CN105720288A - 一种内重整燃料电池电堆 - Google Patents

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Abstract

一种内重整燃料电池电堆，所述电堆由2节以上单电池以串联方式叠加而成；所述单电池包括依次叠合的阳极极板、膜电极和阴极极板；所述相邻2节单电池的相邻的阳极极板与阴极极板间具有一燃料重整腔；所述燃料重整腔内含有重整催化剂；所述燃料重整腔具有一重整燃料入口和一重整气出口。与现有技术相比，本发明于传统的燃料电堆的冷却介质腔内置入重整催化剂，将重整气出口直接与电堆阳极入口相连，控制燃料电池反应放热同重整反应吸热的热量匹配，实现电堆内部重整，省略了外部重整器及冷却循环装置，极大简化系统结构。实现了热量的高效利用，提高了重整燃料电池的系统效率。

Description

一种内重整燃料电池电堆
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种实现电堆内部重整的燃料电池电堆。
背景技术
燃料电池是一类将燃料化学能直接转换为电能的能量转化装置，具有效率高、无污染、噪音低等诸多优势，在动力电源、备用电源及移动电源领域应用前景广阔。
氢气是燃料电池的首选燃料，但由于目前氢气在制备、存储、运输等方面存在诸多问题，限制了其大规模应用。使用液态燃料(甲醇、乙醇、柴油等)重整制氢是行至有效的解决办法。甲醇作为最简单的小分子醇，价廉易得，重整温度低，产氢浓度高、杂质少，使得甲醇重整受到人们的广泛关注。
目前甲醇重整燃料电池可分为两类：一是外部重整，重整器是独立的，甲醇经过重整器生成氢气后进入燃料电池电堆，此类结构热效率较低，因甲醇重整是吸热反应，电堆是放热的，二者之间的热匹配及换热是设计难点；二是内重整，将重整催化剂复合到燃料电池的膜电极中，在膜电极内部同时发生甲醇重整和氢气电氧化反应，此类结构热效率较高，但对膜电极制备工艺繁琐，质量控制难度大。
发明内容
针对以上问题，本发明目的在于提供一种极板内重整燃料电池电堆。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种内重整燃料电池电堆，所述电堆由N节单电池以串联方式叠加而成，N为大于等于2的自然数；所述电堆包括一阳极入口和一阴极入口；所述单电池包括依次叠合的阳极极板、膜电极和阴极极板；
所述相邻2节单电池的相邻的阳极极板与阴极极板间具有一燃料重整腔；
所述燃料重整腔内含有重整催化剂；所述燃料重整腔具有一重整燃料入口和一重整气出口；
所述重整气出口与所述阳极入口相连通。
位于所述电堆两端的单电池远离电堆的外侧具有电堆端板，所述电堆端板与与其相邻的阳极极板或阴极极板间具有燃料重整腔。
所述重整催化剂为壁载型催化剂、颗粒状催化剂或构件化催化剂。
所述重整催化剂为壁载型催化剂时，催化剂附着于重整腔内壁面上；所述重整催化剂为颗粒状催化剂或构件化催化剂时，催化剂填充于重整腔内部。
所述相邻2节单电池的相邻的阳极极板与阴极极板为一体化双极板结构；所述燃料重整腔置于所述双极板内部。
所述2个以上的燃料重整腔的重整燃料入口相连通；所述2个以上的燃料重整腔的重整气出口相连通。
所述重整腔中的重整反应为甲醇重整、二甲醚重整、乙醇重整、甲烷重整、柴油重整中的一种，所述甲醇重整、二甲醚重整、乙醇重整、甲烷重整、柴油重整对应的重整催化剂为甲醇重整催化剂、二甲醚重整催化剂、乙醇重整催化剂、甲烷重整催化剂或柴油重整催化剂。
所述甲醇重整催化剂为Cu/ZnO、Cu-ZnO/Al2O3、Cu/ZrO2、Cu/Zn/Al、Pd/ZnO、PdZn/Al2O3、Pt/SiO2、Pt/Al2O3、PtRh/Al2O3、Ru/ZnO中的一种或两种以上。
所述二甲醚重整催化剂为Ce/ZrO2、CuFe2O4、CuMn2O4、CuCr2O4、CuGa2O4、CuAl2O4、Cu(Fe0.75Mn0.25)2O4、ZnO-ZnCr2O4/TiO2-Al2O3、CuMn2O4/HZMS-5中的一种或两种以上。
所述乙醇重整催化剂为Co/Al2O3、Co/CeO2Co/ZrO3、Pt/Al2O3、Ru/Al2O3、PtRu/Al2O3、NiCu/ZrO2中的一种或两种以上。
所述燃料电池电堆运行温度不低于最佳重整反应温度，或最佳重整反应温度与所述燃料电池运行温度的差值不大于50℃。
与现有技术相比，本发明于传统的燃料电堆的冷却介质腔内置入重整催化剂，将重整气出口直接与电堆阳极入口相连，控制燃料电池反应放热同重整反应吸热的热量匹配，实现电堆内部重整，省略了外部重整器及冷却循环装置，极大简化系统结构。实现了热量的高效利用，提高了重整燃料电池的系统效率。
附图说明
图1为外置式甲醇重整燃料电池示意图。
其中，110为外部重整器；120为燃料电池电堆；101为空气泵；102为液泵；103为冷却水(或冷却剂)循环泵；104为散热器；131为阴极入口；132为阳极入口；133为阳极出口；134为阴极出口；135为冷却介质入口；136为冷却介质出口。
图2为传统重整燃料电池电堆内一节单电池的剖面图。
其中210为膜电极；201为阳极极板阳极反应侧内表面，即阳极反应流道；202为阴极极板阴极反应侧内表面，即阴极反应流道；203为冷却介质腔内表面流道。
图3为内重整燃料电池电堆内一节单电池的剖面图。
其中210为膜电极；201为阳极极板阳极反应侧内表面，即阳极反应流道；202为阴极极板阴极反应侧内表面，即阴极反应流道；310为重整腔内表面；301为重整催化剂。
图4是内重整燃料电池电堆双极板的示意图。
其中400为双极板；201为阳极极板阳极反应侧内表面，即阳极反应流道；202为阴极极板阴极反应侧内表面，即阴极反应流道；300为重整腔；301为重整催化剂。
图5是内重整燃料电池电堆的示意图。
其中120为燃料电池电堆；101为空气泵；102为液泵；131为阴极进口；132为阳极进口；133为阳极出口；134为阴极出口；501为重整燃料入口；502为重整气出口。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细的描述。当然本发明并不仅限于下述具体的实施例。
实施例1：
膜电极采用Advent公司TPS膜电极，电极面积为45cm2。双极板由冲压有气体流道的两张不锈钢单极板结合而成，两个单极板的气体流道背面构成燃料重整腔，燃料重整腔与膜电极平行方向具有重整燃料入口和重整气出口，重整燃料入口和重整气出口位于重整腔的相对两侧。燃料重整腔内表面均匀涂覆有壁载型Cu-ZnO/Al2O3甲醇重整催化剂，载量为50mg/cm2。将端板、密封垫、膜电极、两片相对的单极板依次排列，使用螺杆紧固栓牢组成由5个单电池组成的电堆。5个单电池燃料重整腔入口相互连通构成一系统燃料重整腔入口，5个单电池重整气出口相互连通构成一系统重整气出口。
重整腔的燃料为60％甲醇40％水，通入重整腔入口之前先将其加热汽化，重整气出口与电堆阳极入口相连通，电堆阴极入口通入空气，采用电子负载对重整燃料电池电堆性能进行测试。
实施例2：
双极板由两个石墨单极板结合而成，石墨极板气体流道背面有重整流道。重整流道内填充有颗粒状PdZn/Al2O3甲醇重整催化剂颗粒。将端板、密封垫、膜电极、双极板依次排列，使用螺杆紧固栓牢组成电堆。

Claims (11)

1.一种内重整燃料电池电堆，其特征在于：所述电堆由N节单电池以串联方式叠加而成，N为大于等于2的自然数；所述电堆包括一阳极入口和一阴极入口；所述单电池包括依次叠合的阳极极板、膜电极和阴极极板；
所述相邻2节单电池的相邻的阳极极板与阴极极板间具有燃料重整腔；
所述燃料重整腔内含有重整催化剂；所述燃料重整腔具有一重整燃料入口和一重整气出口；重整燃料入口与燃料供应装置的燃料出口相连；
所述重整气出口与所述阳极入口相连通。
2.如权利要求1所述内重整燃料电池电堆，其特征在于：位于所述电堆两端的单电池远离电堆的外侧具有电堆端板，所述电堆端板与与其相邻的阳极极板或阴极极板间具有燃料重整腔。
3.如权利要求1所述内重整燃料电池电堆，其特征在于：所述重整催化剂为壁载型催化剂、颗粒状催化剂或构件化催化剂。
4.如权利要求3所述内重整燃料电池电堆，其特征在于：所述重整催化剂为壁载型催化剂时，催化剂附着于重整腔内壁面上；所述重整催化剂为颗粒状催化剂或构件化催化剂时，催化剂填充于重整腔内部。
5.如权利要求1所述内重整燃料电池电堆，其特征在于：所述相邻2节单电池的相邻的阳极极板与阴极极板为一体化双极板结构；所述燃料重整腔置于所述双极板内部。
6.如权利要求1所述内重整燃料电池电堆，其特征在于：所述2个以上的燃料重整腔的重整燃料入口相连通；所述2个以上的燃料重整腔的重整气出口相连通。
7.如权利要求1所述内重整燃料电池电堆，其特征在于：所述重整腔中的重整反应为甲醇重整、二甲醚重整、乙醇重整、甲烷重整、柴油重整中的一种，所述甲醇重整、二甲醚重整、乙醇重整、甲烷重整、柴油重整对应的重整催化剂为甲醇重整催化剂、二甲醚重整催化剂、乙醇重整催化剂、甲烷重整催化剂或柴油重整催化剂。
8.如权利要求7所述内重整燃料电池电堆，其特征在于：所述甲醇重整催化剂为Cu/ZnO、Cu-ZnO/Al2O3、Cu/ZrO2、Cu/Zn/Al、Pd/ZnO、PdZn/Al2O3、Pt/SiO2、Pt/Al2O3、PtRh/Al2O3、Ru/ZnO中的一种或两种以上。
9.如权利要求7所述内重整燃料电池电堆，其特征在于：所述二甲醚重整催化剂为Ce/ZrO2、CuFe2O4、CuMn2O4、CuCr2O4、CuGa2O4、CuAl2O4、Cu(Fe0.75Mn0.25)2O4、ZnO-ZnCr2O4/TiO2-Al2O3、CuMn2O4/HZMS-5中的一种或两种以上。
10.如权利要求7所述内重整燃料电池电堆，其特征在于：所述乙醇重整催化剂为Co/Al2O3、Co/CeO2Co/ZrO3、Pt/Al2O3、Ru/Al2O3、PtRu/Al2O3、NiCu/ZrO2中的一种或两种以上。
11.如权利要求1所述内重整燃料电池电堆，其特征在于：所述燃料电池电堆运行温度不低于最佳重整反应温度，或最佳重整反应温度与所述燃料电池运行温度的差值不大于50℃。
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