专利名称：便携式燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及便携式燃料电池系统。特别涉及燃料电池的供氢系统。
技术背景燃料电池(Fuel Cell, FC)是一种在常温(0 80°C)下就能直接将储存在燃料和氧化剂 中的化学能高效(50 80%)、无污染地转化为电能的发电装置，可以被看作是一种没有燃烧 过程的原动机。FC的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料的 反应就像氢的氧化过程，阴极催化氧化剂的反应就像氧的还原过程；导电离子在将阴阳极分 开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电的回路。燃料电池种类繁多，包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷 酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池(SOFC)等等，在这些燃料电池中， 最有发展潜力的类型是质子交换膜燃料电池，它拥有许多特点如可代替充电电池，是汽车 和家庭应用的理想能源；能在较低的温度下工作，可在严寒条件下迅速启动；电力密度较高， 因此体积相对较小；工作效率很高，并能快速地根据用电的需求而改变其输出。本发明就是 针对质子交换膜燃料电池而创造的一种便携式燃料电池系统。给质子交换膜燃料电池供氢的氢源往往是甲醇、高压气态氢、低温液态氢等，使用这些 传统氢源时常出现流程复杂，产氢速度不可控，使用和携带不方便等问题。其中，使用甲醇 供氢的方法又被称作直接甲醇燃料电池。这种直接甲醇燃料电池不再从甲醇中提取氢作为燃 料，而是直接用液态甲醇作燃料，虽然作为可移动电子设备的电源有很大发展潜力，但也存 在电池功率低，只能用于耗电少且平稳的设备中等缺点。
发明内容
本发明为了解决燃料电池中使用这些传统氢源时出现流程复杂，产氢速度不可控，使用 和携带不方便等问题，以硼氢化钠水解反应产生的氢气为氢源，供给离子交换膜燃料电池电 堆作为燃料，由离子交换膜燃料电池电堆发电产生电能。 硼氢化钠的水解反应如下NaBH4+ 2H20—4H2+NaB02 硼氢化钠是由天然矿物硼砂为原料制成的高含氢化学氢化物，溶于水形成液态储氢材料， 没有自燃、爆炸的危险。硼氢化钠在空气中较稳定，通过催化水解反应能在常温及低温下迅速放出全部氢气，启动吋间短。最低放氢温度可ii-4(rc。.由于硼氢化合物水解及应是放热反应，随着反应的进行，将自动加热燃料，从而提高放氢速度。但产氢温度却不会高于水的沸 点(IO(TC)，非常适合于在恶劣环境中作为燃料电池的氢源。所释放的氢气不含一氧化碳等 杂质，只含有少量水分，是一种不需额外加湿的纯净氢气，可直接供给离子交换膜燃料电池 电堆作为燃料。使用后的燃料可通过再生进行循环利用，不会对环境造成伤害。与传统化学氢化物的改质相比(甲烷，甲醇等)，硼氢化钠产氢流程简单，系统简单，产 氢速度可调，产氢温度范围广，并可在低温状态下产氢。可采用装卸燃料盒的方法，大大延 长燃料电池的工作时间。在野外，可以使用海水、河水、溪水、雪水等水源作为硼氢化钠水 解产氢的原料，在极端情况下甚至可以使用尿液作为水源。所以硼氢化钠是一种特别适合于 野外，在极度恶劣的环境下也能为燃料电池供氢的理想储氢介质。本发明可实现按需供电模式，供氢系统与燃料电池可分离，尽可能小型化。本发明涉及的燃料电池系统可适用于小型电站、便携式移动电源、户外休闲、野外作业、 机器人、电动自行车、电动轮椅车以及应急电源等。本发明涉及的燃料电池系统包括以下几个部分硼氢化钠氢发生系统、直流稳压器、直 流交流逆变器、离子交换膜燃料电池电堆、风机以及开关、管道和阀门。由硼氢化钠氢发生 系统产生氢气供给离子交换膜燃料电池电堆的阳极、由风机将空气中的氧供给离子交换膜燃 料电池电堆的阴极，所需的电力来源于燃料电池电堆。因为电堆的阴极在停机状态总是与空 气接触的， 一旦氢气进入电堆的阳极，电堆电压就会升高从而达到启动风机所需的额定电压 而驱动风机。风机启动后，提供更多的空气进入电堆阴极使得电堆电压进一步升高，从而使 燃料电池达到额定电压，完成燃料电池系统的冷启动。1.硼氢化钠氢发生系统硼氢化钠氢发生系统由燃料罐、氢发生反应器、过滤器组成。 (1)燃料罐(如图l所示)主要用于储存硼氢化钠溶液，可由镀镍或氟塑料涂层不锈钢 板、聚乙烯、聚丙烯材料制成，含有进料口8、废料排放口5、氢气出口7、氢发生产物进口 1以及通向反应器的硼氢化钠溶液出口 6。在氢发生产物进口处设有气液分离装置，由挡板3和多孔材料组成。挡板可选用镀镍或氟塑料涂层不锈钢板、聚乙烯、聚丙烯材料。燃料罐与氢发生反应器由两个单向针阀进行连接。2为多孔材料，多孔材只要是多孔、耐碱的材料都 可以。例如多孔陶瓷、蜂窝陶瓷、发泡镍，都可用来做气液分离，孔径在0.5-1. 5mm之间。 发泡镍为发泡聚胺脂经化学镀镍、电镀镍、烧结而成。气液分离装置为燃料罐内藏式，由泡沫镍或多孔陶磁构成气液分离元件，泡沫镍或多孔陶 .磁板镶歡于两t良开有与泡沫锋或多孔陶磁板同样厚度的U—型不锈钢槽机，将这两根U—型不锈钢槽轨点焊于燃料罐上部，构成气液分离器。氢气出口安置在燃料罐的另一侧顶部，气液分 离装置与氢气出口之间没有直接的联系，氢气通过燃料罐的上部空腔，从气液分离器进入氢 气出口。燃料罐中添加的燃料为硼氢化钠、氢氧化钠和水，各成分的重量百分比为硼氢化钠 5-50%，氢氧化钠1-15%,其余为水。在硼氢化钠水解过程中产生偏硼酸钠，因此系统处于 工作状态时，燃料的组成为硼氢化钠、氢氧化钠、偏硼酸钠和水。偏硼酸钠的含量随着水解 反应的进行而不断升高。水解反应的水以纯净水为最佳，杂质含量越高，产生的氢气品质越 差。其顺序为纯净水、自来水、溪水、海水、河水、饮料、尿液。(2) 氢发生反应器(如图2所示)设有来自燃料罐的硼氢化钠溶液进口 13和氢发生产 物的出口 10，以及通过三通阀向外排空气的出口 11，主要用于向外排空气，形成压力差，促使燃料溶液进入燃料罐。反应器可由镀镍或氟塑料涂层不锈钢板、聚乙烯、聚丙烯材料制成。反应器内装有一体化的由多孔雷尼镍催化剂组成的多孔反应床12。通过两个单向针阀VI和 V2连接到燃料罐，由阀门VI的开启程度来控制反应器两端的压力。在待机状态时，硼氢化 钠溶液进口端的内压低于氢发生产物出口压力，使得硼氢化钠溶液不能再进入反应器而停止 氢气的发生。而在工作状态时，硼氢化钠溶液进口端13的内压高于氢发生产物出口 10的压 力。这样就可避免形成氢气逆流，造成硼氢化钠溶液的进入不畅。(3) 过滤器(如图3所示)设有连接燃料罐顶部的氢气进口 16和净化后氢气的出口 14， 氢气的出口 14通过阀门V3与燃料电池进气口的管路连接。过滤器由镀镍或氟塑料涂层钢板 或不锈钢板、聚乙烯、聚丙烯材料制成。过滤器内安装有三维通孔的多孔材料15，多孔材料 为发泡镍以分散氢气泡。过滤器内充填有吸收偏硼酸钠和氢氧化钠的吸收剂，吸收剂为酒石 酸、磷酸、醋酸、硫酸或其混合物。吸收剂主要用于对NaB02和Na0H的吸收。吸收剂的原理是酸碱中和反应，理论上任何酸都可做吸收剂。考虑到吸收效率，酸中质 子含量越高，对NaB02和NaOH的吸收效果越好，因此3价为佳。二价酸也可以用于吸收剂， 如醋酸、硫酸等，但效率相对比3价酸要差。另外还需考虑酸的饱和蒸汽压，蒸汽压较高的 酸在吸收夹带物的同时，也会随氢气带入燃料电池，对性能产生影响，因此酒石酸和磷酸是 较佳的选择。磷酸是中强酸，而酒石酸是弱酸。强酸易腐蚀容器， 一旦泄漏容易与NaBH4反 应生成剧毒的硼垸，而弱酸只会加快硼氢化钠的水解，即使发生泄漏也不会招致灾难性的后 果。弱酸比较安全，但中和反应速度较低，吸收效果较中强酸要弱，故而选择酒石酸和磷酸 的混合物为佳。 一旦吸收剂的酸度下降，趋于中性，需更换吸收剂。2-离矛交换臈燃料电池电堆匸阳极、阴极、离子交换膜燃料电池电堆可以由质子交换膜，或阴离子交换膜(导电离子为氢氧根离子) 作为离子导体，还可以使用质子交换膜和阴离子交换膜形成的复合离子交换膜作为离子导体。 离子交换膜燃料电池电堆是将复合催化剂涂覆在具有憎水性的多孔碳纸上构成电极而组成 的，这种复合催化剂是以铂、钯单质催化剂或两者混合后分散在炭黑上而构成的催化剂。在 两枚电极之间由离子交换膜隔开，其中电极涂有催化剂的面朝向离子交换膜，通过热压形成 膜电极一体化而构成离子交换膜燃料电池电堆的组元，将刻有流路的双极板和膜电极堆积起 来构成离子交换膜燃料电池电堆。在采用阴离子交换膜时，可以使用铂、钯、银、镍及其合 金或混合物为阴极或阳极催化剂，其中，阴极催化剂还可以使用二氧化锰。可以在燃料电池 的燃料出口端与燃料罐之间连接增压泵24,将阴离子交换膜燃料电池发电后的阳极产物(残 余氢和水蒸气)输回到燃料罐，以达到回收氢和水的目的。氢可以重新发电，提高氢的利用 率。回收的水可用来稀释硼氢化钠溶液，使得使用高浓度硼氢化钠溶液为产氢原料成为可能， 从而提高燃料电池系统的能量密度。本发明的燃料电池的流程(如图4所示)及操作过程如下1. 建立待机状态(1) 起始状态V1 V5处于关闭状态，燃料进料口8盖子封闭。(2) 开启燃料进料口盖子注入燃料，然后拧紧盖子。进料口由316不锈钢等耐腐蚀材料 制成，采用螺纹密封。(3) 打开V1 V4，使得燃料靠静压进入氢发生反应器，然后依次关闭V2 V4。从而建 立燃料电池系统的起始工作状态。2. 操作状态(1) 开启V3，使氢气导入AEMFC电池电堆。(2) 打开VI、 V2，使得燃料靠压差进入氢发生反应器，由氢发生反应器产生氢气供给 燃料电池。3. 停机状态首先关闭V1，待燃料电池电压降至IO伏时，停止电堆工作，然后依次关闭V2 V3。从 而使燃料电池系统重新处于待机状态。4. 燃料更换(1)当电堆的电压低于24V，关闭V1 V4阀门、开启V5阀门，在燃料罐的内压作用下 将废料由燃料罐的废料排放口 5排出。^、关闭V5阀门、幵启燃料进料口.重新加入硼氧化钠裕艰、封闭燃料进料口u(3)打开V1 V4，使得燃料靠静压进入氢发生反应器，然后依次关闭V2 V4。重新建 立燃料电池系统的起始工作状态。在图4中，通过18放空，产生的电力通过17输出。
图1为本发明涉及的硼氢化钠氢发生系统中的燃料罐的工作图；图2为本发明涉及的硼氢化钠氢发生系统中的氢发生反应器的工作图；图3为本发明涉及的硼氢化钠氢发生系统中的过滤器的工作图；图4为本发明涉及的小型燃料电池系统的流程图；图5为本发明中当采用质子交换膜燃料电池发电时的燃料电池的构成及流程图； 图6为本发明中当采用阴离子交换膜燃料电池发电时的燃料电池的构成及流程图。 有益效果本发明可实现按需供电模式，供氢系统与燃料电池可分离，尽可能小型化。与传统化学氢化物的改质相比(甲烷，甲醇等)，硼氢化钠产氢流程简单，系统简单，产 氢速度可调，产氢温度范围广，并可在低温状态下产氢。可采用装卸燃料盒的方法，大大延 长燃料电池的工作时间。在野外，可以使用海水、河水、溪水、雪水等水源作为硼氢化钠水 解产氢的原料，在极端情况下甚至可以使用尿液作为水源。所以硼氢化钠是一种特别适合于 野外，在极度恶劣的环境下也能为燃料电池供氢的理想储氢介质。在燃料电池的燃料出口端安装增压泵24，将阴离子交换膜燃料电池发电后的阳极产物(残 余氢和水蒸气)输回到燃料罐，以达到回收氢和水的目的。氢可以重新发电，提高氢的利用 率。回收的水可用来稀释硼氢化钠溶液，使得使用高浓度硼氢化钠溶液为产氢原料成为可能， 从而提高燃料电池系统的能量密度。本发明涉及的燃料电池系统可适用于小型电站、便携式移动电源、户外休闲、野外作业、 机器人、电动自行车、电动轮椅车以及应急电源等。
具体实施方式
通过下述实施例将有助于理解本发明，但不限制本发明的内容。 实施例1:当采用质子交换膜燃料电池发电时(如图5所示)， 1.建立待机状态n、起始状态，vi vs处于关闭状态.燃、料进料cia盖矛封闭v(2) 开启燃料进料口盖子注入硼氢化钠、氢氧化钠和水，各成分的重量百分比为硼氢化 钠50%，氢氧化钠15%,余下为纯净水。然后拧紧盖子。进料口由316不锈钢耐腐蚀材料制成， 采用锥形螺纹密封。(3) 打开V1 V4，使得燃料靠静压进入氢发生反应器，然后依次关闭V2 V4。从而建 立燃料电池系统的起始工作状态。2. 操作状态(1) 开启V3，使氢气导入燃料电池。(2) 打开VI、 V2，使得燃料靠压差进入氢发生反应器，由氢发生反应器产生氢气供给 燃料电池。(3) 合上开关K1，启动直流风机F，使空气从入U 19进入燃料电池的阴极，达到燃料 电池电堆的待机状态。(4) 合上开关K2，将负荷接入燃料电池系统，此时燃料电池处于正常工作状态。整个 电源系统的输出功率随接入的负荷大小而变化。3. 停机状态打开开关K2进行卸载，关闭VI，待燃料电池电压降至10伏时，打开开关Kl停止直流 风机和电堆工作，然后依次关闭V2 V3。从而使燃料电池系统重新处于待机状态。 阴极尾气通过出口 20排出，阳极尾气通过出口 21排出。本例发明中燃料罐由镀镍不锈钢板材料制成，具体结构如图1所示，含有进料口 8、废 料排放U 5、氢气出U 7、氢发生产物进口 1以及通向反应器的硼氢化钠溶液出口 6。在氢发 生产物进口处设有气液分离装置，由挡板3和多孔材料组成。挡板选用氟塑料涂层不锈钢板。 燃料罐与氢发生反应器由两个单向针阀进行连接。2为多孔材料.多孔材料为发泡镍。本例发明中氢发生反应器通过三通阀V2向外排空气，形成压力差，促使燃料溶液进入燃 料罐。反应器由氟塑料涂层不锈钢板材料制成。反应器内装有一体化的由多孔雷尼镍催化剂 组成的多孔反应床。本例发明中过滤器设有连接燃料罐顶部的氢气进口和净化后氢气的出口，过滤器内安装 有三维通孔的多孔材料，多孔材料为发泡镍以分散氢气泡。过滤器内充填有吸收偏硼酸钠和 氢氧化钠的吸收剂，吸收剂为酒石酸和磷酸混合物。气液分离装置为燃料罐内藏式，由泡沫镍构成气液分离元件，泡沬镍板镶嵌于两根开有与 泡沫镍板同样厚度的U型不锈钢槽轨，将这两根U型不锈钢槽轨点焊于燃料罐上部，构成气液分离器。氢气出口安置在燃料罐的另一侧顶部，气液分离装置与氢气出口之间没有直接的 联系，氢气通过燃料罐的上部空腔，从气液分离器进入氢气出口。 实施例2:当采用阴离子交换膜燃料电池发电时(如图6所示)，1. 建立待机状态(1) 起始状态V1 V5处于关闭状态，燃料进料口盖子封闭。(2) 开启燃料进料口盖子注入硼氢化钠、氢氧化钠和水，各成分的重量百分比为硼氢化 钠35%，氢氧化钠15%，其余为纯净水。然后拧紧盖子。进料口由316不锈钢耐腐蚀材料制成， 采用锥形螺纹密封。(3) 打开V1 V4，使得燃料靠静压进入氢发生反应器，然后依次关闭V2 V4。从而建 立燃料电池系统的起始工作状态。2. 操作状态(1)开启V3，使氢气导入燃料电池。(2) 打开V1、 V2，使得燃料靠压差进入氢发生反应器，由氢发生反应器产生氢气供给 燃料电池(3) 合上开关K1、 K3，启动直流风机F和氢气增压泵24，使空气进入燃料电池的阴极， 残余氢和水蒸气通过管路23输回到燃料罐，达到燃料电池电堆的待机状态。(4) 合上开关K2，将负荷接入燃料电池系统，此时燃料电池处于正常工作状态。整个 电源系统的输出功率随接入的负荷大小而变化。3. 停机状态打开开关K3停止增压泵工作。打开开关K2进行卸载，关闭Vl,待燃料电池电压降至IO 伏时，打开开关Kl停止直流风机和电堆工作，然后依次关闭V2 V3。从而使燃料电池系统 重新处于待机状态。阴极尾气通过出口 22排出，阳极尾气通过出口 23进入氢气增压泵并通过入口 25进入燃 料罐。本例发明中燃料罐由镀镍不锈钢板材料制成，具体结构如图1所示，含有进料口 8、废 料排放口 5、氢气出口 7、氢发生产物进口 1以及通向反应器的硼氢化钠溶液出口 6。在氢发 生产物进口处设有气液分离装置，由挡板3和多孔材料组成。挡板选用氟塑料涂层不锈钢板。 燃料罐与氢发生反应器由两个单向针阀进行连接。2为多孔材料，多孔材料为发泡镍。本例发明中氢发生反应器通过三通阀V2向外排空气，形成压力差，促使燃料溶液进入燃 料罐。反应器由氟塑料涂层不锈钢板材料制成。反应器内装有一体化的fc多孔雷尼镍催化剂组成的多孔反应床。本例发明中过滤器内安装有三维通孔的多孔材料，多孔材料为发泡镍以分散氢气泡。过 滤器内充填有吸收偏硼酸钠和氢氧化钠的吸收剂，吸收剂为酒石酸和磷酸混合物，浓度为30% 的酒石酸和磷酸按照3: 1的比例调制而成。实施例3:基本同例2燃料各成分的重量百分比为硼氢化钠25°/。，氢氧化钠10%，其余为纯净水。 本例发明中燃料罐由镀镍不锈钢板材料制成，具体结构如图1所示，含有进料口 8、废 料排放口 5、氢气出口 7、氢发生产物进口 1以及通向反应器的硼氢化钠溶液出口 6。在氢发 生产物进口处设有气液分离装置，由挡板3和多孔材料组成。挡板选用氟塑料涂层不锈钢板。 燃料罐与氢发生反应器由两个单向针阀进行连接。2为多孔材料，多孔材料为发泡镍。本例发明中氢发生反应器通过三通阀V2向外排空气，形成压力差，促使燃料溶液进入燃 料罐。反应器由氟塑料涂层不锈钢板材料制成。反应器内装有一体化的由多孔雷尼镍催化剂 组成的多孔反应床。本例发明中过滤器内安装有三维通孔的多孔材料，多孔材料为发泡镍以分散氢气泡。过 滤器内充填有吸收偏硼酸钠和氢氧化钠的吸收剂，吸收剂为酒石酸和磷酸以仟意比例组成的 混合物。实施例4:基本同例2燃料各成分的重量百分比为5%，氢氧化钠3%，其余为自来水。燃料罐中多孔材料为多孔陶瓷，本例发明中过滤器内安装有三维通孔的多孔材料，多孔 材料为发泡镍以分散氢气泡。过滤器内充填有吸收偏硼酸钠和氢氧化钠的吸收剂，吸收剂为酒石酸和磷酸以2: 1比例组成的混合物。 实施例5:基本同例2燃料各成分的重量百分比为8%，氢氧化钠1%,其余为自来水。燃料罐中多孔材料为蜂窝陶瓷，本例发明中过滤器内安装有三维通孔的多孔材料，多孔 材料为发泡镍以分散氢气泡。过滤器内充填有吸收偏硼酸钠和氢氧化钠的吸收剂，吸收剂为酒石酸和醋酸以2: 1比例组成的混合物。
权利要求
1.一种便携式燃料电池系统，包括供氢系统和燃料电池电堆，其特征在于，供氢系统由燃料罐、氢发生反应器和过滤器组成；燃料罐硼氢化钠溶液出口(6)通过V1与氢发生反应器硼氢化钠溶液进口(13)连接；氢发生反应器氢发生产物的出口(10)通过阀门V2与燃料罐氢发生产物进口(1)连接；燃料罐氢气出口(7)连接过滤器的氢气进口(16)。
2. 按权利要求l所述的一种便携式燃料电池系统，其特征在于所述燃料罐与氢发生反应 器连接管路上设置有单向针阀。
3. 按权利要求l所述的一种便携式燃料电池系统，其特征在于所述氢发生反应器设有来 自燃料罐的硼氢化钠溶液进口 13和氢发生产物的出口 10，通过三通阀向外排空气的出口 11， 装有催化剂组成的多孔反应床12，通过两个单向针阀VI和V2连接到燃料罐。
4. 按权利要求1或2所述的一种便携式燃料电池系统，其特征在于所述燃料电池燃料出 口端与燃料罐之间连接增压泵。
5. 按权利要求1所述的一种便携式燃料电池系统，其特征在于所述燃料罐的燃料包括硼 氢化钠和氢氧化钠。
6. 按权利要求1或5所述的一种便携式燃料电池系统，其特征在于所述燃料罐中燃料重 量百分比为硼氢化钠5-50%，氢氧化钠1-15%，其余为水。
7. 按权利要求1所述的一种便携式燃料电池系统，其特征在于所述过滤器中吸收剂为酒 石酸、磷酸、醋酸、硫酸或其中几种的混合物。
8. 按权利要求1所述的一种便携式燃料电池系统，其特征在于所述过滤器中吸收剂为酒 石酸和磷酸的混合物。
9. 按权利要求1所述的一种便携式燃料电池系统，其特征在于所述燃料罐的氢发生产物 进口 (1)处设有气液分离装置，气液分离装置由挡板(3)和多孔材料(2)组成。
10. 按权利要求1所述的一种便携式燃料电池系统，其特征在于所述供氢系统在阴离子交 换膜燃料电池和质子交换膜燃料电池中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种便携式燃料电池系统，旨在提供一种可用于便携式移动电源的燃料电池系统，可实现按需供电模式。本发明的燃料电池系统包括以下几个组成部分硼氢化钠氢发生系统、直流稳压器、直流交流逆变器、离子交换膜燃料电池电堆、风机以及开关、管道和阀门。其中，硼氢化钠氢发生系统包括燃料罐、氢发生反应器、氢气分离器；离子交换膜燃料电池电堆可由质子交换膜，或阴离子交换膜(导电离子为氢氧根离子)作为离子导体，还可以使用质子交换膜和阴离子交换膜形成的复合离子交换膜作为离子导体。本发明以硼氢化钠的水解反应产生的氢气为氢源，供给离子交换膜燃料电池电堆作为燃料，由离子交换膜燃料电池电堆发电即可产生电能。
文档编号H01M8/04GK101330145SQ20071011905
公开日2008年12月24日 申请日期2007年6月19日 优先权日2007年6月19日
发明者侯晓峰, 刘宾虹, 李洲鹏, 钢 肖 申请人:汉能科技有限公司