一种一体化高温甲酸燃料电池制造技术

本发明专利技术公开了一种一体化高温甲酸燃料电池，包括依次层叠的第一端板、阳极板、高温膜电极、阴极板和第二端板，所述第一端板和阳极板之间，设有反应基板，所述反应基板的表面刻有流道，所述流道内填充催化剂；甲酸蒸汽进入流道后与所述催化剂接触，产生氢气，作为所述燃料电池的反应气体。本发明专利技术将甲酸裂解制氢反应器与高温质子交换膜燃料电池集成到一起，减少了装置的数量，简化了甲酸重整燃料电池系统，能够有效提高系统的比功率。甲酸裂解制氢为吸热反应，氢燃料电池放电时放热，在燃料电池膜电极产生的热量经过阳极板能够直接传输到甲酸裂解制氢的反应基板上，为制氢反应提供热量，提高了系统的热效率及动态响应。提高了系统的热效率及动态响应。提高了系统的热效率及动态响应。

【技术实现步骤摘要】
一种一体化高温甲酸燃料电池


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，具体涉及一种一体化高温甲酸燃料电池。

技术介绍

[0002]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
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PEMFC)电堆中。甲酸裂解制氢反应器的工作温度在150℃
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200℃，低温质子交换膜燃料电池(LT
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PEMFC)电堆的工作温度在60℃
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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

[0003]本专利技术将甲酸裂解制氢反应器与高温质子交换膜燃料电池集成到一起，以简化甲酸重整燃料电池系统。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种一体化高温甲酸燃料电池，包括依次层叠的第一端板、阳极板、高温膜电极、阴极板和第二端板，所述第一端板和阳极板之间，设有反应基板，所述反应基板的表面刻有流道，所述流道内填充催化剂；甲酸蒸汽进入流道后与所述催化剂接触，产生氢气，作为所述燃料电池的反应气体。
[0005]优选地，所述流道内刻有若干盲孔，所述催化剂填充于所述盲孔内。
[0006]优选地，所述盲孔的直径为0.4mm
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2mm，深度为0.2mm
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1mm，间距为0.3
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3mm。
[0007]优选地，所述盲孔在所述流道上均匀分布，或前密后疏分布，或前疏后密分布。
[0008]优选地，所述高温膜电极为H3PO4掺杂PBI体系的膜电极，所述高温膜电极的电解质膜为磷酸掺杂的mPBI、pPBI或者ABPBI。
[0009]优选地，所述催化剂为Ru基多相催化剂。
[0010]优选地，所述流道为蛇形流道。
[0011]优选地，所述流道和流道脊的宽度比为(1
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10)：1，所述流道的深度为0.5mm
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5mm，深度为0.5mm
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5mm，长度为100mm
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600mm。
[0012]优选地，在所述反应基板和所述阳极板之间、在所述阳极板和所述高温膜电极之间、在所述高温膜电极和所述阴极板之间，分别设有密封垫。
[0013]优选地，所述第一端板、反应基板、阳极板、高温膜电极、阴极板和第二端板依次层叠后，其边缘处设有至少三个贯穿的通孔，所述通孔内穿过固定螺杆，组成所述燃料电池。
[0014]本专利技术的有益效果为：
[0015](1)本专利技术将甲酸裂解制氢反应器与高温质子交换膜燃料电池集成到一起，减少了装置的数量，简化了甲酸重整燃料电池系统，能够有效提高系统的比功率。
[0016](2)甲酸裂解制氢为吸热反应，氢燃料电池放电时放热，在燃料电池膜电极产生的热量经过阳极板能够直接传输到甲酸裂解制氢的反应基板上，为制氢反应提供热量，提高了系统的热效率及动态响应。
附图说明
[0017]图1为本专利技术的一体化高温甲酸燃料电池结构示意图。
[0018]图2为本专利技术提供的反应基板结构示意图。
[0019]图中，1
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第一端板，2
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反应基板，3
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密封垫，4
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阳极板，5
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高温膜电极，6
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阴极板，7
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甲酸蒸汽进口，8
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反应产物出口，9
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流道，10
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流道脊，11
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盲孔，12
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第二端板。
具体实施方式
[0020]下面将结合附图对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0021]如图1所示，本专利技术提供的一体化高温甲酸燃料电池，包括依次层叠设置的第一端板1、反应基板2、阳极板4、高温膜电极5、阴极板6和第二端板12。优选地，端板为表面镀金的不锈钢、铝、钛合金板，兼顾支撑与集流的功能；端板的表面贴有电加热片，用于电池的启动。在反应基板2和阳极板4之间、反应基板4和高温膜电极5之间、高温膜电极5和阴极板6之间，还设有密封圈3。优选地，在高温膜电极5两侧的密封垫选用PFA(少量全氟丙基全氟乙烯基醚与聚四氟乙烯的共聚物)、PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)等高温密封垫，用于密封与绝缘。
[0022]如图2所示，反应基板2的表面刻有流道9，流道9内填充催化剂，优选地，催化剂为圆柱形的Ru基多相催化剂。流道9的两端分别设有甲酸蒸汽进口7和反应产物出口8，甲酸蒸汽进口7与第一端板1的燃料进口通道相连；反应产物出口8与阳极板4的燃料出口通道相连。
[0023]甲酸蒸汽由甲酸蒸汽进口7进入流道9后，与所述催化剂接触，产生氢气，氢气由反应产物出口8流出，进入阳极板4，作为所述燃料电池的反应气体。流道9内刻有若干盲孔11，催化剂填充于盲孔11内。盲孔11的直径为0.4mm
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2mm，深度为0.2mm
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1mm，间距为0.3
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3mm。盲孔11在流道9内可以均匀分布、前密后疏分布或前疏后密分布。盲孔11的分布方式不同，在每个盲孔11内填充的催化剂的粒径大小对应不同的选择方式。例如，当盲孔11均匀分布时，每个盲孔11内可以选择粒径相同的催化剂，且盲孔11均匀分布有利于反应基板2的制作和加工。由于甲酸蒸汽进口7处的甲酸浓度高，故该处的盲孔11数量可稀疏设置；反应产物出口8处的甲酸浓度低，该处的盲孔11数量可密集设置，即盲孔11以前疏后密的方式排布；此时，为了进一步提高反应效率，在稀疏设置的盲孔11内填充大粒径的催化剂，在密集设置的盲孔11内填充小粒径的催化剂；与大粒径的催化剂相比，小粒径的催化剂比表面积更大，更有利于促进反应的进行。
[0024]本专利技术的高温膜电极5为H3PO4掺杂PBI体系的膜电极，高温膜电极的电解质膜为磷酸掺杂的mPBI、pPBI或者ABPBI。该高温膜电极5能够适应150℃
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200℃的工作温度，使高温氢气无需额外的降温步骤，直接进入阳极板内发生电化学反应。
[0025]优选地，流道9为蛇形流道。可设置为单通道蛇形流道或多通道蛇形流道。流道9和流道脊10的宽度比为(1
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10)：1，流道9的深度为0.5mm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一体化高温甲酸燃料电池，包括依次层叠的第一端板、阳极板、高温膜电极、阴极板和第二端板，其特征在于，所述第一端板和阳极板之间，设有反应基板，所述反应基板的表面刻有流道，所述流道内填充催化剂；甲酸蒸汽进入流道后与所述催化剂接触，产生氢气，作为所述燃料电池的反应气体。2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述流道内刻有若干盲孔，所述催化剂填充于所述盲孔内。3.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述盲孔的直径为0.4mm
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2mm，深度为0.2mm
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1mm，间距为0.3
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3mm。4.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述盲孔在所述流道上均匀分布，或前密后疏分布，或前疏后密分布。5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述高温膜电极为H3PO4掺杂PBI体系的膜电极，所述高温膜电极的电解质膜为磷酸掺杂的mPBI...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬峰，邓呈维，杜玮，杨晨，杨丞，
申请(专利权)人：上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：