CN113764699A - 一种基于储氢材料的二次燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于储氢材料的二次燃料电池，所述二次燃料电池能够有效地加热且能够重复使用。本发明的二次燃料电池具有：固体电解质体(2)；负极(3)，形成于固体电解质体(2)的一个面；正极(1)，形成于固体电解质体(2)的另一个面上；固体电解质体加热部(4)，用于将固体电解质体(2)加热维持在预定温度以上；储氢材料容器(7)，用于存放储氢材料(8)；储氢材料加热部(9)，用于加热储氢材料容器(7)和储氢材料(8)；温度控制器(11)，用于加热或冷却管道(10)内的氢气；气体压缩机(12)，用于压缩从固体电解质体(2)传输的氢气并传输到储氢材料容器(7)。
Description
技术领域
本发明涉及一种作为固定用或汽车等移动体用的电源及携带用电源而有用的二次燃料电池，尤其涉及一种具有燃料气体的再生装置的二次燃料电池。
背景技术
随着社会的发展，能源匮乏和环境污染问题越来越严重，人类对传统能源的消耗量日益增大，进一步导致环境污染和温室效应的恶化。开发更加清洁有效的能源利用方式是非常必要的，燃料电池被认为是解决日益严重的全球能源危机和环境污染问题的有效的解决方案。它是一种通过电化学反应，将化学能转化成电能的装置，有高效率，环境友好以及安全可靠性高等优点。而基于氧离子传导的固体氧化物燃料电池(SOFC)是目前研究的热点，它既可以做固定电源，又可以做汽车、电脑、手机等的小型移动电源。
SOFC基本结构单元包括多孔的阴极材料和阳极材料以及致密的电解质。SOFC通常在高温(>600℃)下工作，它的发电效率超过60％，是发电效率最高的燃料电池。近年来，质子传导的SOFC的研究也相继引起大家广泛的关注。
质子导体材料在氢气和水蒸气的气氛下显示出质子传导的特性和比氧离子导体更低的活化能。并且，在质子导体固体氧化物燃料电池中，质子从阳极端越过电解质到达阴极端与氧离子反应生成水，水从阴极端排出，有效避免燃料稀释，因而更加高效。
将SOFC与储氢材料结合起来构成可重复使用的二次燃料电池是拓宽SOFC应用的重要方法。目前的二次燃料电池中，使用金属及其氧化物对来储存氢气，但是由于工作温度很高，各种储能的金属及其氧化物材料容易烧结成大颗粒，导致气体流通不畅，电池效率因此下降。
质子传导的SOFC与金属及其氢化物对储氢材料的组合形成的二次燃料电池是目前没有研究过的案例，这种燃料电池有效避免了氧离子传导的SOFC与金属及其氧化物对储氢材料构成的二次燃料电池所面临的问题，是一种非常有前景的二次燃料电池。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于储氢材料的二次燃料电池。
本发明提供一种基于储氢材料的二次燃料电池，其具有：气密性的固体电解质体，传导氢离子；负极，形成于所述固体电解质体的一个面，且在放电时将氢气氧化为氢离子；正极，形成于所述固体电解质体的另一个面，且在放电时将氧还原为水；固体电解质体加热部，用于将固体电解质体加热维持在预定温度以上；储氢材料容器，用于存放储氢材料；储氢材料，用于在放电时释放氢气；储氢材料加热部，用于加热储氢材料容器和储氢材料；温度控制器，用于加热或冷却管道内的氢气；气体压缩机，用于压缩从固体电解质体传输的氢气并传输到储氢材料容器。
优选地，所述固体电解质体为筒状，所述正极以筒状形成于所述固体电解质体的外表面，所述负极以筒状形成于所述固体电解质体的内表面，所述固体电解质体加热部为圆柱状，且配置于筒状的所述固体电解质体的外部，所述储氢材料容器为筒状，所述储氢材料加热部设置在所述储氢材料容器的外表面。
优选地，所述固体电解质体与所述储氢材料容器通过管道连接，管道从所述储氢材料容器连接所述气体压缩机和所述温度控制器。
优选地，所述负极在充电时将氢离子还原为氢气，所述正极在充电时将水氧化为氢离子和氧，所述储氢材料在充电时吸收氢气。
优选地，所述固体电解质体为从BaCeO3基电解质、BaZrO3基电解质构成的组中选出的一种或两种以上的物质。
优选地，所述储氢材料容器由不锈钢材料制成。
优选地，所述储氢材料为镁-石墨、镁-铁、镁-碳纳米管、铁-石墨烯、镁-铜以及镁-镍材料中的一种。
优选地，所述固体电解质体加热部可将固体电解质体加热到650℃～1000℃并保持此温度范围。
优选地，所述储氢材料加热部可将储氢材料容器和储氢材料加热到200～400℃并保持此温度范围。
优选地，所述温度控制器可将管道内氢气从200～400℃加热到650℃～1000℃，或从650℃～1000℃降温到200～400℃。
优选地，所述气体压缩机在充电时可将管道内的氢气压缩至0.2～30个大气压，并将压缩后的氢气传输给储氢材料容器中的储氢材料。
根据本发明，能够提供一种可有效进行加热且能够重复使用的二次燃料电池。
另外，根据本发明，能够完美结合储氢材料与固体氧化物燃料电池，形成高效率高能量密度的二次燃料电池。
本发明提供的有益效果是：
(1)采用了外置的储氢材料进行储氢，避免了传统使用金属-金属氧化物储氢引起的烧结问题，并且外置的储氢材料分离正、负极、及固体电解质，可以采用更适宜的温度，从而提高电池体系的循环性能。
(2)储氢罐的储氢能力只依赖于储氢罐的大小和储氢罐中储氢材料的装载量，因此易于设计大容量的储氢罐，从而提升实用性。
(3)储氢罐中储存的氢气除了可供二次燃料电池使用之外，也可以用于其他场合，例如给氢燃料电池加氢等
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的燃料电池的整体结构的图。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的燃料电池的动作说明图。
1-正极、2-固体电解质体、3-负极、4-固体电解质体加热部、5-负极集电体、6-正极集电体、7-储氢材料容器、8-储氢材料、9-储氢材料加热部、10-管道、11-温度控制器、12-气体压缩机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1中示出本发明的实施方式所涉及的二次燃料电池的整体结构。
由图1可知，本实施方式所涉及的二次燃料电池由筒状的固体电解质体2和筒状的储氢材料容器7以及它们之间相连的管道10构成。筒状的固体电解质体2外部为筒状的正极1，内部为筒状的负极3，下方为圆柱状的固体电解质体加热部4，上方连接管道10，正极1、固体电解质体2及负极3分别粘附。筒状的储氢材料容器7内部装填有储氢材料8，外部为筒状的储氢材料加热部9，侧面连接管道10。
管道10从储氢材料容器7开始依次连接气体压缩机12和温度控制器11，最终连接固体电解质体2。
另外，正极1连接有正极集电体6，负极3连接有负极集电体5，且作为端子被引出。
正极1例如由LSM、LSC等形成，除了具有对于氧的还原反应和水的氧化反应的催化功能之外，还具有电子传导性、透气性、氧化气氛下的稳定性。
固体电解质体2为从BaCeO3基电解质、BaZrO3基电解质构成的组中选出的一种或两种以上的物质，例如Ba(Zr0.1Ce0.7Y0.2)O3–δ、BaZr0.8Y0.2O2.9、Ba0.97Zr0.77Y0.16Zn0.04O2.88、BaCe0.5Zr0.3Y0.16Zn0.04O3–δ、BaCe0.4Zr0.4Y0.2O3-δ/BaCe0.8Pr0.2O3-δ。
这些物质气密且水密，不会使水透过。另外，这些物质在常温下几乎不会传导氢离子，因此，固体电解质体2在二次燃料电池工作时优选超过300℃的，优选加热保持在650℃～1000℃。
而且，负极3例如由氧化钇稳定氧化锆和镍的复合材料形成，除了具有对于氢的氧化反应和氢离子的还原反应的催化功能之外，还具有电子传导性、透气性、还原气氛中的稳定性。
并且，固体电解质体加热部4例如由电阻发热体、电弧加热、感应加热、介质加热、微波加热等构成，能够进行650℃～1000℃左右的加热，可以外接电源运行。
并且，固体电解质体加热部4在初始运行启动时将固体电解质体2加热保持在预定温度。并且，二次燃料电池成为稳定运行状态时，固体电解质体加热部4也可通过对固体电解质体2进行加温或冷却等来保持稳定运行温度。另外，固体电解质体加热部4中也可附加有能够从外部对设定温度等温度控制条件进行设定和变更的外部控制装置。
另外，储氢材料容器7例如由高温稳定的不锈钢制成，具有良好的导热性和气密性，且在高温下不与氢气反应。
并且，储氢材料8例如由镁-石墨、镁-铁、镁-碳纳米管、铁-石墨烯、镁-铜以及镁-镍材料中的一种制成，具有高储氢容量，可在高温常压下释放氢气，可在高温高压下吸收并存储氢气。
并且，储氢材料加热部9例如由电阻发热体、电弧加热、感应加热、介质加热、微波加热等构成，能够进行200～400℃左右的加热，可以外接电源运行。
并且，储氢材料加热部9在初始运行启动时将储氢材料容器7加热保持在预定温度。并且，二次燃料电池成为稳定运行状态时，储氢材料加热部9也可通过对储氢材料容器7进行加温或冷却等来保持稳定运行温度。另外，储氢材料加热部9中也可附加有能够从外部对设定温度等温度控制条件进行设定和变更的外部控制装置。
另外，温度控制器11由加热部和冷却部组成，加热部例如由电阻发热体、电弧加热、感应加热、介质加热、微波加热等构成，冷却部例如由油冷设备构成，可将管道内氢气从200～400℃加热到650℃～1000℃，或从650℃～1000℃降温到200～400℃。
另外，气体压缩机12在充电时可将管道10内的氢气压缩至0.2～30个大气压，并将压缩后的氢气传输给储氢材料容器7中的储氢材料8。压缩的氢气通入储氢材料8，可以搅动储氢材料阻止其结团。
作为正极集电体6的材料没有特别限定，但优选具有氧化气氛中的稳定性的物质，例如有钛、不锈钢、银或以此作为主体的合金等。
作为负极集电体5的材料没有特别限定，但优选具有还原气氛中的稳定性的物质，例如可举出银、铂、金、铜、钛不锈钢和以此作为主体的合金。
接着，对二次燃料电池的动作进行说明。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的二次燃料电池的动作说明图。
二次燃料电池具备正极1、固体电解质体2、负极3以及储氢材料8，正极1、固体电解质体2及负极3分别粘附并相连接。
若正极1、固体电解质体2、负极3通过图2中未图示的固体电解质体加热部4被加热到650℃～1000℃，储氢材料8通过图2中未图示的储氢材料加热部9被加热到200～400℃，则储氢材料8释放氢(H2)，通过管道10通向温度控制器11，由温度控制器11将氢(H2)的温度从200～400℃加热到650℃～1000℃，然后通入固体电解质体2。
在固体电解质体2中，负极3吸收氢(H2)并将其氧化成氢离子(H+)，氢离子(H+)从负极3通过固体电解质体2传输到正极1，在正极1对外界的氧(O2)进行还原生成水(H2O)。
氢(H2)的电荷2e-通过该反应从负极3通过配线流入正极1，从而电流从正极1流向负极3。
只要储氢材料8中还储存有氢(H2)，二次燃料电池就可进行放电。
而且，在充电过程中会发生与放电时相反的反应。水(H2O)在正极1被氧化而分解成氢离子(H+)和氧(O2)，氢离子(H+)从正极1通过固体电解质体2传输到负极3，负极3将氢离子(H+)还原成氢(H2)，氢(H2)通过管道10传输到温度控制器11，由温度控制器11氢(H2)的温度从650℃～1000℃冷却到200～400℃。
然后，氢(H2)由管道10通入气体压缩机12，气体压缩机12将管道10内的氢(H2)压缩至0.2～30个大气压，并将压缩后的氢(H2)传输给储氢材料容器7中的储氢材料8。
储氢材料8在200～400℃的温度和0.2～30个大气压下，吸收氢气并储存，直至达到容量上限。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于储氢材料的二次燃料电池，其包括：
气密性的固体电解质体，传导氢离子；
负极，形成于所述固体电解质体的一个面，且在放电时将氢气氧化为氢离子；
正极，形成于所述固体电解质体的另一个面，且在放电时将氧还原为水；
固体电解质体加热部，用于将固体电解质体加热维持在预定温度以上；
所述正极、固体电解质体、负极构成一侧，负极、固体电解质体、正极构成相对另一侧；
储氢材料容器，用于存放储氢材料；
储氢材料，用于在放电时释放氢气；
储氢材料加热部，用于加热储氢材料容器和储氢材料；
温度控制器，用于加热或冷却管道内的氢气；
气体压缩机，用于压缩从固体电解质体传输的氢气并传输到储氢材料容器。
2.根据权利要求1所述的二次燃料电池，其特征在于，
所述固体电解质体为筒状，
所述正极以筒状形成于所述固体电解质体的外表面，
所述负极以筒状形成于所述固体电解质体的内表面，
所述固体电解质体加热部为圆柱状，且配置于筒状的所述固体电解质体的外部，
所述储氢材料容器为筒状，
所述储氢材料加热部设置于所述储氢材料容器的外表面。
3.根据权利要求2所述的二次燃料电池，其特征在于，所述固体电解质体与所述储氢材料容器通过管道连接。所述管道连接温度控制器及气体压缩机。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的二次燃料电池，其特征在于，
所述负极在充电时将氢离子还原为氢气，
所述正极在充电时将水氧化为氢离子和氧，
所述储氢材料在充电时吸收氢气。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的二次燃料电池，其特征在于，所述固体电解质体为为BaCeO3基电解质、BaZrO3基电解质的一种或两种以上。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的二次燃料电池，其特征在于，所述储氢材料容器由不锈钢材料制成。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的二次燃料电池，其特征在于，所述储氢材料为镁-石墨、镁-铁、镁-碳纳米管、铁-石墨烯、镁-铜以及镁-镍材料中的一种。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的二次燃料电池，其特征在于，所述固体电解质体加热部可将固体电解质体加热到650℃～1000℃并保持此温度范围。
9.根据权利要求1～3中任一项所述的二次燃料电池，其特征在于，所述储氢材料加热部可将储氢材料容器和储氢材料加热到200～400℃并保持此温度范围。
10.根据权利要求1～3中任一项所述的二次燃料电池，其特征在于，所述温度控制器可将管道内氢气从200～400℃加热到650℃～1000℃，或从650℃～1000℃降温到200～400℃。
11.根据权利要求1～3中任一项所述的二次燃料电池，其特征在于，所述气体压缩机在充电时可将管道内的氢气压缩至0.2～30个大气压，并将压缩后的氢气传输给储氢材料容器中的储氢材料。
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