CN208423066U - 燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种燃料电池，所述燃料电池包括阳极、阴极、质子交换膜、阴离子交换膜和离子反应区，所述离子反应区设置于所述阳极和阴极之间，所述阳极与所述离子反应区之间由质子交换膜所隔开以使阳极产生的阳离子进入离子反应区中进行反应，所述阴极与所述离子反应区之间由阴离子交换膜所隔开以使阴极产生的阴离子进入离子反应区中进行反应，所述阳极设置有燃料输入口、燃料输出口和电子输出端，所述阴极设置有氧化性气体输入口、氧化性气体输出口和电子输入端，所述离子反应区设置有出水口。本公开提供的燃料电池发热量低，燃料电池的综合效率高。
Description
技术领域
本公开涉及电池技术领域，具体涉及一种燃料电池。
背景技术
目前市场上的燃料电池汽车电堆原理架构如图1所示，氢气中氢原子由电子101和氢原子核102组成，氧气中氧原子由氧原子核111与电子101组成。在阳极103中阳极催化剂104的作用下，电子脱离氢原子核的束缚，经导线105、电子负载107、导线108有序到达阴极110；同时，氢原子核(质子)进入质子交换膜106，质子交换膜106为氢化物，含氢原子核，且氢原子核数量一定，由氢化物中其它原子核数量决定，因此氢原子核进入质子交换膜106，为了质子交换膜106中各原子核数量的平衡，必然从质子交换膜106的另一面有序析出氢原子核，如图1所示，质子交换膜106左边进入多少氢原子核，右边则析出多少氢原子核。有序到达阴极110的电子在阴极催化剂109的作用下，与氧原子、从质子交换膜中析出的氢原子核反应，生成水(H2O)，这种反应是无序的，即化学反应中电子在不同能量层(电子轨道)的跃迁是无序的，无序导致化学反应中电子跃迁释放的能量以热能形式展现。因此，目前市场上的燃料电池汽车电堆的阴极会产生大量热量，这些热量甚至影响、制约整车的布局。
实用新型内容
本公开的目的是提供一种燃料电池，本公开提供的燃料电池发热量低，燃料电池的综合效率高。
为了实现上述目的，本公开提供一种燃料电池，所述燃料电池包括阳极、阴极、质子交换膜、阴离子交换膜和离子反应区，所述离子反应区设置于所述阳极和阴极之间，所述阳极与所述离子反应区之间由所述质子交换膜所隔开以使阳极产生的质子通过质子交换膜进入离子反应区中，所述阴极与所述离子反应区之间由阴离子交换膜所隔开以使阴极产生的阴离子通过阴离子交换膜进入离子反应区并与离子反应区中的质子进行反应，所述阳极设置有燃料输入口、燃料输出口和电子输出端，所述阴极设置有氧化性气体输入口、氧化性气体输出口和电子输入端，所述离子反应区设置有出水口。
可选的，所述质子交换膜为聚四氟乙烯交换膜、全氟聚乙烯磺酸交换膜、磺化聚苯基喹啉交换膜、磺化氟化苯乙烯共聚物交换膜、聚苯并咪唑交换膜、聚醚醚酮交换膜、聚醚砜交换膜、聚砜交换膜或聚酰亚胺交换膜。
可选的，所述阴离子交换膜为氟化聚苯乙烯交换膜、聚酰亚胺交换膜、聚醚砜交换膜、聚醚酮交换膜、聚乙烯醇交换膜、聚环氧氯丙烷交换膜、聚壳糖交换膜或聚乙烯基咪唑交换膜。
可选的，所述阳极设置有流体连通的阳极催化剂层和燃料扩散区，所述燃料输入口和燃料输出口设置于所述燃料扩散区中，所述电子输出端设置于所述阳极催化剂层中，所述阳极催化剂层设置于所述燃料扩散区和所述质子交换膜之间。
可选的，所述阳极催化剂层中的阳极催化剂包括阳极载体和负载在阳极载体上的阳极活性金属颗粒，所述阳极载体为碳颗粒或碳化聚丙烯腈，所述阳极活性金属颗粒为选自铂颗粒、钌颗粒和钯颗粒中的一种或多种。
可选的，所述阴极设置有流体连通的阴极催化剂层和氧化性气体扩散区，所述氧化性气体输入口和氧化性气体输出口设置于所述氧化性气体扩散区中，所述电子输入端设置于所述阴极催化剂层中，所述阴极催化剂层设置于所述氧化性气体扩散区与所述阴离子交换膜之间。
可选的，所述阴极催化剂层中的阴极催化剂包括阴极载体和负载在阴极载体上的阴极活性金属颗粒，所述阴极载体为碳颗粒或碳化聚丙烯腈，所述阴极活性金属颗粒为选自铂颗粒、银颗粒、钯颗粒和镍颗粒中的一种或多种。
可选的，所述离子反应区中填充有导电液体层。
可选的，所述导电液体层中的液体为水，含有或不含有电解质，所述电解质包括选自氯化钠、氯化钾、硫酸钾和硫酸钠中的一种或多种。
可选的，所述燃料电池还包括燃料储存容器和氧化性气体储存容器，所述燃料储存容器与燃料输入口流体连通，所述氧化性气体储存容器与所述氧化性气体输入口流体连通。
本公开提供的燃料电池在质子交换膜和阴极之间设置阴离子交换膜和离子反应区，能够使质子和阴离子(例如超氧离子或氢氧根离子)分别穿过质子交换膜和阴离子交换膜有序地进入离子反应区中进行反应生成水，使现有燃料电池中无序反应所产生的热量转化为电能，提高了燃料电池的综合效率，降低燃料电池发热，从而降低燃料电池散热设备和热管理的要求，使得燃料电池的使用设备(例如汽车，尤其轿车)能够适应更加恶劣的气候环境工况。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是现有燃料电池一种具体实施方式的结构示意图。
图2是本公开燃料电池一种具体实施方式的结构示意图。
附图标记说明
101 电子 102 氢原子核 103 阳极
104 阳极催化剂 105 导线 106 质子交换膜
107 电子负载 108 导线 109 阴极催化剂
110 阴极 111 氧原子核
1 阳极 11 阳极催化剂层 12 燃料扩散区
2 阴极 21 阴极催化剂层 22 氧化性气体扩散区
3 质子交换膜 4 阴离子交换膜
5 离子反应区 51 出水口
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
如图2所示，本公开提供一种燃料电池，所述燃料电池包括阳极1、阴极2、质子交换膜3、阴离子交换膜4和离子反应区5，所述离子反应区5设置于所述阳极1和阴极2之间，所述阳极1与所述离子反应区5之间由所述质子交换膜3所隔开以使阳极1产生的质子通过质子交换膜3进入离子反应区5中，所述阴极2与所述离子反应区5之间由阴离子交换膜4所隔开以使阴极2产生的阴离子通过阴离子交换膜4进入离子反应区5并与离子反应区5中的质子进行反应，所述阳极1设置有燃料输入口、燃料输出口和电子输出端，所述阴极2设置有氧化性气体输入口、氧化性气体输出口和电子输入端，所述离子反应区5设置有出水口51。
本公开燃料电池的离子反应区中反应的过程为：由于质子交换膜3为氢化物，含氢原子核，且氢原子核数量一定，由氢化物中其它原子核数量决定，因此氢原子核进入质子交换膜3，为了质子交换膜3中各原子核数量的平衡，必然从质子交换膜3的另一面有序析出氢原子核，如图2所示，质子交换膜3左边进入多少氢原子核，右边则析出多少氢原子核。阴离子交换膜4为氧化物，含有阴离子(例如超氧离子O2 -或氢氧根离子OH-)，且阴离子的数量一定，由氧化物中其它离子数量决定，因此阴离子进入阴离子交换膜4，为了阴离子交换膜4中各原子核数量的平衡，必然从阴离子交换膜4的另一面有序析出阴离子，如图2所示，阴离子交换膜4右边进入多少阴离子，左边则析出多少阴离子。上述设置的质子交换膜和阴离子交换膜使质子和阴离子有序地发生反应。
以用于汽车的燃料电池为例，若现有燃料电池为碳堆燃料电池，发电功率为36kW，净输出电功率为30kW，燃料电池的散热量为47.2kW，发电效率为36/(36+47.2)≈43.4％，净输出效率为30/36≈83.3％，功率消耗主要为电池散热装置、交流直流转化设备和空压机等电池附件消耗；燃料电池综合效率为30/(36+47.2)≈36％。本公开的燃料电池由于设置了阴离子交换膜和离子反应区，现有燃料电池中的散热量也转化为电能，发电功率为36+47.2＝83.2kW，同时取消了电池散热装置，若以交流直流转化设备的散热量为2kW计，空压机(含空压机控制器)散热量为1.6kW，燃料电池综合效率为(83.2-2-1.6)/83.2≈95.7％，即使基于保守估算，本公开燃料电池的综合效率在90％以上，远高于现有燃料电池的36％。因此，本公开提供的燃料电池发热量低，综合效率高。
根据本公开，质子交换膜(英文全称：Proton Exchange Membrane，英文简称：PEM)可以传导来自阳极的质子同时将离子反应区和阳极隔开，其仅能通过质子，而不能通过其它离子、液体、气体和电子。本公开所用质子交换膜可以为聚四氟乙烯交换膜、全氟聚乙烯磺酸交换膜、磺化聚苯基喹啉交换膜、磺化氟化苯乙烯共聚物交换膜、聚苯并咪唑交换膜、聚醚醚酮交换膜、聚醚砜交换膜、聚砜交换膜或聚酰亚胺交换膜，现有商业化的质子交换膜型号有Naflon、Dow、Flenion和Aciplex等，厚度可以为几十到几百微米，本领域技术人员可以商购，也可以自行制备。
根据本公开，阴离子交换膜所用的材料可以选用含氟或全芳烃结构的材料，例如可以为有机-无机杂化碱性阴离子交换膜、掺杂型碱性阴离子交换膜和均相碱性阴离子交换膜层，具体可以为氟化聚苯乙烯交换膜、聚酰亚胺交换膜、聚醚砜交换膜、聚醚酮交换膜、聚乙烯醇交换膜、聚环氧氯丙烷交换膜、聚壳糖交换膜或聚乙烯基咪唑交换膜，本领域技术人员可以商购，也可以自行制备。
根据本公开，阳极用于输入燃料(例如氢气)并将其转化为质子和电子，质子穿过质子交换膜进入离子反应区进行反应，而电子通过电子输出端输出，如图2所示，一般而言，所述阳极1可以设置有流体连通的阳极催化剂层11和燃料扩散区12，所述燃料输入口和燃料输出口可以设置于所述燃料扩散区12中，所述电子输出端可以设置于所述阳极催化剂层11中，所述阳极催化剂层11可以设置于所述燃料扩散区12和所述质子交换膜3之间。所述燃料扩散区用于将燃料输入和输出并使至少部分燃料进入阳极催化剂层产生质子和电子。阳极催化剂层中的催化剂可以加快产生质子和电子的速率，提高电池效率，催化剂优选具有活性高、选择性好、耐腐蚀、寿命长和成本低等优点，例如，所述阳极催化剂层11中的阳极催化剂可以包括阳极载体和负载在阳极载体上的阳极活性金属颗粒，所述阳极载体可以为碳颗粒或碳化聚丙烯腈，优选为碳黑，所述阳极活性金属颗粒可以为选自铂颗粒、钌颗粒和钯颗粒中的一种或多种，优选为铂颗粒。
根据本公开，阴极用于输入氧化性气体(例如氧气)并接收电子和产生阴离子(例如超氧离子O2 -或氢氧根离子OH-)，阴离子穿过阴离子交换膜进入离子反应区进行反应。如图2所示，所述阴极2可以设置有流体连通的阴极催化剂层21和氧化性气体扩散区22，所述氧化性气体输入口和氧化性气体输出口可以设置于所述氧化性气体扩散区22中，所述电子输入端可以设置于所述阴极催化剂层21中，所述阴极催化剂层21可以设置于所述氧化性气体扩散区22与所述阴离子交换膜4之间。所述氧化性气体扩散区用于将氧化性气体输入和输出并使至少部分氧化性气体进入阴极催化剂层得到电子输入端电子，产生阴离子。所述阴极催化剂层的结构可以与阳极催化剂层相似，例如阴极催化剂可以包括阴极载体和负载在阴极载体上的阴极活性金属颗粒，所述阴极载体可以为碳颗粒或碳化聚丙烯腈，优选为碳黑，所述阴极活性金属颗粒可以为选自铂颗粒、银颗粒、钯颗粒和镍颗粒中的一种或多种，优选为铂颗粒。除了活性金属以外，催化剂上还可以有V、Ce和Zr等氧化物助剂，使铂颗粒周围保持一定的氧浓度，降低氧电极的过电位，保持氧气利用率。
根据本公开，离子反应区用于穿过质子交换膜的质子和穿过阴离子交换膜的阴离子进行反应生成水，为了使质子和阴离子充分接触并反应，所述离子反应区5中可以填充有导电液体层，所述导电液体层中的液体可以为水，可以含有或不含有电解质，优选含有电解质以提高液体的电导率，加快反应的进行，所述电解质可以为各种能溶于水且能够导电的物质，例如可以包括选自氯化钠、氯化钾、硫酸钾和硫酸钠中的的一种或多种，但本公开不限于此。离子反应区中反应产生的水可以通过出水口51排出，该出水口51可以设置于离子反应区的底部或顶部，从而使水被排水装置抽出或溢出至排水容器中，由水所带出的电解质可以定期进行补充。在通常情况下，离子反应区可以以水槽或水池的形式呈现。
根据本公开，为了方便输入燃料和氧化性气体，所述燃料电池还可以包括燃料储存容器和氧化性气体储存容器，所述燃料储存容器可以与燃料输入口流体连通，所述氧化性气体储存容器可以与所述氧化性气体输入口流体连通，除了燃料储存容器以外，为了提高进气的压力，燃料电池还可以设置有加压泵。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (10)
1.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括阳极(1)、阴极(2)、质子交换膜(3)、阴离子交换膜(4)和离子反应区(5)，所述离子反应区(5)设置于所述阳极(1)和阴极(2)之间，所述阳极(1)与所述离子反应区(5)之间由所述质子交换膜(3)所隔开以使阳极(1)产生的质子通过质子交换膜(3)进入离子反应区(5)中，所述阴极(2)与所述离子反应区(5)之间由阴离子交换膜(4)所隔开以使阴极(2)产生的阴离子通过阴离子交换膜(4)进入离子反应区(5)并与离子反应区(5)中的质子进行反应，所述阳极(1)设置有燃料输入口、燃料输出口和电子输出端，所述阴极(2)设置有氧化性气体输入口、氧化性气体输出口和电子输入端，所述离子反应区(5)设置有出水口(51)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述质子交换膜为聚四氟乙烯交换膜、全氟聚乙烯磺酸交换膜、磺化聚苯基喹啉交换膜、磺化氟化苯乙烯共聚物交换膜、聚苯并咪唑交换膜、聚醚醚酮交换膜、聚醚砜交换膜、聚砜交换膜或聚酰亚胺交换膜。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阴离子交换膜为氟化聚苯乙烯交换膜、聚酰亚胺交换膜、聚醚砜交换膜、聚醚酮交换膜、聚乙烯醇交换膜、聚环氧氯丙烷交换膜、聚壳糖交换膜或聚乙烯基咪唑交换膜。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极(1)设置有流体连通的阳极催化剂层(11)和燃料扩散区(12)，所述燃料输入口和燃料输出口设置于所述燃料扩散区(12)中，所述电子输出端设置于所述阳极催化剂层(11)中，所述阳极催化剂层(11)设置于所述燃料扩散区(12)和所述质子交换膜(3)之间。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极催化剂层(11)中的阳极催化剂包括阳极载体和负载在阳极载体上的阳极活性金属颗粒，所述阳极载体为碳颗粒或碳化聚丙烯腈，所述阳极活性金属颗粒为选自铂颗粒、钌颗粒和钯颗粒中的一种。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极(2)设置有流体连通的阴极催化剂层(21)和氧化性气体扩散区(22)，所述氧化性气体输入口和氧化性气体输出口设置于所述氧化性气体扩散区(22)中，所述电子输入端设置于所述阴极催化剂层(21)中，所述阴极催化剂层(21)设置于所述氧化性气体扩散区(22)与所述阴离子交换膜(4)之间。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极催化剂层(21)中的阴极催化剂包括阴极载体和负载在阴极载体上的阴极活性金属颗粒，所述阴极载体为碳颗粒或碳化聚丙烯腈，所述阴极活性金属颗粒为选自铂颗粒、银颗粒、钯颗粒和镍颗粒中的一种。
8.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述离子反应区(5)中填充有导电液体层。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，所述导电液体层中的液体为水，含有或不含有电解质，所述电解质包括选自氯化钠、氯化钾、硫酸钾和硫酸钠中的一种。
10.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括燃料储存容器和氧化性气体储存容器，所述燃料储存容器与燃料输入口流体连通，所述氧化性气体储存容器与所述氧化性气体输入口流体连通。
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| CN201820762204.2U CN208423066U (zh) | 2018-05-21 | 2018-05-21 | 燃料电池 |
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| CN201820762204.2U CN208423066U (zh) | 2018-05-21 | 2018-05-21 | 燃料电池 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108448140A (zh) * | 2018-05-21 | 2018-08-24 | 北京汽车集团有限公司 | 燃料电池 |
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2018
- 2018-05-21 CN CN201820762204.2U patent/CN208423066U/zh active Active
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