[發(fā)明專利]用于混合反應(yīng)物體系的燃料電池反應(yīng)器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910342991.4
• 申請(qǐng)日: 2019-04-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110061277B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐維林;宮雪;阮明波;宋平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所
• 主分類號(hào): H01M8/241
• 分類號(hào): H01M8/241;H01M8/2455;H01M8/2465;H01M8/2475;C02F1/461;C02F1/467;C02F101/34
• 代理公司: 長(zhǎng)春眾邦菁華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 22214
• 代理人: 王瑩

本發(fā)明涉及一種用于混合反應(yīng)物體系的燃料電池反應(yīng)器，屬于燃料電池反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池反應(yīng)器無(wú)法應(yīng)用于混合反應(yīng)物體系的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明的燃料電池反應(yīng)器，包括電池模塊、絕緣外套、導(dǎo)線和顯示器；電池模塊為一個(gè)電池組件或由首尾相接依次堆疊的多個(gè)電池組件組成；電池組件由按順序依次堆疊的陽(yáng)極液體分散層、陽(yáng)極集流層、陽(yáng)極催化劑層、分隔膜、陰極催化劑層、陰極集流層和陰極液體分散層組成。該燃料電池反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)混合反應(yīng)物體系中特定物質(zhì)的自發(fā)降解，無(wú)需外加驅(qū)動(dòng)力，安全可靠，操作簡(jiǎn)單。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于混合反應(yīng)物體系的燃料電池反應(yīng)器。

背景技術(shù)

燃料電池是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高，另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料；同時(shí)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，故沒(méi)有噪聲污染，排放出的有害氣體極少。由此可見(jiàn)，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

燃料電池按電化學(xué)原理工作，即等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實(shí)際過(guò)程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成，即陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽(yáng)極和陰極通入，燃料氣在陽(yáng)極上放出電子，電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子，離子在電場(chǎng)作用下，通過(guò)電解質(zhì)遷移到陽(yáng)極上，與燃料氣反應(yīng)，構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。同時(shí)，由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻，燃料電池還會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。現(xiàn)有的燃料電池中陰極的氧氣和陽(yáng)極的燃料不能返混，否則會(huì)造成混合電動(dòng)勢(shì)，電池內(nèi)短路。這就對(duì)燃料和氧化劑的純度提出了很高的要求，使得燃料電池不能應(yīng)用于燃料/氧氣混合體系。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用，為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路，電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)有酸性體系中商業(yè)化的電解質(zhì)膜比較昂貴，堿性體系中尚無(wú)可信賴的電解質(zhì)膜。

最近研究報(bào)道表明，存在高選擇性陰極催化劑，對(duì)氧氣高選擇性還原，同時(shí)耐受燃料。如Ni₃S₂(Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,7496–7499)在甲酸鹽/O₂混合環(huán)境中，相比于燃料電池常用催化劑Pt/C，展現(xiàn)出很高的選擇性，只選擇性還原O₂，而甲酸鹽在催化劑上不發(fā)生氧化反應(yīng)。同時(shí)MnCoNiO₄/N-MWCNT和NiCo₂O₄/N-graphene(Journal of Power Sources，2016，331，340-347)兩種非金屬催化劑也被證明在堿性燃料電池中有較好的選擇性和較高的活性，在液體燃料(甲醇、乙醇、乙二醇)/O₂混合體系中，對(duì)氧還原的活性幾乎與Pt/C催化劑相當(dāng)，對(duì)燃料氧化幾乎沒(méi)有活性。這些高選擇性陰極催化劑使得液體燃料/O₂混合溶液可以流過(guò)陰極且不會(huì)造成混合電動(dòng)勢(shì)，省去昂貴電解質(zhì)膜的使用。

高選擇性催化劑的成功研制，使得燃料/氧氣混合體系燃料電池成為可能。混合燃料可以從陰極流向陽(yáng)極，無(wú)需電解質(zhì)膜或電解質(zhì)膜無(wú)須致密，方便微小型燃料電池的集成。如中國(guó)專利公布了一種用于混合反應(yīng)物的膜電極組件及混合反應(yīng)物燃料電池系統(tǒng)(公開(kāi)號(hào)100521331C)，允許氧化劑和燃料在電池模塊內(nèi)部混合，但燃料和氧化劑在進(jìn)料之前仍然需要分開(kāi)存儲(chǔ)，燃料和氧化劑的混合在電池內(nèi)部進(jìn)行，增加動(dòng)力學(xué)復(fù)雜性，同時(shí)料液流動(dòng)方向垂直于電池組塊，使得料液與催化劑不能充分接觸。中國(guó)專利公布了一種可以用混合反應(yīng)物的燃料電池裝置(公開(kāi)號(hào)1426613A)，但其燃料、氧化劑、電解質(zhì)是以混合物的方式存在的，不采用固體電解質(zhì)膜，使得燃料電池動(dòng)力學(xué)更復(fù)雜，同時(shí)電解質(zhì)是堿性液體電解質(zhì)，遇到二氧化碳易形成碳酸鹽，降低電解質(zhì)傳導(dǎo)離子功能。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，為解決現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池反應(yīng)器無(wú)法應(yīng)用于混合反應(yīng)物體系的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于混合反應(yīng)物體系的燃料電池反應(yīng)器。