在燃料電池堆內(nèi)維持不同電解質(zhì)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(nèi)維持不同電解質(zhì)和氣體壓力的方法，所述方法包括：檢測(cè)在所述燃料電池堆內(nèi)的電解質(zhì)和氣體的壓力；和將進(jìn)入所述燃料電池堆的電解質(zhì)的壓力控制為足以維持與所述燃料電池堆內(nèi)的氣體壓力不同的所述電解質(zhì)壓力。
【專利說明】在燃料電池堆內(nèi)維持不同電解質(zhì)和氣體壓力的方法
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2011年1月24日、申請(qǐng)?zhí)枮?01180007112. 4、發(fā)明名稱為"能 量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)"(PCT/IB2011/000099,進(jìn)入國(guó)家階段日期2012年7月25日）之申請(qǐng)的 分案申請(qǐng)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本公開涉及在嚴(yán)酷的環(huán)境（例如在鹵素離子或鹵素離子混合物的存在下再生式 燃料電池中的充電反應(yīng)和放電兩種反應(yīng)）中表現(xiàn)出運(yùn)行穩(wěn)定性的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)，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(tǒng)中進(jìn)行析氫反應(yīng)（HER) 和氫的氧化反應(yīng)（HOR)二者的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)。本公開還涉及低成本、快響應(yīng)時(shí)間且 具有可接受的壽命和性能的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0003] 有若干用于能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生的技術(shù)?？梢詫⑦@些技術(shù)分成三個(gè)小組：機(jī)械的包括 抽蓄水力、壓縮空氣、飛輪等；電的包括超級(jí)電容器、超導(dǎo)磁體等；電化學(xué)的包括電池、流體 電池、儲(chǔ)氫等。電化學(xué)儲(chǔ)存和產(chǎn)生的現(xiàn)有技術(shù)是昂貴或低效或二者同時(shí)涉及的。一般來(lái)說， 電池可以高效地儲(chǔ)存和供應(yīng)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(yīng)時(shí)間的限制。
[0004] 燃料電池通常被描述為可連續(xù)運(yùn)行的電池或電化學(xué)引擎。典型的燃料電池由兩個(gè) 電極（一個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)陰極）和插在陽(yáng)極和陰極之間的膜構(gòu)成。燃料電池通過電化學(xué)過程 將燃料燃燒能量（例如氫）轉(zhuǎn)化成電力來(lái)運(yùn)行。所述過程通過對(duì)發(fā)生在催化劑表面的可控 的氧化還原反應(yīng)所釋放的電子的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述催化劑分散在電極上。
[0005] 再生式燃料電池通常在嚴(yán)酷的環(huán)境中運(yùn)行，所述環(huán)境可能對(duì)燃料電池中的催化劑 活性有不利的影響。例如，一個(gè)關(guān)于利用氫鹵酸電解質(zhì)的再生式燃料電池中的催化劑活性 的重要問題是，鹵化物對(duì)氫催化劑的毒害。膜不能完全阻止電解質(zhì)跨過電池的一側(cè)到達(dá)另 一側(cè)。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(kuò)散至氫電極并且毒害催化劑。盡管在包含鹵素離子的溶液中氫的氧 化/析氫反應(yīng)很快速并且其過電壓相比于可再生電池中的其他電壓損失很低這樣的事實(shí)， 但是在再生式燃料電池中催化劑被嚴(yán)重毒害，并且這提高了氫電極的過電壓。
[0006] 對(duì)能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生技術(shù)的接受取決于其循環(huán)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(yùn)行，消耗電能和直接反應(yīng)的產(chǎn) 物，從而產(chǎn)生直接反應(yīng)的反應(yīng)物。對(duì)于再生式燃料電池（例如氫/溴燃料電池），限制其循 環(huán)壽命和效率的重要因素是運(yùn)行燃料電池的材料的降解。這些材料在高的溫度下長(zhǎng)期暴露 于高腐蝕性的溴電解質(zhì)中。
[0007] 需要將能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生裝置與可再生能源一起廣泛應(yīng)用。這樣的儲(chǔ)存和產(chǎn)生裝置 在多種能量供應(yīng)和多種能量需求的匹配中很有用。
[0008] 需要在嚴(yán)酷環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)，例如，在鹵素離子或鹵素離 子的混合物的存在下再生式燃料電池中的充電反應(yīng)和放電反應(yīng)二者。此外，還需要能夠在 同一系統(tǒng)中進(jìn)行析氫反應(yīng)（HER)和氫的氧化反應(yīng)（HOR)二者的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)。理想 的是在本領(lǐng)域中提供低成本（例如，低成本的電解質(zhì)）、快響應(yīng)時(shí)間且具有可接受的壽命和 性能的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)。
[0009] 本公開提供了很多優(yōu)點(diǎn)，其通過以下描述將會(huì)變得明顯。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本公開一般性涉及能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)，例如，流體電池和氫燃料電池的組合，其 在嚴(yán)酷的環(huán)境中表現(xiàn)出運(yùn)行穩(wěn)定性，例如在鹵素離子或鹵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(yīng)和放電反應(yīng)二者。本公開還涉及能夠在相同的系統(tǒng)中進(jìn)行析氫反 應(yīng)（HER)和氫的氧化反應(yīng)（HOR)二者的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)。本公開還涉及低成本、快響 應(yīng)時(shí)間以及可接受的壽命和性能的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)。
[0011] 本公開部分涉及這樣的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)，其包括：適合容納電解質(zhì)的至少一 個(gè)容器，適合容納氣體的至少一個(gè)容器，和再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)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(zhì)膜，其設(shè)置在殼中以將殼分隔成陽(yáng) 極側(cè)和陰極側(cè)；形成在第一表面上以連接第一表面和陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極；形成在第二表面上以 連接第二表面和陰極側(cè)的陰極。陽(yáng)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(yáng)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，并且能夠在電解質(zhì)或電解質(zhì)的混合物（例如鹵素離子或鹵素離子的混合 物）的存在下，催化再生式燃料電池中的充電反應(yīng)和放電反應(yīng)。適合容納電解質(zhì)的至少一 個(gè)容器與再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆流體連通，并且再生式燃料電池的一個(gè)或更多 個(gè)堆與適合容納電解質(zhì)的至少一個(gè)容器流體連通，從而形成至少一個(gè)電解質(zhì)循環(huán)回路。適 合容納氣體的至少一個(gè)容器與再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆流體連通，并且再生式燃 料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆與適合容納氣體的至少一個(gè)容器流體連通，從而形成至少一個(gè)氣 體循環(huán)回路。
[0012] 本公開還部分涉及這樣的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)，其包括：適合容納電解質(zhì)的至少 一個(gè)容器，適合容納氣體的至少一個(gè)容器，和再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆，其包括： 溶液或電解質(zhì)室、氣體室以及設(shè)置在溶液或電解質(zhì)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(yáng)極、陰極以及設(shè)置在陽(yáng)極和陰極之間的固體電解質(zhì)膜。陽(yáng)極 面向氣體室而陰極面向溶液或電解質(zhì)室。陽(yáng)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(yáng)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。并且能夠在電解質(zhì)或電解質(zhì)的混合物（例如鹵素離子或鹵素離子 的混合物）的存在下，催化再生式燃料電池中的充電反應(yīng)和放電反應(yīng)。適合容納電解質(zhì)的 至少一個(gè)容器與再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆流體連通，并且再生式燃料電池的一個(gè) 或更多個(gè)堆與適合容納電解質(zhì)的至少一個(gè)容器流體連通，從而形成至少一個(gè)電解質(zhì)循環(huán)回 路。適合容納氣體的至少一個(gè)容器與再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆流體連通，并且再 生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆與適合容納氣體的至少一個(gè)容器流體連通，從而形成至少 一個(gè)氣體循環(huán)回路。
[0013] 本公開該部分涉及這樣的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)，其包括：適合容納電解質(zhì)的至少 一個(gè)容器，適合容納氣體的至少一個(gè)容器，和再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆，再生式燃 料電池包括：陽(yáng)極、陰極以及設(shè)置在陽(yáng)極和陰極之間的固體電解質(zhì)膜。陽(yáng)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(yáng)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。并且能夠在電解質(zhì)或電解質(zhì)的混合物 (例如鹵素離子或鹵素離子的混合物）的存在下，催化燃料和氧化劑之間的反應(yīng)以產(chǎn)生電 流。適合容納電解質(zhì)的至少一個(gè)容器與再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆流體連通，并且 再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆與適合容納電解質(zhì)的至少一個(gè)容器流體連通，從而形成 至少一個(gè)電解質(zhì)循環(huán)回路。適合容納氣體的至少一個(gè)容器與再生式燃料電池的一個(gè)或更多 個(gè)堆流體連通，并且再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆與適合容納氣體的至少一個(gè)容器流 體連通,從而形成至少一個(gè)氣體循環(huán)回路。
[0014] 本公開還部分涉及在燃料電池堆內(nèi)維持不同電解質(zhì)和氣體壓力的方法，所述方法 包括：檢測(cè)在所述燃料電池堆內(nèi)的電解質(zhì)和氣體的壓力；和將進(jìn)入所述燃料電池堆的電解 質(zhì)的壓力控制為足以維持與所述燃料電池堆內(nèi)的氣體壓力不同的所述電解質(zhì)壓力。
[0015] 本公開還部分涉及用來(lái)儲(chǔ)存和產(chǎn)生能量的方法。所述方法包括提供這樣的能量?jī)?chǔ) 存和產(chǎn)生系統(tǒng)，所述能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)包括：適合容納電解質(zhì)的至少一個(gè)容器；適合容 納氣體的至少一個(gè)容器；和再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)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(zhì)膜，其設(shè)置在殼中以將殼分隔成陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)； 設(shè)置在第一表面上以連接所述第一表面和陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極；布置在第二表面上以連接第二表 面和陰極側(cè)的陰極。陽(yáng)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(yáng)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，并且能夠在電解質(zhì)或電解質(zhì)的混合物（例如鹵素離子或鹵素離子的混合物）的存在下， 催化再生式燃料電池中的充電反應(yīng)和放電反應(yīng)。適合容納電解質(zhì)的至少一個(gè)容器與再生式 燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆流體連通，并且再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆與適合容納 電解質(zhì)的至少一個(gè)容器流體連通，從而形成至少一個(gè)電解質(zhì)循環(huán)回路。適合容納氣體的至 少一個(gè)容器與再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆流體連通，并且再生式燃料電池的一個(gè)或 更多個(gè)堆與適合容納氣體的至少一個(gè)容器流體連通，從而形成至少一個(gè)氣體循環(huán)回路。
[0016] 所述方法包括通過以下步驟儲(chǔ)存能量：使電解質(zhì)從適合容納電解質(zhì)的至少一個(gè)容 器中流向再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆，在再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆中氧化 電解質(zhì)并且產(chǎn)生氫，使氫流向適合容納氣體的至少一個(gè)容器。所述方法包括通過以下步驟 產(chǎn)生能量：使電解質(zhì)從適合容納電解質(zhì)的至少一個(gè)容器流向再生式燃料電池的一個(gè)或更多 個(gè)堆，使氫從適合儲(chǔ)存氣體的至少一個(gè)容器流向再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆，并且 在再生式燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)堆中還原電解質(zhì)和氧化氫。
[0017] 本公開其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將通過參考以下的附圖和發(fā)明詳述來(lái)理解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本公開的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)的方框圖。
[0019] 圖2是機(jī)械連接的串聯(lián)燃料電池堆的示意圖。
[0020] 圖3是電連接的串聯(lián)燃料電池堆的示意圖。
[0021] 圖4示出了氫凈化器
[0022] 圖5是實(shí)施例3中使用的儀器的示意圖。
[0023] 圖6是實(shí)施例5中使用的儀器的示意圖。
[0024] 圖7是本公開的用來(lái)維持燃料電池堆中氫和電解質(zhì)之間的壓差的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn) 生系統(tǒng)的方框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 本公開涉及能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)，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(jìn)行能量?jī)?chǔ)存和能量產(chǎn)生二者。所述能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用于燃料 電池技術(shù)的高功率-高至I. 5W/cm2 (在80°C )，同時(shí)由于低成本電解質(zhì)的實(shí)施而實(shí)現(xiàn)低成 本的儲(chǔ)存價(jià)格。本公開的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)還表現(xiàn)為快響應(yīng)時(shí)間。
[0026] 本公開的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)包括電解質(zhì)循環(huán)回路，所述電解質(zhì)循環(huán)回路包括： 一個(gè)或更多個(gè)閥、一個(gè)或更多個(gè)泵和任選的壓力平衡管線。本公開的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng) 還包括氣體循環(huán)回路，所述氣體循環(huán)回路包括：一個(gè)或更多個(gè)閥、一個(gè)或更多個(gè)泵、氣體凈 化器、液體吸收器、氣體循環(huán)噴射器和任選的氣體壓縮器。
[0027] 本公開的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)可包括管理系統(tǒng)。管理系統(tǒng)可以是任何合適的控制 器裝置，例如計(jì)算機(jī)或微處理器，并且優(yōu)選包括邏輯電路，其確定如何運(yùn)行所述多個(gè)閥、泵、 循環(huán)回路等。
[0028] 圖1示出了本公開的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)的工藝方框圖。所述系統(tǒng)被分成兩側(cè)， 即電解質(zhì)側(cè)10和氣體（即氫）側(cè)15。燃料電池堆20位于反應(yīng)物之間。電解質(zhì)側(cè)10由電 解質(zhì)罐25和電解質(zhì)循環(huán)泵30構(gòu)成。在能量?jī)?chǔ)存階段期間和能量產(chǎn)生階段期間，泵30使液 體電解質(zhì)循環(huán)通過燃料電池堆20。氫側(cè)15由氫罐35、氫循環(huán)噴射器40、用來(lái)處理離開燃料 電池堆20的氫的氫凈化器45、用來(lái)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(lái)將氫壓進(jìn)罐35中的氫壓縮器55。
[0029] 再生式燃料電池的一般運(yùn)行原理可以關(guān)于能量?jī)?chǔ)存階段（電解質(zhì)管線和氫管線 二者）和能量產(chǎn)生階段（電解質(zhì)管線和氫管線二者）進(jìn)行描述。
[0030] 就能量?jī)?chǔ)存階段的電解質(zhì)管線而言，電解質(zhì)從電解質(zhì)罐25流進(jìn)燃料電池20并且 被氧化。來(lái)自燃料電池堆20的電解質(zhì)被電解質(zhì)泵30泵走，并且被泵回電解質(zhì)罐25中。
[0031] 就能量?jī)?chǔ)存階段的氫管線而言，氫在燃料電池堆20中產(chǎn)生并且之后流進(jìn)氫凈化 器45。氫氣流中的痕量液體在液體吸收器50中被吸收。之后氫任選地被壓縮器55壓縮以 有利于將氫壓進(jìn)罐35中。
[0032] 就能量產(chǎn)生階段的電解質(zhì)管線而言，電解質(zhì)從電解質(zhì)罐25流進(jìn)燃料電池堆20并 且被還原。來(lái)自燃料電池堆20的電解質(zhì)被電解質(zhì)泵30泵走，并且被泵回電解質(zhì)罐25。
[0033] 就能量產(chǎn)生階段的氫管線而言，來(lái)自罐35的氫流經(jīng)氫循環(huán)噴射器40,并且之后到 達(dá)燃料電池堆20。氫在燃料電池堆20的內(nèi)部被氧化。任何過量的氫（未反應(yīng)的）離開燃 料電池堆20,并且流向氫凈化器45。氫氣流中的痕量液體在液體吸收器50中被吸收。之 后氫任選地被壓縮器55壓縮以有利于將氫壓進(jìn)罐35中。
[0034] 可用于本公開的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)的電解質(zhì)包括氫鹵酸、氫鹵酸的混合物、鐵 鹽及其共軛酸，或者鐵鹽及其共軛酸的混合物。可用于本公開的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)的氣 體包括氫。
[0035] 在鹵素-氫再生式燃料電池中，電解質(zhì)由氫鹵酸或氫鹵酸的混合物構(gòu)成。在充電 (電解模式）時(shí)，在鹵素正電極形成鹵素分子、三原子和四原子的復(fù)合離子（取決于所使用 的酸的種類及其濃度）。
[0036] 例如，在使用高濃度的HBr時(shí)，氧化產(chǎn)物為：作為主要產(chǎn)物的Br'低濃度的Br5^離 子和低濃度的溶解溴分子。在使用氫鹵酸的混合物時(shí)，可形成復(fù)合物的混合物，例如ClBr 2' Br2Γ 和 IBr2'
[0037] 這些離子和溶解的鹵素分子為氧化化合物，其在放電時(shí)從正電極接受電子并且送 回到氫鹵酸（HX)。待用于本公開的能量?jī)?chǔ)存和產(chǎn)生系統(tǒng)的氫鹵酸取決于最終用途。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?？梢约尤攵栊运?(即，不參與電池反應(yīng)的酸）如磷酸以增加電解質(zhì)粘度。這減少了穿越至氫電極的鹵化物復(fù) 離子，從而對(duì)質(zhì)子導(dǎo)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(zhì)導(dǎo)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(zhì)子傳導(dǎo)膜構(gòu)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(yīng)（放電）：
[0040]

【權(quán)利要求】
1. 一種在燃料電池堆內(nèi)維持不同電解質(zhì)和氣體壓力的方法，所述方法包括： 檢測(cè)在所述燃料電池堆內(nèi)的電解質(zhì)和氣體的壓力；和 將進(jìn)入所述燃料電池堆的電解質(zhì)的壓力控制為足以維持與所述燃料電池堆內(nèi)的氣體 壓力不同的所述電解質(zhì)壓力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述電解質(zhì)壓力維持為低于所述燃料電池堆內(nèi) 的所述氣體壓力。
3. 根據(jù)權(quán)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(lái)將進(jìn)入所 述燃料電池堆的電解質(zhì)的壓力控制為足以維持與所述燃料電池堆內(nèi)的氣體壓力不同的所 述電解質(zhì)壓力。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK104319410SQ201410405855
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2010年1月25日
【發(fā)明者】埃馬努埃爾·佩萊德, 阿爾農(nóng)·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(qǐng)人:雷蒙特亞特特拉維夫大學(xué)有限公司