[发明专利]一种氢燃料电池系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及氢氧燃料电池制备领域，具体涉及一种基于硼氢化钠制氢的氢燃料电池系统及其控制方法。

背景技术

燃料电池是继火电、水电和核电之后的第4代发电技术，它是唯一兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和模块化特点的动力装置，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。按燃料的来源，燃料电池又可分为三类。第一类是直接式燃料电池，即其燃料直接用氢气或轻醇类；第二类是间接式燃料电池，其燃料不是直接用氢，而是通过某种方法(如重整转化)将轻醇、天然气、汽油等化合物转变成氢(或氢的混合物)后再供给燃料电池发电；第三类是再生式燃料电池，它是指把燃料电池反应生成的水，经过电解分解成氢和氧，再将氢和氧输入燃料电池发电。作为燃料电池的一种，氢氧燃料电池(Hydrogen-Oxygen Fuel Cell)以氢气为燃料作还原剂，氧气作氧化剂，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池，与原电池的工作原理相同。

氢燃料电池工作时，向氢电极供应氢气，同时向氧电极供应氧气。氢气、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水，此时氢电极上有多余电子带负电，氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。其具有如下特点：产物是水，清洁环保；容易持续通氢气和氧气，产生持续电流；能量转换率较高；排放废弃物少；噪音低。因此，氢氧燃料电池近年来受到人们的广泛关注。

目前国内外氢燃料电池的相关专利的研究内容基本上围绕着燃料电池的结构设计、电极材料、反应装置、电解质组成优化以及氢气的制造与储存系统等方面。

氢燃料电池用储氢材料的研究面临着挑战。金属氢化物用作储氢材料由于其储存及运输氢安全、方便的特点而备受青睐，但由于热力学、动力学和金属原子量上的限制，一些可逆金属氢化物储氢质量分数只能达到1.5％～2.5％。配位轻金属氢化物的储氢质量分数在金属氢化物中相对较高，这些配位轻金属氢化物中又以铝氢化物(M_XAlH₄)和硼氢化物(M_XBH₄)储氢质量分数最大，最大可达到18.4％(LiBH₄)。

国外的Amendola研究组设计出两种实现该反应的方案。方案I类似于扁昔发生器，利用压筹将储罐中静止的NaBH₄溶液驱入装有催化剂的反应管，NaBH₄溶液由反应管底部进入，产生的氢气由反应管顶部通过控制阀逸出。通过控制反应管中氢气的压力可以调节反应管中NaBH₄液面高低，从而也就控制了氧气的生成速度。方案2是使用小型机械泵将NaBH₄溶液注入装有催化剂的管式反应器.通过控制NaBH₄溶液的流速来控制产氢速度，该方案可对氢气需要量的变化做出快速响应。

A.Pozio等发明了一种新型、由硼氢化钠溶液水解制取氢气的装置，其特点是由两块平行的磁性平板围成反应区域，硼氧化钠碱性溶液包含在磁场之中。ENEA粉末催化剂是由直径为10微米的磁性球体组成，并在其表面涂有Ru的涂层，并使催化剂均匀的分布于磁性容器表面上，这种特殊的催化剂可以保证高动力速率且能提高其化学稳定性。在这个研究的基础上，A.Pozio等人又致力于一种新型便携式燃料电池能源发生器的设计，并取得了一定的成果。

国内的学者如杨汉西等人采用硼化镍作催化剂，进行了用硼氢化钠溶液水解制取氢气的研究，并取得了理想的效果。他们还公开了一项有关氢气制备方法及装置的专利(CNl438169)，将金属硼氢化物的水溶液或碱性水溶液与通过化学沉积在多孔载体村料的过渡金属硼化物催化剂接触.硼氧化物发生水解反应.释放出氢气。

王新东等对硼氧化钠制氧技术做了相关研究，并申请了一项专利(CNl01049907A)，该方法利用装置内部两容器间的氢气压力差的作用，使反应料在装置内的两容器间流动，调节反应料与催化剂的接触量，从而来控制氢气的产生速率和氢气压力。由于装置内部的气压可以随外部氢气的需求速率变化，从而实现该装置根据外部氢气的需求量来自控调节氢气的生成速率，达到即时自控供氢的目的。该方法是密闭两容器内，通过导液管来接通，两密闭容器分别是反应区容器和储料区容器，储料区容器内的反应料通过导液管进入反应区容器后.在催化剂催化作用下产生氢气，产生的氢气再由导气管通往燃料电池。

发明内容