【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及甲酸裂解制氢与高温质子交换膜燃料电池领域，特别涉及到一种原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池。
技术介绍
1、甲酸燃料电池包括两种：一种为直接甲酸燃料电池，即甲酸直接发生电化学氧化放电；但该电池的极化大、功率密度低，只能适用于小功率放电过程。另一种为甲酸重整燃料电池，即甲酸先转化为氢气，氢气再通入发生电化学氧化放电，能够适用于大功率放电过程。现有的甲酸重整燃料电池通常先由甲酸裂解制氢反应器制得氢气，再将氢气通入低温质子交换膜燃料电池(lt-pemfc)电堆中。甲酸裂解制氢反应器的工作温度一般在120℃以上，低温质子交换膜燃料电池(lt-pemfc)电堆的工作温度在60℃-80℃，由于二者工作温度不一致，制得的氢气需要先冷却、再通入电堆；且甲酸裂解制氢反应器通常设于电堆外部，涉及的装置较多，使得整个甲酸重整燃料电池电堆非常复杂，系统的比功率和热效率都很低。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术基于磷酸掺杂pbi体系电解质膜，设计双催化层阳极，将甲酸裂解制氢反应与氢的电化学氧化反应集成到一起构筑原位制氢-发电一体化高温膜电极，从而设计开发出原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池。
2、为了达到上述目的，本专利技术提供了一种原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，包括：
3、原位制氢-发电一体化高温膜电极，其包含：电解质膜及设置在所述电解质膜两侧的阴极、阳极；所述阳极具有外催化层、内催化层，所述内催化层紧邻所述电解质膜设置；
4、
5、叠设在所述阳极外侧的阳极扩散层、阳极单极板及第二端板；
6、其中，所述外催化层由第一贵金属催化剂与ptfe构成，ptfe的含量为5％～25％，以质量百分数计；所述第一贵金属催化剂为ru/c、pt/c或者pd/c中的至少一种；
7、所述内催化层由第二贵金属催化剂与ptfe构成，其中，ptfe的含量为10％～50％，以质量百分数计；所述第二贵金属催化剂为ptru黑或者ptpd黑。
8、可选地，所述第一贵金属催化剂中贵金属的载量为0.02～2.0mg/cm2；和/或，所述第二贵金属催化剂中贵金属的载量为0.05-5.0mg/cm2。
9、可选地，所述第一贵金属催化剂中贵金属的载量小于所述第二贵金属催化剂中贵金属的载量。
10、可选地，所述第一贵金属催化剂中贵金属与第二贵金属催化剂中贵金属的载量之比为1/10～10/1，以质量比计；和/或，所述内催化层与所述外催化层的厚度之比为1/10～10/1；和/或，所述内催化层与所述外催化层的ptfe含量之比为1/5～5/1，以质量比计。
11、可选地，所述电解质膜为磷酸掺杂pbi体系，磷酸掺杂量为100％-500％。
12、可选地，所述电解质膜的材料为mpbi、opbi、abpbi或无机掺杂改性pbi膜中的至少一种。
13、可选地，所述阳极扩散层由支撑层与微孔层组成；所述支撑层为碳纸或碳布；所述微孔层包含碳粉与ptfe，所述碳粉为活性炭、石墨化的碳、碳纳米管、炭黑中的至少一种，所述微孔层中ptfe的含量为5％～30％，以质量百分数计，碳粉的载量为0.5～5mg/cm2。
14、可选地，所述阴极包含阴极催化层，所述阴极催化层由pt/c或者ptco/c与ptfe组成，ptfe的含量为5％～40％；pt/c、ptco/c中贵金属的质量分数为5％～80％。
15、可选地，所述阴极催化层中贵金属的载量为0.05～5.0mg/cm2。
16、可选地，所述阴极扩散层由支撑层与微孔层组成；所述支撑层为碳纸和/或碳布，所述微孔层包含碳粉与ptfe，所述碳粉为石墨化的碳粉和/或炭黑，所述微孔层中ptfe的含量为10％～40％，以质量百分数计，碳粉的载量为0.5～5mg/cm2。
17、与现有技术相比，本专利技术的技术方案至少具有以下有益效果：
18、本专利技术设计了双催化层阳极，自所述第二端板输入的甲酸到达阳极外催化层后，在所述阳极外催化层发生裂解制氢反应产生氢气与二氧化碳，氢气经扩散至阳极内催化层，在阳极内催化层三相界面处发生氢气的电化学氧化反应生成质子、电子，质子与电子分别通过电解质膜、外电路到达阴极三相界面，与自所述第一端板输入的空气中的氧气发生反应生成水。
19、相比于现有的甲酸裂解制氢反应器+质子交换膜燃料电池技术，本专利技术将甲酸裂解制氢反应与氢的电化学氧化反应集成到一起构筑原位制氢-发电一体化高温膜电极，且由于本专利技术的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池的工作温度在120℃-220℃，故可将膜电极阴极、电解质膜产生的热直接传给阳极外催化层用于甲酸裂解制氢吸热反应，从而省去裂解制氢反应器、燃烧室以及散热器等装置，大幅简化系统，提高系统的比功率、热效率以及动态响应。
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1.一种原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述第一贵金属催化剂中贵金属的载量为0.02～2.0mg/cm2，和/或，所述第二贵金属催化剂中贵金属的载量为0.05-5.0mg/cm2。
3.如权利要求1所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述第一贵金属催化剂中贵金属的载量小于所述第二贵金属催化剂中贵金属的载量。
4.如权利要求1所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述第一贵金属催化剂中贵金属与第二贵金属催化剂中贵金属的载量之比为1/10～10/1，以质量比计；和/或，所述内催化层与所述外催化层的厚度之比为1/10～10/1；和/或，所述内催化层与所述外催化层的PTFE含量之比为1/5～5/1，以质量比计。
5.如权利要求1所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述电解质膜为磷酸掺杂PBI体系，磷酸掺杂量为100％-500％，以质量百分数计。
6.如权利要求5所述的原位制氢
7.如权利要求1所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述阳极扩散层由支撑层与微孔层组成；所述支撑层为碳纸或碳布；所述微孔层包含碳粉与PTFE，所述碳粉为活性炭、石墨化的碳、碳纳米管、炭黑中的至少一种，所述微孔层中PTFE的含量为5％～30％，以质量百分数计，碳粉的载量为0.5～5mg/cm2。
8.如权利要求1所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述阴极包含阴极催化层，所述阴极催化层由Pt/C或者PtCo/C与PTFE组成，PTFE的含量为5％～40％；Pt/C、PtCo/C中贵金属的质量分数为5％～80％。
9.如权利要求8所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述阴极催化层中贵金属的载量为0.05～5.0mg/cm2。
10.如权利要求8所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述阴极扩散层由支撑层与微孔层组成；所述支撑层为碳纸和/或碳布，所述微孔层包含碳粉与PTFE，所述碳粉为石墨化的碳粉和/或炭黑，所述微孔层中PTFE的含量为10％～40％，以质量百分数计，碳粉的载量为0.5～5mg/cm2。
...【技术特征摘要】
1.一种原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述第一贵金属催化剂中贵金属的载量为0.02～2.0mg/cm2，和/或，所述第二贵金属催化剂中贵金属的载量为0.05-5.0mg/cm2。
3.如权利要求1所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述第一贵金属催化剂中贵金属的载量小于所述第二贵金属催化剂中贵金属的载量。
4.如权利要求1所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述第一贵金属催化剂中贵金属与第二贵金属催化剂中贵金属的载量之比为1/10～10/1，以质量比计；和/或，所述内催化层与所述外催化层的厚度之比为1/10～10/1；和/或，所述内催化层与所述外催化层的ptfe含量之比为1/5～5/1，以质量比计。
5.如权利要求1所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述电解质膜为磷酸掺杂pbi体系，磷酸掺杂量为100％-500％，以质量百分数计。
6.如权利要求5所述的原位制氢-发电一体化高温甲酸燃料电池，其特征在于，所述电解质膜的材料为mpbi、opbi、ab...
【专利技术属性】
技术研发人员：姬峰，邓呈维，高少杰，郑博文，刘通，罗若尹，解晶莹，
申请(专利权)人：上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：
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