CN115871909A - 一种产氢产电产纳米材料的动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种产氢产电产纳米材料的动力系统，包括：动力电堆模块，燃料电池模块，纳米材料存储模块。动力电堆模块的正极通过反应得到包含氢氧化镁，氧化锌，氢氧化铝或氧化铁中的一种，动力电堆模块的负极通过反应得到氢气；动力电堆模块产生的氢气用于燃料电池模块供能；纳米材料存储模块用于存储动力电堆模块的正极通过反应得到纳米材料；其中，动力电堆模块以及燃料电池模块共同为船舶动力系统供能。相较于现有技术，本发明提供的动力电堆模块和燃料电池模块共同输出电能供给船舶动力系统；并且，金属‑水电池直接制氢供应燃料电池系统；以及，金属‑水电池模块采用无隔膜系统。

Description

一种产氢产电产纳米材料的动力系统

技术领域

本发明涉及电池供能技术领域，尤其涉及一种产氢产电产纳米材料的动力系统。

背景技术

船舶动力装置是为保证船舶正常营运而设置的动力设备，是为船舶提供各种能量和使用这些能量，以保证船舶正常航行，人员正常生活，完成各种作业。船舶动力形式的变革以能量转换方式（如内燃机、燃料电池、动力电池等）为主要关注点，这一领域的技术发展和应用前景最具不确定性，也最可能产生颠覆性创新。其中，燃料电池和动力电池，因其技术的快速迭代和在车辆上的推广应用，正在引起海事工业的极大关注。

船用领域比车用领域更加讲究场景匹配，船舶中在长途、重载、长时间三类场景下，锂电动力船难以满足需求。而燃料电池的模块化和直流输出有利于全船电力化、智能化发展。但是氢燃料电池船的氢气是危化品属性的燃料，氢气存储、加注难。以中船重工设计的燃料电池试点船舶为例，该船采用了35MPa高压氢气瓶组储存氢气，未来一段时间内燃料电池船舶大概率还将采用高压氢气这种相对成熟的存储方式。由于船-岸间有一定的距离，车与船的加注场景也有所区别，需要对车用氢气加注技术进行改进才能保证船用氢气加注顺利，甚至需要考虑改变船上氢气的存储方式。因此氢燃料电池船推广化引用依赖于安全的氢气来源和加注方式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如何优化电极，以提高金属-水体系的电化学输出性能；有鉴于此，本发明提供一种产氢产电产纳米材料的动力系统。

本发明采用的技术方案是，所述产氢产电产纳米材料的动力系统，包括：

动力电堆模块，所述动力电堆模块的负极通过反应得到纳米材料，所述动力电堆模块的正极通过反应得到氢气，其中，所述纳米材料包括氢氧化镁，氧化锌，氢氧化铝或氧化铁中的一种；

燃料电池模块、所述动力电堆模块产生的氢气用于所述燃料电池模块供能；

纳米材料存储模块，用于存储所述纳米材料；

其中，所述动力电堆模块以及所述燃料电池模块共同为外用动力系统供能。

在一个实施方式中，所述动力电堆模块包括至少两个金属水电池单体，至少两个所述金属水电池通过串联、并联中的至少之一的方式连接。

在一个实施方式中，所述金属水电池单体包括：具有正极端口以及负极端口的金属水电解池；设置在所述金属水电解池上的进液口以及出液口；与所述出液口连接的气液分离装置；设置在所述进液口上的电解液循环泵。

在一个实施方式中，所述金属水电池单体的阳极为纯度>99%的镁、铝、锌、铁中的至少一种。

在一个实施方式中，所述金属水电池单体的正极为包括析氢催化剂层、微孔层、衬底的三层结构，所述衬底为碳纸、碳布、泡沫镍或不锈钢网，所述析氢催化剂层为铂碳催化剂、镍钌复合催化剂、铂钌复合催化剂、掺杂镍钼基催化剂、碳化镍基催化剂或者硫化钼基催化剂，所述微孔层为疏水材料PTFE或PVDF与导电材料碳粉或乙炔黑组成的疏水导电层。

在一个实施方式中，所述系统还包括：氢气纯化模块；

所述氢气纯化模块设置于所述动力电堆模块以及所述燃料电池模块之间系统，用于氢气的提纯。

在一个实施方式中，所述系统还包括：电解液制备模块；

所述电解液制备模块制备得到的电解液通过循环泵进入所述进液口，沿所述镁水电池单体内的流道从负极流向正极，以使得正极和负极构成原电池反应。

在一个实施方式中，所述镁-水电池所用电解液包括氯化钠基溶液；其中，所述氯化钠基溶液

；

在一个实施方式中，提纯后的氢气在干燥环境下存储于储氢罐，以一定的压力进入所述燃料电池模块的负极；

所述燃料电池模块的正极通过空压机获得空气。

在一个实施方式中，所述金属水电池模块为无隔膜电池模块。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明所提供的产氢产电产纳米材料动力系统，金属水电池和燃料电池共同输出电能供给船舶动力系统，金属水电池直接制氢供应燃料电池系统；并且，本发明所提供的系统还可以用于制备多种高纯度的纳米材料。

附图说明

图1为根据本发明实施例的产氢产电产纳米材料动力系统装置组成结构示意图；

图2为根据本发明实施例的金属水电池单体（图中具体采用镁水电池）以及连接结构示意图；

图3为根据本发明实施例的析氢阳极和镁板组装的电池性能示意图；

图4为根据本发明实施例的析氢阳极和镁板组装的电池放电性能示意图。

附图标记

1-动力电堆模块，2-低压氢气缓冲罐，3-第一电解液箱，4-第二电解液箱，5-电解液循环泵，6-纳米材料存储模块，7-水泵，8-水箱，9-燃料电池模块，10-空压机，11-空气口，12-氢气纯化模块，13-氢气缓冲模块，14-储氢罐，15-氢气增压机，2-1-进液口，2-2-出液口，2-3-气液分离装置，2-4-正极端口，2-5-负极端口。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

除非另外限定，否则本文中使用的所有用语（包括技术用语和科学用语）均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语（例如在常用词典中定义的用语）应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明第一实施例，一种产氢产电产纳米材料动力系统，本实施例中，如图1所示，包括：

动力电堆模块1，动力电堆模块1的负极通过反应得到纳米材料，动力电堆模块1的正极通过反应得到氢气，其中，所述纳米材料包括氢氧化镁，氧化锌，氢氧化铝或氧化铁中的一种；

燃料电池模块9，动力电堆模块1产生的氢气用于燃料电池模块9供能；

纳米材料存储模块6，用于存储动力电堆模块1的负极通过反应得到氢氧化镁；

其中，动力电堆模块1以及燃料电池模块9共同为船舶用动力系统供能。

在一个实施方式中，动力电堆模块1包括至少两个金属水电池单体，本实施例中，采用的是镁水电池，具体地，至少两个镁水电池通过串联、并联中的至少之一的方式连接。也就是说，镁水发电模块由多个镁水电池模块镁-水单电池串联/并联组成，所需串并联的镁水单电池数目可以根据船舶动力需求达所需的电压电流计算得到。

在一个实施方式中，镁水电池单体包括：具有正极端口2-4以及负极端口2-5的镁水电解池，设置在镁水电解池上的进液口2-1以及出液口2-2，与出液口2-2连接的气液分离装置2-3，设置在进液口2-1上的电解液循环泵。

在一个实施方式中，镁水电池单体的阳极为纯度>99%的镁，从而使得动力电堆模块1产生的副产物是有高经济附加值的高纯纳米

，可以暂存在氢氧化镁（

）存储模块。

在一个实施方式中，镁水电池单体的正极为析氢催化剂/微孔层/衬底的多层结构，衬底为碳纸、碳布、泡沫镍或不锈钢网，析氢催化剂为铂碳催化剂、镍钌复合催化剂、铂钌复合催化剂、掺杂镍钼基催化剂、碳化镍基催化剂或者硫化钼基催化剂，微孔层为疏水材料PTFE或PVDF与导电材料碳粉或乙炔黑组成的疏水导电层。

具体地，镁水电池的阳极镁发生氧化反应（包括阳极氧化反应和自腐蚀反应），镁阳极氧化反应生成氢氧化镁，镁的自腐蚀反应则生成氢气和氢氧化镁，阴极发生质子还原反应生成氢气。因此总反应的固体产物只有氢氧化镁，气体产物仅有氢气，故而该镁水电池模块无需隔膜。电解液通过循环泵及时将生成氢气和氢氧化镁从电解池带出，通过气液分离获得氢气，通过固液分离获得氢氧化镁。

进一步地，电解液通过循环泵进入电池进液口2-1，沿电池内流道从高纯镁电极流向析氢阴极，通过流速调控物质传输速率；纯镁阳极和析氢阴极构成原电池反应，反应如下：

阳极（正极）：

；

阴极（负极）：

。

在一个实施方式中，系统还包括：氢气纯化模块12；

氢气纯化模块12设置于动力电堆模块1以及燃料电池模块9之间，用于氢气的提纯。

在一个实施方式中，系统还包括：电解液制备模块；

电解液制备模块制备得到的电解液通过循环泵5进入进液口2-1，沿镁水电池单体内的流道从负极流向正极，以使得正极和负极构成原电池反应。

在一个实施方式中，电解液包括氯化钠基溶液；其中，氯化钠基溶液8<pH<12，NaCl≥1 mol/L；

在一个实施方式中，提纯后的氢气在干燥环境下存储于储氢罐，以一定的压力进入燃料电池模块9的负极；燃料电池模块9的正极通过空压机10自空气口11处获得空气。

本发明第二实施例，本实施例是在上述第一实施例的基础上，结合图3和图4介绍一个本发明的应用实例。

通过采用以上设计，经过优化电极，镁-水体系的电化学输出性能有效提高，其性能如图3和4所示。

本实施例中，同样是采用高纯度（大于99%）的金属镁作为金属水电池单体的阳极；进一步地，该动力电堆的单电池系统工作温度20~85℃，室温下额定工作电压：0.8 V~1.1V,额定工作电流 300 ~ 400

，额定工作功率 250 ~ 340

，额定产氢速率可达 150

，最大输出电流达到920

，最大产氢速率可达380

，

生产速率320~430

。镁消耗速度130~180

，水耗速度：100~140

。

本实施例中，反应生成的氢气、

随电解液在循环泵5的作用下一同带出，随后在气液分离装置2-3中，氢气从电解液中分离、干燥，存储于储氢罐14中。储氢罐14中的氢随后可以作为燃料供给燃料电池的阳极，燃料电池阴极供给空气，燃料电池运行发电供应船舶动力。

本实施例中，气液分离之后的电解液进入第一电解液箱3和/或第二电解液箱4（可以理解的是，可以根据实际情况需要确定电解液箱的实际规格及其数量）中，电解液中的氢氧化镁在此通过静置、过滤等方式与电解液清液分离，电解液清液通过循环泵5再次进入镁水电解池参与反应。经静置过滤分离出来的氢氧化镁进入氢氧化镁存储罐（纳米材料存储罐6），待船舶靠岸时取出，运送加工厂进行清洗、烘干处理，得到高纯纳米氢氧化镁。

本实施例中，镁水电池通过串并联方式组合时，电解池通过正负极端口相连，电池组可共用气液分离装置2-3、储氢罐14和纳米材料存储模块6。

进一步地，可以对动力电堆模块1制得氢气做进一步处理，例如，可以将制得氢气通入低压氢气缓冲罐2中，待该低压氢气缓冲罐2存满或达到一定量的氢气后，将氢气通入氢气纯化模块12，用于对氢气进行提纯处理，待完成后，可以进一步通入氢气缓冲模块13，氢气缓冲模块13中的氢气可以通过氢气增压机15通入储氢罐14。

基于本应用实施例的应用效果，相较于现有技术，其具备以下优点：

1）本系统的镁水电池模块优化结构后，电化学性能高，具有集成化和工程化优势。

2）本系统中采用镁水电池模块的串并联组合，所产生的电力可直接供应于船舶动力系统，由于省去了中间过程的能量损耗，动力电池模块的能量利用效率大幅提高（从35%左右可提高至83%）。

3）船舶动力系统运行同时制备高纯纳米氢氧化镁，具有较高的经济性。

4）本系统的镁水电池模块采用无隔膜系统，降低的电池模块的成本，提高了物质传输效率，有利于获得高输出效率。

本发明第三实施例，一种产氢产电产纳米材料动力系统，系统结构同第一实施例的图1，将动力电堆模块1的镁水电池更换为锌水电池，纳米材料存储模块6具体为氧化锌存储模块，系统包括：

动力电堆模块1，动力电堆模块1的负极通过反应得到氧化锌，动力电堆模块1的正极通过反应得到氢气；

燃料电池模块9，动力电堆模块1产生的氢气用于燃料电池模块9供能；

氧化锌存储模块，用于存储动力电堆模块1的负极通过反应得到氧化锌；

其中，动力电堆模块1以及燃料电池模块9共同为船舶用动力系统供能。

在一个实施方式中，锌水电池单体的阳极为纯度>99%的锌，从而使得动力电堆模块1产生的副产物是有高经济附加值的高纯纳米ZnO，可以暂存在氧化锌存储模块。

具体地，锌水电池的阳极锌发生氧化反应（包括阳极氧化反应和自腐蚀反应），锌阳极氧化反应生成氧化锌，锌的自腐蚀反应则生成氢气和氧化锌，阴极发生质子还原反应生成氢气。因此总反应的固体产物只有氧化锌，气体产物仅有氢气，故而该锌水电池模块也无需隔膜。氧化锌电解液通过循环泵及时将生成氢气和氧化锌从电解池带出，通过气液分离获得氢气，通过固液分离获得氧化锌。

进一步地，电解液通过循环泵进入电池进液口2-1，沿电池内流道从高纯锌电极流向析氢阴极，通过流速调控物质传输速率；纯锌阳极和析氢阴极构成原电池反应，反应如下：

阳极（正极）：

；

阴极（负极）：

。

本发明第四实施例，一种产氢产电产纳米材料动力系统，系统结构同第一实施例的图1，将动力电堆模块1的镁水电池更换为铝水电池，纳米材料存储模块6具体为氢氧化铝存储模块，系统包括：

动力电堆模块1，动力电堆模块1的负极通过反应得到氢氧化铝，动力电堆模块1的正极通过反应得到氢气；

燃料电池模块9，动力电堆模块1产生的氢气用于燃料电池模块9供能；

氢氧化铝存储模块，用于存储动力电堆模块1的负极通过反应得到氧化锌；

其中，动力电堆模块1以及燃料电池模块9共同为船舶用动力系统供能。

在一个实施方式中，铝水电池单体的阳极为纯度>99%的铝，从而使得动力电堆模块1产生的副产物是有高经济附加值的高纯纳米氢氧化铝，可以暂存在氢氧化铝存储模块。

具体地，铝水电池的阳极铝发生氧化反应（包括阳极氧化反应和自腐蚀反应），铝阳极氧化反应生成氢氧化铝，铝的自腐蚀反应则生成氢气和氢氧化铝，阴极发生质子还原反应生成氢气。因此总反应的固体产物只有氢氧化铝，气体产物仅有氢气，故而该铝水电池模块也无需隔膜。氢氧化铝电解液通过循环泵及时将生成氢气和氢氧化铝从电解池带出，通过气液分离获得氢气，通过固液分离获得氢氧化铝。

进一步地，电解液通过循环泵进入电池进液口2-1，沿电池内流道从高纯铝电极流向析氢阴极，通过流速调控物质传输速率；纯铝阳极和析氢阴极构成原电池反应，反应如下：

阳极（正极）：

；

阴极（负极）：

。

相较于现有技术，本发明至少具备以下优点：

1）金属水电池和燃料电池共同输出电能供给船舶动力系统；其中，金属水电池可以直接制氢供应燃料电池系统。

2）金属水电池组合由多个镁水单电池通过串并联方式组合，输出一定的电压和电流。

3）该动力系统同时能够制备高纯纳米材料（例如氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化铁、氢氧化锌）。

4）本系统的金属水电池模块采用无隔膜系统，相较于本领域中的其他系统（例如采用昂贵的质子交换膜的系统），本系统不仅简化了动力装置系统，并可大幅降低动力系统的成本。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种产氢产电产纳米材料的动力系统，其特征在于，包括：

动力电堆模块，所述动力电堆模块的负极通过反应得到纳米材料，所述动力电堆模块的正极通过反应得到氢气，其中，所述纳米材料包括氢氧化镁，氧化锌，氢氧化铝或氧化铁中的一种；

燃料电池模块、所述动力电堆模块产生的氢气用于所述燃料电池模块供能；

纳米材料存储模块，用于存储所述纳米材料；

其中，所述动力电堆模块以及所述燃料电池模块共同为外用动力系统供能。

2.根据权利要求1所述的船舶用动力系统，其特征在于，所述动力电堆模块包括至少两个金属水电池单体，至少两个所述金属水电池通过串联、并联中的至少之一的方式连接。

3.根据权利要求2所述的船舶用动力系统，其特征在于，所述金属水电池单体包括：具有正极端口以及负极端口的金属水电解池；设置在所述金属水电解池上的进液口以及出液口；与所述出液口连接的气液分离装置；设置在所述进液口上的电解液循环泵。

4.根据权利要求3所述的船舶用动力系统，其特征在于，所述金属水电池单体的阳极为纯度>99%的镁、铝、锌、铁中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的船舶用动力系统，其特征在于，所述金属水电池单体的正极为包括析氢催化剂层、微孔层、衬底的三层结构，所述衬底为碳纸、碳布、泡沫镍或不锈钢网，所述析氢催化剂层为铂碳催化剂、镍钌复合催化剂、铂钌复合催化剂、掺杂镍钼基催化剂、碳化镍基催化剂或者硫化钼基催化剂，所述微孔层为疏水材料PTFE或PVDF与导电材料碳粉或乙炔黑组成的疏水导电层。

6.根据权利要求1所述的船舶用动力系统，其特征在于，所述系统还包括：氢气纯化模块；

所述氢气纯化模块设置于所述动力电堆模块以及所述燃料电池模块之间系统，用于氢气的提纯。

7.根据权利要求3所述的船舶用动力系统，其特征在于，所述系统还包括：电解液制备模块；

所述电解液制备模块制备得到的电解液通过循环泵进入所述进液口，沿所述镁水电池单体内的流道从负极流向正极，以使得正极和负极构成原电池反应。

8.根据权利要求7所述的船舶用动力系统，其特征在于，

所述镁水电池所用电解液包括氯化钠基溶液；其中，所述氯化钠基溶液

。

9.根据权利要求6所述的船舶用动力系统，其特征在于，

提纯后的氢气在干燥环境下存储于储氢罐，以一定的压力进入所述燃料电池模块的负极；

所述燃料电池模块的正极通过空压机获得空气。

10.根据权利要求1所述的船舶用动力系统，其特征在于，所述金属水电池模块为无隔膜电池模块。

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