一種基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池的製作方法

2023-06-18 12:00:16 2

專利名稱：一種基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及清潔能源與新能源領域中氫能利用技術。具體涉及一種基於液態儲氫材料的直接燃料電池。即對特定液態儲氫材料的氫化物，通過直接燃料電池將其轉化為儲氫材料，同時放出電能。
背景技術：
能源是現代社會賴以生存和發展的基礎，能源的供給能力密切關係著國民經濟的可持續發展，是國家安全保障的戰略基礎之一。由於經濟的高速發展致使傳統的不可再生的化石燃料等能源日趨告急，當今各國政府均寄希望於氫能、太陽能、風能等新興能源。燃料電池是一種清潔環保的氫能利用技術。它利用燃料的燃燒反應，將化學能直接轉化為電能，而不經過卡諾熱機，從而具有較高的能量轉化效率。燃料電池主要分為固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、鹼性燃料 電池(AFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)。其中質子交換膜燃料電池和鹼性燃料電池工作溫度較低(< 150°C)，被稱為低溫燃料電池，具有較好的應用前景。目前，低溫燃料電池的燃料主要為H2，也可為醇類小分子，如甲醇等。使用甲醇作為燃料的燃料電池被稱為甲醇直接燃料電池(DMFC)，由於甲醇在常溫下是液態，使得燃料電池的體積表新，與氣體燃料相t匕，甲醇易於儲備和運輸，具有較高的能量轉換效率。其工作原理如下陽極CH30H+H20— C02+6H++6e-陰極I.502+6H++6e_ — 3H20總反應CH3OH+1.502+H20 — C02+3H20從上述反應可以看出，甲醇直接燃料電池所使用燃料甲醇是消耗品，反應產物中仍然有少量CO2。目前研究較多的儲氫材料包括物理吸附類材料和化學吸附類材料，其中有機液體儲氫材料是一種具有潛力的儲氫材料。以芳香化合物為例，I摩爾環己烷可以放出3摩爾氫氣，同時生成I摩爾苯；而苯又可以通過催化加氫，重新將氫儲存。同時有機液體儲氫材料在常溫下主要為液態，方便運輸。目前人們對於有機液體儲氫材料的研究還集中在使用貴金屬催化劑如Pt、Pd、Ru等催化有機液體儲氫材料放出氫氣供燃料電池使用。本發明中所選用的芳香分子的種類及其物理狀態、脫氫過程的溫度條件及其能量損耗等均與已報導的研究分子有明顯區別，下面對此作具體分析討論。I)分子須在工作溫度(< 150°C )下是不易揮發的液體，而不是固體。雖然對於某些固體可溶於一定的溶劑中，但溶劑會以降低其在電極表面的濃度，如菲、蒽等固體以及苯等易揮發的液體就不能作為其工作介質；2)氫化分子的脫氫溫度不宜太高，如苯的氫化分子環己烷脫氫溫度大於300°C，這已遠遠超出了電池的工作溫度，不宜作工作介質；同時，若脫氫氫化溫度高，電池陽極的極化嚴重從而增加脫氫放電中的能量損耗。如脫氫溫度高，所需熱量大的苯等芳環小分子就不宜作工作介質。另外如乙烯醇這樣的不穩定分子也不能作為工作介質。
基於以上因素，有必要研發新型的至少在工作溫度下為液體，其氫化物脫氫溫度也足夠低的有機液體儲氫材料，提供一種結構簡單、新型的直接燃料電池。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池，該直接燃料電池具有結構簡單的特點。為實現上述目的，本發明所採取的技術方案是一種基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池，它包括燃料電池單體26，燃料電池單體26通過AC/DC轉換電路與負載相連；其特徵在於燃料電池單體26上的儲氫材料出口 14由儲氫材料輸出管16與儲氫材料罐17相連通，燃料電池單體26上的儲氫材料氫化物輸入口 13由儲氫材料氫化物輸入管20與儲氫材料氫化物罐18相連通，儲氫材料氫化物輸入管20上設有儲氫材料氫化物泵19 ;燃料電池單體26上的出水口 25由出水管24與水罐22相連通，燃料電池單體26上的進氣口 21與進氧氣管相連通；水罐22頂部有出氣口 23 ;儲氫材料罐17內盛有儲氫材料，所述儲氫材 料為多元混合液態不飽和雜環芳烴。所述的多元混合液態不飽和雜環芳烴具體為多個液態不飽和雜環芳烴分子(如咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、吲哚、喹啉等)中的任意一種或任意二種以上的混合，任意二種以上混合時為任意配比。所述的液態不飽和雜環芳烴分子中的雜環可以是所有環均為雜環，也可是部分雜 環，雜原子總數量範圍為I到20個；雜環和芳環總數量為I至20 ;液態不飽和雜環芳烴分子中的單個環中碳原子個數為4至10個。雜環中的雜原子為氮、氧、硫等中的任意一種或任意二種以上。液態不飽和雜環芳烴分子為咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、吲哚或喹啉等。工作介質本發明的儲氫材料(即工作介質)是環中含氮、氧、硫等雜原子的多元混合液態不飽和雜環芳烴(環數為I到20)。在芳環上含有不同側基形成系列稠雜/芳環芳烴的混合物液體儲氫材料。其中的稠雜/芳環芳烴環數小於8時，其存在形式為單有機分子；環數為8 15時，其形式為低聚體；環數超過15時，其形式為共軛高分子。研究表明稠環芳烴環數越多，其氫化分子脫氫溫度愈低，相應的脫氫所耗能也愈少，但其熔點卻愈高。另外，若環中還含有雜原子，則稠環芳烴氫化物的脫氫溫度也會進一步降低，但其熔點也會進一步升高。若以多元混合液態不飽和雜環芳烴作為儲氫材料，將上述直接電解加氫反應(I)的電解池和脫氫放電反應(2)的R-直接燃料耦合即可構成一種基於氫能的儲能供能一體化系統。該系統工作介質(多元混合液態不飽和雜環芳烴)可循環利用，零排放、環境友好，可不受地域和環境的限制，因而可滿足各類供電系統的「削峰填谷」之急需。本發明中的多元混合液態不飽和雜環芳烴在50至280°C的溫度範圍內，即可實現可逆儲放氫，儲氫容量可達8. Owt%。我們認為燃料電池可以按如下電化學反應實現芳香環氫化分子+O2 —芳香環分子+H2O (I)上述放電脫氫反應(I)的原理如圖I所示，芳香環氫化分子直接在電池的陽極發生不完全氧化脫氫放電生成芳香環分子和質子，其中質子通過電解質擴散到陰極，在陰極上與氧氣發生反應生成水。由此直接將儲存於氫化芳香環分子中的氫能轉化成了電能，而不經過釋放氫氣的過程。其產物主要為芳香環分子和水，芳香換分子又可重新進行氫化。芳香環分子及其氫化分子分別起到了儲氫材料和直接提供氫源的作用。由此可知反應(I)所構成的電池為可循環的氫化儲氫材料直接燃料電池。為簡明起見稱其為R-直接燃料電池(Reversible-直接燃料電池)，以區別於現有的有機物被完全氧化的直接燃料電池。本發明的原理R-直接燃料電池為一新型的直接燃料電池，其原理 如圖I所示，電池反應為儲氫材料氫化物分子+O2 —儲氫材料分子+H20。電池裝置結構如圖2所示，當燃料電池工作時，儲氫材料氫化物罐(儲罐由活動隔板分隔成儲氫材料罐和儲氫材料氫化物罐)中的儲氫材料氫化物被泵入電池陽極並直接陽極發生脫氫放電反應，生成儲氫材料分子及質子，儲氫材料分子流出電極進入儲氫材料罐，而質子通過電解質擴散到陰極，在陰極上與氧氣發生反應生成水。該系統可採用膜電極方式構成電堆。電堆中的每個單體包含流場板、密封件、膜電極(如圖4所示)。本發明的有益效果是由於不需先釋放氫氣，不但簡化了裝置，還大幅提高了安全性，該直接燃料電池具有結構簡單的特點。同時，由於R-直接燃料在外電路處於斷路時不會自動脫氫造成浪費，方便隨時調整電池堆中單電池使用數目，改變電池的輸出功率，以適應電動汽車隨機變速的需要。以上R-直接燃料電池可直接應用於移動交通領域，作為車載動力，相較於現有的車載燃料電池系統。


圖I為直接燃料電池原理圖。圖2為R-直接燃料電池結構圖。圖3為本發明的結構示意圖。圖4為電堆結構示意圖。圖5為液體流場板左視圖。附圖標記1-氣體流場板，2-密封件，3-膜電極，9-液體流場板，10-空氣流道，11-空氣和水流道，12-液體流道，13-儲氫材料氫化物輸入口，14-儲氫材料出口，15-空氣冷卻單元，16-儲氫材料輸出管，17-儲氫材料罐；18_儲氫材料氫化物罐，19-儲氫材料氫化物泵，20-儲氫材料氫化物輸入管，21-進氣口，22-水罐，23-出氣口，24-出水管，25-出水口，26-燃料電池單體。
具體實施例方式為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限於下面的實施例。實施例I :如圖3所示，一種基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池，它包括燃料電池單體26，燃料電池單體26通過AC/DC轉換電路與負載相連；燃料電池單體26上的儲氫材料出口14由儲氫材料輸出管16與儲氫材料罐17相連通，燃料電池單體26上的儲氫材料氫化物輸入口 13由儲氫材料氫化物輸入管20與儲氫材料氫化物罐18相連通，儲氫材料氫化物輸入管20上設有儲氫材料氫化物泵19 ;燃料電池單體26上的出水口 25由出水管24與水罐22相連通，燃料電池單體26上的進氣口 21與進氧氣管相連通；水罐22頂部有出氣口 23 ；儲氫材料罐17內盛有儲氫材料，所述儲氫材料為多元混合液態不飽和雜環芳烴，多元混合液態不飽和雜環芳烴具體為喹啉儲氫材料，其儲氫容量為6. 2wt%。基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池，如圖3所示，由燃料電池單體26依次疊加而成(燃料電池單體26的結構為現有的結構)，每個燃料電池單體結構相同，均包括氣體流場板I、液體流場板9、膜電極3和密封件2。燃料電池單體26上有儲氫材料出口 14和儲氫材料氫化物輸入口 13，氣體流場板I上具有空氣和水流道11，液體流場板9上有液體流道12 (如圖4、圖5所示)。實施例2 與實施例I基本相同，不同之處在於所述多元混合液態不飽和雜環芳烴具體為喹啉、N-乙基咔唑的二元混合儲氫材料，兩種組分的質量比例為喹啉N-乙基咔唑=5 3，其儲氫容量為5. 2wt%。實施例3 與實施例I基本相同，不同之處在於所述多元混合液態不飽和雜環芳烴具體為N-甲基咔唑、喹啉及N-乙基咔唑的三元混合儲氫材料，三種組分的質量比例為N-甲基咔唑喹啉N-乙基咔唑=1:4: 3，其儲氫容量為5. 7wt%。實施例4 與實施例I基本相同，不同之處在於所述多元混合液態不飽和雜環芳烴具體為咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑及喹啉的四元混合儲氫材料，四種組分的質量比例為咔唑N-甲基咔唑N-乙基咔唑喹啉=1:2:4: I，其儲氫容量為5. 8wt%。實施例5 與實施例I基本相同，不同之處在於所述多元混合液態不飽和雜環芳烴具體為咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑及喹啉的四元混合儲氫材料，四種組分的質量比例為咔唑N-甲基咔唑N-乙基咔唑喹啉=2:1:3: 5，其儲氫容量為5. 4wt%。本發明所列舉的多元混合液態不飽和雜環芳烴的各原料都能實現本發明，在此不
一一列舉實施例。
權利要求
1.一種基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池，它包括燃料電池單體(26)，燃料電池單體(26)通過AC/DC轉換電路與負載相連；其特徵在於燃料電池單體(26)上的儲氫材料出口(14)由儲氫材料輸出管(16)與儲氫材料罐(17)相連通，燃料電池單體(26)上的儲氫材料氫化物輸入口(13)由儲氫材料氫化物輸入管(20)與儲氫材料氫化物罐(18)相連通，儲氫材料氫化物輸入管(20)上設有儲氫材料氫化物泵(19);燃料電池單體(26)上的出水口(25)由出水管(24)與水罐(22)相連通，燃料電池單體(26)上的進氣口(21)與進氧氣管相連通；水罐(22)頂部有出氣口(23);儲氫材料罐(17)內盛有儲氫材料，所述儲氫材料為多元混合液態不飽和雜環芳烴。
2.根據權利要求I所述的一種基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池，其特徵在於所述的多元混合液態不飽和雜環芳烴具體為多個液態不飽和雜環芳烴分子中的任意一種或任意二種以上的混合，任意二種以上混合時為任意配比。
3.根據權利要求2所述的一種基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池,其特徵在於所述的液態不飽和雜環芳烴分子中的雜環可以是所有環均為雜環，也可是部分雜環，雜原子總數量範圍為I到20個；雜環和芳環總數量為I至20 ;液態不飽和雜環芳烴分子中的單個環中碳原子個數為4至10個。
4.根據權利要求3所述的一種基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池,其特徵在於雜環中的雜原子為氮、氧、硫中的任意一種或任意二種以上。
5.根據權利要求2所述的一種基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池,其特徵在於液態不飽和雜環芳烴分子為咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、吲哚或喹啉。
全文摘要
本發明涉及直接燃料電池，具體涉及一種基於有機液態儲氫材料的直接燃料電池，它包括燃料電池單體，燃料電池單體通過AC/DC轉換電路與負載相連；其特徵在於燃料電池單體上的儲氫材料出口由儲氫材料輸出管與儲氫材料罐相連通，燃料電池單體上的儲氫材料氫化物輸入口由儲氫材料氫化物輸入管與儲氫材料氫化物罐相連通，儲氫材料氫化物輸入管上設有儲氫材料氫化物泵；燃料電池單體上的出水口由出水管與水罐相連通，燃料電池單體上的進氣口與進氧氣管相連通；水罐頂部有出氣口；儲氫材料罐內盛有儲氫材料，所述儲氫材料為多元混合液態不飽和雜環芳烴。本發明不但簡化了裝置(結構簡單)，還大幅提高了安全性。
文檔編號H01M8/10GK102800880SQ20111013917
公開日2012年11月28日 申請日期2011年5月27日 優先權日2011年5月27日
發明者程寒松, 倪剛, 楊明, 韓超群, 韓波, 王聖平, 吳金平 申請人:中國地質大學(武漢)