CN219144237U

CN219144237U - 一种中温氨燃料电池

Info

Publication number: CN219144237U
Application number: CN202222912605.0U
Authority: CN
Inventors: 王智勇; 闫岸如
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2022-11-02
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2032-11-02

Abstract

本实用新型公开了一种中温氨燃料电池，包括氨分解制氢电池和燃料电池；氨分解制氢电池的两端连接供电装置；氨分解制氢电池两端设有氨气进口和反应产物出口，反应产物出口与燃料电池进口通道连通；氨气通过氨气进口进入氨分解制氢电池内，氨气在通过氨裂解层后产生氢气，氢气经氢氧化电催化层后被氧化产生质子氢；质子氢经第一固体酸电解质膜到析氢电催化层后发生析氢反应产生氢气，氢气通过反应产物出口进入燃料电池，在燃料电池中与氧气反应。本实用新型的电池为无水质子传输且工作温度可达250℃，氨分解为氢，氢转化为质子，通过电力驱动穿过固体酸电解质膜到析氢电催化层产生氢，不产生毒化电解质膜的杂质离子，降低了对质子交换膜的损伤。

Description

一种中温氨燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种中温氨燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种新型的发电装置，具有无污染高效率的特点，它的工作原理是将储存的燃料不经过燃烧而直接把燃料的化学能转为电能，因为中间过程省略了燃烧，所以不用受卡诺循环的限制，因此具有较高的理论能量转换效率，一般可达50％-60％，并且在发电的过程中没有燃烧的废物排出环境中，所以被公认为是21世纪最清洁的能源技术。氨作为一种新兴低碳的能源载体，被认为是应对气候变化的远期技术选择之一。当与燃料电池结合使用时，其能量含量可根据需要高效转化，且不生成COx等废气排放，是未来车用燃料电池理想的燃料之一。

目前，车用燃料电池一般为质子交换膜燃料电池(PEMFC)。但是PEMFC有一些不可避免的问题：(1)工作温度范围60-80℃，在超过100℃时无法工作，这对于车用电池的热管理有很高的要求；(2)需要进行繁琐的水管理，以应对全氟磺酸膜的水合效应同时规避催化剂被水淹的风险，(3)核心部件全氟磺酸膜价格昂贵。此外，PEMFC采用氨作为燃料时，全氟磺酸膜中的质子会与高浓度氨反应生成NH⁴⁺离子，导致PEMFC性能的不可逆衰减。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供一种中温氨燃料电池。

本实用新型公开了一种中温氨燃料电池，包括依次布置的第一多孔基板、氨裂解层、氢氧化电催化层、第一固体酸电解质膜、析氢电催化层、第二多孔基板、第一双极板、阳极催化层、第二固体酸电解质膜、阴极催化层、气体扩散层、第二双极板和端板；所述第一多孔基板至所述第二多孔基板的结构形成氨分解制氢电池，所述第一双极板至所述端板的结构形成燃料电池；

所述氨分解制氢电池的两端连接供电装置，通电后启动所述氨分解制氢电池；

所述氨分解制氢电池两端设有氨气进口和反应产物出口，所述反应产物出口与所述燃料电池进口通道连通；氨气通过所述氨气进口进入所述氨分解制氢电池内，且所述氨气在通过所述所述氨裂解层后产生氢气，氢气经过所述氢氧化电催化层后被氧化产生质子氢；所述质子氢经过所述第一固体酸电解质膜到所述析氢电催化层后发生析氢反应产生氢气，氢气通过所述反应产物出口进入所述燃料电池，并在所述燃料电池中与空气中的氧气反应。

优选的是，所述氨裂解层包括氨裂解制氢催化剂以及对应载体，所述裂解催化剂包括Ru基、Cs基催化剂中的一种或组合；所述氨裂解催化剂粒径为20nm-300nm；所述载体包括但不限于碳载体、钙钛矿、石墨烯、碳纳米管。

优选的是，所述氢氧化电催化层和所述析氢电催化层均包括催化主体以及对应载体，所述催化主体均包括固体酸与Pt或Pd；所述载体均包括但不限于碳载体、钙钛矿、石墨烯、碳纳米管。

优选的是，所述第一固体酸电解质膜和所述第二固体酸电解质膜均包括主体和复合体，所述主体包括CsH₂PO4、CsHPO₄；所述复合体包括环氧树脂、SiO₂、SiP₂O₇。

优选的是，所述阳极催化层和所述阴极催化层均包括催化剂以及对应载体，所述催化剂包括Pt或Pd；所述载体包括但不限于碳载体、钙钛矿、石墨烯、碳纳米管。

优选的是，所述气体扩散层包括但不限于碳载体。

优选的是，所述第一多孔基板和所述第二多孔基板所用材料包括石墨、表面镀金或镀非晶碳的不锈钢、钛合金板中的任意一种。

优选的是，所述端板所用材料包括表面镀金或镀非晶碳的不锈钢、钛合金板中的任意一种。

优选的是，通入所述氨气为加湿后的氨气，湿润氨气压力为0.3atm-0.7atm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型氨分解制氢电池为无水质子传输且工作温度可达250℃的固体酸电解质的电化学电池，在该电池中氨分解为氢后，氢立刻转化为质子，通过电力驱动穿过固体酸电解质膜到析氢电催化层产生氢气，该氢气不需要从任何未反应的氨和其他产品中分离出来，不产生任何毒化电解质膜的杂质离子，降低了对质子交换膜的不可逆损伤；启动氨分解制氢电池，可以迅速产生氢气，产生的氢气供氢燃料电池使用，根据特夏特列原理，氢燃料电池不断消耗氢气，能够推动氨分解制氢电池不断生成氢气，该电池可持续发电，远远超越单依靠氨裂解的传统氨燃料电池。

附图说明

图1为本实用新型中温氨燃料电池的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细描述：

参照图1，本实用新型提供一种中温氨燃料电池包括依次布置的第一多孔基板1、氨裂解层2、氢氧化电催化层3、第一固体酸电解质膜4、析氢电催化层5、第二多孔基板6、第一双极板7、阳极催化层8、第二固体酸电解质膜9、阴极催化层10、气体扩散层11、第二双极板12和端板13；第一多孔基板1至第二多孔基板6的结构形成氨分解制氢电池，第一双极板7至端板13的结构形成燃料电池；

具体地，氨分解制氢电池为无水质子传输且工作温度可达250℃的固体酸电解质的电化学电池，在该电池中氨分解为氢后，氢立刻转化为质子，通过电力驱动穿过质子传导膜产生氢气。产生的氢气传入下一级与之相连的燃料电池中，将化学能转化为电能。根据特夏特列原理，燃料电池不断消耗氢气，能够推动电化学电池不断生成氢气，该复合电池可持续发电，远远超越单依靠氨裂解的传统氨燃料电池。

氨分解制氢电池的两端连接供电装置，通电后启动氨分解制氢电池；

氨分解制氢电池两端设有氨气进口和反应产物出口，反应产物出口与燃料电池进口通道连通；氨气通过氨气进口进入氨分解制氢电池内，且氨气在通过氨裂解层2后产生氢气，氢气经过氢氧化电催化层3后被氧化产生质子氢；质子氢经过第一固体酸电解质膜4到析氢电催化层5后发生析氢反应产生氢气，氢气通过反应产物出口进入燃料电池，并在燃料电池中与空气中的氧气反应。

具体地，氨分解制氢电池中的第一多孔基板1和第二多孔基板6连接有供电装置，通电后启动该氨分解制氢电池；且第一多孔基板1上设有氨气进口，第二多孔基板6上设有反应产物出口，第一多孔基板1和第二多孔基板6所用材料包括石墨、表面镀金或镀非晶碳的不锈钢、钛合金板中的任意一种；氨裂解层2包括氨裂解制氢催化剂以及对应载体，裂解催化剂包括Ru基、Cs基催化剂中的一种或组合；氨裂解催化剂粒径为20nm-300nm；载体包括但不限于碳载体、钙钛矿、石墨烯、碳纳米管；氢氧化电催化层3和析氢电催化层5均包括催化主体以及对应载体，催化主体包括固体酸与Pt或Pd，载体均包括但不限于碳载体、钙钛矿、石墨烯、碳纳米管；气体扩散层包括但不限于碳载体，例如碳纸或碳布；故氨气通过氨裂解层2后产生氢气，氢气经过氢氧化电催化层3后被氧化产生H⁺，H⁺经过固体酸电解质膜到析氢电催化层5后发生析氢反应产生氢气，氢气再由第二层多孔基板的出口进入燃料电池中；而燃料电池的端板13上设有空气进气口和反应物出口，在燃料电池中，氨分解制氢电池产生的氢气和空气中的氧气反应，将化学能转化为电能。

在本实施例中，第一固体酸电解质膜4和第二固体酸电解质膜9均包括主体和复合体，主体包括CsH₂PO4、CsHPO₄；复合体包括环氧树脂、SiO₂、SiP₂O₇。阳极催化层8和阴极催化层10均包括催化剂以及对应载体，催化剂包括Pt或Pd；载体包括但不限于碳载体、钙钛矿、石墨烯、碳纳米管。端板13所用材料包括表面镀金或镀非晶碳的不锈钢、钛合金板中的任意一种。

在本实施例中，通入氨气为加湿后的氨气，湿润氨气压力为0.3atm-0.7atm。

本申请提供的中温氨燃料电池，包括氨分解制氢电池、氢燃料电池，通过供电装置启动氨分解制氢电池，可以迅速产生氢气，产生的氢气供氢燃料电池使用，能推动产氢端的反应加速进行。该中温氨燃料电池可以长期稳定运行，具有灵活性高、能耗低、利用率高的优点；本申请的电池产生的高纯氢，不需要从任何未反应的氨和其他产品中分离出来，不产生任何毒化电解质膜的杂质离子，降低了对质子交换膜的不可逆损伤；且不需要任何氨脱除装置，简化了结构，提高了效率。本申请的电池工作过程高效，一级电池的电流全部直接用于生成氢，而不会由于寄生反应造成任何损失，实现了电能的最优化利用，提高了系统的利用效率。本申请的电池基于固体酸电解质，工作温度的提升降低了车用电池热管理的难度，无水质子传输的特性也大大简化了繁琐的水管理。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种中温氨燃料电池，其特征在于，包括依次布置的第一多孔基板、氨裂解层、氢氧化电催化层、第一固体酸电解质膜、析氢电催化层、第二多孔基板、第一双极板、阳极催化层、第二固体酸电解质膜、阴极催化层、气体扩散层、第二双极板和端板；所述第一多孔基板至所述第二多孔基板的结构形成氨分解制氢电池，所述第一双极板至所述端板的结构形成燃料电池；

所述氨分解制氢电池两端设有氨气进口和反应产物出口，所述反应产物出口与所述燃料电池进口通道连通；氨气通过所述氨气进口进入所述氨分解制氢电池内，且所述氨气在通过所述氨裂解层后产生氢气，氢气经过所述氢氧化电催化层后被氧化产生质子氢；所述质子氢经过所述第一固体酸电解质膜到所述析氢电催化层后发生析氢反应产生氢气，氢气通过所述反应产物出口进入所述燃料电池，并在所述燃料电池中与空气中的氧气反应。

2.如权利要求1所述的中温氨燃料电池，其特征在于，所述第一多孔基板和所述第二多孔基板所用材料包括石墨、表面镀金或镀非晶碳的不锈钢、钛合金板中的任意一种。

3.如权利要求1所述的中温氨燃料电池，其特征在于，所述端板所用材料包括表面镀金或镀非晶碳的不锈钢、钛合金板中的任意一种。

4.如权利要求1所述的中温氨燃料电池，其特征在于，通入所述氨气为加湿后的氨气，湿润氨气压力为0.3atm-0.7atm。