使用氨的制氢系统和使用氨的燃料电池的制作方法

本发明涉及使用氨的制氢系统、使用该制氢系统的联合发电系统、其中一体形成该制氢系统的复合电极隔板、包括该复合电极隔板的复合制氢堆以及使用氨的燃料电池。

背景技术：

1、由于温室气体排放和全球变暖问题，越来越需要开发可再生能源来替代化石燃料。氢作为一种可再生能源而备受关注，因为它即使在燃烧后也基本上不排放任何污染物。然而，氢的缺点在于需要复杂的设施或过程来储存和运输氢。

2、由于氨每个分子具有三个氢原子并且分解后仅产生氢和氮，可使二氧化碳排放最小化，因此氨作为氢源而引起关注。此外，由于氨已被生产用于工业用途并在全球范围内使用，所以可以使用现有的氨基础设施，因此氨在运输或储存方面具有许多优势。因此，正在开发使用氨的制氢方法。

3、热分解法是使用氨的传统制氢方法之一，然而其缺点在于需要400℃或更高的高温，并且还需要使用昂贵的催化剂。另外，碱金属酰胺法法还具有单位成本高、经济可行性低的缺点，而水电解法还存在需要外部电源的缺点。

4、因此，需要一种能够通过降低电解质电阻来提高工作电流密度同时减少外部供电的消耗的制氢系统或类似物。

5、此外，由于温室气体排放和全球变暖问题，越来越需要开发可再生能源来替代化石燃料。因此，正在开发使用诸如太阳能或风能的可再生能源的发电系统。然而，可再生能源发电存在电力输出根据自然环境而波动的问题。因此，需要研究一种方法，其中当电力超过电力需求时，剩余电力被储存起来，并且例如在夜间太阳能发电电量较低或缺乏时，储存的能量被用作备用电源。

6、因此，作为更好地利用可再生能源的一种方式，已经提出了使用氢能的系统，其中利用剩余电力生产氢并储存起来，并且当电量低时，燃料电池利用储存的氢产生电力并且供应所产生的电力。然而，在使用氢能的系统的情况下，由于氢是利用剩余能量来生产和储存的，因此氢的生产和储存可能并不顺利。因此，需要开发一种能够仅用少量能量产生大量氢的系统。

7、同时，碱性燃料电池是使用碱性溶液例如koh或naoh作为电解质的燃料电池，并且是氢和氧结合产生水和电的电化学能量转换装置。与其他燃料电池一样，碱性燃料电池是环境友好的，具有能量转换效率高等诸多优点，但由于电解质与二氧化碳反应生成盐，只有纯氢和氧可以用作燃料，因此燃料供应存在困难。

8、因此，需要开发一种环境友好的能源并且燃料供应相对容易的燃料电池。

技术实现思路

1、[技术问题]

2、解决上述问题的目的如下。

3、本发明旨在提供一种使用氨的制氢系统，其能够减少由外部电源供应的电力的消耗。

4、本发明还旨在提供一种使用制氢系统和可再生能源发电的联合发电系统。

5、本发明还旨在提供一种复合电极隔板，其中制氢系统用作电极部件，并且将电极部件、气液扩散层和隔板多个部件集成为一个结构。

6、本发明还旨在提供一种包括复合电极隔板的复合制氢堆。

7、本发明还旨在提供一种氨燃料电池，其中使用氨作为原料，在阳极部件中产生氮(n2)，并且调节溶解在阴极部件中的第一电解质中的氧的浓度，以调节电池电势并根据需要产生氢(h2)。

8、[技术方案]

9、根据本发明的一个实施方案，制氢系统包括：阴极部件，阴极部件包括阴极和第一电解质；阳极部件，阳极部件包括阳极和第二电解质；以及设置在阴极部件和阳极部件之间的双极性膜，其中第一电解质为中性，第二电解质为碱性并且包括氨，并且在阴极部件中产生氢。

10、阴极可以包括析氢反应催化剂。

11、析氢反应催化剂可以包括选自由金属泡沫、金属薄膜、碳纸、碳纤维、碳毡、碳布和铂催化剂组成的组中的至少一种。

12、阳极可以包括选自由铂(pt)、铱(ir)、铑(rh)、钌(ru)、铁(fe)、钴(co)、镍(ni)和铜(cu)组成的组中的至少一种金属催化剂。

13、第一电解质的ph可以为6至8。

14、第二电解质的ph可以为12至15。

15、第一电解质可以是中性水性电解质，并且第二电解质可以是包括氨的碱性水性电解质。

16、碱性水性电解质可以是其中溶解有选自碱金属氢氧化物中的至少一种的碱性水溶液。

17、碱金属氢氧化物可以是选自由koh、naoh和lioh组成的组中的至少一种。

18、双极性膜可以将水分解成质子(h+)和氢氧根离子(oh-)，质子(h+)可以移动到第一电解质，并且氢氧根离子(oh-)可以移动到第二电解质。

19、在阳极部件中可以发生氨氧化反应，其中氨与氢氧根离子(oh-)反应并被氧化产生氮(n2)。

20、阳极部件的温度可以为30℃或更高。

21、碱性水溶液的浓度可以为1m或更高。

22、氨的浓度可以在0.7m或更高且1.3m或更低的范围内。

23、阴极部件中的氢可以通过析氢反应产生，在该析氢反应中质子(h+)与阴极的电子结合以产生氢(h2)。

24、制氢系统还可以包括连接至阴极部件的氧调节部件，以调节输入至阴极部件的氧量。

25、当阴极部件中的第一电解质中溶解的氧的浓度为12％或更低时，阴极部件中的电子可以与水(h2o)反应以产生氢(h2)。

26、当阴极部件中的第一电解质中溶解的氧的浓度大于12％时，阴极部件中的电子可以与水(h2o)和氧(o2)反应以产生氢氧根离子(oh-)。

27、根据另一个实施方案，一种通过去除制氢系统中中毒电极的中毒来稳定电极的方法，包括对制氢系统进行阴极扫描，其中制氢系统包括：包括阴极和第一水性电解质的阴极部件，包括阳极和第二水性电解质的阳极部件，以及设置在阴极部件和阳极部件之间的双极性膜，其中在阴极部件发生析氢反应，并且在阳极部件发生氨氧化反应。

28、根据又一个实施方案，联合发电系统包括：可再生能源发电单元，可再生能源发电单元被配置为从可再生能源产生电力；制氢单元，制氢单元被配置为接收从可再生能源发电单元产生的电力；以及燃料电池，燃料电池被配置为接收来自制氢单元的氢，其中制氢单元是根据一个实施方案的制氢系统。

29、联合发电系统还可以包括储氢单元，储氢单元被配置为储存在制氢单元中产生的氢。

30、联合发电系统还可以包括电能储存单元，电能储存单元被配置为储存从可再生能源发电单元产生的电力。

31、根据又一个实施方案，复合电极隔板包括：具有板状形状的分离部件；输送部件，输送部件形成在分离部件的两个表面的每一个表面上，并且具有反应物和产物流过的流动路径以及反应物流入和产物流出的输入/输出孔；反应部件，反应部件具有除了形成在所述两个表面中的每一个表面上的输送部件之外的区域；以及电极部件，电极部件位于反应部件中，并且包括阴极、阳极以及设置在阴极和所述阳极之间的双极性膜。

32、输入/输出孔可以包括阴极输入/输出孔和阳极输入/输出孔。

33、阴极输入/输出孔还可以包括氧调节部件，其被配置为调节流入输送部件的反应物的氧量。

34、通过阴极输入/输出孔流入的反应物的氢离子浓度可以在ph 6至ph 8的范围内。

35、通过输入/输出孔流入的反应物的氢离子浓度可以在ph 12至ph 15的范围内。

36、电极部件可以具有5m2/g至100m2/g的比表面积和0.02μm至12μm的孔径。

37、根据又一个实施方案，复合制氢堆包括一个或多个单元电池，每个单元电池包括根据又一个实施方案的复合电极隔板和位于电极隔板的两个表面上的集电板。

38、当通过阴极输入/输出孔流入的反应物中的氧浓度为12％或更低时，阴极的电子可以与水(h2o)反应以排出作为产物的氢(h2)。

39、当通过阴极输入/输出孔流入的反应物中的氧浓度大于12％时，阴极的电子可以与水(h2o)和氧(o2)反应以产生氢氧根离子(oh-)。

40、氨(nh3)和氢氧根离子(oh-)可以在阳极被氧化，以通过阳极输入/输出孔排出作为产物的氮(n2)。

41、可能发生自发反应，其中在0v至0.6v范围的电池电势下产生大于0ma/cm2且小于或等于100ma/cm2的电流密度。

42、通过氨水电解反应可以产生超过100ma/cm2的电流密度。

43、根据又一个实施方案，氨燃料电池包括：阴极部件，其包括容纳在第一容纳空间中的第一电解质和至少一部分浸没在所述第一电解质中的阴极；阳极部件，其包括容纳在第二容纳空间中的第二电解质和至少一部分浸没在所述第二电解质中的金属阳极；以及连接部件，其包括被配置为连通所述第一容纳空间与所述第二容纳空间的连接通道以及设置在所述连接通道中以允许阴离子移动的阴离子交换膜，其中所述第一电解质为中性，所述第二电解质包括氨(nh3)并且为碱性，并且在所述阳极部件中产生氮(n2)。

44、氨燃料电池还可以包括氧调节部件，其连接至所述阴极部件的所述第一容纳空间，以调节输入到所述第一容纳空间的氧量。

45、当阴极部件中的第一电解质中溶解的氧的浓度为12％或更低时，阴极部件中的电子可以与水(h2o)反应以产生氢(h2)。

46、当阴极部件中的第一电解质中溶解的氧的浓度大于12％时，阴极部件中的电子可以与水(h2o)和氧(o2)反应以产生氢氧根离子(oh-)。

47、阴离子交换膜可以在碱性环境中进行预处理。

48、可以使用0.1m至1m的碱性溶液进行预处理。

49、氨(nh3)和氢氧根离子(oh-)可以在阳极部件被氧化以产生氮(n2)。

50、第一电解质的氢离子浓度可以在ph 6至ph 8的范围内。

51、第二电解质的氢离子浓度可以在ph 12至ph 15的范围内。

52、第二电解质可以包括溶解有碱金属氧化物的碱性水溶液。

53、可以在0v至1.0v范围的电池电势下产生大于0ma/cm2且小于或等于50ma/cm2的电流密度。

54、[有益效果]

55、在根据本发明的制氢系统中，可以减少产生氢所消耗的电力，并且可以在不消耗电池电势的操作环境中同时产生氢气和电力，因此制氢效率可以很高。

56、此外，根据本发明，在包括制氢系统以及使用可再生能源的联合发电系统中，优点在于，响应于自然环境导致的电力输出的波动，可以将剩余电力用于生产和储存氢，并且当电量较低或缺乏时，燃料电池可以使用储存的氢来生产和供应电力。

57、此外，由于根据本发明的复合电极隔板包括作为电极部件的制氢系统，并且电极部件、气液扩散层和隔板多个部件被设置为集成为一个结构，所以当将复合电极隔板应用于堆时，可以减少应用于堆的部件数量，从而简化堆组装，减小堆体积，并且还降低电解质电阻，从而可以增加工作电流密度，能够实现高效率和大电流操作。

58、此外，在根据本发明的复合制氢堆中，可以调节氧的量来同时产生氢气和电力或者仅产生电力，并且还可以通过氨水电解反应仅产生氢气。

59、此外，通过使用氨作为燃料，根据本发明的氨燃料电池是一种生态环境友好的能源，其燃料供应相对容易，氨具有比氢更窄的爆炸范围并且由于可以在低压下液化，因此易于储存和运输。此外，由于氨独特的气味，容易检测泄漏，并且当使用氨废水时，还有一个优点是可以在处理废水的同时产生电。氨燃料电池是一种电化学系统，其中产生自发电化学电势，并根据需要调节氧浓度来调节电池电势并产生氢(h2)。因此，优点在于所产生的氢(h2)可用作其他燃料电池的燃料并引入复合燃料电池系统中。