[发明专利]用于燃料电池的固体燃料

说明书

发明背景

作为由化学物质产生电的方法已经开发了燃料电池。某些早期开发集 中在使用氢气作为发电的清洁燃料源。在用于燃料电池的氢气储存和发生 方面已经做了工作并且公开在US 6,057,051、US 6,267,229、US 6,251,349、 US 6,459,231和US 6,514,478中。氢气是高能量、低污染的燃料，但是从 能量密度和安全的观点来说该燃料的储存都是很麻烦的。

氢气储存困难导致人们着眼于由更有用的燃料产生氢气。含有可由重 整产生的相对高的氢气量的液体燃料已经受到了极大的关注。燃料重整是 昂贵的，并且极大增加使用燃料电池用于发电的装置的复杂性和尺寸。已 经开发了重整液体燃料的重整器和方法，如US 4,716,859、US 6,238,815 和US 6,277,330中所示。因此，可以使用能够在燃料电池电极上直接加工 的氢气富集燃料的燃料电池有着重大的利益。这将燃料电池分成总的两类： 间接或重整器燃料电池，其中对燃料，通常是有机燃料进行重整和加工， 以使燃料电池中产生氢气富集且基本不含一氧化碳(CO)的原料流；和直接 氧化燃料电池，其中将有机燃料直接加入到燃料电池中并且在不经任何化 学重整的情况下氧化。直接氧化燃料电池可用于液体原料装置或气相原料 装置，并且优选地在燃料电池中氧化之后，该燃料产生清洁的燃烧产物， 像水和二氧化碳(CO₂)。

在直接甲醇燃料电池(DMFC)的早期开发中，使用气态甲醇要求高热， 其带来燃料电池膜的降解。这引起了使用液相甲醇的DMFC的开发，如 US 5,599,638和US 6,248,460中所示。然而，液相也存在缺点，其中至少 是甲醇和阴极污染穿过该膜。

如使用气相燃料电池一样，液相燃料电池也具有操作问题。具体的问 题包括：燃料电池或便携装置的取向，使得液体燃料可从释放废气的开口 流出，并且液体燃料电池具有高浓度液体甲醇渗透出来在阴极被氧化降低 燃料电池效率的问题。

发明概述

本发明是用于燃料电池的固体燃料。固体燃料包含选自金属含氧化物、 凝胶化含氧化物和冻结的含氧化物的固体含氧化物。本发明特别包括产生 固体凝胶所需量的含氧化物如甲醇或乙醛与聚合物如丙烯酸聚合物的混合 物作为固体燃料。

在一个实施方案中，本发明包括加入金属或金属化合物，其中金属选 自碱金属、碱土金属和它们的混合物。特别地，优选的金属化合物包括镁 化合物，如氢氧化镁、氧化镁、甲醇镁、氢化镁和它们的混合物。优选的 金属是镁。金属化合物增强了含氧化物的性能，并为材料提供吸附阳极产 生的二氧化碳。

在另一个实施方案中，本发明包括加入氧化剂。氧化剂选自过碳酸钠、 过氧化氢脲、有机过氧化物、过氧化钙、过氧化镁和它们的混合物。加入 氧化剂增强了直接甲醇燃料电池中燃料的功率密度。

由下面详细的描述本发明其他的目的、优点和应用对于本领域熟练技 术人员来说将变得明显。

附图简述

图1显示几种化合物和混合物的稳定性；

图2显示DMFC液体和固体燃料的比较；

图3和4显示不同组成的固体燃料和液体甲醇的电流相对于电池电势 的比较；

图5和6显示不同组成的固体燃料的电流相对于电池电势的比较；

图7显示固体乙醛燃料和固体甲醇燃料的比较；

图8显示向直接甲醇燃料电池的甲醇中加入额外的氧化剂的影响；

图9显示不同的过氧化氢与甲醇一起使用的直接甲醇燃料电池的 I-V(电流-电压)曲线；

图10显示使用带有硫酸脉冲的镁和固体甲醇的燃料电池的电流和安 培数；

图11显示在带有硫酸脉冲的镁和甲醇的燃料电池中的电压、安培数和 功率密度；和

图12显示在带有硫酸脉冲的镁和固体甲醇的燃料电池中的功率密度 和压力。

发明详述

本发明包括用于燃料电池的新燃料。该新燃料式固体燃料，并且不只 限于它们可用于的燃料电池类型，且可包括质子交换膜(PEM)燃料电池、 固体氧化物燃料电池(SOFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、直接甲醇燃料电池 (DMFC)、熔融的碳酸盐燃料电池(MCFC)和碱燃料电池(AFC)。