陶瓷氢泵及氢氧燃料电池的氢气提纯装置

1.本发明涉及氢氧燃料电池技术领域，特别涉及一种陶瓷氢泵及氢氧燃料电池的氢气提纯装置。


背景技术：

2.氢氧燃料电池膜电极包括催化层、扩散层及质子交换膜等，在反应过程中，若氢气中的杂质比如硫化物等，会使铂碳催化剂中毒，进而导致催化剂活性降低，燃料电池功率下降，寿命缩短等等。提纯氢气的方式有多种，现有技术中，可以采用陶瓷氢泵进行氢气的提纯，陶瓷氢泵一般由电解质、负极和正极构成，其中，电解质可以传导质子。在电力的驱动下，氢气在正极解离为质子，并通过电解质隔膜传输到负极，质子在负极与外电路电子结合而生成氢气。为了满足实际应用的高通量需求，往往将氢泵单体、负极集流体、正极集流体和连接体等通过负极密封件、正极密封件在800-1000℃串联封装，形成大功率氢泵模块，结构较为复杂。另外，氢泵单体、密封件和连接体之间不同的热膨胀行为增加了封接失效的风险，影响大功率氢泵模块的使用寿命和可靠性。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的是提出一种陶瓷氢泵，旨在解决现有技术中，采用大功率氢泵模块进行氢气提纯存在的结构复杂且封接易于失效等问题，并进一步提高氢泵模块的使用寿命和可靠性。
4.为实现上述目的，本发明提出的陶瓷氢泵，包括：
5.包括泵体模组，所述泵体模组包括沿第一方向依次设置的正极组件、电解质隔膜及负极组件，所述正极组件用以将混合气体中的氢气解离生成氢离子，所述电解质隔膜用以供所述氢离子透过，所述负极组件用以将氢离子还原生成氢气，其中，所述正极组件、所述电解质隔膜及所述负极组件一体成型设置。
6.可选地，所述正极组件包括依次设置的正极连接体、正极集流体及正极电极，所述正极电极邻近所述电解质隔膜设置；
7.所述负极组件包括依次设置的负极连接体、负极集流体及负极电极，所述负极电极邻近所述电解质隔膜设置；
8.其中，所述正极连接体、所述正极集流体、所述正极电极、所述电解质薄膜、所述负极电极、所述负极集流体及所述负极连接体烧结为一体。
9.可选地，所述正极电极和/或所述负极电极的制成材质包括金属、合金、电子导电氧化物和氧离子/质子-电子混合导电氧化物；和/或，
10.所述正极电极和/或所述负极电极的厚度为h2，其中，0.1mm≤h2≤1mm，且所述正极电极和/或所述负极电极的孔隙率为0.1％-70％；和/或，
11.所述正极连接体和/或所述负极连接体的制成材质包括高温合金、导电氧化物或导电复合陶瓷，且所述正极连接体和/或所述负极连接体的制成材质的热膨胀系数为t1，所
述电解质隔膜的热膨胀系数t2，其中，-30％≤(t
1-t2)/t2≤30％；和/或，
12.所述正极连接体和/或所述负极连接体的厚度为h3，其中，0.2mm≤h3≤3mm；和/或，
13.所述正极集流体和/或所述负极集流体的制成材质包括金属、合金、导电氧化物或导电复合陶瓷。
14.可选地，所述正极电极和/或所述负极电极的制成材质包括ni、fe、co、feni3、ce
1-x
sm
x
o2–
δ
、ni-ce
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中至少一种，其中，0《x《1，0《y《1，0《z《1，0《δ《1；；和/或，
15.所述正极连接体和/或所述负极连接体的制成材质包括不锈钢430l、不锈钢446、不锈钢crofer、(la
1-x
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中至少一种，其中，0《x《1，0《y《1，0《z《1，0《δ《1；和/或，
16.所述正极集流体和/或所述负极集流体的制成材质包括ni、fe、co、feni3、430l、446、crofer、ni-ce
1-x
sm
x
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δ
、ni-ce
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6-δ
中至少一种，其中，0《x《1，0《y《1，0《z《1，0《δ《1。
17.可选地，所述正极组件形成有开口朝向所述电解质隔膜设置的第一容槽和与所述第一容槽相连通的第一进气通道，所述第一进气通道用于使得混合气体进入所述第一容槽；
18.所述负极组件形成有朝向所述电解质隔膜设置的第二容槽和与所述第二容槽相连通的第二出气通道，所述第二出气通道用于使得所述第二容槽生成的氢气排出。
19.可选地，所述第一容槽和/或所述第二容槽沿所述电解质隔膜厚度方向的槽深为h，其中，0.1mm≤h≤3mm。
20.可选地，所述泵体模组设置多个，多个所述泵体模组沿所述第一方向依次设置，相邻的两个所述泵体模组中，一个所述正极组件的第一容槽和另一个所述正极组件的第一进气通道相连通，或者，一个所述负极组件的第二容槽和另一个所述负极组件的第二排气通道相连通。
21.可选地，所述泵体模组设置多个，多个所述泵体模组沿所述第一方向依次设置，相邻两个所述泵体模组中，一个所述泵体模组的正极组件与另一个所述泵体模组的负极组件电连接。
22.可选地，所述电解质隔膜的制成材质包括ceo2–
δ
、lagao3–
δ
、baceo3–
δ
、bazro3–
δ
、bazr
1-x-y
ce
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x
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δ
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及ba3ca
1 x
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x
o9中至少一种，其中，0《x《1，0《δ《1；和/或，
23.所述电解质隔膜的厚度为t1，其中，1μm≤h1≤100μm。
24.为实现上述目的，本发明提出的氢氧燃料电池的氢气提纯装置，所述氢氧燃料电池的氢气提纯装置包括如上所述的陶瓷氢泵，所述陶瓷氢泵，包括：
25.包括泵体模组，所述泵体模组包括沿第一方向依次设置的正极组件、电解质隔膜及负极组件，所述正极组件用以将混合气体中的氢气解离生成氢离子，所述电解质隔膜用以供所述氢离子透过，所述负极组件用以将氢离子还原生成氢气，其中，所述正极组件、所
述电解质隔膜及所述负极组件一体成型设置。
26.本发明提供的技术方案中，所述泵体模组包括沿第一方向依次设置的正极组件、电解质隔膜及负极组件，通过所述正极组件将混合气体中的氢气解离生成氢离子，所述电解质隔膜使得所述氢离子透过并到达所述负极组件，所述负极组件将氢离子还原生成氢气，由于本实施例中，所述正极组件、所述电解质隔膜及所述负极组件一体成型设置，解决了现有技术中所述正极组件、所述电解质隔膜及所述负极组件由于不同的热膨胀行为导致封接失效，影响大功率氢泵模块的使用寿命和可靠性的问题。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
28.图1为本发明提供的陶瓷氢泵的一实施例的结构示意图；
29.图2为图1中陶瓷氢泵的爆炸图。
30.附图标号说明：
31.标号名称标号名称100陶瓷氢泵12电解质隔膜1泵体模组13负极组件11正极组件131负极连接体111正极连接体132负极集流体112正极集流体133负极电极113正极电极134第二容槽114第一容槽135第二出气通道115第一进气通道136第二进气通道116第一出气通道
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32.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
35.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特
征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
36.氢氧燃料电池膜电电极包括催化层、扩散层及质子交换膜等，在反应过程中，若氢气中的杂质比如硫化物等，会使铂碳催化剂中毒，进而导致催化剂活性降低，燃料电池功率下降，寿命缩短等等。提纯氢气的方式有多种，现有技术中，可以采用陶瓷氢泵进行氢气的提纯，陶瓷氢泵一般由电解质、负极和正极构成，其中，电解质可以传导质子。在电力的驱动下，氢气在正极解离为质子，并通过电解质隔膜传输到负极，质子在负极与外电路电子结合而生成氢气。为了满足实际应用的高通量需求，往往将氢泵单体、负极集流体、正极集流体和连接体等通过负极密封件、正极密封件在800-1000℃串联封装，形成大功率氢泵模块，结构较为复杂。另外，氢泵单体、密封件和连接体之间不同的热膨胀行为增加了封接失效的风险，影响大功率氢泵模块的使用寿命和可靠性。
37.本发明提供一种陶瓷氢泵，其中，图1至图2为本发明提供的陶瓷氢泵的实施例的结构示意图。
38.请参阅图1至图2，所述陶瓷氢泵100包括泵体模组1，所述泵体模组1包括沿第一方向依次设置的正极组件11、电解质隔膜12及负极组件13，所述正极组件11用以将混合气体中的氢气解离生成氢离子，所述电解质隔膜12用以供所述氢离子透过，所述负极组件13用以将氢离子还原生成氢气，其中，所述正极组件11、所述电解质隔膜12及所述负极组件13一体成型设置。
39.上述实现方式中，所述泵体模组1包括沿第一方向依次设置的正极组件11、电解质隔膜12及负极组件13，通过所述正极组件11将混合气体中的氢气解离生成氢离子，所述电解质隔膜12使得所述氢离子透过并到达所述负极组件13，所述负极组件13用以将氢离子还原生成氢气，由于本实施例中，所述正极组件11、所述电解质隔膜12及所述负极组件13一体成型设置，解决了现有技术中所述正极组件11、所述电解质隔膜12及所述负极组件13由于不同的热膨胀行为导致封接失效，影响大功率氢泵模块的使用寿命和可靠性的问题。
40.具体地，参照图2，所述正极组件11包括依次设置的正极连接体111、正极集流体112及正极电极113，所述正极电极113邻近所述电解质隔膜12设置，所述负极组件13包括依次设置的负极连接体131、负极集流体132及负极电极133，所述负极电极133邻近所述电解质隔膜12设置，通过使得所述正极连接体111、所述正极集流体112、所述正极电极113、所述电解质隔膜12、所述负极电极133、所述负极集流体132及所述负极连接体131烧结为一体，不需要使用密封件，提高了所述陶瓷氢泵100的密封性和可靠性。
41.进一步地，在所述陶瓷氢泵100工作时，所述正极电极113需要与外接电源的正极电连接，所述负极电极133要与外接电源的负极电连接，为此，所述正极电极113和/或所述负极电极133的制成材质包括金属、合金、电子导电氧化物和氧离子/质子-电子混合导电氧化物。
42.具体地，所述正极电极113和/或所述负极电极133的制成材质包括ni、fe、co、feni3、ce
1-x
sm
x
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δ
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6-δ
中至少一种。上述制成材质中，x、
y、δ、z的取值范围为0《x《0.5，0《y《0.5，0《δ《1，0《z《0.5。当然，在其他实施例中，x、y、δ、z的取值可以根据需要进行选定，本技术对此不作限定。
43.具体地，所述正极电极113和/或所述负极电极133的厚度为h2，其中，0.1mm≤h2≤1mm，如此设置，使得所述正极电极113和/或所述负极电极133在满足强度的前提下，减轻了所述正极电极113和/或所述负极电极133的重量。所述正极电极113和/或所述负极电极133的孔隙率为0.1％-70％，如此设置，使得所述正极电极113和/或所述负极电极133在满足强度的前提下，所述正极电极113尽可能多的吸附氢气，从而在催化剂的作用下解离出氢离子，所述负极电极133尽可能多地吸附电子和氢离子反应，从而大量生成氢气。
44.具体地，所述正极连接体111和/或所述负极连接体131的制成材质包括高温合金、导电氧化物或导电复合陶瓷，且所述正极连接体111和/或所述负极连接体131的制成材质的热膨胀系数为t1，所述电解质隔膜12的热膨胀系数t2，其中，-30％≤(t
1-t2)/t2≤30％，如此设置，使得所述正极连接体111和/或所述负极连接体131的制成材质的热膨胀系数与所述电解质隔膜12的热膨胀系数较为接近，避免在所述陶瓷氢泵100工作时，由于温度过高，导致所述正极连接体111和/或所述负极连接体131与所述电解质隔膜12发生膨胀变形，并降低陶瓷氢泵100的可靠性和使用寿命。
45.进一步地，所述正极连接体111和/或所述负极连接体131的制成材质包括不锈钢430l、不锈钢446、不锈钢crofer、(la
1-x
sr
x
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δ
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sr
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6-δ
中至少一种，如此设置，使得使得所述正极连接体111和/或所述负极连接体131导电，直接与外接电源电连接，结构简单。上述制成材质中，x、y、δ、z的取值范围为0《x《0.5，0《y《0.5，0《δ《1，0《z《0.5。当然，在其他实施例中，x、y、δ、z的取值可以根据需要进行选定，本技术对此不作限定。
46.具体地，所述正极连接体111和/或所述负极连接体131的厚度为h3，其中，0.2mm≤h3≤3mm，在该厚度范围内，使得所述正极连接体111和/或所述负极连接体131在满足自身的强度的同时，减轻了所述正极连接体111和/或所述负极连接体131的重量。
47.具体地，所述正极集流体112和/或所述负极集流体132的制成材质包括金属、合金、导电氧化物或导电复合陶瓷。
48.进一步地，所述正极集流体112和/或所述负极集流体132的制成材质包括ni、fe、co、feni3、430l、446、crofer、ni-ce
1-x
sm
x
o2–
δ
、ni-ce
1-x
gd
x
o2–
δ
、(la
1-x
sr
x
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fey)o3–
δ
、(la
1-x
sr
x
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1-y
mny)o3–
δ
及(la
1-x
sr
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)tio3–
δ
、la
2-x
sr
x
fe
2-y-z
niymozo
6-δ
中至少一种。上述制成材质中，x、y、δ、z的取值范围为0《x《0.5，0《y《0.5，0《δ《1，0《z《0.5。当然，在其他实施例中，x、y、δ、z的取值可以根据需要进行选定，本技术对此不作限定。
49.所述正极组件11形成有开口朝向所述电解质隔膜12设置的第一容槽114和与所述第一容槽114相连通的第一进气通道115，所述负极组件13形成有朝向所述电解质隔膜12设置的第二容槽134和与所述第二容槽134连通的第二出气通道135，通过所述第一进气通道115向所述第一容槽114内输送混合气体，所述混合气体中包含氢气，所述混合气体进入所述第一容槽114内，所述正极组件11将混合气体中的氢气解离生成氢离子，生成的氢离子穿过所述电解质隔膜12进入所述第二容槽134内，氢离子在所述第二容槽134内与所述负极组件13提供的电子反应生成氢气，重新生成的氢气通过所述第二出气通道135排出，从而实现了氢气的提纯。
50.为了便于提纯后的氢气的排出，在一个实施例中，所述正极组件11还形成有第一
出气通道116，所述第一出气通道116与所述第一容槽114相连通，当进入所述第一容槽114内的混合气体反应结束后，反应后的混合气体自所述第一出气通道116排出。所述负极组件13还形成有第二进气通道136，所述第二进气通道136与所述第二容槽134连通，通过所述第一进气通道115向所述第二容槽134内输送氢气，使得所述第二容槽134内的气压增大，从而将反应生成的氢气排出。
51.为了便于提纯后的氢气的排出，在另一个实施例中，使得所述第二出气通道135与负压装置的相连，通过所述第一容槽114与所述负压装置的进气口之间产生压力差，从而将所述第二容槽内生成的氢气吸出。
52.需要说明的是，所述负压装置的种类可以有多种，例如，所述负压装置可以是负压真空泵，抽气泵等，由于所述负压真空泵和所述抽气泵的技术已经成熟，本技术对于所述负压真空泵和抽气泵的具体结构和工作原理不作进一步描述。
53.具体地，所述第一容槽114和/或所述第二容槽134沿所述电解质隔膜12厚度方向的槽深为h，其中，0.1mm≤h≤3mm，如此设置，保证了所述正极组件11和/或所述负极组件13的性能的前提下，提高了所述第一容槽114和/或所述第二容槽的气体流量。
54.为了提高所述陶瓷氢泵100的功率，参照图2，所述泵体模组1设置多个，多个所述泵体模组1沿所述第一方向依次设置，相邻的两个所述泵体模组1中，一个所述正极组件11的第一容槽114和另一个所述正极组件11的第一进气通道115相连通，或者，一个所述负极组件13的第二容槽134和另一个所述负极组件13的第二出气通道135相连通，如此设置，当所述正极组件11的第一容槽114和另一个所述正极组件11的第一进气通道115相连通，使得多个所述正极组件11的第一容槽114串联设置，即当混合气体从串联首端的所述正极组件11的第一进气通道115进入该正极组件11的所述第一容槽114后，所述第一容槽114内的混合气体将沿着串联的流路依次到达多个所述正极组件11的多个所述第一容槽114内，并在对应的所述正极组件11的作用下解离出氢离子，然后氢离子穿过电解质隔膜12到达对应的所述第二容槽134，氢离子在所述第二容槽134内与所述负极组件13提供的电子反应生成氢气，由于一个所述负极组件13的第二容槽134和另一个所述负极组件13的第二出气通道135相连通，使得多个所述负极组件13的第二容槽134串联设置，位于首端的所述负极组件13的所述第二容槽134产生的氢气可以沿着串联流路依次经过串联设置的多个所述第二容槽134，并最终自串联的尾端的负极组件13的第二容槽134的第二出气通道135排出，由于多个所述第二容槽134串联设置，增大了排出的氢气的气压。
55.需要说明的是，上述中，首端为沿着气体首先接触的那个所述泵体模组1，尾端为沿着气体最后接触的那个所述泵体模组1，当然，在其他实施例中，首端和尾端可以根据需要进行设定，本技术对此不作限定。
56.具体地，参照图1，所述泵体模组1设置多个，多个所述泵体模组1沿所述第一方向依次设置，相邻两个所述泵体模组1中，一个所述泵体模组1的正极组件11与另一个所述泵体模组1的负极组件13电连接，如此设置，使得多个所述泵体模组1依次串联设置，形成复合泵体模组1，所述复合本体模组具有相对设置的两端，其中一端设置有正极组件11，另一端设置有负极组件13，当接入外部电源时，只需要使得所述正极组件11接入电源正极，所述负极组件13接入电源负极即可，线路简单。
57.需要说明的是，在其他实施例中，还可以使得多个所述泵体模组1中，一个所述泵
体模组1的正极组件11与另一个所述泵体模组1的正极组件11电连接，一个所述泵体模组1的负极组件13和另一个所述泵体模组1的负极组件13电连接，实现多个所述泵体模组1的并联，当然，多个所述泵体模组1中，可以使得多个所述泵体模组1既有串联也有并联的，具体地，本技术对此不作限定。
58.具体地，所述电解质隔膜12的制成材质包括ceo2–
δ
、lagao3–
δ
、baceo3–
δ
、bazro3–
δ
、bazr
1-x-y
ce
xyy
o3–
δ
、sr2sc
1 x
nb1–
x
o6–
δ
、la
5.5
wo
11.25-δ
及ba3ca
1 x
nb2–
x
o9中至少一种。上述制成材质中，x、y、δ、z的取值范围为0《x《0.5，0《y《0.5，0《δ《1。当然，在其他实施例中，x、δ的取值可以根据需要进行选定，本技术对此不作限定。
59.进一步地，所述电解质隔膜12的厚度为h1，其中，1μm≤h1≤100μm，在该厚度范围内，即保证了所述电解质隔膜12的致密性，同时保证了传递质子的效果。
60.本发明还提供一种氢氧燃料电池的氢气提纯装置，所述氢氧燃料电池的氢气提纯装置包括上述的陶瓷氢泵100，陶瓷氢泵100的具体结构参照上述实施例，由于本氢氧燃料电池的氢气提纯装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
61.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。