具有多个独立电路的电化学系统技术方案

本发明专利技术涉及包括电化学装置和多个独立电路的电化学系统，多个独立电路允许独立地控制电化学装置的不同部分的反应速率。电化学装置可以是燃料电池或电解装置，且可以包括与两个或更多个独立电路电相通的共用电极。本发明专利技术还涉及所述电化学系统的操作方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电化学系统和装置，且更具体地涉及包括多个独立电路的电化学系统和装置。
技术介绍
诸如燃料电池的电化学装置能够提供清洁有效的功率。例如，燃料电池可以通过 电化学反应将氢燃料和氧化剂转化成电能，且只有水和热能作为副产物。一般而言，燃料电 池通常包括由电解质分隔开的阳极和阴极。电解质只允许某种类型的离子或质子通过。在 固体氧化物燃料电池中，氧化剂被引至阴极，在阴极处，氧化剂被电路中的电子离子化。随 后，离子化的氧流过电解质并在阳极处与氢燃料反应，导致形成水和电子。流出阳极至电路 的电子可以为外负载供电。这些反应发生的速率部分地依赖于施加到电路的电负载、阳极处存在的燃料量、 阴极处存在的氧化剂量、燃料电池的部件材料和其微结构、以及燃料电池的工作温度和工 作压力。将高的电负载施加到电路会将许多电子驱动至阴极，且如果不是使全部氧化剂离 子化的话，也是使大部分氧化剂离子化，因而在阳极处产生了更多的电子。因此，从燃料电 池得到较大的电流。如果施加到电路的电负载较低，那么较少的氧化剂会离子化，且将会产 生较少的电子，这产生较小的电流。大多数燃料电池只包括一个电路，该电路将单一电负载施加到整个燃料电池。此 构型可能是低效的，且可能引起若干问题。首先，要求电子行进燃料电池的整个长度，这会 导致相当多的能量损失。例如，如果燃料电池是在其一端具有用于电路的电连接的管状燃 料电池，那么在燃料电池的另一端产生的电子将需要行进电路的长度，即燃料电池的整个 长度且通过外电路至连接的负载。其次，并不是燃料电池的所有部分都以相同的功率密度 (即，每单位面积的功率量)提供功率。例如，如果电负载施加到燃料电池电路，这在燃料电 池两端产生约0. 5-0. 7V的电压，大多数燃料在电池的前端被消耗，例如，在电池的前IOmm 内，这导致电池的前端比电池的其余部分的反应速率高且功率密度高。然而，随着燃料沿着 电池的长度被消耗时，燃料的浓度降低，且电池后端处可利用的燃料变少。与电池的前端相 比，这导致电池后端处较低的反应速率和较低的功率密度。另外，可能难以控制单电路燃料电池的温度。消耗了较大部分的燃料的电池前端 往往在比电池后端的温度高的温度下工作。例如，固体氧化物燃料电池通常在约650°C到约 iooo°c之间工作。固体氧化物燃料电池的多个部件不能经受住这样高的工作温度范围。作 为集电部件(currentcollection part)的常用材料的银具有约960°C的熔点。如果固体氧 化物燃料电池的温度不能被调整至低于960°C的温度，那么银集电部件可能熔化。而且，可 能会存在热点或高温部分，这可能会降低燃料电池的性能。这些热点可能导致燃料电池开 裂并影响燃料电池的使用寿命。另外，过高的温度可能导致多个燃料电池部件发生烧结，这 是燃料电池变劣的常见原因。最后但不是最不重要的，整个燃料电池的反应速率差异可能导致增强的焦化(即，碳沉积到燃料电池的阳极上)，且还可能在燃料电池的后端处产生氧化性环境。具体 地说，由于燃料通常是碳氢化合物与氧化剂的混合物，所以一旦大多数燃料被消耗并转化 成电子和水，氧化剂的相对分压得到提高。此氧化性气氛可能损害阳极，尤其是阳极出口 处。因此，存在对能够提供改善的温度调节、使电极上的干扰物质的沉积最低和/或 以增加的效率来进行操作的电化学装置的需求。
技术实现思路
依据前述内容，本专利技术提供了具有多个独立电路的电化学系统和装置以及操作这 种电化学系统和装置的方法，这种电化学系统和装置可以提供改善的热控制、自清洁的特 征和/或提高的工作效率。本专利技术的一个方面涉及电化学装置，其具有第一电极、第二电极和第三电极，其 中，第一电极和第二电极是第一类型，而第三电极是与电极的第一类型互补的第二类型。电 化学装置还包括第一电路和第二电路，其中，第一电路包括与第一电极和第三电极电相通 的第一加载设备，而第二电路包括与第二电极和第三电极电相通的第二加载设备。电化学 装置可以是，例如电解装置或燃料电池。如果电化学装置是燃料电池的话，那么其可以是固 体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料 电池或直接甲醇燃料电池。燃料电池可以具有不同的几何形状和/或构型，包括但不限于， 管状或平面状，以及包括单块结构。在一些实施方案中，第一电极和第二电极中的每一个是阳极，而第三电极是阴极。 在其他实施方案中，第一电极和第二电极中的每一个是阴极，而第三电极是阳极。在一些实 施方案中，燃料电池是阳极支撑的、阴极支撑的、基材支撑的或电解质支撑的结构。 在一些实施方案中，第一加载设备和第二加载设备适合于以不同的电负载独立地 进行操作。例如，第一加载设备可以将第一电负载施加到第一电路，从而在第一电极与第三 电极的两端产生约0. 3V到开路电压之间的第一电势。类似地，第二加载设备可以将第二电 负载施加到第二电路，从而在第二电极与第三电极的两端产生约0. 3V到开路电压之间的 第二电势。第一加载设备和第二加载设备可以适合于以相同的电负载同时进行操作，以不 同的电负载同时进行操作，以相同的电负载异相地进行操作或以不同的电负载异相地进行 操作。例如，在某一时间点，第一加载设备可以适合于以在第一电极与第二电极的两端产生 约0. 5V电势的电负载进行操作。同时，第二加载设备可以适合于以在第二电极与第三电极 的两端产生约1. IV电势的电负载进行操作。在不同的时间点，第二加载设备可以适合于以 在第二电极与第三电极的两端产生约0. 5V电势的电负载进行操作，而第一加载设备的操 作在第一电极与第二电极的两端产生约1. IV的电势。第一加载设备和第二加载设备可以 适合于独立地进行操作，以便从第一电路和第二电路中的每一个中得到独立的电流输出和 独立的功率输出。本专利技术还涉及包括两个或更多个上述燃料电池的燃料电池堆。本专利技术的另一个方面涉及操作电化学装置的方法。该方法可以包括提供一种具有第一电路和第二电路的电化学装置，第一电路包括第一加载设备，第二电路包括第二加载 设备，其中，第一电路和第二电路与共用电极电相通；将第一电负载施加到第一电路；以及将第二电负载施加到第二电路。电化学装置可以是具有一个或多个上述特征的电解装置或燃料电池。在某些实施方案中，第一电路与第一阳极电相通，且第二电路与第二阳极电相通。 燃料可被交替地引入到第一阳极与第二阳极中的一个。在某些实施方案中，第一电路与第 一阴极电相通，且第二电路与第二阴极电相通，且氧化剂可以被交替地引入到第一阴极与 第二阴极中的一个。本专利技术的另一个方面涉及具有与第一电路和第二电路电相通的燃料电池的电化学系统，其中，第一电路和第二电路适合于独立地进行操作。在某些实施方案中，电化学系 统包括微处理器，该微处理器适合于控制第一电路和第二电路。燃料电池可以具有一个或 多个上述特征。从下面的附图、描述和权利要求，将会更充分地理解本专利技术的前述内容、其他特征和优势。附图说明应理解，附图未必按比例绘制，且通常强调阐释本专利技术的原理。附图并不期望以任 何方式来限制本专利技术的范围。图1是根据本专利技术的电化学系统的实施方案的示意性透视图。图2是根据本专利技术的电化学系统的另一个实施方案的示意性透视图。图3是根据本专利技术的电化学系统的另本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学装置，其包括：第一电极和第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极是第一类型；第二类型的第三电极，其中，所述第二类型的电极与所述第一类型的电极互补；第一电路，其包括与所述第一电极和所述第三电极电相通的第一加载设备；以及第二电路，其包括与所述第二电极和所述第三电极电相通的第二加载设备。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：凯纳芬纳蒂，彦海杜，蔡君，
申请(专利权)人：纳米动力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]