CN101010826A - 燃料组合物 - Google Patents

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CN101010826A CNA2005800295971A CN200580029597A CN101010826A CN 101010826 A CN101010826 A CN 101010826A CN A2005800295971 A CNA2005800295971 A CN A2005800295971A CN 200580029597 A CN200580029597 A CN 200580029597A CN 101010826 A CN101010826 A CN 101010826A
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Abstract

公开了燃料组合物、制备所述组合物的方法以及包括燃料组合物的燃料电池系统。在一些实施方案中，燃料组合物包含聚合物和诸如甲醇的燃料，其中所述组合物具有至少约2克峰值力的硬度，如通过利用质构分析仪的渗透测试所测定。

Description

燃料组合物
发明领域
本发明涉及用于燃料电池的燃料组合物以及制备所述组合物的方法。
燃料电池是能够由典型地发生在两个或多个反应物之间的电化学反应提供电能的装置。通常，燃料电池包括两个电极(称作阳极和阴极)以及设置在电极之间的固体电解质。阳极包含阳极催化剂，而阴极包含阴极催化剂。电解质(如膜电解质)典型地为离子导电而非电子导电。电极与固体电解质可设置在两个气体扩散层(GDL)之间。
在燃料电池操作期间，将反应物加到合适的电极上。在阳极，反应物(阳极反应物)与阳极催化剂相互作用并形成反应中间体，例如离子和电子。离子反应中间体可通过电解质由阳极流向阴极。然而电子通过电连接阳极和阴极的外部负载由阳极流向阴极。当电子流过外部负载时可提供电能。在阴极，阴极催化剂与其它反应物(阴极反应物)、在阳极形成的中间体以及电子相互作用以完成燃料电池反应。
例如，在一类燃料电池(有时称为直接甲醇燃料电池(DMFC))中，阳极反应物包括甲醇和水，而阴极反应物包括氧气(例如，来自空气)。在阳极，甲醇被氧化；在阴极，氧气被还原：
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-  (1)
3/2O2+6H++6e-→3H2O  (2)
CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O(3)
如式(1)所示，甲醇氧化生成二氧化碳、质子和电子。质子通过电解质由阳极流向阴极。电子通过外部负载由阳极流向阴极，从而提供电能。在阴极，质子和电子与氧反应生成水(式2)。式3示出总燃料电池反应。
在一个方面，本发明的特征在于可用于燃料电池系统，例如直接甲醇燃料电池系统的燃料组合物。所述燃料组合物可具有以受控速率输送低浓度蒸汽相燃料而无需机械辅助的自立式刚性结构。因此，燃料电池系统的性能可得以提高，而制造成本可得以降低和/或简化。此外，刚性燃料组合物可由方便操作(例如，为了填充燃料盒)的母液组合物制备。硬化时，刚性燃料组合物可防渗漏(从而增强安全性)，并且可稳定地输送燃料，不依赖于燃料容器和/或燃料电池系统的取向。
在另一个方面，本发明的特征在于包含聚合物和燃料的燃料组合物，其中所述组合物具有至少约2克峰值力的硬度，如通过利用质构分析仪的渗透测试所测定。
实施方案可包括下列一个或多个特征。燃料包括甲醇。聚合物形成网状结构，并且燃料处于所述网状结构内。聚合物包括无机元素，例如过渡金属(如钛和锆)。无机元素为主族金属，例如硅、铝和硼。聚合物包括金属-非金属-金属键。组合物包括按重量计至少约40％的甲醇。组合物还包括能够与水反应生成氢的第一材料，例如氢化物。组合物包括第一材料的浓度梯度。组合物还包括阻燃剂。聚合物包括有机高分子。组合物还包括水吸附材料。组合物包括交联二氧化硅。
在另一个方面，本发明的特征在于燃料组合物包括形成化学键网络的无机高分子，以及网络内按重量计至少约40％的甲醇。
实施方案可包括下列一个或多个特征。组合物具有至少约2克峰值力的硬度，如通过利用质构分析仪的渗透测试所测定。无机高分子包括金属-非金属-金属键。无机元素为过渡金属或主族金属，例如硅、硼、铝、钛和锆。组合物还包括能够与水反应生成氢的第一材料。第一材料包括氢化物。组合物包括第一材料的浓度梯度。组合物还包括阻燃剂，例如磷酸醚和/或锑氧化物。组合物还包括水吸附材料，例如聚(丙烯酸)和/或丙烯酸-丙烯酰胺共聚物。
在另一个方面，本发明的特征在于包括燃料电池和与阳极流体连通的燃料源的燃料电池系统，所述燃料电池包括阳极、阴极和介于阳极与阴极之间的电解质；所述燃料源包括含有聚合物和燃料的组合物，其中所述组合物具有至少约2克峰值力的硬度，如通过利用质构分析仪的渗透测试所测定。
实施方案可包括下列一个或多个特征。燃料包括按重量计至少约40％的甲醇，并且聚合物包括含有金属的化学键网络。燃料组合物还包括水吸附材料或能够与水反应生成氢的材料。
在另一个方面，本发明的特征在于制备燃料组合物的方法，所述方法包括将可聚合材料、甲醇和催化剂接触；并聚合所述可聚合材料。
实施方案可包括下列一个或多个特征。聚合所述可聚合材料包括加热材料至大于25℃。可聚合材料包括过渡金属或主族金属。聚合材料具有至少约2克峰值力的硬度，如通过利用质构分析仪的渗透测试所测定。聚合材料包括无机元素-氧-无机元素键。甲醇以按重量计至少约40％存在。所述方法还包括使能够与水反应生成氢的第一材料与聚合材料接触。第一材料包括氢化物。所述方法还包括在聚合材料内形成第一材料的浓度梯度。所述方法还包括使阻燃剂与聚合材料接触。可聚合材料为有机物。所述方法还包括使水吸附材料与聚合材料接触。可聚合材料包括陶瓷。
在另一个方面，本发明的特征在于燃料电池系统包括本文所述的燃料组合物。
在另一个方面，本发明的特征在于操作燃料电池系统的方法包括放置与本文所述燃料组合物流体连通的燃料电池系统阳极。
通过这些附图、说明和权利要求，其它方面、特征和优点将显而易见。
图1为燃料电池系统一个实施方案的示意图。
图2为测试电池夹具一个实施方案的示意图。
图3为电流对时间作图。
参照图1，所示为燃料电池系统20，例如直接甲醇燃料电池(DMFC)系统。燃料电池系统20包括燃料电池组22；通过燃料入口26与燃料电池组流体连通的燃料源24；燃料出口28；与燃料电池组流体连通的阴极反应物(例如，空气)入口30；阴极反应物出口31。为清楚起见，所示燃料电池组22具有一个燃料电池32(下面描述)，但在其它实施方案中，燃料电池组包括多个燃料电池，例如串连或并联排列。简单地讲，燃料电池32包括与燃料源24流体连通的阳极34、阴极36和介于阳极与阴极之间的电解质38。燃料电池32还包括两个气体扩散层(GDL)40和42，两个气体扩散层分别设置在电解质38、阳极34和阴极36组合件两侧。
燃料源24包括能够输送蒸汽相燃料如甲醇蒸汽至燃料电池组22的自承刚性燃料组合物。该组合物能够以受控速率输送低浓度蒸汽相燃料，而无需机械辅助(例如泵或阀门)或全蒸发膜，从而减少成本及机械组件的能量消耗所造成的寄生损失，并由于更多体积可用于产能组件而增加燃料电池系统的能量密度。受控燃料输送也可减少燃料由阳极向阴极的迁移(例如，甲醇穿透)，其可造成寄生损失(和减少的工作时间)以及阴极处的混合电位(和减少的输出功率)。
如下所述，燃料组合物可由随后硬化形成刚性燃料组合物而没有燃料损失的母液组合物制备。因此，母液组合物可方便地填充到燃料容器(例如，燃料盒)内，以适形于可用于燃料容器内燃料的空间，从而增强(例如，最大化)燃料容量。硬化时，刚性燃料组合物基本防渗漏(从而增强安全性)，并且可稳定地输送燃料，而不管燃料容器和/或燃料电池系统的取向如何。
刚性燃料组合物可由包括甲醇(燃料)、可聚合材料以及催化剂的母液组合物制备。母液组合物可被硬化，例如，通过热固化组合物，以形成刚性聚合物网络，其中甲醇被捕获在由该聚合物网络限定的空隙中。在一些实施方案中，如下所述，燃料组合物还可包括一种或多种添加剂，例如阻燃剂，和/或燃料组合物可与一种或多种能增强燃料输送性能的其它材料一起使用。
可聚合材料可为能够形成夹带燃料的交联网络结构的任何材料，例如无机高分子、有机高分子或它们的混合物。无机高分子的实例包括交联的含金属化合物，例如有机金属材料。有机金属材料的实例包括主族金属化合物，如硅氧烷(例如，聚二甲氧基硅氧烷(SiO(OCH3)2)、烷基三烷氧基硅烷(R1Si(OR2)3，R1和R2＝甲基、乙基、丙基等)、四烷氧基硅烷(Si(OR)4，R＝甲基、乙基、丙基等)、含铝化合物(例如，Al(OR)3，R＝甲基、乙基、丙基等)和含硼化合物(例如，B(OR)3，R＝甲基、乙基、丙基等)；以及过渡金属化合物，如含钛化合物(例如，Ti(OR)4，R＝甲基、乙基、丙基等)和含锆化合物(例如，Zr(OR)4，R＝甲基、乙基、丙基等)。这些材料可通过与水反应形成交联网络。在四烷氧基硅烷情况下，反应可描述为
Si(OCH3)4)+H2O→Si(OH)4+CH3OH  (反应1)
所得硅烷醇(Si(OH)4)然后可浓缩形成交联的刚性聚合物网络结构，所述结构包括金属-非金属(例如氧)-金属键(在该实例中为-Si-O-Si-键)(反应2)。
Si(OH)4→[SiOx(OH)y]n+H2O    (反应2)
母液组合物可包括按重量计约1％至按重量计约40％的可聚合材料。例如，母液组合物可包括按重量计大于或等于约5％、10％、15％、20％、25％、30％或35％的可聚合材料；和/或按重量计小于或等于约40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％或5％的可聚合材料。较高含量的可聚合材料可增加燃料组合物的刚度。在实施方案中，用于交联有机金属化合物的水含量足以将所有甲氧基转换成羟基。在一些实施方案中，前体组合物包括多于一类的可聚合材料。
另一类无机网络可通过交联陶瓷颗粒形成，例如分散在甲醇中的胶态二氧化硅颗粒。这些二氧化硅颗粒的表面包含Si-OH基团，其可被浓缩以将颗粒连接在一起而形成二氧化硅颗粒的网络：(二氧化硅)-OH+HO-(二氧化硅)→(二氧化硅)-O-(二氧化硅)+H2O
(反应3)
有机高分子网络的实例包括交联的酯、苯乙烯、酰胺、丙烯酸、醚、尿烷、氨基聚合物和/或环氧物。例如，一类聚合物可通过在酸或/碱催化剂存在下使间苯二酚或三聚氰胺与甲醛反应生成交联聚合物而形成。
催化剂可为能够有利于网络结构形成的任何材料。例如，用于聚合金属-甲氧基化合物的催化剂可为稀酸溶液(如0.10N H2SO4)或稀碱溶液(如0.10N KOH)。其它催化剂包括HCl、HNO3、有机酸如RCOOH和RSO2OH、NaOH、NH4OH和有机胺。母液组合物可包括按重量计约0.01％至按重量计约0.5％的催化剂。在一些实施方案中，前体组合物包括多于一种催化剂。
可供选择地或除甲醇之外，母液组合物还可包括其它燃料。燃料的实例包括其它醇(如乙醇)、乙二醇、甲酸和其它可氧化烃。母液组合物可包括按重量计约98％至按重量计约40％的燃料。例如，母液组合物可包括按重量计大于或等于约40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％的燃料；和/或按重量计小于或等于约98％、95％、90％、85％、80％、75％、70％、65％、60％、55％、50％或45％的燃料。较高含量的燃料可增加燃料组合物的容量。这些燃料含量可对应刚性燃料组合物中的燃料含量。硬化的结果可以没有材料损失，但在一些实施方案中，燃料浓度有非常小的增加，这是由于两步交联反应中的第一步(例如，反应1)可生成燃料。在一些实施方案中，前体组合物包括多于一种燃料，例如，甲醇与乙醇的混合物。
除了燃料、可聚合材料以及催化剂之外，母液组合物还可包括一种或多种添加剂。例如，前体组合物可包括着色剂(如染料或颜料)以有利于渗漏检测和清洁。前体组合物可包括阻燃剂(如磷酸醚和锑氧化物)以在失火情况下灭火。在一些实施方案中，阻燃剂的颗粒或分散体可在硬化期间掺入到燃料组合物中。
刚性燃料组合物可通过结合母液组合物中的组分，并聚合可聚合材料以硬化该前体组合物来制备。在一些实施方案中，母液组合物在聚合反应期间被密封以降低挥发性燃料的损失。聚合反应可在环境温度或高温(例如，约45℃至约60℃)时进行约6小时至约20天。例如，包括按重量计13.51％的四烷氧基硅烷、按重量计81.08％的甲醇和按重量计5.41％的0.01N KOH(催化剂)在环境温度下开始凝固约3天，在45℃时约1天。
固体燃料的刚度可利用质构分析仪测量。在渗透测试中，基于具有0.63cm(0.25″)直径面积的探针和1mm/s的渗透速度，并利用Texture Technology Corp.制造的XT2i质构分析仪，测得破裂固体燃料组合物所需的峰值力为等于或大于约2g最大力。结构分析的原理描述于Malcolm Bourne的“Food Texture & Viscosity-Concepts andMeasurement”，第2版，Academic Press中。在一些实施方案中，需要约2克至约150克的最大力以破裂固体燃料组合物。最大力可大于或等于约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130或140克；和/或小于或等于约150、140、130、120、110、100、90、80、70、60、50、40、30、20或10克。用另一种方式表示，刚性燃料组合物可基本固定，例如类似于固定明胶，使得其在容器内颠倒放置时不明显流动。
如上所指出，在一些实施方案中，刚性燃料组合物可与一种或多种能增强燃料输送性能的其它材料一起使用。例如，在燃料电池系统20工作期间，来自燃料电池32(例如，来自正极腔室)的水可扩散至燃料源24，稀释燃料，并降低燃料输送和功率输出的速率。为提高燃料输送和功率输出，刚性燃料组合物可与一种或多种能够吸附水的材料联合使用。在实施方案中，使用水吸附材料限于聚合反应过程的固体燃料制剂不需要水。对于一些水吸附材料，它们可与水相互作用并溶胀，这样可有利于刚性燃料组合物(所述刚性燃料组合物在没有水吸附材料时，在放电期间会断裂)的断裂，从而增加刚性燃料组合物的表面积，提高燃料输送速率，并弥补水对燃料的稀释。水吸附材料的实例包括超吸收聚合物如轻微交联的聚(丙烯酸)或其钠盐和钾盐，以及丙烯酸-丙烯酰胺共聚物或其钠盐和钾盐。
水吸附材料可以不同方式用于燃料组合物。例如，水吸附材料可作为分散到母液组合物中的颗粒掺入，和/或在硬化期间的选定阶段掺入到燃料组合物中以进一步悬浮颗粒。可供选择地或另外地，水吸附材料可形成为放置在燃料容器内的结构(例如，蜂窝结构或多孔结构)，而母液组合物可倒入该容器内并在所述结构周围硬化。在一些实施方案中，水吸附材料的浓度梯度可形成在燃料容器内。例如，用于燃料组合物中的水吸附材料的浓度可随着与燃料组合物表面的距离增加而增加(线性或非线性)。因此，当燃料组合物被消耗时，所述燃料组合物更有可能断裂并暴露额外表面积，从而弥补水对燃料的稀释效应。可供选择地，为增加容量，水吸附材料可仅放置在远离燃料组合物表面的选定部分上，以仅在燃料放电的特定(例如，后期)阶段吸附水。
可供选择地或除水吸附材料之外，刚性燃料组合物还可使用一种或多种放电期间能够提供电压升高(例如，通过产生燃料)的材料。例如，刚性燃料组合物可包括能够与水反应生成氢的材料，这样可弥补放电期间燃料输送速率降低(例如，由于水稀释)造成的功率损失。燃料产生材料的实例包括氢化物例如氢化铝锂、硼氢化钠、氢化锂、氢化钾、氢化镁和氢化钙。类似于水吸附材料，燃料产生材料可用作分散颗粒和/或用作预成形结构(例如，蜂窝结构)。燃料产生材料的浓度梯度可如上所述产生。可供选择地，燃料产生材料可仅放置在远离燃料组合物表面的选定部分上，以在燃料放电的特定(例如，后期)阶段使电压升高。
再次参见图1，现将描述燃料电池32的一个实例。燃料电池32包括电解质38、粘结在电解质第一侧面上的阳极34和粘结在电解质第二侧面上的阴极36。电解质38、阳极34和阴极36设置在气体扩散层(GDL)40和42之间。
电解质38应能够使离子通过，同时对电子流动提供基本阻力。在一些实施方案中，电解质38为固体聚合物(例如，固体聚合物离子交换膜)，如固体聚合物质子交换膜(例如，包含磺酸基的固体聚合物)。这种膜以商标NAFION市售于E.I.DuPont de Nemours Company(Wilmington，DE)。可供选择地，电解质38也可用购自W.L.Gore&Associates(Elkton，MD)的商品GORE-SELECT制备。
阳极34可由能够与甲醇和水相互作用以生成二氧化碳、质子和电子的物质如催化剂来形成。这种物质的实例包括例如铂、铂合金(如Pt-Ru、Pt-Mo、Pt-W或Pt-Sn)、分散在碳黑上的铂。阳极34还可包括电解质，例如高聚物材料，如NAFION，其可使阳极传导质子。可供选择地，将悬浮液施用到面向固体电解质38的气体扩散层(以下描述)的表面，然后干燥悬浮液。制作阳极34的方法还可包括利用压力和温度以实现粘结。
阴极36可由能够与氧、电子和质子相互作用以生成水的物质如催化剂来形成。这种物质的实例包括例如铂、铂合金(如Pt-Co、Pt-Cr或Pt-Fe)以及分散在碳黑上的贵金属。阴极36还可包括电解质，例如高聚物材料，如NAFION，其可使阴极传导质子。阴极36可如上关于阳极34所述进行制作。
气体扩散层(GDL)40和42可由气体和液体均可透过的材料形成。GDL的实例购自多家公司，例如Etek，Natick，MA；SGL，Valencia，CA；以及Zoltek，St.Louis，MO。GDL 40和42可为导电的，从而电子可由阳极34流至阳极流场板(未示出)，并由阴极流场板(未示出)流至阴极36。
直接甲醇燃料电池和燃料电池系统的其它实施方案，包括使用方法，描述于例如2004年2月13日提交的题为“Fuel Cell”的普通转让的U.S.S.N.10/779,502；“Fuel Cell Systems Explained”，J.Laraminie，A.Dicks，Wiley，New York，2000；J.Bockris等人编辑的“Direct Methanol Fuel Cells：From a Twentieth CenturyElectrochemist′s Dream to a Twenty-first Century EmergingTechnology”，C.Lamy，J.Leger，S.Srinivasan，Modern Aspectsof Electrochemistry，第34期，Kluwer Academic/PlenumPublishers，New York(2001)，第53至118页；和S.R.Narayanan，T.I.Valdez和F.Clara的在Direct Methanol Fuel Cells中的“Development of a Miniature Fuel Cell for PortableApplications”，S.R.Narayanan，S.Gottesfeld和T.Zawodzinski编辑，Electrochemical Society Proceedings，2001-4(2001)Pennington，NJ中，这些专利均据此引入以供参考。
在燃料电池系统20工作期间，来自燃料源24的刚性燃料组合物的燃料蒸汽加入到阳极34中，阴极反应物(如空气)加入到阴极36中，并且电能产生于如上所述各自的氧化和还原反应。随着来自刚性燃料组合物的燃料在放电期间被消耗掉，燃料组合物可断裂以提高燃料输送速率。在其中刚性燃料组合物包括水吸附材料和/或燃料产生材料的实施方案中，例如可增强燃料组合物的断裂和/或使电压升高，弥补由于燃料稀释造成的燃料输送速率降低。过量的燃料和阴极反应物分别通过出口28和31离开。
以下实施例是说明性的，并不意味着限制。
实施例1
将2.5克四甲氧基硅烷(99+％，Aldrich Chemical Company)、0.43g的0.1N硫酸水(试剂级，Fisher Scientific)和27.00g甲醇(99.8+％，Aldrich Chemical Company)混合形成溶液。将溶液放入100mL的小玻璃瓶中，并将该小瓶于60℃烘箱中存放16小时。然后将所得溶液与1.30g 0.1N的氢氧化钾水溶液(试剂级，FisherScientific)混合形成溶液。然后将小瓶中的溶液在45℃烘箱中存放约24小时后转换成刚体形式。
类似地，制备其它燃料组合物并将它们列于表1中。
表1
甲醇燃料组合物
样本 四甲氧基硅烷(g)     0.1NH2SO4(g)     0.1NKOH(g) 甲醇(g) 凝固时间
1     2.50     0.43     1.30     27.0     24小时
2     2.50     0.40     1.30     35.0     24小时
3     2.50     0.41     1.30     45.0     48小时
实施例2
将2.5克四甲氧基硅烷、1.00g 0.01N的KOH水溶液(试剂级，Fisher Scientific)和10.0g甲醇混合形成溶液。将溶液放入30mL的小玻璃瓶中，并将该小瓶存放于45℃烘箱中。24小时后，小瓶中溶液变成刚体形式。
类似地，制备其它燃料组合物并将它们列于表2中。
表2
甲醇燃料组合物
样本     四甲氧基硅烷(g)   0.01N KOH(g)     甲醇(g) 凝固时间
  1     2.50     1.00     10     24小时
  2     2.50     1.50     10     24小时
  3     2.50     1.00     15     24小时
  4     2.50     1.50     15     24小时
实施例3
将五克聚二甲氧基硅氧烷(26.0％至27.0％Si，Gelest Inc.)、1.76g 1N的盐酸水溶液(试剂级，Fisher Scientific)和5g甲醇混合形成溶液。将溶液放入30mL的小玻璃瓶中，并将该小瓶存放于45℃烘箱中。然后将小瓶中的溶液在烘箱中存放约6小时后转换成刚体形式。
类似地，制备其它燃料组合物并将它们列于表3中。
表3
甲醇燃料组合物
样本     聚二甲氧基硅氧烷(g)      1M HCl(g)     甲醇(g) 凝固时间
    1     5     1.76     5     6小时
    2     5     3.52     5     6小时
    3     2.5     0.88     5     5天
    4     2.5     1.76     5     5天
    5     2.5     0.88     7.5     5天
    6     2.5     0.76     7.5     5天
实施例4
将2.5克聚二甲氧基硅氧烷、0.88g 0.1N的KOH水溶液和15g甲醇混合形成溶液。将溶液放入30mL的小玻璃瓶中，并将该小瓶存放于45℃烘箱中。然后将小瓶中的溶液在烘箱中存放约16小时后转换成刚体形式。
类似地，制备其它燃料组合物并将它们列于表4中。
表4
甲醇燃料组合物
样本     聚二甲氧基硅氧烷(g)     0.1M KOH(g)     甲醇(g) 凝固时间
    1     2.5     0.88     15     16小时
    2     2.5     1.76     15     16小时
    3     2.5     0.88     20     16小时
    4     2.5     1.76     20     16小时
    5     1.25     0.44     12.5     3天
    6     0.625     0.25     8     5天
    7     0.625     0.22     10     7天
    8     0.625     0.44     15     7天
    9     0.625     0.66     10     20天
实施例5
具有1.54g表1中样本2的直接甲醇燃料电池的放电测试用测试电池夹具在26℃和30％相对湿度下进行。测试电池夹具50(示于图2中)具有5cm2的活性电极面积，并且膜电极组合件(MEA)由夹在两个完全相同的背衬层之间的质子导电聚合物电解质膜51(NAFION)组成，所述背衬层由涂敷有碳与特氟隆混合物的微孔层的碳布制成。NAFION膜的阳极侧52涂敷有包含4mg/cm2Pt/Ru的催化剂层，该膜的阴极侧54涂敷有包含4mg/cm2Pt的催化剂层。将MEA以环境空气通过多孔阴极侧发生透气的方式连接到电池组合件上。在阳极侧，阳极腔室由电池主体的密封内部空间形成，所述电池主体容纳包含刚性甲醇燃料58的燃料杯56。测试期间，来自燃料的甲醇蒸汽流入阳极，并且被动空气暴露于阴极。
燃料电池性能测试进行的测试标准为在0.3V的恒定电压下对电池放电。测试期间每2小时一次，电池电压由0.3V扫描至0.18V以检查电池电流，其可提供限制燃料进料速率的信息。图3为在21.3小时的测试运行期间对电池电流的作图。电池在测试期间输送1.45Wh的能量。
本文涉及到的所有参考文献，例如专利申请、公布和专利均全文引入本文以供参考。
其它实施方案在权利要求书中。

Claims (45)

1.一种燃料组合物，所述组合物包含聚合物和燃料，其中所述组合物具有至少约2克峰值力的硬度，如通过利用质构分析仪的渗透测试所测定。
2.如权利要求1所述的组合物，其中所述燃料包含甲醇。
3.如权利要求1所述的组合物，其中所述聚合物形成网状结构，并且所述燃料处于所述网状结构内。
4.如权利要求1所述的组合物，其中所述聚合物包含无机元素。
5.如权利要求4所述的组合物，其中所述无机元素为过渡金属。
6.如权利要求5所述的组合物，其中所述过渡金属选自由钛和锆组成的组。
7.如权利要求4所述的组合物，其中所述无机元素为主族金属。
8.如权利要求7所述的组合物，其中所述主族金属选自由硅、铝和硼组成的组。
9.如权利要求1所述的组合物，其中所述聚合物包含金属-非金属-金属键。
10.如权利要求1所述的组合物，所述组合物包含按重量计至少约40％的甲醇。
11.如权利要求1所述的组合物，所述组合物还包含能够与水反应生成氢的第一材料。
12.如权利要求11所述的组合物，其中所述第一材料包含氢化物。
13.如权利要求11所述的组合物，所述组合物包括所述第一材料的浓度梯度。
14.如权利要求1所述的组合物，所述组合物还包含阻燃剂。
15.如权利要求1所述的组合物，其中聚合物包含有机高分子。
16.如权利要求1所述的组合物，所述组合物还包含水吸附材料。
17.如权利要求1所述的组合物，所述组合物包含交联二氧化硅。
18.一种燃料组合物，所述组合物包含形成化学键网络的无机高分子，以及所述网络内按重量计至少约40％的甲醇。
19.如权利要求18所述的组合物，所述组合物具有至少约2克峰值力的硬度，如通过利用所述质构分析仪的渗透测试所测定。
20.如权利要求18所述的组合物，其中所述无机高分子包含金属-非金属-金属键。
21.如权利要求20所述的组合物，其中所述无机元素为过渡金属或主族金属。
22.如权利要求18所述的组合物，其中所述无机高分子包含的元素选自由下列物质组成的组：硅、硼、铝、钛和锆。
23.如权利要求18所述的组合物，所述组合物还包含能够与水反应生成氢的第一材料。
24.如权利要求23所述的组合物，其中所述第一材料包含氢化物。
25.如权利要求23所述的组合物，所述组合物包括所述第一材料的浓度梯度。
26.如权利要求18所述的组合物，所述组合物还包含阻燃剂。
27.如权利要求26所述的组合物，其中所述阻燃剂选自由磷酸醚和氧化锑组成的组。
28.如权利要求18所述的组合物，所述组合物还包含水吸附材料。
29.如权利要求28所述的组合物，其中所述水吸附材料选自由聚(丙烯酸)和丙烯酸-丙烯酰胺共聚物组成的组。
30.一种燃料电池系统，所述系统包括：
包括阳极、阴极和介于所述阳极与所述阴极之间的电解质的燃料电池；和
与所述阳极流体连通的燃料源，所述燃料源包括含有聚合物和燃料的组合物，其中所述组合物具有至少约2克峰值力的硬度，如通过利用质构分析仪的渗透测试所测定。
31.如权利要求30所述的系统，其中所述燃料包含按重量计至少约40％的甲醇，并且所述聚合物包括含有金属的化学键网络。
32.如权利要求30所述的系统，其中所述燃料组合物还包括水吸附材料或能够与水反应生成氢的材料。
33.一种制备燃料组合物的方法，所述方法包括：
使可聚合材料、甲醇和催化剂接触；和
聚合所述可聚合材料。
34.如权利要求33所述的方法，其中聚合所述可聚合材料包括加热所述材料至大于25℃。
35.如权利要求33所述的方法，其中所述可聚合材料包含过渡金属或主族金属。
36.如权利要求33所述的方法，其中所述聚合材料具有至少约2克峰值力的硬度，如通过利用质构分析仪的渗透测试所测定。
37.如权利要求33所述的方法，其中所述聚合材料包含无机元素-氧-无机元素键。
38.如权利要求33所述的方法，其中甲醇以按重量计至少约40％存在。
39.如权利要求33所述的方法，所述方法还包括使能够与水反应生成氢的第一材料与所述聚合材料接触。
40.如权利要求39所述的方法，其中所述第一材料包含氢化物。
41.如权利要求39所述的方法，所述方法还包括在所述聚合材料内形成所述第一材料的浓度梯度。
42.如权利要求33所述的方法，所述方法还包括使阻燃剂与所述聚合材料接触。
43.如权利要求33所述的方法，其中所述可聚合材料为有机物。
44.如权利要求33所述的方法，所述方法还包括使水吸附材料与所述聚合材料接触。
45.如权利要求33所述的方法，其中所述可聚合材料包含陶瓷。
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