[发明专利]一种双极膜型直接硼氢化物燃料电池

说明书

本发明提供一种双极膜型直接硼氢化物燃料电池，包含有至少一个电池单元，电池单元包括具有离子选择性透过特性的固体电解质膜；电池单元是被固体电解质膜分隔成两部分；固体电解质膜为双极膜，而双极膜是由阳离子交换膜层、阴离子交换膜层和位于二者之间中间界面层构成的三层结构。本发明采用双极膜直接硼氢化物燃料电池，阴极和阳极可采用非均一性电解质，并可阻止阳极燃料或阳极产生的中间产物渗透到阴极而产生混合电位，同时也可阻止阴极产物渗透到阳极，降低了电极的极化损失，消除了混合电位，提高了燃料利用率和输出功率。

技术领域

本发明涉及一种直接以全液态进料的碱性燃料电池，尤其是一种采用碱性硼氢化物溶液为燃料、酸性过氧化氢为氧化剂的直接硼氢化物燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池 ( proton exchange membrane fuel cell， PEMFC)是将储存在氢燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能的发电装置，具有清洁、高效、可室温启动、功率密度高等优点，在移动电源及固定电站等领域具有广阔的应用前景，特别是作为汽车能源和便携式电源方面受到广泛关注。但以氢为燃料的质子交换膜燃料电池存在燃料供应、储存和运输难题以及使用过程中的后继危险性，迫使人们把注意力转向可直接被电化学氧化的液体燃料，如甲醇、乙醇、二甲醚、硼氢化物等，其中硼氢化物由于含氢丰富，如硼氢化钠的重量能量密度为5.67Ah/g、氢含量为10.6%（重量百分比），且化学性质稳定，易于储存、供应，使用安全而不易燃，所以使用硼氢化物碱性水溶液作为燃料的直接硼氢化物燃料电池（DBFC）有望成为解决燃料储存难题的、廉价的低温分散型的电源。

直接硼氢化物燃料电池（DBFC）是把碱金属硼氢化物加入对应的碱液中作为液体燃料，在阳极侧氧化；在阴极侧，可以用O₂（或空气）、H₂O₂或酸性H₂O₂作氧化剂。当以酸性H₂O₂溶液作为氧化剂时，其电极反应与电池反应如下：

由于以酸性H₂O₂溶液作阴极电解液可获得较高的理论电池电压，而且H₂O₂在酸性条件下较稳定，这种以酸性H₂O₂溶液作电解液的硼氢化物燃料电池最有可能成为新一代空间电源、水下电源和高能量高功率密度的便携式电源。

以酸性H₂O₂溶液作电解液的硼氢化物燃料电池，电极两侧的电解液分别为强酸强碱介质，为此，必须采用隔膜将其隔开。目前，直接硼氢化物燃料电池所采用的电解质膜有两类：第一类是用阳离子交换膜（CEM）分隔阴阳极，第二类是用阴离子交换膜（AEM）作为分隔物。

阳离子交换膜（CEM）品种多，其中氟化膜，在与强碱和强还原剂接触时非常稳定。广泛使用的是杜邦公司生产的Nafion系列---质子交换膜（PEM）。当用阳离子交换膜（CEM）作为电解液时，阳离子从阳极到阴极方向迁移完成电荷的传输。因此在DBFC中，燃料硼氢化物在阳极上氧化过程中伴随着有钠离子穿过质子交换膜向阴极传递，致使氢氧化钠在阴极侧聚集。由于阳极电解液中氢氧化钠流失，导致电极两侧化学物质不平衡。另外，硼氢化物阳极液的碱性浓度降低将导致硼氢化物稳定性降低，燃料利用率就低。要使电池能稳定运行，须有一步骤把氢氧化钠从阴极电解液返回阳极电解液中，使得电池结构复杂，且这一步很难实现。