加复杂，因为典型的PEMFC其能量的40％到50％以热的形式产生。因此，当电池在低温下运行时，必须耗散大量能量。相反，当电池在120℃至140℃范围内的温度运行时，电池产生的热量能够维持系统温度并且需要更小的冷却系统。这一点对于汽车行业的应用尤为重要。此外，对于高于100℃的温度，产生的热也可以用于其他目的(例如，热电联产模式中的加热)。

-膜的加湿在低温下是必不可少的，因为传统的PFSA型膜需要不断水合。加湿所必需的添加物会使系统复杂化并降低系统的可靠性。加湿是必要的，因为膜的质子传导率随着聚合物基质中所含的水量(其本身随着膜外水量(相对湿度)而增加)而增加。这种加湿的实现和管理更加复杂，并且随着温度的升高需要更多的能量。

需要开发一种PEMFC膜，该膜能够在低温以及高温下与具有低含水量(50％的相对湿度)的气体一起使用。