[发明专利]直接氨碱性膜燃料电池及其操作方法

说明书

公开了操作具有直接氨进料的碱性膜燃料电池(AMFC)的方法。该方法可以包括：提供AMFC，该AMFC包括用于接收氨的阳极入口和用于接收含氧气体的阴极入口；在高于80℃的操作温度操作AMFC；在高于在操作温度的水的平衡蒸汽压的压力，向AMFC的阴极提供含氧气体；在AMFC的操作期间保持压力，以便在阴极附近将水保持为大体上液相；以及向AMFC的阳极提供氨。

发明的技术领域

本发明涉及碱性膜燃料电池的领域，并且更准确地涉及通过氨的直接进料来操作的碱性膜燃料电池的领域。

发明背景

氨具有比压缩的氢明显更高的体积能量密度，因为它在室温在～7巴的压力下可以被保持为液体，而氢仅可以被低温液化，并且通常被压缩到200巴、350巴或700巴以达到期望的能量密度。

得到氮气和水的完全氨氧化反应(AOR)比氢气的氧化反应更具挑战性，其中要求打破N-H键以及形成N-N键，以实现期望的可持续的反应，根据反应I形成N₂并且每个氨分子释放3个电子。

I.2NH₃+6OH^-→2N₂+6H₂O+6e^-

这种氧化反应通过合适的阴极过程来实现，在燃料电池中，该阴极过程通常是氧还原阴极，在该阴极处，根据反应II，氧随着水的消耗而被还原以产生OH-。

II.O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

总氧化-还原反应根据反应III：

III.4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O(ΔE⁰～1.17V)。

基于氨的燃料已经限于能够成功地氧化氨的燃料电池的类别，其主要通过使用高电池温度来提高AOR催化的性能。在高温操作的燃料电池的实例是固体氧化物燃料电池(SOFC)。由于这些燃料电池在高温(通常高于600℃)下操作，它们可以容易地将氨作为燃料处理，使得它们不适于需要快速启动和关闭的应用，诸如当燃料电池是汽车应用中的主要能量转换装置时。由于在操作和关闭状态之间的经数百开尔文的加热和冷却中的热应力以及差的动态行为，SOFC在循环下具有进一步低的恢复力(resilience)。

氨也是碱性燃料电池(AFC)中潜在合适的燃料。AFC使用高浓度的金属氢氧化物盐(例如，50wt％的KOH)作为电解质，用于阳极和阴极之间的离子传导。在现代AFC中，这种电解质通常被保持在类似于在碱性电池中使用的那些分离器的“分离器”中：分离器可以包括多孔支撑材料，该多孔支撑材料在非常薄(10微米至100微米)的多孔层中保持阳极和阴极之间的良好电绝缘，从而使离子电导最大化。电解质同时填充孔，防止阳极和阴极之间气体反应物的交换。

AFC非常适合于氨，因为金属氢氧化物电解质提供了强碱性的水性环境，这改善了氨氧化反应(AOR)的动力学。此外，AFC可以在相对高的温度(高达电解质的沸点附近)操作。例如，报告了使用60％的KOH溶液在～140℃操作的燃料电池。

交换膜燃料电池已经作为最有前景的燃料电池技术中的一种出现。交换固体膜通过经由固态聚电解质材料在电极之间提供离子传导来替代电解质或电解质浸泡的分离器，其中电导率由水溶剂化的抗衡离子赋予。交换膜燃料电池通常被称为“PEM”燃料电池，其中PEM有时被假定意指“聚合物电解质膜”。从现在开始，如今更常用的用法是“质子交换膜”。质子交换膜(PEM)燃料电池由于高性能(功率密度)、优异的动态行为和不需要液体电解质而非常适合于移动应用。由于这些特点和其他特点，PEM燃料电池目前是汽车工业中所选择的技术。