CN101615684A - 一种微小型燃料电池用氢发生器 - Google Patents

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王涛
郑丹
张建
谢晓华
张华辉
娄豫皖
夏保佳
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Abstract

本发明涉及一种微小型燃料电池用的氢发生器，特征在于所述的氢发生器是由储存室基体和上盖两部分组成。其中储存室基体中有氢气反应储存腔，储存腔位于储存室基体中央，储存腔用于存放固体氢化物燃料，上盖中有液体进样口和氢气出口，液体进样口通过液体微流道与反应储存腔一端相连，反应储存腔的另一端通过氢气微流道与上盖的氢气出口相连，反应储存腔呈锥形或梯台型，储存室基体和上盖气密。固体氢化物燃料通过储存室基体上方的燃料进料口可直接进入氢气反应储存腔。本发明通过现场制氢、用氢，省却了储氢容器，且可精确控制氢气产量和流速。

Description

一种微小型燃料电池用氢发生器
技术领域
本发明涉及一种微小型燃料电池用氢发生器，特别是公开一种氢气为燃料的微小型燃料电池用氢源发生器，属于燃料电池及相关领域。
背景技术
低温质子交换膜型(Proton Exchange Membrane，PEM)燃料电池(Fuel Cells，FCs)由于具有启动快、方便小型化和微型化、使用灵活等优点，是目前燃料电池研发的重点。随着3G手机、笔记本电脑和数码相机等电子产品的日用电量越来越大，人们急切希望微小型燃料电池能尽快商业化，以部分替代目前的锂离子和镍氢二次电池。然而，目前微小型燃料电池的主要技术难题---氢源---却未得到有效解决。虽然通过微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS)可以将微型燃料电池的尺寸做到立方毫米甚至更小，但供氢装置的体积却数倍或数十倍于电池的尺寸，大大降低整个体系的比特性。虽然通过改用液体甲醇、甲酸或其它有机小分子甚至碱金属硼氢化物溶液来替代纯氢作燃料可使氢源的体积大大缩小，但诸如燃料渗透、催化剂中毒等技术难题却无法避免。一些研究机构试图采用重整技术制备出纯氢后再提供给微型燃料电池，但技术难度和系统的体积庞大问题仍然没有得到有效的改善。近期，人们将目光转向了金属氢化物的水解制氢，由于这种方式不但可以释放化合物本身的氢，而且可以夺取水中的氢，因此理论上可获得很高的储氢密度。以硼氢化钠为例，其反应方程式为：NaBH4+2H2O＝NaBO2+4H2↑，理论上可获得10.8wt％的储氢密度。但由于反应和利用均难以控制，使储氢技术一直未能有效突破。
发明内容
本发明目的是提供一种微小型燃料电池用的氢发生器。其特征在于所述的氢发生器是由储存室基体和上盖两部分组成。其中储存室基体中有氢气反应储存腔，氢气反应储存腔位于储存室基体中央，储存腔用于存放固体氢化物燃料，上盖中有液体进样口和氢气出口，液体进样口通过液体微流道与反应储存腔一端相连，氢气反应储存腔的另一端通过氢气微流道与上盖的氢气出口相连，储存室基体和上盖气密。固体氢化物燃料通过储存室基体上方的燃料进料口可直接进入反应储存腔。燃料进料口位于液体进样口和氢气出口的中间位置。
本发明的技术方案是：首先通过MEMS技术、激光刻蚀/雕刻技术或机械制作技术制作出带有特定形状的固体氢化物储存腔的底部储存室基体和上盖两部分；其次，在储存室的上盖部制作出液体进样口单元和氢气出口单元，并使之气密，所制成的氢气发生器的工作过程是：将固体氢化物置入特定形状的固体氢化物储存腔(如锥形、圆柱体型、立方体型或梯台型等)，耦合上盖使储存室一体化(并使除进气口和出气口的地方处于气密状态)；将特定的液体用微型进样器由上盖中的液体进样口通过液体微管道注入氢气反应储存腔，使固体物与注入的液体发生反应而产生氢气，产生的氢气经氢气微管道由氢气出口排出，再通过出气单元收集，然后供给微型燃料电池使用。通过调节注入液体的进样速度和流量控制氢的产率，即控制制备的氢气的流速和产量。
作为储存室基体和上盖的材料为硅、玻璃、四氟乙烯、聚氨酯或陶瓷材料中的任一种；
所述的固体氢化物为NaBH4、LiBH4或其它硼氢化物中的一种或几种；
所述的特定液体为水、盐酸、硫酸、甲酸或乙酸中的任意一种或它们的混合物；
所述的微小型燃料电池可为微型质子交换膜燃料电池(PEMFCs)、微型固体氧化物燃料电池(SOFCs)或其它以氢气作为氢源的微型燃料电池。
本发明好处是：(1)通过现场制氢、用氢，省却了储氢容器，大大缩小了微型燃料电池整个系统的体积，解决了氢源体积庞大的技术难题；(2)采用特种固体储存腔，可使固体与液体逐级反应直至完全反应，从而可以精确控制氢气产量和氢气流速，提高系统效率。
附图说明
图1为所述微小型燃料电池用氢发生器结构示意图。
图中，1.液体进样口；2.燃料进料口；3.氢气出口；4.储存室基体；5.上盖；6.氢气反应储存腔；7.液体微流道；8.氢气微流道。
具体实施方式
实施例1
以硅片为基材，通过MEMS经典湿法和干法工艺制作出锥形氢发生器储存腔、液体流道和氢气流道。以特种玻璃为氢源储存室上盖，通过MEMS干法工艺制作液体进样口、固体进样口和氢气出口。采用硅-玻键合技术密封上下两部分，从而制作成微型PEMFC用氢发生器。发生器的体积为1.2ml。置入100μg NaBH4于氢气反应腔内，通过微量注射器注入200μl H2O可产氢150ml。
实施例2
其它条件同实施例1，仅改变锥形储存腔为梯台形储存腔。注入200μl H2O可产氢145ml。
实施例3
其它条件同实施例1，仅改变进样液体为4mol/L HCl溶液200μl，可产氢455ml。
实施例4
其它条件同实施例1，仅改变进样液体HCl溶液为2mol/L H2SO4溶液200μl，可产氢450ml。
实施例5
以聚四氟乙烯为基材，制作的氢发生器的体积为6ml。置入200μg NaBH4于储存室，通过微量注射器注入300μl H2O可产氢220ml。
实施例6
其它条件同5，仅改变进样液体为2mol/L H2SO4溶液300μl，可产氢660ml。
实施例7
其它条件同6，仅将置入的NaBH4该为LiBH4，可产氢600ml。
需要说明的是，本发明不限于上述实施例，对本发明的任何等同或替换都在本发明的权利保护范围内。

Claims (8)

1、一种微小型燃料电池用的氢发生器，其特征在于所述的氢发生器是由存储室基体和上盖两部分组成，其中氢气反应存储腔位于储存室基体的中央，上盖中的液体进样口通过液体微流道与该氢气反应储存腔的一端相连，氢气反应储存腔的另一端通过氢气微流道与上盖中的氢气出口相连，储存室基体和上盖之间气密；固体氢化物燃料通过储存室基体上方的燃料进料口直接进入氢气反应储存腔，燃料进料口位于液体进样口和氢气出口的中间位置。
2、按权利要求1所述的微小型燃料电池用的氢发生器，其特征在于所述的氢气反应储存腔为锥形、圆柱体型、立方体型或梯台型。
3、按权利要求1所述的微小型燃料电池用的氢发生器，其特征在于储存室基体和上盖的材料为硅、玻璃、四氟乙烯、聚氨酯或陶瓷材料。
4、按权利要求1所述的微小型燃料电池用的氢发生器，其特征在于所述的固体氢化物燃料为NaBH4、LiBH4或其它硼氢化物中的一种或几种混合物。
5、按权利要求1或3所述的微小型燃料电池用的氢发生器，其特征在于储存室基体材料为硅，上盖为玻璃材料时则通过硅-玻璃键合使储存室基体和上盖之间气密。
6、使用如权利要求1所述的微小型燃料电池用的氢发生器的方法，其特征在于将特定液体用微型进样器由上盖中的液体进样口，通过液体微流道注入氢气反应储存腔，固体氢化物与注入的液体发生反应而产生氢气，所产生的氢气经氢气微流道由上盖中的氢气出口排出，通过出气单元收集，供给燃料电池；所述的特定液体为水、盐酸、硫酸、甲酸或乙酸中的任意一种或它们的混合物。
7、按权利要求6所述的微小型燃料电池用的氢发生器的使用方法，其特征在于通过调节注入液体的速度和流量控制氢气的产量和流速。
8、按权利要求1所述的微小型燃料电池用的氢发生器，其特征在于所述的氢发生器用于微型质子交换膜燃料电池、微型固体氧化物燃料电池或以氢气作为氢源的微型燃料电池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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