在燃料電池堆內維持不同電解質和氣體壓力的方法
2023-08-10 21:38:46 2
在燃料電池堆內維持不同電解質和氣體壓力的方法
【專利摘要】本公開涉及一種在燃料電池堆內維持不同電解質和氣體壓力的方法，所述方法包括：檢測在所述燃料電池堆內的電解質和氣體的壓力；和將進入所述燃料電池堆的電解質的壓力控制為足以維持與所述燃料電池堆內的氣體壓力不同的所述電解質壓力。
【專利說明】在燃料電池堆內維持不同電解質和氣體壓力的方法
[0001] 本申請是申請日為2011年1月24日、申請號為201180007112. 4、發明名稱為"能 量儲存和產生系統"(PCT/IB2011/000099,進入國家階段日期2012年7月25日）之申請的 分案申請。
【技術領域】
[0002] 本公開涉及在嚴酷的環境（例如在滷素離子或滷素離子混合物的存在下再生式 燃料電池中的充電反應和放電兩種反應）中表現出運行穩定性的能量儲存和產生系統，例 如，流體電池和氫燃料電池的組合。本公開還涉及能夠在相同的系統中進行析氫反應（HER) 和氫的氧化反應（HOR)二者的能量儲存和產生系統。本公開還涉及低成本、快響應時間且 具有可接受的壽命和性能的能量儲存和產生系統。
【背景技術】
[0003] 有若干用於能量儲存和產生的技術。可以將這些技術分成三個小組：機械的包括 抽蓄水力、壓縮空氣、飛輪等；電的包括超級電容器、超導磁體等；電化學的包括電池、流體 電池、儲氫等。電化學儲存和產生的現有技術是昂貴或低效或二者同時涉及的。一般來說， 電池可以高效地儲存和供應電力，但是受到容量（總能量）限制。另外，流體電池受電力密 度和響應時間的限制。
[0004] 燃料電池通常被描述為可連續運行的電池或電化學引擎。典型的燃料電池由兩個 電極（一個陽極和一個陰極）和插在陽極和陰極之間的膜構成。燃料電池通過電化學過程 將燃料燃燒能量（例如氫）轉化成電力來運行。所述過程通過對發生在催化劑表面的可控 的氧化還原反應所釋放的電子的控制來實現，所述催化劑分散在電極上。
[0005] 再生式燃料電池通常在嚴酷的環境中運行，所述環境可能對燃料電池中的催化劑 活性有不利的影響。例如，一個關於利用氫滷酸電解質的再生式燃料電池中的催化劑活性 的重要問題是，滷化物對氫催化劑的毒害。膜不能完全阻止電解質跨過電池的一側到達另 一側。例如，在三溴化氫燃料電池 （hydrogen tri-bromide fuel cell, HTBFC)中，溴化物 (例如，三溴化物）擴散至氫電極並且毒害催化劑。儘管在包含滷素離子的溶液中氫的氧 化/析氫反應很快速並且其過電壓相比於可再生電池中的其他電壓損失很低這樣的事實， 但是在再生式燃料電池中催化劑被嚴重毒害，並且這提高了氫電極的過電壓。
[0006] 對能量儲存和產生技術的接受取決於其循環壽命和性能容量。具體地，就再生式 燃料電池而言，除了直接模式外，它們還能以可逆的模式運行，消耗電能和直接反應的產 物，從而產生直接反應的反應物。對於再生式燃料電池（例如氫/溴燃料電池），限制其循 環壽命和效率的重要因素是運行燃料電池的材料的降解。這些材料在高的溫度下長期暴露 於高腐蝕性的溴電解質中。
[0007] 需要將能量儲存和產生裝置與可再生能源一起廣泛應用。這樣的儲存和產生裝置 在多種能量供應和多種能量需求的匹配中很有用。
[0008] 需要在嚴酷環境中穩定運行的能量儲存和產生系統，例如，在滷素離子或滷素離 子的混合物的存在下再生式燃料電池中的充電反應和放電反應二者。此外，還需要能夠在 同一系統中進行析氫反應（HER)和氫的氧化反應（HOR)二者的能量儲存和產生系統。理想 的是在本領域中提供低成本（例如，低成本的電解質）、快響應時間且具有可接受的壽命和 性能的能量儲存和產生系統。
[0009] 本公開提供了很多優點，其通過以下描述將會變得明顯。
【發明內容】
[0010] 本公開一般性涉及能量儲存和產生系統，例如，流體電池和氫燃料電池的組合，其 在嚴酷的環境中表現出運行穩定性，例如在滷素離子或滷素離子的混合物的存在下在再生 式燃料電池中的充電反應和放電反應二者。本公開還涉及能夠在相同的系統中進行析氫反 應（HER)和氫的氧化反應（HOR)二者的能量儲存和產生系統。本公開還涉及低成本、快響 應時間以及可接受的壽命和性能的能量儲存和產生系統。
[0011] 本公開部分涉及這樣的能量儲存和產生系統，其包括：適合容納電解質的至少一 個容器，適合容納氣體的至少一個容器，和再生式燃料電池的一個或更多個堆。再生式燃料 電池包括：殼；具有第一表面和第二表面的固體電解質膜，其設置在殼中以將殼分隔成陽 極側和陰極側；形成在第一表面上以連接第一表面和陽極側的陽極；形成在第二表面上以 連接第二表面和陰極側的陰極。陽極包括載體和分散在其上的催化劑。陰極包括載體和任 選地分散在其上的催化劑。分散在陽極載體上的催化劑和任選地分散在陰極載體上的催 化劑相同或不同，並且能夠在電解質或電解質的混合物（例如滷素離子或滷素離子的混合 物）的存在下，催化再生式燃料電池中的充電反應和放電反應。適合容納電解質的至少一 個容器與再生式燃料電池的一個或更多個堆流體連通，並且再生式燃料電池的一個或更多 個堆與適合容納電解質的至少一個容器流體連通，從而形成至少一個電解質循環迴路。適 合容納氣體的至少一個容器與再生式燃料電池的一個或更多個堆流體連通，並且再生式燃 料電池的一個或更多個堆與適合容納氣體的至少一個容器流體連通，從而形成至少一個氣 體循環迴路。
[0012] 本公開還部分涉及這樣的能量儲存和產生系統，其包括：適合容納電解質的至少 一個容器，適合容納氣體的至少一個容器，和再生式燃料電池的一個或更多個堆，其包括： 溶液或電解質室、氣體室以及設置在溶液或電解質室和氣體室之間的膜電極組合件（MEA)。 膜電極組合件（MEA)包括：陽極、陰極以及設置在陽極和陰極之間的固體電解質膜。陽極 面向氣體室而陰極面向溶液或電解質室。陽極包括載體和分散在其上的催化劑。陰極包括 載體和任選地分散在其上的催化劑。分散在陽極載體上的催化劑和任選地分散在陰極載體 上的催化劑相同或不同。並且能夠在電解質或電解質的混合物（例如滷素離子或滷素離子 的混合物）的存在下，催化再生式燃料電池中的充電反應和放電反應。適合容納電解質的 至少一個容器與再生式燃料電池的一個或更多個堆流體連通，並且再生式燃料電池的一個 或更多個堆與適合容納電解質的至少一個容器流體連通，從而形成至少一個電解質循環回 路。適合容納氣體的至少一個容器與再生式燃料電池的一個或更多個堆流體連通，並且再 生式燃料電池的一個或更多個堆與適合容納氣體的至少一個容器流體連通，從而形成至少 一個氣體循環迴路。
[0013] 本公開該部分涉及這樣的能量儲存和產生系統，其包括：適合容納電解質的至少 一個容器，適合容納氣體的至少一個容器，和再生式燃料電池的一個或更多個堆，再生式燃 料電池包括：陽極、陰極以及設置在陽極和陰極之間的固體電解質膜。陽極包括載體和分散 在其上的催化劑。陰極包括載體和任選地分散在其上的催化劑。分散在陽極載體上的催化 劑和任選地分散在陰極載體上的催化劑相同或不同。並且能夠在電解質或電解質的混合物 (例如滷素離子或滷素離子的混合物）的存在下，催化燃料和氧化劑之間的反應以產生電 流。適合容納電解質的至少一個容器與再生式燃料電池的一個或更多個堆流體連通，並且 再生式燃料電池的一個或更多個堆與適合容納電解質的至少一個容器流體連通，從而形成 至少一個電解質循環迴路。適合容納氣體的至少一個容器與再生式燃料電池的一個或更多 個堆流體連通，並且再生式燃料電池的一個或更多個堆與適合容納氣體的至少一個容器流 體連通,從而形成至少一個氣體循環迴路。
[0014] 本公開還部分涉及在燃料電池堆內維持不同電解質和氣體壓力的方法，所述方法 包括：檢測在所述燃料電池堆內的電解質和氣體的壓力；和將進入所述燃料電池堆的電解 質的壓力控制為足以維持與所述燃料電池堆內的氣體壓力不同的所述電解質壓力。
[0015] 本公開還部分涉及用來儲存和產生能量的方法。所述方法包括提供這樣的能量儲 存和產生系統，所述能量儲存和產生系統包括：適合容納電解質的至少一個容器；適合容 納氣體的至少一個容器；和再生式燃料電池的一個或更多個堆。再生式燃料電池包括：殼， 具有第一表面和第二表面的固體電解質膜，其設置在殼中以將殼分隔成陽極側和陰極側； 設置在第一表面上以連接所述第一表面和陽極側的陽極；布置在第二表面上以連接第二表 面和陰極側的陰極。陽極包括載體和分散在其上的催化劑。陰極包括載體和任選地分散在 其上的催化劑。分散在陽極載體上的催化劑和任選地分散在陰極載體上的催化劑相同或不 同，並且能夠在電解質或電解質的混合物（例如滷素離子或滷素離子的混合物）的存在下， 催化再生式燃料電池中的充電反應和放電反應。適合容納電解質的至少一個容器與再生式 燃料電池的一個或更多個堆流體連通，並且再生式燃料電池的一個或更多個堆與適合容納 電解質的至少一個容器流體連通，從而形成至少一個電解質循環迴路。適合容納氣體的至 少一個容器與再生式燃料電池的一個或更多個堆流體連通，並且再生式燃料電池的一個或 更多個堆與適合容納氣體的至少一個容器流體連通，從而形成至少一個氣體循環迴路。
[0016] 所述方法包括通過以下步驟儲存能量：使電解質從適合容納電解質的至少一個容 器中流向再生式燃料電池的一個或更多個堆，在再生式燃料電池的一個或更多個堆中氧化 電解質並且產生氫，使氫流向適合容納氣體的至少一個容器。所述方法包括通過以下步驟 產生能量：使電解質從適合容納電解質的至少一個容器流向再生式燃料電池的一個或更多 個堆，使氫從適合儲存氣體的至少一個容器流向再生式燃料電池的一個或更多個堆，並且 在再生式燃料電池的一個或更多個堆中還原電解質和氧化氫。
[0017] 本公開其他目的、特徵和優點將通過參考以下的附圖和發明詳述來理解。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1是本公開的能量儲存和產生系統的方框圖。
[0019] 圖2是機械連接的串聯燃料電池堆的示意圖。
[0020] 圖3是電連接的串聯燃料電池堆的示意圖。
[0021] 圖4示出了氫淨化器
[0022] 圖5是實施例3中使用的儀器的示意圖。
[0023] 圖6是實施例5中使用的儀器的示意圖。
[0024] 圖7是本公開的用來維持燃料電池堆中氫和電解質之間的壓差的能量儲存和產 生系統的方框圖。
【具體實施方式】
[0025] 本公開涉及能量儲存和產生系統，例如流體電池和氫燃料電池的組合，其能夠利 用相同的電池進行能量儲存和能量產生二者。所述能量儲存和產生系統能夠實現用於燃料 電池技術的高功率-高至I. 5W/cm2 (在80°C )，同時由於低成本電解質的實施而實現低成 本的儲存價格。本公開的能量儲存和產生系統還表現為快響應時間。
[0026] 本公開的能量儲存和產生系統包括電解質循環迴路，所述電解質循環迴路包括： 一個或更多個閥、一個或更多個泵和任選的壓力平衡管線。本公開的能量儲存和產生系統 還包括氣體循環迴路，所述氣體循環迴路包括：一個或更多個閥、一個或更多個泵、氣體淨 化器、液體吸收器、氣體循環噴射器和任選的氣體壓縮器。
[0027] 本公開的能量儲存和產生系統可包括管理系統。管理系統可以是任何合適的控制 器裝置，例如計算機或微處理器，並且優選包括邏輯電路，其確定如何運行所述多個閥、泵、 循環迴路等。
[0028] 圖1示出了本公開的能量儲存和產生系統的工藝方框圖。所述系統被分成兩側， 即電解質側10和氣體（即氫）側15。燃料電池堆20位於反應物之間。電解質側10由電 解質罐25和電解質循環泵30構成。在能量儲存階段期間和能量產生階段期間，泵30使液 體電解質循環通過燃料電池堆20。氫側15由氫罐35、氫循環噴射器40、用來處理離開燃料 電池堆20的氫的氫淨化器45、用來使尾流液滴（draft droplet)和離開燃料電池堆20的 氫分開的液體吸收器50、和任選地用來將氫壓進罐35中的氫壓縮器55。
[0029] 再生式燃料電池的一般運行原理可以關於能量儲存階段（電解質管線和氫管線 二者）和能量產生階段（電解質管線和氫管線二者）進行描述。
[0030] 就能量儲存階段的電解質管線而言，電解質從電解質罐25流進燃料電池20並且 被氧化。來自燃料電池堆20的電解質被電解質泵30泵走，並且被泵回電解質罐25中。
[0031] 就能量儲存階段的氫管線而言，氫在燃料電池堆20中產生並且之後流進氫淨化 器45。氫氣流中的痕量液體在液體吸收器50中被吸收。之後氫任選地被壓縮器55壓縮以 有利於將氫壓進罐35中。
[0032] 就能量產生階段的電解質管線而言，電解質從電解質罐25流進燃料電池堆20並 且被還原。來自燃料電池堆20的電解質被電解質泵30泵走，並且被泵回電解質罐25。
[0033] 就能量產生階段的氫管線而言，來自罐35的氫流經氫循環噴射器40,並且之後到 達燃料電池堆20。氫在燃料電池堆20的內部被氧化。任何過量的氫（未反應的）離開燃 料電池堆20,並且流向氫淨化器45。氫氣流中的痕量液體在液體吸收器50中被吸收。之 後氫任選地被壓縮器55壓縮以有利於將氫壓進罐35中。
[0034] 可用於本公開的能量儲存和產生系統的電解質包括氫滷酸、氫滷酸的混合物、鐵 鹽及其共軛酸，或者鐵鹽及其共軛酸的混合物。可用於本公開的能量儲存和產生系統的氣 體包括氫。
[0035] 在滷素-氫再生式燃料電池中，電解質由氫滷酸或氫滷酸的混合物構成。在充電 (電解模式）時，在滷素正電極形成滷素分子、三原子和四原子的複合離子（取決於所使用 的酸的種類及其濃度）。
[0036] 例如，在使用高濃度的HBr時，氧化產物為：作為主要產物的Br'低濃度的Br5^離 子和低濃度的溶解溴分子。在使用氫滷酸的混合物時，可形成複合物的混合物，例如ClBr 2' Br2Γ 和 IBr2'
[0037] 這些離子和溶解的滷素分子為氧化化合物，其在放電時從正電極接受電子並且送 回到氫滷酸（HX)。待用於本公開的能量儲存和產生系統的氫滷酸取決於最終用途。例如， 相比HBr和HI，HCl具有高的蒸汽壓，但是氯化氫電池具有更高的電壓。可以加入惰性酸 (即，不參與電池反應的酸）如磷酸以增加電解質粘度。這減少了穿越至氫電極的滷化物復 離子，從而對質子導電性具有小的影響。其他的惰性酸包括可以添加為增加電解質導電性 的硫酸和三氟甲烷磺酸。
[0038] 例如，在氫-三溴化物再生式燃料電池中，氫-三溴化物燃料電池和電解槽由溴電 極、氫電極以及它們之間的質子傳導膜構成。所有的電池部件，尤其是電極，必須能夠抵抗 溴和氫溴酸的腐蝕。
[0039] 式1給出了氫-三溴化物再生式燃料電池反應（放電）：
[0040]
【權利要求】
1. 一種在燃料電池堆內維持不同電解質和氣體壓力的方法，所述方法包括： 檢測在所述燃料電池堆內的電解質和氣體的壓力；和 將進入所述燃料電池堆的電解質的壓力控制為足以維持與所述燃料電池堆內的氣體 壓力不同的所述電解質壓力。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中將所述電解質壓力維持為低於所述燃料電池堆內 的所述氣體壓力。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中使用與減壓閥流體連通的壓差控制器來將進入所 述燃料電池堆的電解質的壓力控制為足以維持與所述燃料電池堆內的氣體壓力不同的所 述電解質壓力。
【文檔編號】H01M8/04GK104319410SQ201410405855
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2011年1月24日 優先權日:2010年1月25日
【發明者】埃馬努埃爾·佩萊德, 阿爾農·布盧姆, 阿迪·阿哈龍, 尼娜·特拉維茨基, 亞龍·康拉, 伊多·特薩米爾, 弗拉迪米爾·策爾, 科比·薩阿迪, 邁塔爾·阿隆, 羅伊·戈倫施泰因 申請人:雷蒙特亞特特拉維夫大學有限公司