[發明專利]利用電容器從燃料和氧化劑生成電力的方法和設備

無效

• 申請號: 201380013620.2
• 申請日: 2013-02-04
• 公開（公告）號: CN104221197A
• 公開（公告）日: 2014-12-17
• 發明（設計）人: H·赫爾豪斯
• 申請（專利權）人: 華盛頓大學商業中心
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/04;H01G9/00;H01M8/06
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 馮玉清

相關申請的交叉引用

本申請要求2012年2月3日提交的美國專利申請No.61/594,839的權益，其公開內容被全文合并在此以作參考。

背景技術

燃料電池(FC)是多用途的能量轉換技術。其可以把許多高能量密度的燃料直接轉換成電力，而無需首先將化學能轉換成熱能，從而繞過了傳統熱機(heat?engine)的Carnot效率限制。所有傳統的燃料電池由燃料在該處被氧化的陽極以及氧化劑(通常是氧氣)在該處被還原的陰極構成。陽極和陰極通過離子轉運隔膜分開，并且經由外部電路連接，正如圖1A中所示出的那樣。圖1B示出了被用來表示物理過程以及利用所施加的電壓或源測量(source-measure)單元來測試FC的等效電路圖。反應的自由能驅動DC電流流經外部電路中的負載，同時離子(通常是H⁺、OH^-、CO₃^2-或O^2-)流經隔膜。除了其在高效率方面的潛力之外，燃料電池可以利用例如氫(作為僅有的排放物產生水)之類的清潔燃料或者為碳中性(不產生凈CO₂)的可持續生物燃料來操作。燃料電池具有許多不同的多樣性和廣闊的潛在應用范圍。對于靜止電力通常考慮高溫燃料電池(固體氧化物燃料電池SOFC)，并且對于運輸或便攜式電力通常考慮低溫燃料電池(質子交換隔膜燃料電池或PEMFC)。FC產生高功率密度(特別在與例如太陽能之類的技術相比時尤其如此)。但是由于高成本和可靠性問題，PEMFC和SOFC的市場滲透率仍然較低。商用PEMFC的典型功率密度是大約600mW/cm²，而SOFC的典型功率密度則是大約300mW/cm²。在2009年，美國能源部將燃料電池成本和使用壽命目標設定為對于靜止電力是$750/kW和40000小時的操作，對于運輸領域則是$30/kW和5000小時的操作。

SOFC技術似乎足夠成熟并且已經為商業成功做好了準備，特別對于靜止電力應用尤其是如此，其中可以利用有價值的熱量并且提高了凈效率。現在對于SOFC似乎成為可能的更高市場滲透率實際上對于其他燃料電池同樣是正面的發展。一些技術對于例如運輸或便攜式電力之類的應用具有固有的優點，但是進一步的發展則受到關于FC是成問題的認知的阻礙。對于汽車和便攜式電力應用而言，快速響應時間和低操作溫度是關鍵。對于這些應用特別關注了PEMFC。但是PEMFC的發展和商業化存在許多障礙。在改進氧還原反應(ORR)催化劑、防止氫氧化反應(HOR)催化劑中毒以及開發更高溫度質子傳導隔膜方面仍然存在科學挑戰。此外還有需要解決的更加實際的問題，比如用以保持隔膜濕度而不發生洪泛的活性水管理、改進設備可靠性以及降低系統成本。此外，大多數先進的PEMFC使用氫作為燃料，這可以被視作缺點或者很大的優點。下面我們將審視關于傳統PEMFC的一些問題，并且審視一些新穎的燃料電池設計理念，其試圖繞過例如單腔室和無隔膜設計之類的傳統設備的限制。

傳統的質子交換隔膜燃料電池(PEMFC)

產生水的氫的氧化由下面的熟悉的反應給出：

ΔGo=237kJmol]]>ΔE^o＝1.23VΔHrxno=286kJmol]]>

這一簡單且清潔的反應對于使用氫作為能量載體具有巨大的吸引力，特別在與可再生的(太陽或風力生成的)氫相組合時尤其是如此。但是打消人們對于所述燃料的熱情的美中不足之處在于氫難以存儲和配送。此外，將其轉換成電力的低溫燃料電池技術(PEMFC)存在幾方面的問題，從而對其成本效率并且因此對其廣泛采用構成了妨礙。下面給出關于其中一些最重要的問題的概述。

用于氧還原反應的催化劑：高活化過電位