CN117396637A - 使用氨的制氢系统和使用氨的燃料电池 - Google Patents

使用氨的制氢系统和使用氨的燃料电池 Download PDF

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CN117396637A CN202280036865.6A CN202280036865A CN117396637A CN 117396637 A CN117396637 A CN 117396637A CN 202280036865 A CN202280036865 A CN 202280036865A CN 117396637 A CN117396637 A CN 117396637A
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Abstract

根据本发明的制氢系统可以减少制氢所消耗的电力，不消耗电池电势，并且甚至可以通过自发反应来产生氢，从而表现出高制氢效率。此外，根据本发明的复合电极隔板被配置为使得作为多个部件的电极部件、气液扩散层和隔板被集成为一个元件，同时制氢系统被包括在电极部件中，因此，将复合电极隔板应用于堆可以减少应用于堆的部件的数量，从而简化堆组装并减小堆体积，并且由于电解质电阻的降低，可以增加工作电流密度，从而实现高效率和高电流驱动。此外，根据本发明的复合制氢堆不仅可以通过调节氧的量来同时产生氢气和电力或仅产生电力，而且还可以通过氨水电解仅产生氢气。此外，根据本发明的氨燃料电池，通过使用氨作为燃料，是一种生态环境友好的能源并且相对容易作为燃料供应，具有比氢更窄的爆炸范围，可以在低压下液化而容易储存和运输，由于氨的独特气味而便于泄漏检测，并且当利用氨废水时可以同时实现废水处理和发电。

Description

使用氨的制氢系统和使用氨的燃料电池
技术领域
本发明涉及使用氨的制氢系统、使用该制氢系统的联合发电系统、其中一体形成该制氢系统的复合电极隔板、包括该复合电极隔板的复合制氢堆以及使用氨的燃料电池。
背景技术
由于温室气体排放和全球变暖问题，越来越需要开发可再生能源来替代化石燃料。氢作为一种可再生能源而备受关注，因为它即使在燃烧后也基本上不排放任何污染物。然而，氢的缺点在于需要复杂的设施或过程来储存和运输氢。
由于氨每个分子具有三个氢原子并且分解后仅产生氢和氮，可使二氧化碳排放最小化，因此氨作为氢源而引起关注。此外，由于氨已被生产用于工业用途并在全球范围内使用，所以可以使用现有的氨基础设施，因此氨在运输或储存方面具有许多优势。因此，正在开发使用氨的制氢方法。
热分解法是使用氨的传统制氢方法之一，然而其缺点在于需要400℃或更高的高温，并且还需要使用昂贵的催化剂。另外，碱金属酰胺法法还具有单位成本高、经济可行性低的缺点，而水电解法还存在需要外部电源的缺点。
因此，需要一种能够通过降低电解质电阻来提高工作电流密度同时减少外部供电的消耗的制氢系统或类似物。
此外，由于温室气体排放和全球变暖问题，越来越需要开发可再生能源来替代化石燃料。因此，正在开发使用诸如太阳能或风能的可再生能源的发电系统。然而，可再生能源发电存在电力输出根据自然环境而波动的问题。因此，需要研究一种方法，其中当电力超过电力需求时，剩余电力被储存起来，并且例如在夜间太阳能发电电量较低或缺乏时，储存的能量被用作备用电源。
因此，作为更好地利用可再生能源的一种方式，已经提出了使用氢能的系统，其中利用剩余电力生产氢并储存起来，并且当电量低时，燃料电池利用储存的氢产生电力并且供应所产生的电力。然而，在使用氢能的系统的情况下，由于氢是利用剩余能量来生产和储存的，因此氢的生产和储存可能并不顺利。因此，需要开发一种能够仅用少量能量产生大量氢的系统。
同时，碱性燃料电池是使用碱性溶液例如KOH或NaOH作为电解质的燃料电池，并且是氢和氧结合产生水和电的电化学能量转换装置。与其他燃料电池一样，碱性燃料电池是环境友好的，具有能量转换效率高等诸多优点，但由于电解质与二氧化碳反应生成盐，只有纯氢和氧可以用作燃料，因此燃料供应存在困难。
因此，需要开发一种环境友好的能源并且燃料供应相对容易的燃料电池。
发明内容
[技术问题]
解决上述问题的目的如下。
本发明旨在提供一种使用氨的制氢系统，其能够减少由外部电源供应的电力的消耗。
本发明还旨在提供一种使用制氢系统和可再生能源发电的联合发电系统。
本发明还旨在提供一种复合电极隔板，其中制氢系统用作电极部件，并且将电极部件、气液扩散层和隔板多个部件集成为一个结构。
本发明还旨在提供一种包括复合电极隔板的复合制氢堆。
本发明还旨在提供一种氨燃料电池，其中使用氨作为原料，在阳极部件中产生氮(N2)，并且调节溶解在阴极部件中的第一电解质中的氧的浓度，以调节电池电势并根据需要产生氢(H2)。
[技术方案]
根据本发明的一个实施方案，制氢系统包括：阴极部件，阴极部件包括阴极和第一电解质；阳极部件，阳极部件包括阳极和第二电解质；以及设置在阴极部件和阳极部件之间的双极性膜，其中第一电解质为中性，第二电解质为碱性并且包括氨，并且在阴极部件中产生氢。
阴极可以包括析氢反应催化剂。
析氢反应催化剂可以包括选自由金属泡沫、金属薄膜、碳纸、碳纤维、碳毡、碳布和铂催化剂组成的组中的至少一种。
阳极可以包括选自由铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜(Cu)组成的组中的至少一种金属催化剂。
第一电解质的pH可以为6至8。
第二电解质的pH可以为12至15。
第一电解质可以是中性水性电解质，并且第二电解质可以是包括氨的碱性水性电解质。
碱性水性电解质可以是其中溶解有选自碱金属氢氧化物中的至少一种的碱性水溶液。
碱金属氢氧化物可以是选自由KOH、NaOH和LiOH组成的组中的至少一种。
双极性膜可以将水分解成质子(H+)和氢氧根离子(OH-)，质子(H+)可以移动到第一电解质，并且氢氧根离子(OH-)可以移动到第二电解质。
在阳极部件中可以发生氨氧化反应，其中氨与氢氧根离子(OH-)反应并被氧化产生氮(N2)。
阳极部件的温度可以为30℃或更高。
碱性水溶液的浓度可以为1M或更高。
氨的浓度可以在0.7M或更高且1.3M或更低的范围内。
阴极部件中的氢可以通过析氢反应产生，在该析氢反应中质子(H+)与阴极的电子结合以产生氢(H2)。
制氢系统还可以包括连接至阴极部件的氧调节部件，以调节输入至阴极部件的氧量。
当阴极部件中的第一电解质中溶解的氧的浓度为12％或更低时，阴极部件中的电子可以与水(H2O)反应以产生氢(H2)。
当阴极部件中的第一电解质中溶解的氧的浓度大于12％时，阴极部件中的电子可以与水(H2O)和氧(O2)反应以产生氢氧根离子(OH-)。
根据另一个实施方案，一种通过去除制氢系统中中毒电极的中毒来稳定电极的方法，包括对制氢系统进行阴极扫描，其中制氢系统包括：包括阴极和第一水性电解质的阴极部件，包括阳极和第二水性电解质的阳极部件，以及设置在阴极部件和阳极部件之间的双极性膜，其中在阴极部件发生析氢反应，并且在阳极部件发生氨氧化反应。
根据又一个实施方案，联合发电系统包括：可再生能源发电单元，可再生能源发电单元被配置为从可再生能源产生电力；制氢单元，制氢单元被配置为接收从可再生能源发电单元产生的电力；以及燃料电池，燃料电池被配置为接收来自制氢单元的氢，其中制氢单元是根据一个实施方案的制氢系统。
联合发电系统还可以包括储氢单元，储氢单元被配置为储存在制氢单元中产生的氢。
联合发电系统还可以包括电能储存单元，电能储存单元被配置为储存从可再生能源发电单元产生的电力。
根据又一个实施方案，复合电极隔板包括：具有板状形状的分离部件；输送部件，输送部件形成在分离部件的两个表面的每一个表面上，并且具有反应物和产物流过的流动路径以及反应物流入和产物流出的输入/输出孔；反应部件，反应部件具有除了形成在所述两个表面中的每一个表面上的输送部件之外的区域；以及电极部件，电极部件位于反应部件中，并且包括阴极、阳极以及设置在阴极和所述阳极之间的双极性膜。
输入/输出孔可以包括阴极输入/输出孔和阳极输入/输出孔。
阴极输入/输出孔还可以包括氧调节部件，其被配置为调节流入输送部件的反应物的氧量。
通过阴极输入/输出孔流入的反应物的氢离子浓度可以在pH 6至pH 8的范围内。
通过输入/输出孔流入的反应物的氢离子浓度可以在pH 12至pH 15的范围内。
电极部件可以具有5m2/g至100m2/g的比表面积和0.02μm至12μm的孔径。
根据又一个实施方案，复合制氢堆包括一个或多个单元电池，每个单元电池包括根据又一个实施方案的复合电极隔板和位于电极隔板的两个表面上的集电板。
当通过阴极输入/输出孔流入的反应物中的氧浓度为12％或更低时，阴极的电子可以与水(H2O)反应以排出作为产物的氢(H2)。
当通过阴极输入/输出孔流入的反应物中的氧浓度大于12％时，阴极的电子可以与水(H2O)和氧(O2)反应以产生氢氧根离子(OH-)。
氨(NH3)和氢氧根离子(OH-)可以在阳极被氧化，以通过阳极输入/输出孔排出作为产物的氮(N2)。
可能发生自发反应，其中在0V至0.6V范围的电池电势下产生大于0mA/cm2且小于或等于100mA/cm2的电流密度。
通过氨水电解反应可以产生超过100mA/cm2的电流密度。
根据又一个实施方案，氨燃料电池包括：阴极部件，其包括容纳在第一容纳空间中的第一电解质和至少一部分浸没在所述第一电解质中的阴极；阳极部件，其包括容纳在第二容纳空间中的第二电解质和至少一部分浸没在所述第二电解质中的金属阳极；以及连接部件，其包括被配置为连通所述第一容纳空间与所述第二容纳空间的连接通道以及设置在所述连接通道中以允许阴离子移动的阴离子交换膜，其中所述第一电解质为中性，所述第二电解质包括氨(NH3)并且为碱性，并且在所述阳极部件中产生氮(N2)。
氨燃料电池还可以包括氧调节部件，其连接至所述阴极部件的所述第一容纳空间，以调节输入到所述第一容纳空间的氧量。
当阴极部件中的第一电解质中溶解的氧的浓度为12％或更低时，阴极部件中的电子可以与水(H2O)反应以产生氢(H2)。
当阴极部件中的第一电解质中溶解的氧的浓度大于12％时，阴极部件中的电子可以与水(H2O)和氧(O2)反应以产生氢氧根离子(OH-)。
阴离子交换膜可以在碱性环境中进行预处理。
可以使用0.1M至1M的碱性溶液进行预处理。
氨(NH3)和氢氧根离子(OH-)可以在阳极部件被氧化以产生氮(N2)。
第一电解质的氢离子浓度可以在pH 6至pH 8的范围内。
第二电解质的氢离子浓度可以在pH 12至pH 15的范围内。
第二电解质可以包括溶解有碱金属氧化物的碱性水溶液。
可以在0V至1.0V范围的电池电势下产生大于0mA/cm2且小于或等于50mA/cm2的电流密度。
[有益效果]
在根据本发明的制氢系统中，可以减少产生氢所消耗的电力，并且可以在不消耗电池电势的操作环境中同时产生氢气和电力，因此制氢效率可以很高。
此外，根据本发明，在包括制氢系统以及使用可再生能源的联合发电系统中，优点在于，响应于自然环境导致的电力输出的波动，可以将剩余电力用于生产和储存氢，并且当电量较低或缺乏时，燃料电池可以使用储存的氢来生产和供应电力。
此外，由于根据本发明的复合电极隔板包括作为电极部件的制氢系统，并且电极部件、气液扩散层和隔板多个部件被设置为集成为一个结构，所以当将复合电极隔板应用于堆时，可以减少应用于堆的部件数量，从而简化堆组装，减小堆体积，并且还降低电解质电阻，从而可以增加工作电流密度，能够实现高效率和大电流操作。
此外，在根据本发明的复合制氢堆中，可以调节氧的量来同时产生氢气和电力或者仅产生电力，并且还可以通过氨水电解反应仅产生氢气。
此外，通过使用氨作为燃料，根据本发明的氨燃料电池是一种生态环境友好的能源，其燃料供应相对容易，氨具有比氢更窄的爆炸范围并且由于可以在低压下液化，因此易于储存和运输。此外，由于氨独特的气味，容易检测泄漏，并且当使用氨废水时，还有一个优点是可以在处理废水的同时产生电。氨燃料电池是一种电化学系统，其中产生自发电化学电势，并根据需要调节氧浓度来调节电池电势并产生氢(H2)。因此，优点在于所产生的氢(H2)可用作其他燃料电池的燃料并引入复合燃料电池系统中。
附图说明
图1是示出根据一个实施方案的制氢系统的示意图。
图2是示出根据一个实施方案的联合发电系统(1)的示意图。
图3是根据一个实施方案的复合电极隔板的正视图。
图4是根据一个实施方案的包括复合电极隔板的复合制氢堆的分解图。
图5是示出根据一个实施方案的氨燃料电池系统(100”)的示意图。
图6A至图6C是根据一个实施方案的制氢系统中的阳极部件的电势-电流密度图(图6A)和阴极部件的电势-电流密度图(图6B)，以及整个系统的电势-电流密度图(图6C)。
图7是示出根据一个实施方案的制氢系统(联合发电系统的制氢单元)中测量的根据电流密度的电压的图。
图8是示出根据一个实施方案的制氢系统中电化学性能根据温度的变化的图。
图9是示出根据一个实施方案的制氢系统中电化学性能根据阳极部件的第二电解质中的碱金属氢氧化物的浓度而变化的图。
图10是示出根据在根据一个实施方案的制氢系统中电化学性能根据阳极部件的第二电解质中的氨浓度而变化的图。
图11A和11B示出了实施例5的化学中毒去除实验中获得的结果，其中图11A是示出根据阴极扫描的中毒去除和电化学性能恢复的图，并且图11B是示出阳极部件中毒的发生以及与其对应的阴极扫描过程的图。
图12是示出根据实施例6的复合制氢堆的电池电势的测量结果的图。
图13是示出根据实施例6的复合制氢堆的根据电池电势的电流密度的图。
图14是根据实施例6的复合制氢堆中根据氧的添加来分析反应的图。
图15是示出根据实施例9的氨燃料电池的电池电势的测量结果的图。
图16是示出使用线性扫描伏安法(LSV)分析根据实施例10的包括预处理的阴离子交换膜的氨燃料电池的结果的图。
具体实施方式
下文中，将详细描述本发明。
本申请中使用的术语仅用于描述具体实施方案，并不旨在限制本发明。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在整个说明书中，当一部分“包括”、“包含”或“具有”一个元件时，可以进一步包括另外的元件，而不是排除另外的元件的存在，除非另有说明。
术语“第一”、“第二”等用于将某个元件与另一个元件区分开，但是元件不应被解释为受这些术语限制。
应当理解，当第一部件被称为在第二部件“上”时，第一部件可以直接在第二部件上，或者也可以存在中间部件。相比之下，应当理解，当第一部件被称为“直接在”第二部件“上”时，不存在中间部件。
图1是示出根据本发明的制氢系统的示意图。
参考图1，根据本发明的制氢系统100包括：阴极部件110，其包括阴极111和第一电解质112；阳极部件120，其包括阳极121和第二电解质122；以及双极性膜130，其设置在阴极部件110和阳极部件120之间。
在阴极部件110中产生氢。在阴极部件110中，通过析氢反应产生氢，在该析氢反应中质子(H+)与阴极111的电子结合以产生氢(H2)。优选地，通过双极性膜130中的水分解，水可以分解为质子(H+)和氢氧根离子(OH-)，因此所形成的质子(H+)可以移动到第一电解质112。由双极性膜130形成的质子(H+)可以移动通过第一电解质112，并且阴极111可以接收电子以产生氢气。具体地地，在阴极部件110中发生的析氢反应可以如以下反应式1所示。
[反应式1]
2H++2e-→H2
也就是说，在阴极部件110中，质子(H+)接收电子(e-)，并且产生氢(H2)气。
同时，阴极部件还可以包括连接到阴极部件的氧调节部件，以调节输入到阴极部件的氧量。阴极部件可以通过氧调节部件调节输入的氧量，因此根据溶解在第一电解质中的氧的浓度，可以发生产生更多氢的反应。
具体地，输入到第一容纳空间的氧量可以通过氧调节部件减少，因此当溶解在阴极部件中的第一电解质中的氧浓度低时，优选为12％或更低，更优选大于0％且12％或更低时，则阴极部件中的电子可以与水(H2O)反应以产生氢(H2)。也就是说，当溶解在阴极部件中的第一电解质中的氧浓度低时，可能发生如下反应式2所示的析氢反应。
[反应式2]
2H2O+2e-→H2+2OH-(-0.473V vs.SHE)
制氢系统100还可以包括连接到阴极部件110的第一出口(未示出)，以排出在阴极部件110中产生的氢(H2)气。氢气可以通过第一出口从阴极部110排出到外部。
同时，输入到第一容纳空间的氧量可以通过氧调节部件增加，因此当溶解在阴极部件中的第一电解质中的氧浓度高时，优选大于12％，更优选大于12％且小于100％时，阴极部件中的电子可以与水(H2O)和氧(O2)发生氧还原反应，以产生氢氧根离子(OH-)。也就是说，当溶解在阴极部件中的第一电解质中的氧的浓度高时，可发生如下反应式3所示的氧还原反应。
[反应式3]
O2+2H2O+4e-→4OH-(0.873V vs.SHE)
阴极部件110包括阴极111(还原电极)。阴极111可以包括析氢反应催化剂。析氢反应催化剂可以包括例如选自由金属泡沫、金属薄膜、碳纸、碳纤维、碳毡、碳布和铂催化剂组成的组中的至少一种，但是本发明不限于此。阴极111可具有其中其一侧与第一电解质112接触的设置，但替代地，阴极111可具有其中阴极111的至少一部分浸没在第一电解质112中的设置。
阴极部件110包括第一电解质112。第一电解质112可以是中性的，并且例如可以具有6至8的氢离子浓度(pH)，特别地，pH约为7。第一电解质112可以是水性电解质，特别是含水的中性水性电解质。第一电解质112还可以包括除水之外的其他电解质材料。除了其他电解质材料应当是中和第一电解质112的pH的电解质材料之外，除水之外的其他电解质材料的类型没有特别限制，并且可以使用本领域已知的任何电解质材料。电解质材料可以是例如中性电解质材料，并且例如可以选自KHCO3、KCl和Na2SO4。
在阳极部件120中，发生氨氧化反应(AOR)，其中氨(NH3)被氧化并分解成氮(N2)和水(H2O)。优选地，通过双极性膜130中的水分解，水可以分解为质子(H+)和氢氧根离子(OH-)，因此形成的氢氧根离子(OH-)可以移动到第二电解质122。由双极性膜130形成的氢氧根离子(OH-)可以移动通过第二电解质122并且可以与氨反应以氧化和分解氨，从而产生氮和水并发射电子。具体地，在阳极部件120中发生的AOR可以如以下反应式4所示。
[反应式4]
2NH3+6OH-→N2+6H2O+6e-(-0.77V vs.SHE)
也就是说，在阳极部件120中，氨(NH3)与氢氧根离子(OH-)反应产生氮(N2)和水(H2O)并发射电子(e-)。为了排出在阳极部件120中产生的氮(N2)气，本发明的制氢系统100还可以包括连接到阳极部件120的第二出口(未示出)。氮气可以通过第二出口从阳极部件120排出到外部。
阳极部件120包括阳极121(氧化电极)。阳极121可以包括AOR催化剂。作为AOR催化剂，可以使用任何已知的用于氧化和分解氨的催化剂，并且阳极121可以包括例如选自铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜(Cu)的至少一种金属催化剂，但本发明不一定限于此。阳极121可具有其中其一侧与第二电解质122接触的设置，但替代地，阳极121可具有其中阳极121的至少一部分浸入第二电解质122中的设置。
阳极部件120包括第二电解质122。第二电解质122可以是碱性的，并且例如可以具有12至15的pH，特别是14至15的pH。第二电解质122可以是水性电解质，特别是含水的碱性水性电解质。第二电解质122还可以包括除水之外的其他氨。此外，第二电解质122还可以包括除水和氨之外的电解质材料。除了其他电解质材料应当是中和第二电解质122的pH的电解质材料之外，其他电解质材料的类型没有特别限制，并且可以使用本领域已知的任何电解质材料。电解质材料可以是例如碱性电解质材料。例如，电解质材料可以是碱性水溶液，其中选自碱金属氢氧化物(例如，LiOH、NaOH和KOH)中的至少一种溶解在水中，特别是KOH水溶液。
根据一个实施方案，本发明的阳极部件120、阳极部件120和阴极部件110、或制氢系统100可具有30℃或更高、40℃或更高、45℃或更高、或者50℃或更高的温度。例如，温度可以在40℃至80℃、45℃至80℃、或45℃至70℃的范围内。在上述温度范围内，电流密度可能增加，这被认为是因为析氢反应和氨分解反应的速率加快了。当温度超过80℃时，氨在水中的溶解反应速率可能慢，并且溶解量可能小，这实际上可能降低电流密度。
根据一个实施方案，本发明的第二电解质122可以包括氨和碱金属氢氧化物，并且碱金属氢氧化物的浓度可以为1M或更高、3M或更高、或者5M或更高，并且例如可以在1M至6M的范围内。由于在阳极发生的阳极反应(AOR)是其中OH-离子用作反应物的反应，因此AOR的动力学似乎随着碱金属氢氧化物的浓度增加而改善。
根据一个实施方案，本发明的第二电解质122可以包括氨和碱金属氢氧化物，并且氨的浓度可以在0.7M至1.3M或0.8M至1.2M的范围内。当氨的浓度在这样的范围内时，不易发生形成金属氮氧化物的副反应，并且可以稳定地保持电化学性能。
双极性膜130设置在阴极部件110和阳极部件120之间。双极性膜130通常可以是具有阴离子交换膜和阳离子交换膜结合的形式的离子交换膜，并且当施加一定水平或更高的电压时，可以将水分解成质子(H+)和氢氧根离子(OH-)。根据本发明的一个实施方案，双极性膜130可以将水分解成质子(H+)和氢氧根离子(OH-)，使得形成的质子(H+)可以移动到第一电解质112，并且氢氧根离子(OH-)可以移动到第二电解质122。
双极性膜130通常是其中阴离子交换膜和阳离子交换膜结合的离子交换膜。阴离子交换膜包括基本上可渗透阴离子且基本上不可渗透阳离子的离子交换材料，并且阳离子交换膜包括基本上可渗透阳离子且基本上不可渗透阴离子的离子交换材料。可用于本发明的双极性膜的实例可包括Fumasep FBM(由The Fuel Cell Store制造的产品)。
阴离子交换膜和阳离子交换膜可以是阴离子可交换聚合物膜和阳离子可交换聚合物膜。阴离子可交换聚合物膜或阳离子可交换聚合物膜可以具有包括多孔支持物的形式，所述多孔支持物包括孔和填充在孔中的离子可交换聚合物，或者可以具有在多孔支持物的一个表面或两个表面上进一步包括离子可交换聚合物层的形式。另外，阴离子或阳离子可交换聚合物膜可以通过将多孔支持物浸入聚合物溶液中，用聚合物填充多孔支持物的内部孔，然后引入离子交换基团来制造，或者可以通过使具有离子交换基团的单体渗透到多孔支持物中然后聚合该单体来制造。
用于阴离子或阳离子可交换聚合物膜的聚合物没有特别限制，只要该聚合物是具有离子交换能力的已知聚合物即可。阴离子可交换聚合物可以例如通过聚合苯乙烯类单体(例如，苯乙烯)和乙烯基苯类单体(例如，二乙烯基苯)，然后引入阴离子交换基团(例如季铵基团)来制备。另外，阳离子可交换聚合物例如可以通过使用诸如聚砜、聚醚醚酮的聚合物并向其引入阳离子交换基团(例如磺酸基团)来制备。
同时，为了提高水分解效率，可以将催化剂层添加到双极性膜中并使用。在这种情况下，双极性膜具有其中阴离子交换层、催化剂层和阳离子交换层堆叠的形式，或者可以通过在阴离子交换层和阳离子交换层中的每一个的两个表面上形成并堆叠催化剂层来使用。
在传统电池的情况下，由于阴极和阳极之间的pH差，在双极性膜中可能产生结电势。也就是说，已经认为当将阴极的电解质的pH设定为中性并且将阳极的pH设定为碱性时，与当阴极的电解质的pH设定为酸性时相比，由于pH差而导致的结电势可能更小。因此，可以预测，只有当结电势小时，制氢系统才能自发运行，而当结电势大时，制氢系统难以自发运行。
因此，在根据一个实施方案的制氢系统的情况下，由于阴极的第一电解质的pH和阳极的第二电解质的pH可被设定为特定范围以分别为中性和碱性，可以更有效地降低结电势，因此可以发生自发反应，这可以获得可以更有效地驱动制氢系统的优点。
特别地，第一电解质的pH与第二电解质的pH之间的差值可以在约4至9、特别地约6至9的范围内。例如，第一电解质的pH可以在pH 6至pH 8的范围，并且第二电解质的pH可以在pH 12至pH 15的范围内。
因此，根据一个实施方案的制氢系统可以引起自发反应，其中在0V至0.6V的电池电势下产生大于0mA/cm2且小于或等于100mA/cm2的电流密度。
总之，根据一个实施方案的制氢系统可以在0V至0.6V范围内的电池电势下根据氧量来调整期望的反应。特别地，在仅需要发电的情况下，当通过氧调节部件增加输入氧量时，由于电池电势可维持在正常范围内，因此在阴极部件中可发生如以上反应式3所示的反应，以更有效地产生电力。在需要发电和制氢的情况下，当通过氧调节部件减少输入的氧量时，尽管电池电势可以降低到一定程度用于制氢，但是在阴极处可能会发生如上面反应式2所示的反应，从而同时产生氢和电力。
另外，根据一个实施方案的制氢系统具有的优点在于还可以发生非自发反应，其中通过水电解反应产生超过100mA/cm2的电流密度。
同时，在本发明的制氢系统100中，相对于Ag/AgCl参比电极，阳极部件120处的AOR可以为-0.6V至-0.4V范围的电压下发生，并且在AOR期间发生以下中毒反应。
Nads:-0.5V至-0.4V相对于Ag/AgCl
OHads:-0.523V相对于Ag/AgCl
也就是说，在AOR过程中，在氨被氧化产生N2和H2O的过程中，Nads和OHads作为中间产物产生，并且Nads和OHads附着在电极上并阻挡电极的活性位点，从而发生抑制氨氧化的中毒反应。此外，系统的性能也会由于这种中毒而降低。
因此，根据本发明的另一方面，作为通过从制氢系统100中的中毒电极去除中毒来稳定电极的方法，提供了一种包括在制氢系统100中进行阴极扫描的方法，所述制氢系统100是包括以下的系统：阴极部件110，其包括阴极111和第一水性电解质120；阳极部件120，其包括阳极121和第二水性电解质122；以及设置在阴极部件110和阳极部件120之间的双极性膜130，其中在阴极部件110中发生析氢反应并且在阳极部件120中发生AOR。
由于上述阴极扫描是在阳极部件120中进行的，所以在AOR期间产生的中间产物可以发生还原反应以再生电极的活性位点，从而稳定中毒的电极以恢复系统的性能。阴极扫描可以进行一次，但是可以根据需要重复多次。例如，阴极扫描可以进行2次至12次，但是次数不限于此，并且可以根据中毒程度适当地选择。另外，阴极扫描例如可以每次进行1分钟至7分钟。根据本发明，可以去除上述中毒以稳定电极并恢复系统性能。因此，优点在于该系统可以长期使用。
图2是示出根据本发明的联合发电系统1的示意图。参考图2，根据本发明的联合发电系统1可包括可再生能源发电单元101、电能储存单元10、制氢单元100、储氢单元20和燃料电池102。制氢单元可以是上述的制氢系统100。
可再生能源发电单元101是从诸如潮汐能、波浪能、风能、地热能或太阳能的至少一种类型的可再生能源产生电力的发电机。
例如，可再生能源发电单元101可以是选自潮汐发电单元、波浪发电单元、风力发电单元、地热发电单元和太阳能发电单元中的一种类型的发电机，或者可以是通过组合两种或更多种类型的可再生能源发电单元来组合发电的混合发电单元。在混合可再生能源发电单元的情况下，联合发电系统1还可以包括将各个发电单元产生的电力合并为一个的能量转换器以及连接到能量转换器并转换电力以向电能储存单元10供电的转换器。
电能储存单元10储存由可再生能源发电单元101产生的电力。储存在储存单元10中的电力可以立即供应给消费者，或者供应后剩下的剩余储存能量可以供应给制氢单元100并用于生产氢。
制氢单元100使用双极性膜中的水电解和氨来产生氢。与上面参考图1描述的制氢系统100类似，制氢单元100可以在没有电源的情况下通过自发反应产生氢。然而，由可再生能源发电单元101产生的电力在经过或不经过电能储存单元10的情况下被供应到制氢单元100，从而消耗较少的能量以实现更高的制氢效率。从可再生能源发电单元101产生的电力可以在制氢单元100的初始操作期间供应，或者可以除了初始操作之外的制氢过程期间连续供应。
储氢单元20可以储存在制氢单元100中生产的氢并且还可以包括用于将氢压缩至高压的压缩机。储氢单元20可以将储存的氢供应到燃料电池102。为此，储氢单元20还可以包括能够控制供应的氢的量的控制器。
燃料电池102是氢燃料电池，其通过氢和氧之间的化学反应产生水和电能。氢燃料电池可以是熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和直接碳燃料电池(DCFC)中的至少一种，但本发明不限于此。在本发明的情况下，氢燃料电池可以与使用氨的制氢单元100一起构建为一个系统，以接收从制氢单元100产生的氢气，从而可以显著提高效率。同时，图3是复合电极隔板的正视图。
参考图3，根据一个实施方案的复合电极隔板100’包括：具有板状形状的分离部件110’；输送部件130’，其形成在分离部件的两个表面上，并且具有反应物和产物流过的流动路径135’以及反应物流入和产物流出的输入/输出孔133’；反应部件150’，其具有除了形成在一个表面或两个表面上的输送部件之外的区域；以及电极部件170’，其位于反应部件中，并且包括阴极、阳极以及设置在阴极和阳极之间的双极性膜。在这种情况下，电极部件可以是与上述制氢系统100相同的系统。
分离部件110’可以用作用于扩散反应物和产物的气液的输送部件以及用于电极反应的反应部件的支持物。隔板110’的形状不受限制，但可以是板状。
分离部件可以包括高度耐用的塑料、金属或合金，以用作输送部件和反应部件的支持物。优选地，分离部件可包括具有强机械性能但低比重的塑料，并且可包括例如选自由聚四氟乙烯(PTFE)、三元乙丙橡胶(EPDM)和复合聚丙烯(PP)组成的组中的至少一种。
分离部件还可以包括位于其一侧的引导槽190’。由于当稍后组装复合制氢堆时，单独的引导构件被紧固到引导槽，因此引导槽可以有利于集电板、复合电极隔板和紧固板的组装。
输送部件130’形成在分离部件的两个表面上，并具有反应物流入和产物流出的输入/输出孔133’以及反应物和产物流过的流动路径135’。
根据一个实施方案，输送部件130’可以包括输入/输出孔133’，通过该输入/输出孔133’，反应物可以流入电极部件并且产物可以从电极部件流出。优选地，输入/输出孔可以包括阴极输入/输出孔133’a和阳极输入/输出孔133’b。
根据一个实施方案，阴极输入/输出孔133’a可以形成在输送部件的一侧，并且相同的阴极输入/输出孔133’a也可以形成在其另一侧。因此，作为反应物的电解质和氧气可以通过阴极输入/输出孔的一个表面流入，并且作为产物的包括氢氧根离子和氢气的电解质可以通过阴极输入/输出孔的另一表面流出。
阴极输入/输出孔133’a还可以包括氧调节部件，其调节流入电极部件的反应物的氧量。可以通过氧调节部件调节氧以调节阴极处的反应。
根据一个实施方案，阳极输入/输出孔133’b可以形成在与阴极输入/输出孔133’a相对应的一侧，并且阳极输入/输出孔133’b也可以形成在与阴极输入/输出孔133’a相对应的另一侧。因此，作为反应物的包括氨和氢氧根离子的电解质可通过阳极输入/输出孔的一个表面流入，并且作为产物的电解质和氮气可通过阳极输入/输出孔的另一个表面流出。
根据一个实施方案，流动路径135’可以连接到阴极输入/输出孔133’a和阳极输入/输出孔133’b，并且可以用于允许通过阴极输入/输出孔的一个表面流入的作为反应物的电解质和氧气流入电极部件中的阴极，允许通过阳极输入/输出孔的一个表面流入的作为反应物的包括氨和氢氧根离子的电解质流入电极部件，允许通过阴极输入/输出孔的另一个表面流出的作为产物的氢气和包括氢氧根离子的电解质流过，并且允许通过阳极输入/输出孔的另一个表面流出的作为产物的电解质和氮气流过。
输送部件可以在分离部件的两个表面上形成为凹形。特别地，输送部件可以通过机械加工、化学蚀刻或电化学蚀刻形成在分离部件中。
特别地，输送部件可以通过加工中心(MCT)加工或蚀刻来形成。输送部件可以形成为从分离部件的表面沿垂直方向雕刻。
从分离部件的表面雕刻的输送部件的深度不受限制，只要输送部件可以用作通道即可，并且优选地，输送部件可以形成为具有1mm或更小的深度。。
流入反应部件的电解质的类型可以根据电极部件的电极而变化，并且输送部件可以另外包括氧调节部件。特别地，通过阴极输入/输出孔流入的反应物可以包括中性电解质。
例如，通过阴极输入/输出孔流入的反应物中包括的电解质的氢离子浓度可以在pH 6至pH 8的范围内，优选地，约pH 7。
包括在通过阴极输入/输出孔流入的反应物中的电解质可以是水性电解质，特别是含水的水性电解质。电解质还可以包括除水之外的其他电解质材料。除了其他电解质材料应当是中和电解质的pH的电解质材料之外，除水之外的其他电解质材料的类型没有特别限制，并且可以使用本领域已知的任何电解质材料。电解质材料可以是例如中性电解质材料，并且例如可以包括选自KHCO3、KCl和Na2SO4中的至少一种。
同时，通过阳极输入/输出孔流入的反应物可以包括碱性电解质。例如，通过阳极输入/输出孔流入的反应物中包括的电解质的氢离子浓度可以在pH 12至pH 15的范围内，优选地在约pH 14至pH 15的范围内。
在通过阳极输入/输出孔流入的反应物中包括的电解质可以是水性电解质，特别是含水的水性电解质。除了水之外，电解质还可包括氨，并且还可包括除水和氨之外的电解质材料。除了其他电解质材料应当是中和电解质的pH的电解质材料之外，其他电解质材料的类型没有特别限制，并且可以使用本领域已知的任何电解质材料。
电解质材料可以是例如碱性电解质材料。例如，电解质材料可以是碱性水溶液，其中选自碱金属氢氧化物(例如，LiOH、NaOH和KOH)中的至少一种溶解在水中，特别地是KOH水溶液。
反应部件150’不受特别限制，只要反应部件150’具有除输送部件之外的区域并提供可在其中形成电极部件的空间即可。
反应部件可以通过输送部件中的流动路径135’连通，以便电极部件输送流入用于电极反应的反应物和流出的产物。
根据一个实施方案，反应部件可以具有空的空间或空的区域以提供其中可以形成电极部件的空间。
电极部件170’(未示出)形成在反应部件的区域中。
根据一个实施方案，电极部件可以位于反应部件中，可以包括阴极和阳极，并且优选地还可以包括位于阴极和阳极之间的双极性膜。
电极部件可以具有多孔结构以使产生的气体扩散并散热。为了形成多孔结构，可以使用钛网(Ti网)、镍泡沫(Ni泡沫)等通过电化学电镀、喷涂、物理气相沉积(PVD)、热喷涂或水热合成来形成电极部件。
因此，电极部件可具有5m2/g至100m2/g的比表面积和0.02μm至12μm的孔径。当比表面积在该范围之外并且太小时或者孔径在该范围之外并且太大时，存在的缺点是催化剂的分散性降低并且催化剂的总活性面积减少，导致低催化活性。另外，当比表面积太大或孔径太小时，存在的缺点是电解质转移受到限制，这降低了反应速率。
特别地，包括在电极部件中的阴极可以是还原电极。阴极不受特别限制，只要阴极包括能够在阴极处还原电子的材料即可。阴极可包括选自由金属泡沫、金属薄膜、碳纸、碳纤维、碳毡和碳布组成的组中的至少一种。
此外，阴极中还可包括催化剂以促进阴极的还原反应。特别地，当流入阴极的电解质中溶解的氧的浓度低时，阴极可以包括析氢反应催化剂，但是即使当流入阴极的电解质中溶解的氧的浓度高时，阴极也可以包括析氢反应催化剂。例如，析氢反应催化剂可以包括选自由铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜(Cu)组成的组中的至少一种催化剂，但是本发明不仅限于特定类型。
此外，包括在电极部件中的阳极可以是氧化电极并且没有特别限制，只要阳极包括AOR催化剂即可。
作为可包括在阳极中的AOR催化剂，可使用任何已知的用于氧化和分解氨的催化剂，并且阳极可包括例如选自铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜(Cu)的至少一种金属催化剂，但本发明不限于此。
根据一个实施方案，复合电极隔板可以是包括阴极、阳极和膜的复合垫片。
图4是包括复合电极隔板的复合制氢堆的分解图。
参考图4，根据另一实施方案的复合制氢堆可包括一个或多个单元电池，每个单元电池包括复合电极隔板和位于电极隔板的两个表面上的集电板。
根据一个实施方案，复合制氢堆1’可包括一个单元电池，该单元电池包括复合电极隔板100’和位于电极隔板的两个表面上的集电板200’。
在与阴极输入/输出孔133’a和阳极输入/输出孔133’b相对应的集电板的部分中，可以以与阴极输入/输出孔133’a和阳极输入/输出孔133’b相对应的尺寸形成孔，并且优选地，为了联接，孔可以形成在与引导槽190’相对应的部分中以具有有利于联接的尺寸。
根据一个实施方案，复合制氢堆可包括设置在其两侧的端板，并且可具有包括两个单元电池的结构，这两个单元电池通过从一侧到另一侧依次堆叠紧固板、集电板、复合电极隔板、集电板、复合电极隔板、集电板和紧固板而形成。另外，可以通过重复上述结构来制造包括三个或更多个单元电池的结构。单元电池的数量可以根据使用目的以各种方式调整，并且本发明没有特别限制。
复合制氢堆的每个组件可以通过引导构件和集电板的相应凹槽来组装和紧固，这可以使得复合制氢堆的组装变得容易。
也就是说，由于满足这种配置的复合制氢堆包括用于制氢的复合电极隔板，其中电极、气液扩散层和隔板多个组件被集成为一个组件，因此可以减少应用于复合制氢堆的部件数量以简化堆组装，减小堆体积，并且还可以降低电解质电阻，从而可以提高工作电流密度，因此获得可以进行高效率和高电流操作的优点。
此外，满足上述配置的复合制氢堆是其中产生自发电化学势的电化学系统。可以根据需要调节氧浓度以调节电池电势并产生氢(H2)，并且产生的氢可以用作其他燃料电池的燃料并引入复合燃料电池系统。
特别地，当复合制氢堆运行时，可以通过双极性膜通过如以上反应式1所示的析氢反应来产生氢。在这种情况下，包括在阴极输入/输出孔中的氧调节部件可以调节氧的量，以使得能够另外同时产生氢气和电力或者使得能够仅产生电力。
作为一个示例，当通过氧调节部件减少流入阴极的反应物的氧量，并且因此通过阴极输入/输出孔流入的反应物中包括的氧浓度低时，优选为12％或更低，或者更优选在大于0％且12％或更低的范围内时，阴极的电子可以与水(H2O)反应产生氢(H2)。也就是说，当溶解在电解质中的氧浓度低时，可能发生如以上反应式2所示的反应。结果，在复合制氢堆需要产生电力和氢的情况下，当通过氧调节部件减少输入氧的量时，尽管电池电势可以降低到一定程度用于制氢，但在阴极发生如上述反应式2所示的反应，从而同时产生氢和电力。
同时，当通过氧调节部件增加流入阴极的反应物中的氧量并因此通过阴极输入/输出孔流入的反应物中包括的氧浓度高时，优选大于12％，或更优选大于12％且小于100％时，则可能发生氧还原反应，其中阴极的电子与水(H2O)和氧(O2)反应生成氢氧根离子(OH-)。也就是说，当溶解在电解质中的氧的浓度高时，可能发生如以上反应式3所示的反应。
因此，在复合制氢堆仅需要产生电力的情况下，当通过氧调节部件增加氧输入量时，电池电势可维持在正常范围内，因此阴极部件中可发生如反应式2所示的反应，以更有效地产生电力。
在包括在电极部件中的阳极处，可以发生AOR，其中氨(NH3)被氧化并分解成氮(N2)和水(H2O)。
在阳极处发生的AOR可以如以上反应式4所示发生。
也就是说，在阳极处，氨(NH3)可以通过与氢氧根离子(OH-)的反应而被氧化，以生成氮(N2)和水(H2O)并发射电子(e-)。
膜可以是双极性膜，其中其一个表面包括具有阳离子交换基团的阳离子交换膜，并且膜的另一个表面包括具有阴离子交换基团的阴离子交换膜。当向双极性膜施加电压时，水可以在膜两侧的每一侧解离，使得可以在阴离子交换膜中产生OH-离子，并且可以在阳离子交换膜中产生H+离子。当具有这种特性的膜安装在阴极和阳极之间时，可以阻止在阴极和阳极处产生的气体或溶液的混合，并且还可以维持两侧电解质的pH。另外，当使用双极性膜作为膜时，可以通过水解离反应另外发生析氢反应。
在传统电池的情况下，由于阴极的复合电极隔板之间的pH差，可能在双极性膜中产生结电势。也就是说，已经认为当将阴极的电解质的pH设定为中性并且将阳极的pH设定为碱性时，与当阴极的电解质的pH设定为酸性时相比，由于pH差而导致的结电势可能更小。因此，可以预测，只有当结电势小时，堆系统才能自发地工作，而当结电势大时，堆系统难以自发地工作。
因此，在根据一个实施方案的复合制氢堆的情况下，类似于上述制氢系统，通过复合电极隔板的阴极输入/输出孔流入的反应物中所包括的电解质的pH和通过阳极输入/输出孔流入的反应物中包括的电解质的pH可被设定到特定范围，以分别为中性和碱性，从而更有效地降低结电势，因此可发生自发反应，从而获得可以更有效地驱动制氢系统的优点。
特别地，当通过阴极输入/输出孔流入的反应物中包括的电解质的pH被设置为中性并且通过阳极输入/输出孔流入的反应物中包括的电解质的pH被设置为碱性时，通过阴极输入/输出孔流入的反应物中包括的电解质的pH与通过阳极输入/输出孔流入的反应物中包括的电解质的pH之间的差值可以在约4至9的范围内，特别在约6至9的范围内。例如，通过阴极输入/输出孔流入的反应物中包括的电解质的pH可以在pH 6至pH 8的范围内，并且通过阳极输入/输出孔流入的反应物中包括的电解质的pH可以在pH 12至pH 15的范围内。
因此，根据一个实施方案的复合制氢堆可引起自发反应，其中在0V至0.6V范围的电池电势下产生大于0mA/cm2且小于或等于100mA/cm2的电流密度。
总之，根据一个实施方案的复合制氢堆可以在0V至0.6V范围内的电池电势下根据氧量来调节期望的反应。特别地，在仅需要发电的情况下，当通过氧调节部件增加输入氧的量时，由于电池电势可维持在正常范围内，因此在阴极部件中可发生如以上反应式3所示的反应，以更有效地产生电力。在需要发电和制氢的情况下，当通过氧调节部件减少输入氧的量时，尽管电池电势可以降低到一定程度用于制氢，但是优点在于，可以在阴极发生如以上反应式2所示的反应，从而同时产生氢和电力。
此外，根据一个实施方案的复合制氢堆可具有的优点在于可发生非自发反应，其中通过水电解反应产生超过100mA/cm2的电流密度。
另外，根据又一个实施方案，与上述制氢系统类似，可以另外提供一种联合发电系统，该联合发电系统包括接收从复合制氢堆排出的氢的氢燃料电池。
氢燃料电池可以通过氢和氧之间的化学反应产生水并且还产生电能。特别地，氢燃料电池可以是SOFC。
传统上，氢燃料电池在环境友好方面具有许多优点，但应该接收通过甲烷蒸汽重整提取氢。然而，在根据又一实施方案的联合发电系统中，由于氢燃料电池和复合制氢堆被配置为一个系统，所以从复合制氢堆产生的氢气被作为燃料接收，从而显著提高效率。
图5是示出根据一个实施方案的氨燃料电池系统100”的示意图。参考图5，阴极部件110”包括容纳在第一容纳空间111”中的第一电解质113”和至少一部分浸没在第一电解质113”中的阴极”，阳极部件120”包括容纳在第二容纳空间121”中的第二电解质123”和至少一部分浸没在第二电解质123”中金属阳极125”，并且连接部件130”包括用于允许第一容纳空间111”与第二容纳空间121”连通的连接通道131”以及设置在连接通道中以允许阴离子移动的阴离子交换膜133”。
阴极部件110”可以包括容纳在第一容纳空间111”中的第一电解质113”和至少一部分浸没在第一电解质中的阴极115”。
优选地，阴极部件110”还可以包括连接到阴极部件110”的第一容纳空间111”的氧调节部件117”，以调节输入到第一容纳空间111”的氧量。
根据溶解在第一电解质中的氧的浓度是高或低，在阴极部件中可能发生产生或不产生氢的反应。
特别地，输入到第一容纳空间的氧量可以通过氧调节部件来减少，因此当溶解在阴极部件中的第一电解质中的氧浓度低时，优选为12％或更低，或者更优选大于0％且12％或更低时，阴极部件中的电子可以与水(H2O)反应生成氢(H2)。也就是说，当溶解在阴极部件中的第一电解质中的氧浓度低时，可能发生如下反应式5所示的析氢反应。
[反应式5]
2H2O+2e-→H2+2OH-
因此，在氨燃料电池需要产生电力和氢的情况下，当通过氧调节部件减少输入氧的量时，尽管下文将描述的电池电势可降低到一定程度用于制氢，但是在阴极部件中发生如上面反应式5所示的反应，从而同时产生氢和电力。
因此，由于可以产生氢气，阴极部件110可以另外包括连接到第一容纳空间111”的第一出口119”，以排出产生的氢气。氢气可以通过第一出口119”从阴极部件110”排出到外部。
在这种情况下，氧调节部件117”和第一出口119”的位置不受特别限制，只要氧调节部件117”和第一出口119”可以连接到第一容纳空间111”以起到如上所述的作用即可。然而，氧调节部件可以与第一电解质接触以输入氧，并且第一出口应当排出氢气，因此优选的是，第一出口设置在不与第一电解质接触的第一容纳空间的上部，并且氧调节部件设置在与第一电解质接触的第一容纳空间的下部。
同时，可以通过氧调节部件增加输入到第一容纳空间的氧量，因此当溶解在阴极部件中的第一电解质中的氧浓度高时，优选大于12％，或者更优选大于12％且小于100％时，阴极部件中的电子可以与水(H2O)和氧(O2)发生氧还原反应，生成氢氧根离子(OH-)。也就是说，当溶解在阴极部件中的第一电解质中的氧浓度高时，可发生如下反应式6所示的氧还原反应。
[反应式6]
O2+2H2O+4e-→4OH-
因此，在氨燃料电池仅需要产生电力的情况下，当通过氧调节部件增加输入氧的量时，在下文描述的电池电势可维持在正常范围内，从而获得的优点在于，可以在阴极部件中发生如反应式6所示的反应，以更有效地产生电力。
包括在阴极部件110”中的第一电解质113”可以是中性的。例如，第一电解质的氢离子浓度可以在pH 6至pH 8的范围内，并且优选地可以为约pH 7。
第一电解质可以是水性电解质，特别是含水的水性电解质。第一电解质还可以包括除水之外的其他电解质材料。除了其他电解质材料应当是中和第一电解质的pH的电解质材料之外，除水之外的其他电解质材料的类型没有特别限制，并且可以使用本领域已知的任何电解质材料。电解质材料可以是例如中性电解质材料，并且例如可以包括选自KHCO3、KCl和Na2SO4中的至少一种。
阴极部件110”可以包括阴极115”。阴极可具有其中其一侧与第一电解质接触的设置，但优选地，阴极可放置成使得阴极的至少一部分浸没在第一电解质中。阴极可以是还原电极并且没有特别限制，只要阴极包括能够在阴极处产生还原反应的材料即可。阴极可包括选自由金属泡沫、金属薄膜、碳纸、碳纤维、碳毡、碳布和铂催化剂组成的组中的至少一种，但本发明不限于此。
此外，催化剂可以包括在阴极中，以促进阴极的还原反应。特别地，当流入阴极部件的第一电解质中溶解的氧浓度低时，阴极可以包括析氢反应催化剂，但是即使当流入阴极部件的第一电解质中溶解的氧浓度高时，阴极也可包括析氢反应催化剂。例如，析氢反应催化剂可以包括选自由铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜(Cu)组成的组的至少一种催化剂。
阳极部件120”可以包括容纳在第二容纳空间121”中的第二电解质123”以及至少一部分浸没在第二电解质123”中的金属阳极125。
在阳极部件120”中，可发生AOR，其中氨(NH3)被氧化并分解成氮(N2)和水(H2O)。
在阳极部件中发生的AOR可以如以下反应式7所示。
[反应式7]
2NH3+6OH-→N2+6H2O+6e-
也就是说，在阳极部件中，氨(NH3)可以通过与氢氧根离子(OH-)的反应而被氧化，以产生氮(N2)和水(H2O)并发射电子(e-)。
因此，阳极部件120”还可以包括连接到阳极部件120”中的第二容纳空间121”的第二出口129”，以排出产生的氮(N2)气。氮气可以通过第二出口从阳极部件120”排出到外部。
阳极部件120”可以包括第二电解质123”。第二电解质可以是碱性的，并且优选地可以包括氨(NH3)以呈碱性。第二电解质的氢离子浓度可以在pH 12至pH 15的范围内，并且优选地可以在约pH 14至pH 15的范围内。
第二电解质可以是水性电解质，特别是含水的水性电解质。第二电解质还可以包括除了水之外的氨，并且还可以包括除水和氨之外的其他电解质材料。除了其他电解质材料应当是中和第二电解质的pH的电解质材料之外，其他电解质材料的类型没有特别限制，并且可以使用本领域已知的任何电解质材料。
电解质材料可以是例如碱性电解质材料。例如，电解质材料可以是碱性水溶液，其中选自碱金属氢氧化物(例如，LiOH、NaOH和KOH)中的至少一种溶解在水中，特别是KOH水溶液。
阳极部件120”可以包括作为电极的阳极125”。阳极可具有其中其一侧与第二电解质接触的设置，但优选地，阳极可设置成使得其至少一部分浸没在第二电解质中。
阳极可以是氧化电极并且没有特别限制，只要阳极包括AOR催化剂即可。
作为可包括在阳极中的AOR催化剂，可使用任何已知的用于氧化和分解氨的催化剂，并且阳极可包括例如选自铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜(Cu)的至少一种金属催化剂，但本发明不限于此。
连接部件130”可包括用于允许第一容纳空间111”与第二容纳空间121”连通的连接通道131”；以及设置在连接通道中的阴离子交换膜133”。
连接通道可以在形成于阴极部件中的第一连接器和形成于阳极部件中的第二连接器之间延伸，并且因此可以允许阴极部件中的第一容纳空间与阳极部件中的第二容纳空间连通。
阴离子交换膜可以设置在连接通道中。特别地，阴离子交换膜可以以堵塞连接通道的内部的形式提供。
阴离子交换膜可以仅允许离子在阴极部件和阳极部件之间移动，并且优选地，第一水溶液中包括的氢氧根离子(OH-)可以通过阴离子交换膜移动到第二水溶液。
因此，阴离子交换膜不受特别限制，只要阴离子交换膜包括能够将第一水溶液中包括的氢氧根离子(OH-)移动至第二水溶液的材料即可。例如，阴离子交换膜可以是包括带正电的固定离子基团的阴离子交换膜，该固定离子基团排斥带正电的离子并且不允许带正电的离子通过，但允许带负电的离子选择性地通过。根据一个实施方案，阴离子交换膜可以是包括固定离子例如-NR3 +(R：烷基)、-NH4 +等的阴离子交换膜。氢氧根离子(OH-)通过阴离子交换膜从阴极部件转移到阳极部件，从而解决燃料电池运行期间可能出现的离子不平衡。
此外，阴离子交换膜可以进一步经过特定的处理，然后设置在连接通道中。特别地，阴离子交换膜可以在碱性环境下进行预处理，优选在0.1M至1M的KOH或NaOH条件下进行。
通过预处理，可以在阴离子交换膜中存在的孔壁上结构性地形成其中阳离子作为固定电荷存在的官能团，因此，由于连续重复阳离子与穿过阴离子交换膜的阴离子弱复合并再次分离、然后再次与官能团复合的状态，结果，优点在于仅允许阴离子更有效地穿过阴离子交换膜，从而达到更好的阴离子渗透效果。
在根据一个实施方案的氨燃料电池中，由于阴极部件中的第一电解质与阳极部件中的第二电解质之间的pH差，可能在阴离子交换膜中产生结电势。
在传统电池的情况下，由于阴极的复合电极隔板之间的pH差，可能在双极性膜中产生结电势。也就是说，已经认为当将阴极的电解质的pH设定为中性并且将阳极的pH设定为碱性时，与当阴极的电解质的pH设定为酸性时相比，由于pH差而导致的结电势可能更小。因此，可以预测，只有当结电势小时，堆系统才能自发地工作，而当结电势大时，堆系统难以自发地工作。
在根据一个实施方案的氨燃料电池中，在阴极部件中的电解质的pH被设置为中性且阳极部件中的pH被设置为碱性的情况下，更确切地说，当结电势较小时，可以发生自发反应，因此可以更有效地驱动燃料电池系统。
特别地，当阴极部件中的电解质的pH被设置为中性并且阳极部件中的pH被设置为碱性时，阴极部件中的第一电解质的pH与阳极部件中的第二电解质的pH之间的差值可以在约4至9的范围内，特别地，在约6至9的范围内。例如，第一电解质112”的pH可以在pH 6至pH8的范围内，并且第二电解质122”的pH可以在pH 12至pH 15的范围内。
因此，根据一个实施方案的氨燃料电池在0V至1.0V的电池电势下可以表现出大于0mA/cm2至50mA/cm2或更小的电流密度。
因此，由于AOR可以自发地继续并且可以有效地产生电力，所以在氨燃料电池仅需要产生电力的情况下，当通过氧调节部件增加输入氧的量时，电池电势可以保持在正常范围内，因此可以具有优点在于，可以在阴极部件中发生反应式6所示的反应以更有效地产生电力。在氨燃料电池需要产生电力和氢的情况下，当通过氧调节部件减少输入的氧量时，尽管下文描述的电池电势可以降低到一定程度用于制氢，但是在阴极部件发生如上面反应式5所示的反应，从而获得同时产生氢和电力的优点。
同时，根据又一个实施方案，可以另外提供一种包括氢燃料电池的联合发电系统，当上述氨燃料电池系统需要产生氢以及电力时，通过氧调节部件减少输入氧的量，该氢燃料电池最终接收排出的氢。
氢燃料电池可以通过氢和氧之间的化学反应产生水并且还产生电能。特别地，氢燃料电池可以是SOFC。
传统上，氢燃料电池在环境友好方面具有许多优点，但应该接收通过甲烷蒸汽重整提取的氢。然而，在根据又一实施方案的联合发电系统中，由于氢燃料电池和氨燃料电池被构造为一个系统，所以接收从氨燃料电池产生的氢气作为燃料，从而显著提高效率。
[用于实施本发明的方式]
下文中，将参考实施例详细描述本发明。
实施例1-制氢系统的制造和电池电势的测量
使用1M KHCO3水溶液作为阴极部件中的第一电解质来调节pH至7，使用1M NH3水溶液和5M KOH水溶液作为阳极部件中的第二电解质来调节pH至15，并且使用Fumasep FBM(由The Fuel Cell Store制造的产品)作为双极性膜来制造根据本发明的制氢系统。使用Ag/AgCl作为参比电极测量阳极部件的电势、阴极部件的电势以及电池电势。测量结果分别如图6A、6B和6C所述。参考6A和图6B，可以看出阳极部件中的电势(参见图6A)和阴极中的电势(参见图6B)之间的差很小。此外，如图6C可以看出，发生自发反应，同时电池电势的消耗减少。
实施例2-制氢系统中(联合发电系统的制氢单元)的电化学特性
使用1M KHCO3水溶液作为阴极部件中的第一电解质来调节pH至7，使用1M NH3水溶液和5M KOH水溶液作为阳极部件中的第二电解质来调节pH至15，并且使用Fumasep FBM(由The Fuel Cell Store制造的产品)作为双极性膜来制造制氢单元，即制氢系统。在假设从可再生能源发电单元接收电力的情况下，将电力供应到阴极，并且在制氢单元中测量根据电流密度的电压并且如图7所示。在图7中，点1表示在没有电源的情况下电流流动的自发反应区域，点2表示氢产量最大的自发反应区域。点3表示以典型水电解中消耗能量的1/3发生水电解的点。也就是说，根据本发明，甚至在图7中的点2和点3处也产生氢，并且可以看出，与根据现有技术的水电解技术相比，可以用低得多的能量产生大量的氢。
实施例3-制氢系统中的最佳温度操作条件
制造与实施例1中相同的制氢系统，并通过改变包括阳极部件的制氢系统的温度来测量阳极部件的电化学性质。测量结果如图8所示。参考图8，在室温下测量的数据的情况下，最大电流密度为约70mA/cm2，但是当温度升至65℃时，可以观察到最大电流密度为约210mA/cm2，因此性能提高到两倍或更多。由于析氢反应和氨分解反应的速率随着温度升高而加速，因此出现这种根据温度的性能改进。然而，在80℃的温度下，氨在水中的溶解反应速率慢且溶解量小，因此性能反而下降。根据本实验的结果，包括阴极部件和阳极部件的整个电池的实验温度被优化为65℃。
实施例4-制氢系统中的最佳电解质浓度条件
制造与实施例1相同的制氢系统，并通过改变阳极部件的第二电解质中碱金属氢氧化物(KOH)的浓度和氨的浓度来测量电化学性能。其结果分别示于图9和10所示。
参考图9，可以看出电流密度随着阳极部件的第二电解质中碱金属氢氧化物的浓度增加而增加。据分析，由于AOR是使用OH-离子作为反应物的反应，因此随着碱金属氢氧化物的浓度增加，氨分解反应的速率加快。
此外，参考图10，可以看出，当第二电解质中的氨浓度为2M时，与氨浓度为1M时相比，初始性能优异。然而，当第二电解质中氨浓度为2M时，5个循环后性能急剧下降。分析这是由于氨浓度过高而引起形成金属氮氧化物的副反应，随着CV循环的进行而导致性能下降的现象。因此，约1M的氨浓度似乎是最合适的。
实施例5-通过还原反应去除电极的化学中毒(化学吸附)
制造如实施例1中的制氢系统。当制氢系统运行时，氨分解产生的中间产物附着在电极(阳极)上，导致电极化学中毒。参考图11B，当进行AOR时，可以从相对于Ag/AgCl参比电极的电压从约-0.55转变为线性上升的变化看出中毒的进展。为了稳定电极免受这种中毒并恢复电池性能，将阈值设置为-0.5V电压后，以50mA/cm2的电流密度进行阴极扫描5分钟。参考图11B，可以看出，通过进行上述阴极扫描，当在进行还原反应之后进行AOR时，电压恢复到-0.55V附近。图11A示出了根据CV测量期间的阴极扫描的电极性能恢复趋势。
实施例6-复合制氢堆的制造
将紧固板(端板)、集电板、复合电极隔板、集电板、复合电极隔板、集电板和紧固板(端板)顺序堆叠以制造复合制氢堆。
特别地，使用PTFE、EPDM、复合PP等将复合电极隔板制造为分离部件，并且通过计算机数控(CNC)加工或蚀刻在分离部件的两个表面上设计包括输入/输出孔和流动路径的输送部件。阳极、膜和阴极可以顺序地形成在反应部件中，该反应部件是除了输送部件之外的空的空间。特别地，阳极和阴极可以通过电化学电镀、喷涂、PVD或水热合成来形成。阳极和阴极包括选自铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜的至少一种金属催化剂。使用双极性膜Fumasep-fbm-pk作为膜。
在这种情况下，使用1M KHCO3水溶液作为包括在通过阴极输入/输出孔流入的反应物中的电解质，将pH调节至7。使用1M NH3水溶液和5M KOH水溶液作为包括在通过阳极输入/输出孔流入的反应物中的电解质，将pH调节至15。
此外，使用钛板作为集电板。
实施例7-根据输入氧浓度范围分析复合制氢堆机理
作为在根据实施例6制造复合制氢堆之后评估输入氧浓度的影响的方法。
通过使用开路电压(OCV)和线性扫描伏安法(LSV)测量电池电势。测量结果如图12所示。特别地，图12是显示根据实施例6的复合制氢堆的电池电势的测量结果的图。
参考图12，当氧浓度为12％或更低时，可以确认发生阴极的电子与水(H2O)反应生成氢(H2)的反应。当阴极部件中第一电解质中溶解的氧的浓度大于12％时，可以确认阴极的电子与水(H2O)和氧(O2)反应生成氢氧根离子(OH-)。
因此，AOR继续自发地有效地产生电力，并且在复合制氢堆仅需要产生电力的情况下，当通过氧调节部件增加输入氧的量时，电池电势可以保持在正常范围内，因此在阴极部件中可以发生如反应式3所示的反应，从而获得更有效地产生电力的优点。在复合制氢堆需要产生电力和氢的情况下，当通过氧调节部件减少输入的氧量时，尽管电池电势可以降低到一定程度用于制氢，但是优点在于阴极可能发生如上述反应式2所示的反应以产生氢。
实施例8-复合制氢堆的反应分析
在根据实施例6制造复合制氢堆之后，分析根据电池电势的反应情况。
图13是根据实施例6的根据复合制氢堆的电池电势的电流密度的曲线图。
参考图13，类似于图7的制氢系统，发生自发反应，其中在0V至0.6V的电池电势范围内产生大于0mA/cm2且小于或等于100mA/cm2的电流密度。可以证实，在电流密度超过100mA/cm2时发生氨水电解反应。
同时，图14是分析根据实施例6的根据复合制氢堆中添加氧的反应的图。
参考图14，可以确认，在初始堆中，由于氧的存在而发生自发反应，并且通过堆驱动发生非自发反应，其为氨水电解反应。接下来，可以确认在添加氧(O2吹扫)之后再次发生自发反应。
也就是说，在根据一个实施方案的复合制氢堆中，可以调节氧的量以同时产生氢气和电力或者仅产生电力，并且也可以通过氨水电解反应仅产生氢气。
实施例9-氨燃料电池的制造
使用1M KHCO3水溶液作为第一电解质将阴极部件的pH调节至7。
通过电沉积方法提供阴极。在这种情况下，阴极包括由选自由铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜(Cu)组成的组中的至少一种金属合成的电催化剂。安装被配置为调节输入到第一容纳空间的氧量的氧调节部件通道和被配置为调节氧调节部件通道的控制部件。
使用1M NH3水溶液和5M KOH水溶液作为第二电解质将阳极部件的pH调节至15，并通过电沉积方法提供阳极。在这种情况下，阳极包括由选自由铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜(Cu)组成的组中的至少一种金属合成的电催化剂。
作为连接部件，使用EPDM、PEEK等形成用于连接第一容纳空间和第二容纳空间的连接通道，然后提供Fumasep FAS-PET-75作为阴离子交换膜并设置在连接通道内，从而最终制造出氨燃料电池。
实施例10-用预处理的阴离子交换膜制造氨燃料电池
以与实施例1相同的方式制造氨燃料电池，不同之处在于连接部件中的阴离子交换膜通过与实施例1不同的浸渍工艺进行预处理。在这种情况下，用于浸渍的预处理溶液可以是碱性溶液，例如NaOH、KOH或LiOH。
实施例11-根据输入氧的浓度范围分析氨燃料电池机理
作为评估根据实施例9制造复合制氢堆之后输入的氧浓度的影响的方法，通过使用OCV和LSV，测量电池电势。测量结果如图15所示。特别地，图15是示出根据实施例9的氨燃料电池的电池电势的测量结果的图。
参考图15，当氧浓度为12％或更低时，可以确认发生了阴极部件的电子与水(H2O)反应生成氢(H2)的反应。当溶解在阴极部件的第一电解质中的氧的浓度大于12％时，可以确认阴极部件的电子与水(H2O)和氧(O2)反应生成氢氧根离子(OH-)。
因此，AOR可以自发地继续以有效地产生电力，并且当氨燃料电池仅需要产生电力时，当通过氧调节部件增加输入氧的量时，电池电势可以维持在正常范围内，因此在阴极部件中可以发生如以上反应式6所示的反应，从而获得更有效地产生电力的优点。当氨燃料电池需要产生电力和氢时，当通过氧调节部件减少输入量时，尽管电池电势可以降低到一定程度用于制氢，但是优点在于，可以在阴极部件中发生如以上反应式5所示的反应产生氢。
实施例12-通过阴离子交换膜预处理工艺分析电池效率
使用LSV分析包括根据实施例10的预处理的阴离子交换膜的氨燃料电池的电池效率。其结果如图16所示。
特别地，图16是显示使用LSV分析包括根据实施例10的预处理的阴离子交换膜的氨燃料电池的结果的图。
结果，可以确认，当阴离子交换膜经历预处理过程时，阴离子可以通过阴离子交换膜中的官能团选择性地转移。
也就是说，通过使用氨作为燃料，根据一个实施方案的氨燃料电池是一种生态友好的能源，其燃料供应相对容易，氨具有比氢更窄的爆炸范围并且由于可以在低压下液化，因此易于储存和运输。此外，由于氨独特的气味，容易检测泄漏，并且当使用氨废水时，有一个优点是可以在处理废水的同时产生电。氨燃料电池是一种电化学系统，其中产生自发电化学电势，并根据需要调节氧浓度来调节电池电势并产生氢(H2)。因此，优点在于所产生的氢(H2)可用作其他燃料电池的燃料并引入复合燃料电池系统中。
尽管已经参考示例性实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。

Claims (45)

1.一种制氢系统，包括：
阴极部件，所述阴极部件包括阴极和第一电解质；
阳极部件，所述阳极部件包括阳极和第二电解质；以及
设置在所述阴极部件和所述阳极部件之间的双极性膜，
其中所述第一电解质为中性，
所述第二电解质为碱性并且包括氨，并且
在所述阴极部件中产生氢。
2.根据权利要求1所述的制氢系统，其中所述阴极包括析氢反应催化剂。
3.根据权利要求2所述的制氢系统，其中所述析氢反应催化剂包括选自由金属泡沫、金属薄膜、碳纸、碳纤维、碳毡、碳布和铂催化剂组成的组中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制氢系统，其中所述阳极包括选自由铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜(Cu)组成的组中的至少一种金属催化剂。
5.根据权利要求1所述的制氢系统，其中所述第一电解质的pH为6至8。
6.根据权利要求1所述的制氢系统，其中所述第二电解质的pH为12至15。
7.根据权利要求1所述的制氢系统，其中所述第一电解质是中性水性电解质，并且
所述第二电解质是包括氨的碱性水性电解质。
8.根据权利要求7所述的制氢系统，其中所述碱性水性电解质是其中溶解有选自碱金属氢氧化物中的至少一种的碱性水溶液。
9.根据权利要求8所述的制氢系统，其中所述碱金属氢氧化物是选自由KOH、NaOH和LiOH组成的组中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的制氢系统，其中所述双极性膜将水分解成质子(H+)和氢氧根离子(OH-)，
所述质子(H+)移动到所述第一电解质，并且
所述氢氧根离子(OH-)移动到所述第二电解质。
11.根据权利要求1所述的制氢系统，其中在所述阳极部件中发生氨氧化反应，其中氨与氢氧根离子(OH-)反应并被氧化以产生氮(N2)。
12.根据权利要求1所述的制氢系统，其中所述阳极部件的温度为30℃或更高。
13.根据权利要求8所述的制氢系统，其中所述碱性水溶液的浓度为1M或更高。
14.根据权利要求1所述的制氢系统，其中所述氨的浓度在0.7M或更高且1.3M或更低的范围内。
15.根据权利要求1所述的制氢系统，其中所述阴极部件中的所述氢通过析氢反应产生，在所述析氢反应中质子(H+)与所述阴极的电子结合以产生氢(H2)。
16.根据权利要求1所述的制氢系统，还包括连接到所述阴极部件的氧调节部件，以调节输入到所述阴极部件的氧量。
17.根据权利要求1所述的制氢系统，其中，当所述阴极部件中的所述第一电解质中溶解的氧的浓度为12％或更低时，所述阴极部件中的电子与水(H2O)反应以产生氢(H2)。
18.根据权利要求1所述的制氢系统，其中，当所述阴极部件中的所述第一电解质中溶解的氧的浓度大于12％时，所述阴极部件中的电子与水(H2O)和氧(O2)反应以产生氢氧根离子(OH-)。
19.一种通过去除制氢系统中中毒电极的中毒来稳定电极的方法，所述方法包括对所述制氢系统进行阴极扫描，
其中所述制氢系统包括：包括阴极和第一水性电解质的阴极部件，包括阳极和第二水性电解质的阳极部件，以及设置在所述阴极部件和所述阳极部件之间的双极性膜，其中在所述阴极部件发生析氢反应，并且在所述阳极部件发生氨氧化反应。
20.一种联合发电系统，包括：
可再生能源发电单元，所述可再生能源发电单元被配置为从可再生能源产生电力；
制氢单元，所述制氢单元被配置为接收从所述可再生能源发电单元产生的电力；以及
燃料电池，所述燃料电池被配置为接收来自所述制氢单元的氢，
其中所述制氢单元是权利要求1所述的制氢系统。
21.根据权利要求20所述的联合发电系统，还包括储氢单元，所述储氢单元被配置为储存在所述制氢单元中产生的氢。
22.根据权利要求20所述的联合发电系统，还包括电能储存单元，所述电能储存单元被配置为储存从所述可再生能源发电单元产生的电力。
23.一种复合电极隔板，包括：
具有板状形状的分离部件；
输送部件，所述输送部件形成在所述分离部件的两个表面的每一个表面上，并且具有反应物和产物流过的流动路径以及所述反应物流入和所述产物流出的输入/输出孔；
反应部件，所述反应部件具有除了形成在所述两个表面中的每一个表面上的所述输送部件之外的区域；以及
电极部件，所述电极部件位于所述反应部件中，并且包括阴极、阳极以及设置在所述阴极和所述阳极之间的双极性膜。
24.根据权利要求23所述的复合电极隔板，其中所述输入/输出孔包括阴极输入/输出孔和阳极输入/输出孔。
25.根据权利要求23所述的复合电极隔板，其中阴极输入/输出孔还包括氧调节部件，所述氧调节部件被配置为调节流入所述输送部件的反应物的氧量。
26.根据权利要求23所述的复合电极隔板，其中通过阴极输入/输出孔流入的反应物的氢离子浓度在pH 6至pH 8的范围内。
27.根据权利要求23所述的复合电极隔板，其中通过所述输入/输出孔流入的反应物的氢离子浓度在pH 12至pH 15的范围内。
28.根据权利要求23所述的复合电极隔板，其中所述电极部件具有5m2/g至100m2/g的比表面积和0.02μm至12μm的孔径。
29.一种复合制氢堆，包括一个或多个单元电池，每个单元电池包括根据权利要求23所述的复合电极隔板和位于所述电极隔板的两个表面上的集电板。
30.根据权利要求29所述的复合制氢堆，其中，当通过阴极输入/输出孔流入的反应物中的氧浓度为12％或更低时，所述阴极的电子与水(H2O)反应以排出作为产物的氢(H2)。
31.根据权利要求29所述的复合制氢堆，其中，当通过阴极输入/输出孔流入的反应物中的氧浓度大于12％时，所述阴极的电子与水(H2O)和氧(O2)反应产生氢氧根离子(OH-)。
32.根据权利要求29所述的复合制氢堆，其中氨(NH3)和氢氧根离子(OH-)在所述阳极处被氧化，以通过阳极输入/输出孔排出作为产物的氮(N2)。
33.根据权利要求29所述的复合制氢堆，其中发生自发反应，在所述自发反应中，在0V至0.6V范围的电池电势下产生大于0mA/cm2且小于或等于100mA/cm2的电流密度。
34.根据权利要求29所述的复合制氢堆，其中通过氨水电解反应产生超过100mA/cm2的电流密度。
35.一种氨燃料电池，包括：
阴极部件，包括容纳在第一容纳空间中的第一电解质和至少一部分浸没在所述第一电解质中的阴极；
阳极部件，包括容纳在第二容纳空间中的第二电解质和至少一部分浸没在所述第二电解质中的金属阳极；以及
连接部件，包括被配置为连通所述第一容纳空间与所述第二容纳空间的连接通道以及设置在所述连接通道中以允许阴离子移动的阴离子交换膜，
其中所述第一电解质为中性，
所述第二电解质包括氨(NH3)并且为碱性，并且
在所述阳极部件中产生氮(N2)。
36.根据权利要求35所述的氨燃料电池，还包括氧调节部件，所述氧调节部件连接至所述阴极部件的所述第一容纳空间，以调节输入到所述第一容纳空间的氧量。
37.根据权利要求35所述的氨燃料电池，其中，当所述阴极部件中的所述第一电解质中溶解的氧的浓度为12％或更低时，所述阴极部件中的电子与水(H2O)反应以产生氢(H2)。
38.根据权利要求35所述的氨燃料电池，其中，当所述阴极部件中的所述第一电解质中溶解的氧的浓度大于12％时，所述阴极部件中的电子与水(H2O)和氧(O2)反应以产生氢氧根离子(OH-)。
39.根据权利要求35所述的氨燃料电池，其中所述阴离子交换膜在碱性环境中进行预处理。
40.根据权利要求35所述的氨燃料电池，其中使用0.1M至1M的碱性溶液进行所述预处理。
41.根据权利要求35所述的氨燃料电池，其中，在所述阳极部件中，氨(NH3)和氢氧根离子(OH-)被氧化以产生氮(N2)。
42.根据权利要求35所述的氨燃料电池，其中所述第一电解质的氢离子浓度在pH 6至pH 8的范围内。
43.根据权利要求35所述的氨燃料电池，其中所述第二电解质的氢离子浓度在pH 12至pH 15的范围内。
44.根据权利要求35所述的氨燃料电池，其中所述第二电解质包括其中溶解有碱金属氧化物的碱性水溶液。
45.根据权利要求35所述的氨燃料电池，其中在0V至1.0V范围的电池电势下产生大于0mA/cm2且小于或等于50mA/cm2的电流密度。
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