CN113113647B - 一种用于氢氧燃料电池的阳极组件及氢氧燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于氢氧燃料电池的阳极组件及氢氧燃料电池，阳极组件包括阳极板以及供氢组件，包括形成流道的容置件及脱氢催化剂，液体氢化物于所述流道内穿流并经过所述脱氢催化剂，所述供氢组件的供氢口与所述阳极板的氢气入口连通；其中，所述供氢口与所述脱氢催化剂位置相对应。本发明提供一种简单、集成的氢氧燃料电池，该电池集成了脱氢反应组件，可通过液体氢化物直接脱氢、然后供氢的方式，解决氢氧燃料电池在应用过程中的储氢、用氢问题。

Description

一种用于氢氧燃料电池的阳极组件及氢氧燃料电池

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及到一种用于氢氧燃料电池的阳极组件及氢氧燃料电池。

背景技术

氢氧燃料电池是一种将氢燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，其能量转化率高且反应产物只有水，具有高效、环保的优点，已经在商用汽车中进行了推广，且已有成品氢氧燃料电池汽车上市。

由于氢气固有的低密度，其储存和运输的成本相对常规燃料要高许多。为了保证足够的氢燃料供给，常见的策略是在燃料电池汽车中内置高压氢气罐，通过后续在加氢站高压加氢或者直接更换车内的高压氢气罐，实现氢氧燃料电池汽车持续、稳定运行，并尽可能实现与普通燃油汽车一致的续航里程。尽管目前国内外的部分城市已经布局了一些加氢站，但是其数量少、分布散，用户使用不便捷；与此同时，采用高压氢气罐亦会使氢氧燃料电池商用化时的安全成本增加，且潜在的安全风险系数增大。而将氢气以液体的形式储存和输运是解决上述问题的优选方案。常见的方式即通过催化加氢反应，将氢气储存在有机液体或者无机液体中；当需要供给氢气时，再通过催化脱氢反应将氢气释放出来。此种方式储氢量较大，例如，当采用环己烷作为储氢介质时，其氢气容量可达56g/L，当采用氨硼烷时，氢气储量可达153g/L。与此同时，由于氢气是以稳定液体氢化物的形式存在，其可以直接使用目前市面上加油站的储油罐和加油装置，可在方便氢氧燃料电池推广的同时大大降低运营成本。

目前，氢氧燃料电池的设计结构均是直接通入氢气和空气进行反应并产电。而当采用液体氢化物储存和运输氢气时，也是通过脱氢反应释放氢气后在通过加氢站供给商用氢氧燃料电池汽车使用，未能解决实际燃料电池汽车本身对储氢、加氢的应用需求和安全需求。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

本发明的目的是提供一种用于氢氧燃料电池的阳极组件，集成了脱氢反应组件，可通过液体氢化物直接脱氢、然后供氢的方式，解决氢氧燃料电池在应用过程中的储氢、用氢问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种用于氢氧燃料电池的阳极组件，包括，

阳极板；以及，

供氢组件，包括形成流道的容置件及脱氢催化剂，液体氢化物于所述流道内穿流并经过所述脱氢催化剂，所述供氢组件的供氢口与所述阳极板的氢气入口连通；

其中，所述供氢口与所述脱氢催化剂位置相对应。

作为本发明用于氢氧燃料电池的阳极组件的一种优选方案，其中：所述阳极板上设有氢气流场流道，所述氢气入口和氢气出口设置于所述阳极板的两侧并与所述氢气流场流道连通；

其中，所述供氢口覆盖所述氢气入口。

作为本发明用于氢氧燃料电池的阳极组件的一种优选方案，其中：所述氢气流场流道贯穿所述阳极板，并分别于所述阳极板表面形成所述氢气入口和所述氢气出口。

作为本发明用于氢氧燃料电池的阳极组件的一种优选方案，其中：所述容置件内设有凹腔以及与所述凹腔连通的液体入口和液体出口，所述液体入口、所述液体出口和所述凹腔形成所述流道，所述凹腔的开口端形成所述供氢口；

所述脱氢催化剂置于所述凹腔内。

作为本发明用于氢氧燃料电池的阳极组件的一种优选方案，其中：所述凹腔的中部宽度大于所述凹腔的两端宽度，所述液体入口和所述液体出口分别与所述凹腔的两端连通；

所述脱氢催化剂与所述凹腔的两端之间留有间隙。

作为本发明用于氢氧燃料电池的阳极组件的一种优选方案，其中：所述氢气流场流道于所述阳极板上设置多个并相互连通；

所述阳极板上还设有与所述氢气流场流道连通的循环入口和循环出口。

作为本发明用于氢氧燃料电池的阳极组件的一种优选方案，其中：所述阳极板与所述容置件之间由质子交换膜隔离；

所述质子交换膜覆盖所述氢气入口。

本发明的另一个目的是提供一种氢氧燃料电池，包括，

阳极，所述阳极由上述任一所述的阳极组件构成；

阴极；以及，

膜电极，所述膜电极位于所述阳极与所述阴极之间。

作为本发明氢氧燃料电池的一种优选方案，其中：所述膜电极包括依次设置的阳极气体扩散层、阳极催化剂层、离子交换膜、阴极催化剂层和阴极气体扩散层；

所述阳极气体扩散层覆盖所述阳极的氢气出口；所述阴极气体扩散层覆盖所述阴极的空气出口。

作为本发明氢氧燃料电池的一种优选方案，其中：所述阴极具有空气流场流道以及与所述空气流场流道连通的阴极入口和阴极出口；

所述空气出口与所述空气流场流道连通。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过集成脱氢反应组件，采用液体氢化物直接供氢，具有氢气含量高、储运方便、安全性高。首先，由于采用直接液体氢化物脱氢和供氢，系统集成度更高，能量损耗更小；其次，由于液体氢化物可以直接通过加入汽车的储液箱中，而规避使用高压氢气瓶，安全性得以提高；与此同时，液体氢化物可以直接使用现有加油站中的储油罐和加油装置，稍作改善即可商业应用，可大大降低推广成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明实施例1中阳极组件应用于氢氧燃料电池系统中的结构示意图。

图2为本发明实施例2中用于氢氧燃料电池的阳极组件的剖视图。

图3为本发明供氢组件的结构示意图。

图4为本发明实施例3中阳极板的结构示意图。

图5为本发明氢氧燃料电池的整体结构剖视图。

图6为图5的爆炸图。

图7为本发明氢氧燃料电池的立体图。

图8为本发明氢氧燃料电池工作时的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1、图2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种用于氢氧燃料电池的阳极组件，本实施例的阳极组件可应用于目前已知的氢氧燃料电池系统中，主要作用是向氢电极供应氢气，阴极则向氧电极供应氧气，氢在阳极上的催化剂的作用下分解成正离子H⁺和电子e^-，氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向阴极，用电的负载接在外部电路中。在阴极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达阴极上的电子形成水。这是氢氧燃料电池的工作过程。

本实施例的阳极组件包括阳极板101和供氢组件102，供氢组件102用于向阳极板101供应氢气，阳极板101则汇集氢气并向阳极催化剂供应氢气。

具体的，供氢组件102包括形成流道S1的容置件102a及脱氢催化剂102b，液体氢化物于流道S1内穿流并经过脱氢催化剂102b，液体氢化物经催化剂催化后释放出氢气；供氢口N1与脱氢催化剂102b位置相对应，供氢组件102的供氢口N1与阳极板101的氢气入口N2连通，释放出的氢气从供氢口N1排出，并最终通过氢气入口N2进入阳极板101内。

其中，阳极板101上设有氢气流场流道S2，氢气入口N2和氢气出口N3设置于阳极板101的两侧并与氢气流场流道S2连通，氢气通过于氢气入口N2进入氢气流场流道S2内汇集，经扩散后从氢气出口N3向阳极催化剂供应氢气；其中，供氢口N1覆盖氢气入口N2，即从供氢口N1释放出的氢气能够全部进入氢气入口N2。

需要说明的是，脱氢催化剂102b为有序孔结构催化剂，由有序孔骨架和催化剂颗粒组成；有序孔骨架可为泡沫金属结构如泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛等，也可为多孔碳材料；催化剂颗粒可为单金属催化剂如铂、钯、钌、镍、锡等，也可为合金催化剂如铂锡、铂钌、铂镍、钯镍、钯锡等；通过有序孔骨架自身丰富、定向的孔隙，可将液体氢化物经催化剂催化后释放的氢气有效脱离，促进燃料氢气向阳极催化剂的供给；

液体氢化物为具有储氢-脱氢功能的液体材料，可为有机液体如乙基咔唑、环烷等；也可为无机液体如氨硼烷、肼硼烷等；

容置件102a的材质具有耐化学腐蚀性、可在200℃下可靠运行、抗老化性，可选择的材料有聚四氟乙烯PTFE、聚醚醚酮PEEK等。

实施例2

参照图2、图3，该实施例不同于第一个实施例的是：氢气流场流道S2贯穿阳极板101，并分别于阳极板101表面形成氢气入口N2和氢气出口N3；具体的，氢气流场流道S2沿厚度方向贯穿，于阳极板101表面的贯穿口则分别形成氢气入口N2和氢气出口N3，氢气流场流道S2可以一个或多个，多个氢气流场流道S2则有利于氢气的扩散，更均匀的向阳极催化剂供应；阳极催化剂紧贴阳极板101并覆盖全部的氢气出口N3，经氢气流场流道S2扩散后的氢气从氢气出口N3直接向阳极催化剂供应，则可构成结构紧凑的氢氧燃料电池。

应说明的是，容置件102a内设有凹腔102a-1以及与凹腔102a-1连通的液体入口102a-2和液体出口102a-3，液体入口102a-2、液体出口102a-3和凹腔102a-1形成流道S1，凹腔102a-1于容置件102a的一侧表面形成开口，凹腔102a-1的开口端形成供氢口N1，脱氢催化剂102b置于凹腔102a-1内；液体氢化物从液体入口102a-2进入凹腔102a-1内，接触脱氢催化剂102b经催化剂催化后释放出氢气，从凹腔102a-1的开口端排出，液体氢化物则从液体出口102a-3流出。

本实施例的容置件102a以供氢口N1与阳极板101的氢气入口N2相对应的方式紧贴阳极板101表面，氢气入口N2可以一个或多个，供氢口N1则覆盖全部的氢气入口N2。

如上所述，氢气流场流道S2可以形成一个氢气入口N2、多个氢气出口N3的结构；也可以形成多个氢气入口N2、多个氢气出口N3的结构；优选的是多个相互平行的氢气流场流道S2沿厚度方向贯穿阳极板101，从而形成多个氢气入口N2与多个氢气出口N3相互对应。

实施例3

参照图2至图4，该实施例不同于上述实施例的是：多个氢气流场流道S2相互连通；阳极板101上还设有与氢气流场流道S2连通的循环入口101a和循环出口101b。

如图4所示，本实施例的多个氢气流场流道S2呈蛇形平行分布，循环入口101a和循环出口101b分别与蛇形流道的两端连通，循环物质于蛇形流道内单向穿流。

循环入口101a和循环出口101b之间通过外接气体循环泵400、气液分离器500实现氢气流场流道S2内气体循环以及液体排除，一方面可使气体均匀分布、强化扩散，另一方面也可通过促进水的排出，防止催化层水淹导致的电池效能下降问题。

需要说明的是，阳极板101与容置件102a之间由质子交换膜103隔离；质子交换膜103覆盖氢气入口N2；质子交换膜103为透气隔液膜，可在不影响氢气传输的情况下隔绝液体氢化物，防止由于液体渗透导致的氢气扩散受限；质子交换膜103的材料可选择聚四氟乙烯PTFE、聚砜PSF、聚偏氟乙烯PVDF、尼龙PA等。

实施例4

参照图3，该实施例不同于上述实施例的是：凹腔102a-1的中部宽度大于凹腔102a-1的两端宽度，凹腔102a-1中部至凹腔102a-1两端的宽度呈连续过渡，液体入口102a-2和液体出口102a-3分别与凹腔102a-1的两端连通，即在液体入口102a-2和液体出口102a-3处分别形成喇叭状结构；脱氢催化剂102b置于凹腔102a-1的中部，脱氢催化剂102b的两端与凹腔102a-1的两端之间分别留有间隙。

液体氢化物从液体入口102a-2进入凹腔102a-1，从凹腔102a-1的一端向凹腔102a-1的中部扩散，至凹腔102a-1的另一端液体出口102a-3处汇集，通过有序孔骨架自身丰富的孔隙并结合氢气自身的浮生力，可将液体氢化物经催化剂催化后释放的氢气有效脱离。

实施例5

参照图5至图8，本实施例提供了一种氢氧燃料电池，包括阳极100、阴极200和膜电极300，阳极100由上述阳极组件构成；膜电极300位于阳极100与阴极200之间。

具体的，膜电极300包括依次设置的阳极气体扩散层301、阳极催化剂层302、离子交换膜303、阴极催化剂层304和阴极气体扩散层305；阳极催化剂层302和阴极催化剂层304分别与离子交换膜303的两侧接触，并分别构建阳极反应界面和阴极反应界面；离子交换膜303可选用质子交换膜或氢氧根交换膜，阳极催化剂层302所采用的阳极催化剂可为Pt/C、NiFe、Rh、Ir等；阴极催化剂层304所采用的阴极催化剂可为Pt/C、Pd、Pt、Fe/N/C等；阳极气体扩散层301覆盖阳极100的氢气出口N3；阴极气体扩散层305覆盖阴极200的空气出口N4，阳极气体扩散层301和阴极气体扩散层305的材料为具有整平层的疏水多孔碳纸。

阴极200内具有空气流场流道S3以及与空气流场流道S3连通的阴极入口201和阴极出口202，空气出口N4与空气流场流道S3连通，空气从阴极入口201进入空气流场流道S3，经空气流场流道S3扩散后从空气出口N4排出，向向氧电极供应氧气，通过阳极100向氢电极供应氢气，氢在阳极上的催化剂的作用下分解成正离子H⁺和电子e^-，氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向阴极，用电的负载接在外部电路中。在阴极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达阴极上的电子形成水，水最终从阴极出口202排出。空气流场流道S3一方面有利于空气的分散和传输，另一方面也有利于产物水的排出，从而保证氧气均匀、持续的供给。阴极200的材质选择导电性好、抗腐蚀的材料，可为钛、不锈钢等。

具体的，阴极200呈板状，空气流场流道S3与氢气流场流道S2结构相同，并相互对应，例如，氢气流场流道S2呈蛇形平行分布，则空气流场流道S3同样呈蛇形平行分布；阴极入口201和阴极出口202则分别与空气流场流道S3的两端连通呈单向穿流结构。

应理解的是，本实施例的氢氧燃料电池，自上而下依次是阴极200、阴极气体扩散层305、阴极催化剂层304、离子交换膜303、阳极催化剂层302、阳极气体扩散层301、阳极板101、质子交换膜103和容置件102a，脱氢催化剂102b则置于容置件102a的凹腔102a-1内；螺栓600自上而下依次贯穿并锁紧固定，从而形成完整的氢氧燃料电池；当然，阴极200、阴极气体扩散层305、阴极催化剂层304、离子交换膜303、阳极催化剂层302、阳极气体扩散层301、阳极板101、质子交换膜103和容置件102a上均预先开有相对应的螺栓孔。

氢氧燃料电池工作时，向阴极入口201通入空气，经空气流场流道S3扩散后从空气出口N4排出，经阴极气体扩散层305后，向阴极催化剂层304上的阴极催化剂供应氧气；向液体入口102a-2通入液体氢化物，液体氢化物接触脱氢催化剂102b经催化剂催化后释放出氢气，从供氢口N1排出，氢气穿过质子交换膜103进入氢气流场流道S2，经氢气流场流道S2扩散后从氢气出口N3排出，经阳极气体扩散层301后，向阳极催化剂层302上的阳极催化剂供应氢气；同时，循环入口101a和循环出口101b之间通过外接气体循环泵400、气液分离器500实现氢气流场流道S2内气体循环以及液体排除。

氢氧燃料电池工作时，氢在阳极上的催化剂的作用下分解成正离子H⁺和电子e^-，氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向阴极，用电的负载接在外部电路中。在阴极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达阴极上的电子形成水，水最终从阴极出口202排出。

本发明通过集成脱氢反应组件，采用液体氢化物直接供氢，具有氢气含量高、储运方便、安全性高。首先，由于采用直接液体氢化物脱氢和供氢，系统集成度更高，能量损耗更小；其次，由于液体氢化物可以直接通过加入汽车的储液箱中，而规避使用高压氢气瓶，安全性得以提高；与此同时，液体氢化物可以直接使用现有加油站中的储油罐和加油装置，稍作改善即可商业应用，可大大降低推广成本。

本发明通过在阳极腔室集成有序孔结构脱氢催化剂，液体氢化物在释氢过程中形成的气泡可以高效脱离，气泡不会占据催化剂活性位点，有助于氢气向阳极催化剂层的传输。

本发明通过在阳极集流体和阳极腔室之间布置透气隔液膜，一方面透气隔液膜可以保证氢气透过的隔绝液体氢化物的渗透，促进氢气的高效传输；另一方面，由于透气隔液膜同样也能透过水蒸气，而透过水蒸气的自加湿作用可以使离子交换膜的电导率增加，促进电化学反应的进行。

本发明利用设置的阳极集流体、阴极集流板中的流场流道，一方面可通过气体流通的方式强化气体传输、减少反应物向催化层的传质阻力，另一方面流道结构也有助于液体产物的排出，减少由于液体产物富集带来的水淹、浓差损失、气体传输受限等问题。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种结构紧凑的氢氧燃料电池，其特征在于：包括，

阳极（100），所述阳极（100）由阳极组件构成；

阴极（200）；以及，

膜电极（300），所述膜电极（300）位于所述阳极（100）与所述阴极（200）之间；

其中，阳极组件包括阳极板（101）以及供氢组件（102），供氢组件（102）包括形成流道（S1）的容置件（102a）及脱氢催化剂（102b），液体氢化物于所述流道（S1）内穿流并经过所述脱氢催化剂（102b），所述供氢组件（102）的供氢口（N1）与所述阳极板（101）的氢气入口（N2）连通；其中，所述供氢口（N1）与所述脱氢催化剂（102b）位置相对应；

所述阳极板（101）上设有氢气流场流道（S2），所述氢气入口（N2）和氢气出口（N3）设置于所述阳极板（101）的两侧并与所述氢气流场流道（S2）连通；其中，所述供氢口（N1）覆盖所述氢气入口（N2）；

所述氢气流场流道（S2）贯穿所述阳极板（101），并分别于所述阳极板（101）表面形成所述氢气入口（N2）和所述氢气出口（N3）；

所述氢气流场流道（S2）于所述阳极板（101）上设置多个并相互连通；所述阳极板（101）上还设有与所述氢气流场流道（S2）连通的循环入口（101a）和循环出口（101b）；循环入口（101a）和循环出口（101b）之间外接气体循环泵（400）和气液分离器（500）；

所述阳极板（101）与所述容置件（102a）之间由质子交换膜（103）隔离；所述质子交换膜（103）覆盖所述氢气入口（N2）；

所述膜电极（300）包括依次设置的阳极气体扩散层（301）、阳极催化剂层（302）、离子交换膜（303）、阴极催化剂层（304）和阴极气体扩散层（305）；

所述阳极气体扩散层（301）覆盖所述阳极（100）的氢气出口（N3）；所述阴极气体扩散层（305）覆盖所述阴极（200）的空气出口（N4）；

阴极（200）、阴极气体扩散层（305）、阴极催化剂层（304）、离子交换膜（303）、阳极催化剂层（302）、阳极气体扩散层（301）、阳极板（101）、质子交换膜（103）和容置件（102a）依次设置，脱氢催化剂（102b）则置于容置件（102a）的凹腔（102a-1）内；螺栓（600）依次贯穿并锁紧固定，形成完整的氢氧燃料电池；

其中，脱氢催化剂（102b）为有序孔结构催化剂，由有序孔骨架和催化剂颗粒组成；有序孔骨架为泡沫金属结构或多孔碳材料；催化剂颗粒为单金属催化剂或合金催化剂；

液体氢化物为具有储氢-脱氢功能的液体材料，为有机液体或无机液体，有机液体包括乙基咔唑或环烷；无机液体包括氨硼烷或肼硼烷。

2.如权利要求1所述的结构紧凑的氢氧燃料电池，其特征在于：所述容置件（102a）内设有凹腔（102a-1）以及与所述凹腔（102a-1）连通的液体入口（102a-2）和液体出口（102a-3），所述液体入口（102a-2）、所述液体出口（102a-3）和所述凹腔（102a-1）形成所述流道（S1），所述凹腔（102a-1）的开口端形成所述供氢口（N1）；

所述脱氢催化剂（102b）置于所述凹腔（102a-1）内。

3.如权利要求2所述的结构紧凑的氢氧燃料电池，其特征在于：所述凹腔（102a-1）的中部宽度大于所述凹腔（102a-1）的两端宽度，所述液体入口（102a-2）和所述液体出口（102a-3）分别与所述凹腔（102a-1）的两端连通；

所述脱氢催化剂（102b）与所述凹腔（102a-1）的两端之间留有间隙。

4.如权利要求3所述的结构紧凑的氢氧燃料电池，其特征在于：所述阴极（200）具有空气流场流道（S3）以及与所述空气流场流道（S3）连通的阴极入口（201）和阴极出口（202）；

所述空气出口（N4）与所述空气流场流道（S3）连通。

Images