CN102427144B

CN102427144B - 再生燃料电池装置及系统

Info

Publication number: CN102427144B
Application number: CN201110388410.4A
Authority: CN
Inventors: 隋升; 曾亚平
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: CN102427144A

Abstract

本发明涉及一种再生燃料电池装置，包括依次紧密叠放设置的第一绝缘板、氧电极集电板、氧电极流场板、膜电极、氢电极集电板、储氢材料室、第二绝缘板；所述再生燃料电池还包括空气进气管和空气排出管，所述空气进气管和空气排出管的一端与所述氧电极流场板的气体流通通道连通，另一端与外界空气连通；所述再生燃料电池装置还包括风扇，所述风扇被配置成面向所述空气进气管的与外界空气连通的一端。本发明还涉及一种再生燃料电池系统。本发明提供的再生燃料电池装置和系统通过燃料电池主体与储氢材料的一体化，解决氢气不易储存问题，实现了再生燃料电池储能的轻便紧凑。

Description

再生燃料电池装置及系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池装置，特别涉及一种再生燃料电池装置。本发明还涉及一种再生燃料电池系统。

背景技术

近年来，随着便携式电子产品市场的快速增长，对具有轻便、容量高的优良性能电源的需求也增加了。这样电源必须同时满足下述一些条件：容量高、体积小、质量轻、充电迅速。目前采用较多的是锂离子电池，但是其安全性、比容量、循环寿命以及充电时间等方面亟待改进提高。

再生燃料电池(Regenerative Fuel Cell，简称RFC)是一种将氢氧燃料电池技术与水电解技术相结合的、以氢气作为能量载体的新型储能装置，它的主要功能部分——电池组具有两种运行模式：水电解(WE)模式(即充电模式)和燃料电池(FC)模式(即放电模式)。在水电解模式下，向电池组的正极供给纯水，通过水电解反应在正极室(即氧电极室)和负极室(即氢电极室)分别产生氧气和氢气，以氢气作为能量载体把电能储存起来；在燃料电池模式下，将储存的氢气供给电池组的氢电极室，空气供给到氧电极室，进行燃料电池发电反应。

再生燃料电池不受放电深度及电池容量的限制，储能容量仅与储氢容量即容器大小和储氢材料有关，安全性好；没有自放电问题，不工作时无能量损失，不带电；寿命长，可达几万小时；其排放只有水，因此对环境无污染。目前再生燃料电池是比能量最高的储能系统，比能量可高达400-1000Wh/kg，是性能最好的锂电池二次电池比能量的几倍，与传统的Li离子电池、Ni-Cd电池等二次电池相比优势十分突出，是一种具有广阔发展前途的新型储能电池，应用领域广泛。

再生燃料电池以储氢的形式储存能量，通过化学反应或物理吸附将氢气储存于固态材料中，其能量密度高且安全性好。储氢合金是固态储氢材料的一种，一般由吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素(A)和吸氢量小或根本不吸氢的元素(B)共同组成。目前开发出的储氢合金活性物质材料有稀土系、钛系和镁系等，其中镁基储氢合金研究最多并逐渐被应用于储氢中，镁基储氢合金具有储氢容量高、资源丰富、价格低廉以及环境友好等一系列的优点。

燃料电池作为便携式储能电源，也得到了广泛的关注。美国专利USP 5,595,834中描述了一种便携式燃料电池堆，单元电池相互集成从而形成多个单元电池堆叠起来构成整体结构的电池堆，这些燃料电池堆叠物适用于低功率的燃料电池。采用这些燃料电池作为便携式储能电池，缺点是氢的补充和携带麻烦，不能满足便携、体积轻巧等要求。为了解决这些问题，中国专利公开号CN 101330145A，名称为“便携式燃料电池系统”公开了一种便携式燃料电池系统，提供了一种可用于便携式移动电源的燃料电池系统，采用了硼氢化钠氢发生系统、直流稳压器、直流交流逆变器、离子交换膜燃料电池电堆、风机以及开关、管道和阀门。采用这种形式的便携式储能电池，不能像常用的二次电池那样方便地充电，需要一次性使用的制氢化学药剂，体积和质量较大，成本较高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种新的再生燃料电池装置，该再生燃料电池装置兼顾了燃料电池模式和水电解模式的特点，并具有很好的便携性，不需要额外的制氢化学药剂。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

一种再生燃料电池装置，包括依次紧密叠放设置的第一绝缘板、氧电极集电板、氧电极流场板、膜电极、氢电极集电板、储氢材料室、第二绝缘板；所述再生燃料电池还包括空气进气管和空气排出管，所述空气进气管和空气排出管的一端与所述氧电极流场板的气体流通通道连通，另一端与外界空气连通；所述再生燃料电池装置还包括风扇，所述风扇被配置成面向所述空气进气管的与外界空气连通的一端。

本发明所提供的再生燃料电池装置可以分别以水电解模式或者燃料电池模式进行工作。

所述的水电解模式是这样进行充电运行的，外部220V交流电通过交流直流转换器与再生燃料电池相连，通过向再生燃料电池通入水，在电催化剂的作用下，产生氢气，氢气直接储存在储氢材料室中；风扇在储氢的过程中起到冷却散热的作用。

所述的燃料电池模式是这样进行放电运行的，辅助电源启动风扇，通过风扇吹入空气；氢气从储氢材料中释放出来，储氢材料室常温平衡的氢气与空气中氧气在电催化剂的作用下发生电化学反应，产生电能和热能，经过单向二极管向外部输出直流电，供负载使用；储氢材料吸收燃料电池释放产生的热量，加快释放氢气，从而加快产生电能(即电流增加)，直至达到外部负载所需。

本发明所提供的再生燃料电池装置利用与燃料电池主体连成一体的储氢材料室作为储能系统。在水电解模式时，使其产生的氢气储存在储氢材料室中，相当于二次电池的充电过程；而在需要提供电能时，氢气从储氢材料中释放出来，作为燃料电池原料，进行放电，与二次电池的放电过程十分相似。本发明所提供的再生燃料电池还利用风扇促进空气在氧电极流场板中的流通，使得在放电模式时，有更多的氧气参与反应。风扇在储氢的过程中还能起到冷却散热的作用。

优选地，本发明提供的再生燃料电池装置中的膜电极是由依次紧密叠放的氧电极扩散层、氧电极催化层、质子交换膜、氢电极催化层、氢电极扩散层通过热压形成的多层结构。

优选地，本发明提供的再生燃料电池装置还包括第一端板和第二端板，所述第一端板紧密叠放于所述第一绝缘板，所述第二端板紧密叠放于第二绝缘板；所述的再生燃料电池装置还包括螺栓，所述螺栓贯穿所述第一端板和所述第二端板将所述的第一端板、第一绝缘板、氧电极集电板、氧电极流场板、膜电极、氢电极集电板、储氢材料室、第二绝缘板、第二端板压紧。

优选地，本发明提供的再生燃料电池装置中的储氢材料室为内装有储氢材料的一面开口的盒体，所述氢电极集电板与所述盒体的开口面紧密叠放设置。所述的储氢材料优选颗粒状的储氢材料，更优选的储氢材料是镁基储氢合金材料。

优选地，本发明提供的再生燃料电池装置中的空气进气管位于所述空气排出管的上方。

优选地，本发明提供的再生燃料电池装置还包括氢电极排水管，所述氢电极排水管安装于所述储氢材料室的底部。

本发明还提供一种再生燃料电池系统，包括本发明所提供的再生燃料电池装置。

本发明采用再生燃料电池进行储能，尤其用于各种便携式电源的使用场合。与现有二次充电电池技术相比，本发明采用再生燃料电池的原理，虽然本燃料电池的输入和输出均为电能，但中间过程是以化学形式(氢)储能。

本发明提供的再生燃料电池装置和系统通过燃料电池主体与储氢材料的一体化，解决气体氢气不易储存问题，实现了再生燃料电池储能的轻便紧凑。与现有的二次充电电池技术相比，具有比能量高，使用和循环寿命长，轻便紧凑，清洁环保等众多优点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以使本领域的技术人员充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明再生燃料电池装置主体的结构示意图；

图2是本发明的氧电极流场板的结构示意图；

图3是本发明的氢电极集电板的结构示意图；

图4为本发明再生燃料电池系统的结构示意图。

图1中：1-开关；21-第一延时开关；22-第二延时开关；31-第一节点；32-第二节点；33-第三节点；34-第四节点；4-辅助电源；5-单向二极管；6-交流直流转换器；7-外部220V交流电输入端；8-风扇；9-燃料电池主体；10-直流电源输出端。

图2中：923-第一端板；920-第一绝缘板；919-氧电极集电板；916-氧电极流场板；914-氧电极扩散层；912-氧电极催化层；911-质子交换膜；913-氢电极催化层；915-氢电极扩散层；917-氢电极集电板；918-储氢材料室；921-第二绝缘板；922-第二端板；924-空气进气管；925-空气排出管；926-氢电极排水管。

具体实施方式

图1示出了本发明所提供的再生燃料电池装置的主体的一种具体实施方式。如图1所示，该实施方式中的再生燃料电池装置的主体即燃料电池主体包括依次紧密叠放设置的第一端板923、第一绝缘板920、氧电极集电板919、氧电极流场板916、膜电极、氢电极集电板917、储氢材料室918、第二绝缘板921、第二端板922；其中，膜电极是由依次紧密叠放的氧电极扩散层914、氧电极催化层912、质子交换膜911、氢电极催化层913、氢电极扩散层915通过热压形成的多层结构。该实施方式中的再生燃料电池主体还包括空气进气管924，空气排出管925。该实施方式中的燃料电池主体还包括氢电极排水管926，安装于储氢材料室918的底部，用于排出其中积累的水分。该再生燃料电池装置还包括螺栓(图中未示出)，螺栓贯穿第一端板和第二端板将第一端板、第一绝缘板、氧电极集电板、氧电极流场板、膜电极、氢电极集电板、储氢材料室、第二绝缘板、第二端板压紧。螺栓数量为两个，分别安装于第一端板和第二端板的两端。

储氢材料室918为一面开口的盒体，内储存颗粒状储氢材料，氢电极集电板与盒体的开口面紧密叠放设置。储氢材料是储氢容量较高的金属储氢材料，优选为镁基储氢合金材料，如镁基储氢合金中的MgNi、Mg₂Ni_1-xZr_x、MgH等材料。

图2示出了本发明的氧电极流场板的一种具体实施方式。如图2所示，该实施方式中的氧电极流场板由金属或者石墨材料平板，经过机械加工，在其表面上形成蛇形流道或者平行流道，作为空气或者氧气流动通道。

图3示出了本发明的氢电极集电板的一种具体实施方式。如图3所示，该实施方式中的氢电极集电板是导电性能良好的金属铜板，并且在其上密集加工了直径2-3毫米通孔，为氢气提供通道。

图4示出了本发明所提供的再生燃料电池系统的一种具体实施方式。如图4所示，该实施方式中的再生燃料电池系统包括再生燃料电池装置，再生燃料电池装置包括燃料电池主体9和风扇8，该实施方式中的再生燃料电池系统还包括开关1、第一延迟开关21、第二延迟开关22、第一节点31、第二节点32、第三节点33、第四节点34、辅助电源4、单向二极管5、交流直流转换器6、外部220V交流电输入端7、直流电源输出端10。

其中，辅助电源4与风扇8之间通过电路连接(图中未示出)。交流直流转换器6的输入端与外部220V交流电输入端7连接，交流直流转换器6的输出端的正极与第一节点31通过导线连接，第一节点31与再生燃料电池装置的正极、单向二极管5的输入端通过导线连接，单向二极管5的输出端与第二节点32通过导线连接，第二节点32分别与辅助电源4的负极、第三节点33通过导线连接，第三节点33分别与第一节点31、直流电源输出端10的正极通过导线连接；交流直流转换器6的输出端的负极与第四节点34通过导线连接，第四节点34分别与再生燃料电池装置的负极、直流电源输出端10的负极、辅助电源4的负极通过导线连接；开关1设置在连接第二节点32和第三节点33的导线上；第一延时开关21设置在连接第二节点32和第三节点33的导线上，并且位于开关1和第三节点13之间；第二延时开关22设置在连接第一节点31和第三节点33的导线上。

另外，风扇8配置成面向燃料电池主体9的空气进气管的与外界空气连通的一端。

以上具体实施方式中的再生燃料电池装置和系统的工作过程如下：

放电过程：按下开关1，辅助电源4为风扇8供电，风扇8启动，向再生燃料电池主体吹入空气，吹入的空气与生成的水从氧电极流场板下部的空气排出管排出。空气中的氧气与储氢材料室的氢气发生电化学作用，再生燃料电池开始发电；五秒钟后第一延时开关21断开，同时第二延时开关22合上，由再生燃料电池发出的电力通过再生燃料电池的正极和负极为风扇8供电，同时通过单向二极管5向直流电源输出端10输出电力；定期打开储氢材料室918下方的氢电极排水管926的开关，排除其中积累的水分。

充电时过程：打开氧电极流场板916中部排气孔开关，再打开供水开关(图中未示出)向氧电极流场板916供给纯净水，然后接通外部220V交流电输入端7，经过交流直流转换器6转换成直流后，为水电解、辅助电源4以及风扇8供电。膜电极把水电解，产生的氧气直接排向大气，氢气则直接为储氢材料室918内的储氢材料吸收；风扇8吹入的冷风起到冷却作用，有利于储氢材料吸收氢气。

本发明利用燃料电池作为便携电子产品的电源，其储氢材料采用镁基储氢合金，镁基储氢合金具有储氢容量高、资源丰富以及价格低廉的特点。MgNi能吸收质量分数3.6％的氢形成Mg:NiH氢化物相，MgH理论储氢质量分数达7.7％。相对于通常储氢应用来说，镁基储氢合金存在放氢温度高(一般为250～300℃)，放氢动力学性能较差。由于不需要较高的放氢动力学速率，只要保持氢气压力略高于环境大气压力即可，因此在30～50℃条件下镁基储氢合金放氢能够满足本发明中燃料电池发电需要。通过实施例表明，利用镁基储氢合金作为储氢材料的燃料电池，其比能量比一般的二次电池(如锂电池、铅酸电池)高，且其运行中无污染，实现了能源的高利用率。

实施例1

本实施例采用MgNi储氢合金，其储氢容量按3％计算，100克MgNi储氢合金可以储氢3克氢气，相当于标准状态下的33升氢气，可以发电3000W分钟(50WHr)，再考虑到燃料电池和辅助部分重量200克，总计重量300克。这样折算成系统的比能量是50/0.3，即167WHr/kg。

通过上述的实施例，系统的比能量约为167WHr/kg，而通常锂电池的比能量是120WHr/kg以下，这样本发明的比能量高出39％。如果仅增加MgNi储氢材料重量，燃料电池和辅助系统重量不需要增加，还可以进一步提高比能量。例如，储氢材料增加到200克，此时电池的比能量是100/0.4＝250WHr/kg。

实施例2

本实施例采用MgNi储氢合金，其储氢容量按3.5％计算，100克储氢材料可以储氢3.5克氢气，相当于标准状态下的38.5升氢气，可以发电3500W分钟(58WHr)，再考虑到燃料电池和辅助部分重量200克，总计重量300克。这样折算成系统的比能量是58/0.3＝193WHr/kg，。

通过上述的实施例，系统的比能量约为193WHr/kg，而通常锂电池的比能量是120WHr/kg以下，这样本发明的比能量高出61％。如果仅增加储氢材料重量，燃料电池和辅助系统重量不需要增加，还可以进一步提高比能量。例如，储氢材料增加到200克，此时电池的比能量是116/0.4＝290WHr/kg。而通常锂电池的比能量是120WHr/kg以下，这样本发明的比能量高出142％。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种再生燃料电池装置，其特征在于，包括依次紧密叠放设置的第一绝缘板、氧电极集电板、氧电极流场板、膜电极、氢电极集电板、储氢材料室、第二绝缘板；所述再生燃料电池还包括空气进气管和空气排出管，所述空气进气管和空气排出管的一端与所述氧电极流场板的气体流通通道连通，另一端与外界空气连通；所述再生燃料电池装置还包括风扇，所述风扇被配置成面向所述空气进气管的与外界空气连通的一端；所述的储氢材料室为内装有储氢材料的一面开口的盒体，所述氢电极集电板与所述盒体的开口面紧密叠放设置；所述氢电极集电板是具有直径为2-3毫米通孔的金属铜板；所述再生燃料电池装置还包括氢电极排水管，所述氢电极排水管安装于所述储氢材料室的底部；

所述氧电极流场板的表面具有蛇形流道或平行流道，且采用金属或石墨材料制造；

所述的再生燃料电池装置还包括第一端板和第二端板，所述第一端板紧密叠放于所述第一绝缘板，所述第二端板紧密叠放于第二绝缘板；所述的再生燃料电池装置还包括螺栓，所述螺栓贯穿所述第一端板和所述第二端板将所述的第一端板、第一绝缘板、氧电极集电板、氧电极流场板、膜电极、氢电极集电板、储氢材料室、第二绝缘板、第二端板压紧。

2.如权利要求1所述的再生燃料电池装置，其中，所述膜电极是由依次紧密叠放的氧电极扩散层、氧电极催化层、质子交换膜、氢电极催化层、氢电极扩散层,通过热压形成的多层结构。

3.如权利要求1所述的再生燃料电池装置，其中，所述的储氢材料是颗粒状的储氢材料。

4.如权利要求1所述的再生燃料电池装置，其中，所述储氢材料是镁基储氢合金材料。

5.如权利要求1所述的再生燃料电池装置，其中，所述空气进气管位于所述空气排出管的上方。

6.一种再生燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的再生燃料电池装置。

7.根据权利要求6所述的再生燃料电池系统，其中，所述的再生燃料电池系统还包括开关、第一延迟开关、第二延迟开关、第一节点、第二节点、第三节点、第四节点、辅助电源、单向二极管、交流直流转换器、外部220V交流电输入端、直流电源输出端；

其中，辅助电源与风扇之间通过电路连接；交流直流转换器的输入端与外部220V交流电输入端连接，交流直流转换器的输出端的正极与第一节点通过导线连接，第一节点与再生燃料电池装置的正极、单向二极管的输入端通过导线连接，单向二极管的输出端与第二节点通过导线连接，第二节点分别与辅助电源的负极、第三节点通过导线连接，第三节点分别与第一节点、直流电源输出端的正极通过导线连接；交流直流转换器的输出端的负极与第四节点通过导线连接，第四节点分别与再生燃料电池装置的负极、直流电源输出端的负极、辅助电源的负极通过导线连接；开关设置在连接第二节点和第三节点的导线上；第一延时开关设置在连接第二节点和第三节点的导线上，并且位于开关和第三节点之间；第二延时开关设置在连接第一节点和第三节点的导线上。