一种微型组合再生式燃料电池电源系统技术方案

本发明专利技术公开了一种微型组合再生式燃料电池电源系统，它由一片含多个膜电极单元的质子交换膜做为电解和发电的双功能膜电极组件，一个装有储氢材料和电解用水的底盒做为氢气储放和给水装置，通过带有气流孔的底板和极板和顶盖紧密压合而成。该电源系统可从空气中自动吸收氧气作为氧化剂。多个膜电极组件按照一定的顺序串联起来，从而在一块膜上可进行电解和放电的循环操作，因此简化了装置，减少了体积和重量。此装置循环操作性能良好，输出功率稳定，为微型燃料电池在便携式电子产品方面的应用提供了一个很好的发展方向。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微型质子交换膜燃料电源系统，该系统不需要使用外部氢 源，为一种通过电解水和电池发电的循环操作来实现其"充电"和放电的组合 再生式燃料电池电源系统。
技术介绍
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。其中又以质子交换膜燃料电池(PEMFC)成为应用最为广泛的燃料电池。当PEMFC以H2为燃 料时，副产物只有热和水，是一种非常清洁、高效的能量转化方式。PEMFC还 具有启动快速、可室温运行、无电解液流失、寿命长、比功率高等优点，在交 通、电子、航空、国防等领域有着广泛的应用前景。近年来，便携式电子产品对能持久电源的需求剌激了燃料电池微型化的研 究。随着便携式电子产品市场的增长，对具有优良性能的电源的需求也增加了。 这些电源必须同时满足这样的条件有足够的输出功率，并且体积小、质量轻。 微型燃料电池由此应运而生，它的特点——微型、高能量密度，使它迎合了一 些便携式产品的需要，如PDA (个人数字助理)、膝上型电脑，移动电话，电池 一充电器混合装置等。它可以通过内置或外置为这些产品提供l-50W的输出功 率。当微型燃料电池使用H2作为燃料时，必须解决其产生和储运的问题。液态 氢储存装置一般体积庞大，所需压力极髙；而合金储氢量又很小，不能满足持 续放电的要求；当重整制氢时，又因为附带了重整装置而降低了功率密度和增 加了系统体积。因此，H2的产生和储运成为了制约微型燃料电池应用的一个关4键因素。水的电解可以获得高纯度的氢。当氢氧燃料电池反向运转时，就是一个电解 水的装置。如果将产生的氢储存起来再用来推动燃料电池工作，这就实现了把 两种功能组合在一套装置上，这就是一个可循环操作的组合再生式燃料电池(URFC)。但是目前用做发电的PEMFC并不能直接ffl于电解水，这主要是因为结构和材料的问题。因为电解水过程中，在氧电极会产生一些高氧化活性的中间体(如氧原子和羟基fi由基等)，对普通扩散层和催化层有强烈的腐蚀作用，极易造成循环性能的下降；因此， 一个组合再生式燃料电池体系，必须要解决的是结构和材料的问题。另外，从上面的说明可知，这种燃料电池体系是以氢为能量介质的，能量的转化循环是伴随氢的储存和释放发生的，因此还必须解 决氢气循环利用的问题。冃前对组合再生式燃料电池的研究主要是针对单电池性能提升的研究，主要 集中在制备能同时催化氧还原反应和氧生成反应的双功能氧电极及具有优良抗 氧化性能的扩散层上。美国专利公开号US 2003/0068544 Al的申请公开了一种用于组合再生式燃 料电池的双功能氧电极的制作过程。这种电极包含一个改进了的双功能催化剂 层和一个改进了的抗氧化扩散层。其中双功能催化剂层是利用铂黑和Ru02-Ir02 固溶体的混合物再加上Nafion作为胶粘剂制成的；而扩散层是用编织的钛金属 布做芯，并在表面涂覆了抗氧化的贵金属涂层，同时还在扩散层上设计有交替 的亲水区域和憎水区域以利于水和氧气的传输。这种电极在催化剂层中加入了 一定量的Ir02，能将氧生成反应的过电势降到最低，而加入的Ru02比Ir02要便 宜，并且导电性较Ir02好很多，因此Ru02的加入降低了催化剂的成本，并且在没有损失水电解效率的前提下提高了贵金属的利用率，同时还增加了催化剂层的导电性；涂覆了抗氧化贵金属涂层的钛扩散层也增强了电极的稳定性。但这种方法制备的催化层金属载量很高，达到4mg/cm2，再加上抗氧化性的金属扩散层，整个电极的制作成本很高，并且也没有涉及到氢气的循环利用问题。张扬建、王成等人(International Journal of Hydrogen Energy 32(2007)400-404)也报道了一种通过溶胶沉积法制作Ru02-Ir02/Pt的方法。这种方法能更好的分散Ru02-Ir02于Pt粒子上，提高了其利用率，使金属载量能降低到2mg/cm2，同时URFC的性能在IO次循环运行巾能保持相当稳定。宋世东、张华敏等人(Electrochemistry Communications 8 (2006) 399-405)报道了一种抗氧化扩散层的制作方法。他们采用热分解法将Ir02沉积到精细的钛金属粉末上，与PTFE乳液超声混匀后，涂布在普通碳纸上后再烧结形成一层抗氧化性多孔层应用于URFC，可以极大的提升URFC的稳定性能，循环次数町达到20次，并且用普通碳纸作为扩散层大大降低了成本。但是，两组报道都只是针对改进URFC的性能进行研究，没有涉及到具体的制作和微型化的应用问题。中国专利授权公告号CN2891308.Y的申请公开了一种组合再生式燃料电池的制作方法。该专利的主要特征在于在导电板的外侧设置了具有透气不透水的聚四氟乙烯微孔膜，只允许气态水进入膜电极发生电解。该方法的优点在于微孔膜的应用提高了电极结构的稳定性，降低了极板材料抗腐蚀的要求。但是这种方法容易在发电操作时由于微孔膜的不透水性而发生液泛，以及增加的微孔层会导致气体传输阻力的增大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用从阳极补水的方式进行电解、循环操作稳 定的微型组合再生式燃料电池电源系统，利用电解水制氢，利用储氢合金储氢，再利用氢-空气燃料电池发电从而实现循环再生。 本专利技术的技术方案如下一种微型组合再生式燃料电池电源系统，其特征在于包括底盒，底盒内是 一个腔体，腔体内包括底盒内槽，底盒内装有储氢材料，储氢材料上面覆盖着 水和多孔吸水材料，底盒内槽上放置着底板，底板上放置着多个带导线的阳极 极板，阳极极板上放置着含有膜电极单元的双功能膜电极组件，双功能膜电极 组件上放置着带导线的阴极极板，阴极极板与阳极极板相对应形成电极对，各 电极对相串联，顶盖盖在阴极极板上，并固定于底盒上，所述底板、阳极极板 上相应地设置了气流孔，所述阴极极板、顶盖上也相应地设置了气流孔，所述 膜电极单元的双功能膜电极组件包括质子交换膜，喷涂于质子交换膜上面的阴极、置于阴极上面的阴极扩散层、喷涂于质子交换膜下面的阳极、置于阳极下 面的阳极扩散层；所述阳极与阳极极板一一对应、所述阴极与阴极极板一一对 应；电池工作所需要的氢气由双功能膜电极组件电解水产生并存储于储氢材料中，双功能膜电极组件工作并向外输出电能时，其氢气由储氢材料供给，氧气 由阴极采用自呼吸的方式直接从空气中吸收。。为了使整个器件更牢固，所述底板上可设置与阳极极板相匹配的方槽，顶盖 下端面可设置与阴极极板相匹配的方槽。为了使器件内的气体更好地流动，可平行设置阳极极板和阴极极板上的气流 孔，并在孔所在位置设置平行沟槽。所述双功能膜电极组件中，阳极使用铂黑或Pt的重量百分比为20 50%的 Pt/C或Pt-Ru/C或Pt/CNT或Pt-Ru/CNT催化剂；阴极使用铂黑或Pt的重量百分 比为20 50%的Pt/C或Pt-Ru/C或Pt/CNT或Pt-Ru/CNT催化剂。阳极的铂载量为0.1 0.7mg/cm2,阴极铂载量为0.2 0.8mg/cm2。阴极的催化剂中还可加入与 其重量比为1: 1 4的Ir02或金属Ir或质量比为1:1的Ir02-Ru02固熔体。阴极扩散层为憎水性碳纸、憎水性碳布或憎水性金属毡；阳极扩散层为亲水 性碳纸、亲水性碳布或亲水性金属毡。憎水性阴极扩散层中聚四氟乙烯含量为 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型组合再生式燃料电池电源系统，其特征在于包括底盒（１），底盒（１）内是一个腔体，腔体内包括底盒内槽（１１），底盒内装有储氢材料，储氢材料上面覆盖着水和多孔吸水材料，底盒内槽（１１）上放置着底板（２），底板（２）上放置着多个带导线的阳极极板（５），阳极极板（５）上放置着双功能膜电极组件（３），双功能膜电极组件（３）上放置着带导线的阴极极板（９），阴极极板（９）与阳极极板（５）相对应形成电极对，各电极对相串联，顶盖（４）盖在阴极极板（９）上，并固定于底盒（１）上，所述底板（２）、阳极极板（５）上相应地设置了气流孔（８２、８４），所述阴极极板（９）、顶盖（４）上也相应地设置了气流孔（８５、８３）；所述膜电极单元的双功能膜电极组件（３）包括质子交换膜、喷涂于质子交换膜上面的多个阴极、置于阴极上面的阴极扩散层、喷涂于质子交换膜下面的多个阳极、置于阳极下面的阳极扩散层；所述阳极与阳极极板一一对应、所述阴极与阴极极板一一对应；电池工作所需要的氢气由双功能膜电极组件电解水产生并存储于储氢材料中，双功能膜电极组件工作并向外输出电能时，其氢气由储氢材料供给，氧气由阴极采用自呼吸的方式直接从空气中吸收。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏华能，廖世军，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]