具有通过渗滤流经多孔三维结构电极的电解液的燃料电池设备制造技术

本发明专利技术涉及一种具有通过渗滤流经多孔三维结构电极(1)和(2)的电解液的燃料电池设备，以及其在运输领域和固定设备领域中的各种应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有通过渗滤流经多孔三维结构电极的电解液的燃料电池 设备 1.
本专利技术涉及特别的具有循环电解液的燃料电池设备，以及其在运输领域和固定设 备领域中的各种应用。 2.
技术介绍
考虑到限制与人类活动有关的温室气体的迫切需要和全世界的能量需求的逐渐 增长，存在发展更有效、更适当、工业上可行的发电机的需求，该发电机可以在可能的情况 下作为称作干净能源的其它能源（太阳能、风能等）的辅助但带来了间歇性问题（有风或 无风，有光或无光等）。该需要在作为温室效应释放的主要贡献者的运输领域（例如机动 车）和固定设备领域（例如住宅）中特别重要。 开展用于响应于该需求的的研究主线之一涉及改进的电化学发电机的开发。 电化学发电机传统上分三类：电池组、蓄电池、和燃料电池。全都具有把由氧化还 原反应提供的化学能转换为电能的属性。 -般地，电化学发电机包括浸在电解溶液中的两个电极并在可能的情况下可包括 采取电化学桥的形式或可被电解质载体的离子渗透的形式的分离器。在这些电极中每个的 端子处，分别发生氧化和还原反应，从而启用导致发电机工作的氧化还原反应的反应物之 〇 阳极是产生将要释放电子的氧化反应并对应于发电机的负端子的电极。阴极是产 生还原反应并对应于发电机的正端子的电极。 所传送的电流与同电极接触的物质种类成比例。 也称为组和初级发电机的电池组充当封闭系统并释放其电能而没有返回初始状 态的可能。换句话说，一旦氧化还原反应的电活性物质耗尽，电池组就不能充电并应更换。 蓄电池或次级发电机也是封闭系统但不同的是可逆的，也就是说，它能够在放电 后被充电，如果从外部提供电能的话，例如通过其它发电机提供电能。蓄电池已知用于支持 充电/放电的多个循环。在放电模式，其充当电池组，在充电模式，其充当电解池。在后一 种情况下，在电池组的耗尽过程中消耗的氧化还原反应的电活性物质因此被重新生成并可 以重新使用。然而，蓄电池的能量受系统体积提及限制。 燃料电池具有开放系统的优点。其容量因此不受限于这样体积限制。燃料电池可 工作于： -电池组模式，通过在电极处持续提供氧化还原反应所需的电活性物质：作为阳 极中的燃料的还原剂，作为阴极中的助燃剂的氧化剂； 一电池模式，通过电流的作用重新生成电活性物质。 此外，燃料电池在其电极的性质方面区别于传统的电池组和蓄电池，所述电极在 电化学反应过程中不经受任何结构修改，但仅充当这些反应的载体，并且可以替换对于燃 料和助燃剂的特定催化活性，例如是钼。 目标区分六类燃料电池，它们根据燃料性质（氢、甲醇、天然气）、电解质的性质 (固体、流体）、输送离子的性质（H+或碳酸盐）、工作温度、以及应用性质而不同。 在本专利技术的范围内，特别关注具有循环电解质溶液的燃料电池。 电解质溶液是指包括至少一种电解质作为溶质的溶液。电解质是在电解质溶液内 便于电流通过的离子（Na+，硫酸盐，H+，OF等）。特别地，电解质是积极参与电流输送的离 子。电解质溶液因此是导电的。电解质可以例如通过把与阳离子和阴离子相对应的盐溶解 于电解质溶液的溶剂中来获得。电解质溶液可以还包括氧化剂或还原剂。 阳极电解液是指还包含起到还原剂作用的至少一种电活性物质的电解质溶液。阴 极电解液是指还包含起到氧化剂作用的至少一种电活性物质的电解质溶液。 电极处所需的电活性物质被存储在位于作为氧化还原反应的底座的电化学反应 器外部的存储室（容器）中。以此方式燃料电池的容量不再取决于其自己的体积，而是取 决于存储室的体积，而燃料电池的功率仍与反应器的尺寸相关。这两个参数的解耦合是用 于把能量大规模存储为网络的优点。为此应该设置足够尺寸的容器，而相对于功率的独立 性被所设计的用途调节。 因此可以根据所开发的以下应用的能量需求来调节容器的尺寸：低级能量系统 (便携式设备）、中级能量需求系统（车辆）、高级能量需求系统（住宅或大楼） 燃料电池的功率可以根据电化学反应器的尺寸而调整。实际上，该电化学反应器 可以由一个或多个并联或串联的支路电池单元构成以便获得所需要的电动势或电流强度。 每个电池单元包括至少一个阳极、阴极以及包括至少一种氧化剂和/或还原剂的电解质溶 液，并且能够基于氧化还原反应来发电。所获得电池组的功率因此取决于所组装的单元的 数量及其面积。因此可以获得从一千瓦（KW)到数兆瓦（MW)的大功率范围。此外，存在可 以在每个单元中涉及的大量氧化还原对。 具有循环电解液的燃料电池的另一优点在于要连续工作的系统的容量。当参与氧 化反应和还原反应的电活性物质在电极附近消耗时，其被电解质溶液中循环的流量连续地 替代。系统因此是可充电的，而无需干扰电流的产生。 具有循环电解液的燃料电池具有如上述的多个优点。然而，现有系统在电和能量 效率方面并未完全令人满意并仍需改进。此外，电活性物质的耗尽之后的充电时间常常是 长时段（例如几天级别）使用的制约并损害电的连续均匀产生。主要是，氧化或还原电活 性物质的至少一种的重新生成需要电解质溶液在单元中在电极触点处多次通过。该要求导 致由电解作用的较低法拉第效率和泵的过量操作引起的过高能量成本。 此外，在现有的具有循环电解液的系统（电池组）中使用的氧化还原系统的多样 性太弱并且主要由元素周期表中的金属族（钒、锌和铁）和卤族（溴和氯）中的几种元素 组成。 3?专利技术目的 本专利技术要解决的问题是设计允许解决这些缺陷的发电机，同时保持现有的具有循 环电解液的燃料电池的优点。 特别地，本需求旨在获得这样的电化学发电机：其能够连续生成电能或支持其它 间歇性能源，存储并根据需要快速重新使用电能并因此可快速重新充电。 4.
技术实现思路
该问题是通过设计具有通过渗滤流经多孔三维结构电极的电解液的燃料电池设 备来解决的。 申请人:发现电解质溶液渗滤经过多孔三维结构电极允许改进具有循环电解液 的燃料电池相对于现有系统的效率，在现有系统中，电解质溶液进入简单地与电极表面接 触而没有穿过电极。这些燃料电池的效率的改进特别地通过对于同样体积的电极而言在多 孔电极和电解液之间的更大接触面积来说明。 本专利技术因此涉及如前所述可充电的具有循环电解液的燃料电池设备。 特别地，根据本专利技术的设备是可充电的，能够根据需要生成或共同生成、存储、重 新使用电能。 根据本专利技术的设备具有以下优点中的一个或多个： 对于电极的同样体积而言，该设备相对于传统的蓄电池可以快速地（例如在几分 钟内甚至几秒钟内）启用并充电。 该设备的启用时间可以根据关系式t=V/d来计算，其中： t表示具有循环电解液的燃料电池的电流强度和电动势的优化时间（mn)，t表示 用于偏移体积V所需的时段； V表示每个电极的体积（dm3)，以及 d表示电解质溶液的流率（dm3/mn)。 该设备的充电时间根据关系式tK =VK/d来计算，其中： tK表示充电时间（mn)， 乂1(表示容器的体积（dm3)以及 d表示电解质溶液的流率（dm3/mn)。 根据本专利技术的设备的充电率，在电解质溶液（阳极电解液，阴极电解液）在该设备 的电路组件中的单次通过中，更确切本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有循环电解液的燃料电池设备，包括：－至少一个电池单元，包括具有阳极(2)的正室(10)和具有阴极(1)的负室(20)，所述正室和负室通过能被离子渗透的膜(3)分开；－阴极电解液的至少一个容器(5)，具有把阴极电解液引入所述正室中的第一导管(5a)和把阴极电解液排出所述正室的第二导管(5b)；－至少一个第一泵(7)，允许阴极电解液在包括阴极电解液的容器、把阴极电解液引入所述正室中的第一导管、正室、和排出阴极电解液的第二导管的环路中循环；－阳极电解液的至少一个容器(4)，具有把所述阳极电解液引入所述负室中的第一导管(4a)和把所述阳极电解液排出所述负室的第二导管(4b)；－至少一个第二泵(6)，允许阳极电解液在包括阳极电解液的容器、把阳极电解液引入所述负室中的第一导管、负室、和排出阳极电解液的第二导管的环路中循环；所述阴极(1)和所述阳极(2)具有多孔三维结构，其特征在于，所述正室(10)包括被所述阳极(2)分隔的下游正室(10a)和上游正室(10b)，引导阴极电解液的第一导管连接到所述上游正室并且排出阴极电解液的第二导管连接到所述下游正室；所述负室(20)包括被所述阴极(1)分隔的下游负室(20b)和上游负室(20a)，引导阳极电解液的第一导管连接到所述上游负室并且排出阳极电解液的所述第二导管连接到所述下游负室；所述阴极电解液和阳极电解液因此能够通过渗滤分别转移通过所述阳极和阴极；所述阴极电解液和阳极电解液沿着与所述阳极和所述阴极的纵轴线正交的流穿过所述阳极和所述阴极。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.10 FR 1253269;2012.05.09 FR 12542161. 一种具有循环电解液的燃料电池设备，包括： 一至少一个电池单元，包括具有阳极（2)的正室（10)和具有阴极（1)的负室（20)，所 述正室和负室通过能被离子渗透的膜（3)分开； 一阴极电解液的至少一个容器（5)，具有把阴极电解液引入所述正室中的第一导管 (5a)和把阴极电解液排出所述正室的第二导管（5b); 一至少一个第一泵（7)，允许阴极电解液在包括阴极电解液的容器、把阴极电解液引入 所述正室中的第一导管、正室、和排出阴极电解液的第二导管的环路中循环； 一阳极电解液的至少一个容器（4)，具有把所述阳极电解液引入所述负室中的第一导 管（4a)和把所述阳极电解液排出所述负室的第二导管（4b); 一至少一个第二泵（6)，允许阳极电解液在包括阳极电解液的容器、把阳极电解液引入 所述负室中的第一导管、负室、和排出阳极电解液的第二导管的环路中循环； 所述阴极（1)和所述阳极（2)具有多孔三维结构， 其特征在于，所述正室（10)包括被所述阳极（2)分隔的下游正室（10a)和上游正室 (l〇b)，引导阴极电解液的第一导管连接到所述上游正室并且排出阴极电解液的第二导管 连接到所述下游正室； 所述负室（20)包括被所述阴极（1)分隔的下游负室（20b)和上游负室（20a)，引导阳 极电解液的第一导管连接到所述上游负室并且排出阳极电解液的所述第二导管连接到所 述下游负室； 所述阴极电解液和阳极电解液因此能够通过渗滤分别转移通过所述阳极和阴极； 所述阴极电解液和阳极电解液沿着与所述阳极和所述阴极的纵轴线正交的流穿过所 述阳极和所述阴极。2. 根据权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·拉瓦斯特尔，D·弗朗纳，D·帕里斯，P·莱格瑞尔，F·吉尼斯特，
申请(专利权)人：雷恩第一大学，国家科研中心，
类型：发明
国别省市：法国;FR