CN113224361B - 一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统，包括金属空气电池、质子交换膜燃料电池、催化剂箱和恒温箱；催化剂箱内盛放有NaBH4水解催化剂，金属空气电池的电解液箱内盛放有碱性电解液和NaBH4溶液，电解液箱、催化剂箱和电堆箱依次通过第一供液管道连通；催化剂箱上端还设有产氢孔，且催化剂箱通过产氢孔和第一供氢管道与质子交换膜燃料电池的供氢孔连接；本发明能利用盛放在电解液箱内的NaBH4溶液在催化剂箱内发生水解反应释放出氢气，不仅解决了NaBH4溶液的存放问题，还能为质子交换膜燃料电池的放电反应提供充足的氢气；在恒温箱的恒温作用下，还能有效的解决质子交换膜燃料电池氢气供应速率的问题，又不影响金属空气电池的正常放电反应。

Description

一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置，其单体电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，阳极和阴极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质；放电工作时相当于一个直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极，具体的：
质子交换膜燃料电池的阳极（电源负极）反应为：2H2-4e→4H+；
质子交换膜燃料电池的阴极（电源正极）反应为：O2+4e+4H+→2H20；
由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极，当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。
近几年,质子交换膜燃料电池使用日益广泛，但是一直缺乏方便、可直接利用的供氢方法和安全、高效、经济、轻便的储氢技术；在专利《一种基于空气电池的一体化发电系统》（CN208819993U）中，将金属空气电池产生的氢气供给质子交换膜燃料电池使用解决了上述供氢和储氢问题，以铝空气电池为例：
铝空气燃料电池水解反应方程式为：2Al+6H20→2Al(OH)3+3H2；
因此，可将铝空气电池反应产生的氢气供给质子交换膜燃料电池使用，但是存在着产氢量少、产氢量不可控问题；由于在催化剂存在下, 硼氢化钠（NaBH4）在碱性水溶液中可发生水解反应产生氢气和水溶性亚硼酸钠（NaBO2），反应方程式如下所示：
NaBH4 +2H2O →4H2 +NaBO2；
因此，可利用NaBH4的水解反应作为氢气的来源，但是NaBH4的水解反应受温度影响十分显著，具体的，水解反应的速率随温度的增加而增大，同时随着NaBH4溶液量的增加产氢量也显著增大，因此，产氢量不可控，且现有技术中也没有利用NaBH4的水解反应给质子交换膜燃料电池供氢的结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统，以解决现有的基于金属空气电池的复合燃料电池存在着产氢量少、产氢量不可控的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统，包括金属空气电池和质子交换膜燃料电池，所述的金属空气电池由电堆箱、电解液箱和循环泵组成，所述的循环泵用于通过管道使电解液箱内的电解液在电堆箱和电解液箱之间循环；
还包括催化剂箱和恒温箱；
所述的催化剂箱内盛放有NaBH4水解催化剂，所述的金属空气电池的电解液箱内盛放有碱性电解液和NaBH4溶液，所述的电解液箱、催化剂箱和电堆箱依次通过第一供液管道连通；
所述的催化剂箱上端还设有产氢孔，且所述的催化剂箱通过产氢孔和第一供氢管道与所述的质子交换膜燃料电池的供氢孔连接；
所述的电堆箱与电解液之间的管道上还设置有恒温箱。
还包括控制单元，所述的控制单元包括中央处理器、第一电磁阀、第二电磁阀、质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块；所述的电解液箱和电堆箱通过第二管道连通，所述的第一电磁阀设置在所述的电解液箱与催化剂箱之间的第一供液管道上，所述的第二电磁阀设置在第二供液管道上；所述的电堆箱通过出气孔和第二供氢管道与所述的质子交换膜燃料电池的供氢孔连接；所述的质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块分别用于监测质子交换膜燃料电池和金属空气电池输出端的电流，所述的质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块的输出端与中央处理器的输入端连接，所述的中央处理器的输出端与第一电磁阀和第二电磁阀的输入端连接。
所述的质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块均采用电流互感器。
所述的NaBH4水解催化剂采用固体颗粒状催化剂且所述的催化剂箱的进口和出口均设置有滤网。
所述的催化剂箱的产氢孔上设置有防水透气膜。
所述的催化剂箱和电堆箱之间的第一供液管道上还设有单向阀。
所述的恒温箱采用相变恒温箱。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所述的一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统，能利用盛放在电解液箱内的NaBH4溶液在催化剂箱内发生水解反应释放出氢气，不仅解决了NaBH4溶液的存放问题，还能为质子交换膜燃料电池的放电反应提供充足的氢气；进一步的，在恒温箱的恒温作用下，还能有效的解决质子交换膜燃料电池氢气供应速率的问题；同时，又不影响金属空气电池的正常放电反应，NaBH4溶液发生水解反应后产生的NaBO2还能随融入碱性电解液，同时解决了碱性电解液在金属空气电池放电反应过程中碱性变弱，影响金属空气电池性能的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例一所示出的连续可调自产氢的复合燃料电池系统的原理框图；
图2为实施例二所示出的连续可调自产氢的复合燃料电池系统的原理框图；
图3为实施例二所述的控制单元的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示：本发明所述的一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统，包括金属空气电池和质子交换膜燃料电池，所述的金属空气电池由电堆箱、电解液箱和循环泵组成，所述的循环泵用于通过管道使电解液箱内的电解液在电堆箱和电解液箱之间循环； 还包括催化剂箱和恒温箱；
所述的催化剂箱内盛放有NaBH4水解催化剂，优选的，所述的NaBH4水解催化剂采用固体颗粒状催化剂且所述的催化剂箱的进口和出口均设置有滤网，防止NaBH4水解催化剂随循环的电解液流失；
所述的金属空气电池的电解液箱内盛放有碱性电解液和NaBH4溶液，因为金属空气电池的电解液可采用碱性电解液，比如碱性金属空气电池所采用的电解液为强碱性的氢氧化钠溶液，而NaBH4在强碱性溶液中，可长期存放，水解反应微弱；当溶液的 pH =14 时,25℃下, NaBH4溶液的半衰期为 426 天，因此可满足硼氢化钠长期储存的需求；
所述的电解液箱、催化剂箱和电堆箱依次通过第一供液管道连通，因此，在所述的金属空气电池的循环泵的作用下，所述的电解液箱内的碱性电解液和NaBH4溶液可通过第一供液管道先进入所述的催化剂箱，再进入所述的电堆箱；
NaBH4溶液进入所述的催化剂箱后，在NaBH4水解催化剂的作用下发生水解反应产生氢气和水溶性亚硼酸钠（NaBO2），反应方程式如下所示：
NaBH4 +2H2O →4H2 +NaBO2；
碱性电解液进入所述的电堆箱后，使电堆箱内的金属空气电极发生放电反应，释放出电能；
优选的所述的催化剂箱和电堆箱之间的第一供液管道上还设有单向阀，防止回流；
所述的催化剂箱上端还设有产氢孔，且所述的催化剂箱通过产氢孔和第一供氢管道与所述的质子交换膜燃料电池的供氢孔连接；优选的，所述的产氢孔上设置有防水透气膜，防止碱性电解液损坏质子交换膜燃料电池；催化剂箱内产生的氢气供质子交换膜燃料电池使用发生放电反应；
所述的电堆箱与电解液之间的管道上还设置有恒温箱；因为NaBH4溶液的恒定的温度发生水解反应产氢额速率是恒定的，因此，利用恒温箱能可靠的控制催化剂箱内产生氢气的速率，进而解决产氢速率难以控制的问题；优选的，所述的恒温箱采用相变恒温箱；
本实施例一所述的连续可调自产氢的复合燃料电池系统的工作原理为：
使用时，开启金属空气电池的循环泵，盛放在所述的电解液箱内的碱性电解液和NaBH4溶液可通过第一供液管道先进入所述的催化剂箱，再进入所述的电堆箱；
NaBH4溶液进入所述的催化剂箱后，在NaBH4水解催化剂的作用下发生水解反应产生氢气，并通过产氢孔和第一供氢管道为质子交换膜燃料电池供给放电反应所需的氢气，理论上，只要电解液箱内的NaBH4溶液充足，质子交换膜燃料电池放电反应所需的氢气就能得到充足的供应，有效的解决了质子交换膜燃料电池氢气供应量的问题；
同时，碱性电解液进入所述的电堆箱后，使电堆箱内的金属空气电极发生放电反应，释放出电能；
进一步的，利用恒温箱能可靠的控制催化剂箱内产生氢气的速率，进而有效的解决了质子交换膜燃料电池氢气供应速率的问题；
本实施例一所述的连续可调自产氢的复合燃料电池系统的有益效果为：
该复合燃料电池系统，能利用盛放在电解液箱内的NaBH4溶液在催化剂箱内发生水解反应释放出氢气，不仅解决了NaBH4溶液的存放问题，还能为质子交换膜燃料电池的放电反应提供充足的氢气；进一步的，在恒温箱的恒温作用下，还能有效的解决质子交换膜燃料电池氢气供应速率的问题；同时，又不影响金属空气电池的正常放电反应，NaBH4溶液发生水解反应后产生的NaBO2还能随融入碱性电解液，同时解决了碱性电解液在金属空气电池放电反应过程中碱性变弱，影响金属空气电池性能的问题。
实施例二：
如图2和图3所示：本实施例所述的连续可调自产氢的复合燃料电池系统除实施例一所示的结构外，还包括控制单元；所述的控制单元包括中央处理器、第一电磁阀、第二电磁阀、质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块；所述的电解液箱和电堆箱通过第二管道连通，所述的第一电磁阀设置在所述的电解液箱与催化剂箱之间的第一供液管道上，所述的第二电磁阀设置在第二供液管道上；所述的电堆箱通过出气孔和第二供氢管道与所述的质子交换膜燃料电池的供氢孔连接；所述的质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块分别用于监测质子交换膜燃料电池和金属空气电池输出端的电流，所述的质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块的输出端与中央处理器的输入端连接，所述的中央处理器的输出端与第一电磁阀和第二电磁阀的输入端连接。
优选的，所述的质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块均采用电流互感器，当质子交换膜燃料电池和金属空气电池为负载供电时，所述的质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块可采集到供电电流，中央处理器以此为依据判断质子交换膜燃料电池和金属空气电池是否工作。
本实施例二所述的连续可调自产氢的复合燃料电池系统的工作原理为：
使用时，先利用金属空气电池为负载供电，开启金属空气电池的循环泵，此时第一电磁阀处于常态关闭状态，第二电磁阀处于常态开启状态，盛放在所述的电解液箱内的碱性电解液和NaBH4溶液由于第一电磁阀的阻断作用不用进入催化剂箱，而是直接通过第二电磁阀和第二供液管道进入电堆箱，碱性电解液进入所述的电堆箱后，使电堆箱内的金属空气电极发生放电反应，释放出电能，为负载供电；同时，由于金属空气电池的金属电极的水解作用和自腐蚀副反应过程中会释放出氢气，且释放出的氢气可通过电堆箱的出气孔和第二供氢管道进入质子交换膜燃料电池，为质子交换膜燃料电池提供少量放电反应所需的氢气；当金属空气电池不足以为负载供电时，打开质子交换膜燃料电池，此时，质子交换膜燃料电池监测模块采集到供电电流，中央处理器控制第一电磁阀开启，第二电磁阀关闭，盛放在所述的电解液箱内的碱性电解液和NaBH4溶液可通过第一电磁阀和第一供液管道先进入所述的催化剂箱，再进入所述的电堆箱；NaBH4溶液进入所述的催化剂箱后，在NaBH4水解催化剂的作用下发生水解反应产生氢气，并通过产氢孔和第一供氢管道为质子交换膜燃料电池供给放电反应所需的氢气，理论上，只要电解液箱内的NaBH4溶液充足，质子交换膜燃料电池放电反应所需的氢气就能得到充足的供应，有效的解决了质子交换膜燃料电池氢气供应量的问题；进一步的，利用恒温箱能可靠的控制催化剂箱内产生氢气的速率，进而有效的解决了质子交换膜燃料电池氢气供应速率的问题；同时，又不影响金属空气电池的正常放电反应，NaBH4溶液发生水解反应后产生的NaBO2还能随融入碱性电解液，同时解决了碱性电解液在金属空气电池放电反应过程中碱性变弱，影响金属空气电池性能的问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统，包括金属空气电池和质子交换膜燃料电池，所述的金属空气电池由电堆箱、电解液箱和循环泵组成，所述的循环泵用于通过管道使电解液箱内的电解液在电堆箱和电解液箱之间循环；其特征在于：
还包括催化剂箱和恒温箱；
所述的催化剂箱内盛放有NaBH4水解催化剂，所述的金属空气电池的电解液箱内盛放有碱性电解液和NaBH4溶液，所述的电解液箱、催化剂箱和电堆箱依次通过第一供液管道连通；
所述的催化剂箱上端还设有产氢孔，且所述的催化剂箱通过产氢孔和第一供氢管道与所述的质子交换膜燃料电池的供氢孔连接；
所述的电堆箱与电解液之间的管道上还设置有恒温箱；
还包括控制单元，所述的控制单元包括中央处理器、第一电磁阀、第二电磁阀、质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块；所述的电解液箱和电堆箱通过第二管道连通，所述的第一电磁阀设置在所述的电解液箱与催化剂箱之间的第一供液管道上，所述的第二电磁阀设置在第二供液管道上；所述的电堆箱通过出气孔和第二供氢管道与所述的质子交换膜燃料电池的供氢孔连接；所述的质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块分别用于监测质子交换膜燃料电池和金属空气电池输出端的电流，所述的质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块的输出端与中央处理器的输入端连接，所述的中央处理器的输出端与第一电磁阀和第二电磁阀的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统，其特征在于：所述的质子交换膜燃料电池监测模块和金属空气电池监测模块均采用电流互感器。
3.根据权利要求1所述的一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统，其特征在于：所述的NaBH4水解催化剂采用固体颗粒状催化剂且所述的催化剂箱的进口和出口均设置有滤网。
4.根据权利要求3所述的一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统，其特征在于：所述的催化剂箱的产氢孔上设置有防水透气膜。
5.根据权利要求4所述的一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统，其特征在于：所述的催化剂箱和电堆箱之间的第一供液管道上还设有单向阀。
6.根据权利要求1所述的一种连续可调自产氢的复合燃料电池系统，其特征在于：所述的恒温箱采用相变恒温箱。
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Applicant before: ZHENGZHOU FOGUANG POWER GENERATION EQUIPMENT Co.,Ltd.

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GR01 Patent grant
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