CN101803086A - 具有多个独立电路的电化学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明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。本发明还涉及所述电化学系统的操作方法。

Description

具有多个独立电路的电化学系统
技术领域
本发明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。
背景技术
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10mm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℃到约1000℃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℃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℃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。
发明内容
依据前述内容，本发明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。
本发明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1.1V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1.1V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。
本发明还涉及包括两个或更多个上述燃料电池的燃料电池堆。
本发明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。
本发明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发明的前述内容、其他特征和优势。
附图说明
应理解，附图未必按比例绘制，且通常强调阐释本发明的原理。附图并不期望以任何方式来限制本发明的范围。
图1是根据本发明的电化学系统的实施方案的示意性透视图。
图2是根据本发明的电化学系统的另一个实施方案的示意性透视图。
图3是根据本发明的电化学系统的另一个实施方案的示意性透视图。
图4显示了当电负载连接至(a)仅电池的前端(即，一个电路)，(b)仅电池的后端(即，一个电路)时，(c)分别是电池的前端和后端(即，一个电路)，以及(d)分别是电池的前端和后端(即，两个独立电路)时，根据本发明的两个燃料电池(电池1和电池2)的功率输出。
具体实施方式
本发明部分地提供了具有与多个独立电路电相通的电化学装置的电化学系统。通过提供具有不同的可变负载的两个或更多个电路，可以提高电化学装置的功率输出和使用寿命，由此改善了装置的总效率和性能。此处描述的电化学装置的其他优势可包括增强了对装置温度的调节并减轻了干扰物质在装置电极上的沉积。
在整个说明书中，其中装置或结构被描述为具有、包含或包括具体的部件，或者其中工艺被描述为具有、包含或包括具体的工艺步骤，设想本发明的结构也基本上由所述部件组成，或由所述部件组成，且本发明的工艺也基本上由所述工艺步骤组成，或由所述工艺步骤组成。应理解，执行某些操作的步骤顺序或顺序是无关紧要的，只要该方法仍旧是可操作的。而且，可以同时进行两个或更多个步骤或操作。
在此申请中，若元件或部件被认为包括在内和/或选自一列所述元件或部件，那么应理解，元件或部件可以是任意一个所述元件或部件，且可以选自所述元件或部件中的两个或更多个。
除非另外专门规定，否则此处使用的单数包括复数(且反之亦然)。此外，除非另外专门规定，否则在数值前使用术语“约”时，本发明还包括具体的数值本身。
一般而言，本发明涉及具有与多个独立电路电相通的电化学装置的电化学系统。电化学装置可以是电解装置(即，利用电流将化合物分解成其元素的装置)或电化学电池(即，可以用于产生电流的装置，如燃料电池)。虽然本发明涉及电解装置和其他电化学装置，但是为了简短，下面的描述将阐释只使用涉及燃料电池的实施方案的本发明。
本发明的范围还包括不同类型的燃料电池，这些燃料电池包括但不限于：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以及直接甲醇燃料电池。为了简短，下面只详细讨论固体氧化物燃料电池的实施方案。然而，本发明涉及每一种类型的燃料电池。本发明的燃料电池可以具有不同的结构设计。例如，燃料电池可以是管状燃料电池(参见图1)或平面状燃料电池(参见图2和图3)。燃料电池还可以基于单块结构。“单块”可包括既非管状又非平面状的任何结构构型，且可以具有，例如细长的、平的管状形状、穹顶状或螺旋状等等。燃料电池可以是阳极支撑的、阴极支撑的、电解质支撑的或基材支撑的。
典型的燃料电池包括阳极、阴极、电解质和连接阳极与阴极的电路。然而，根据本发明的燃料电池通常包括第一电极、第二电极和第三电极。第一电极与第二电极可以是相同类型的电极，而第三电极可以是不同类型的电极(即，互补类型)。在一些实施方案中，第一电极和第二电极中的每一个可以是阳极，而第三电极可以是阴极。在其他实施方案中，第一电极和第二电极中的每一个可以是阴极，而第三电极可以是阳极。例如，根据本发明的燃料电池可以包括第一类型的电极(如，阳极)和与第一类型互补的第二类型的两个或更多个电极(如，两个或更多个阴极)，或反之亦然。
为了从燃料电池中汲取功率，可将燃料电池连接至一个或多个加载设备。一个或多个加载设备中的每一个将电负载施加到每一个燃料电池的电路。施加电负载带来燃料电池电路中的正的电流输出(以及正的功率输出)，并降低燃料电池的对应部分两端的电势。例如，第一加载设备可以通过第一电路连接至燃料电池的第一电极和第三电极。燃料电池的由第一电路电连接的部分可以被称作燃料电池的前端。第一加载设备可以控制第一电路的功率输出。第二加载设备可以通过第二电路连接至燃料电池的第二电极和第三电极。燃料电池的由第二电路电连接的部分可以被称作燃料电池的后端。第二加载设备可以控制第二电路的功率输出。虽然具体描述了包括连接至两个独立电路的三个电极的装置，但是本领域技术人员将会理解，本发明可以应用于包括多于两个的独立电路，例如三个、四个、五个或更多个独立电路的类似装置，每一个电路都具有施加到其的独立的电负载。而且，虽然在说明书和附图中可以将加载设备阐释为分开的单元，但是从物理意义上说，加载设备并不一定是分开的。例如，虽然在一些实施方案中，提到第一加载设备和第二加载设备，但是第一加载设备和第二加载设备并不必须是分开的物理单元，且可以呈一个组合设备的形式，只要组合设备可以将一个或多个独立的电负载施加到多个电路。
第一加载设备和第二加载设备可适合于以相同的电负载或不同的电负载进行操作。例如，第一加载设备和第二加载设备可以第一电负载和第二电负载独立地进行操作。第一电负载可以在燃料电池的第一部分，即前端的两端产生第一电势。第二电负载可以在燃料电池的第二部分，即后端的两端产生第二电势。第一电势和第二电势中的每一个可以在约0.3V到开路电压(“OCV”)之间。正如此处使用的，“开路电压”是当电负载为0时两个端子之间的电势差。第一电路的开路电压可以是第一电极与第三电极之间的电势差，而第二电路的开路电压可以是第二电极与第三电极之间的电势差。就具体的燃料电池而言，此电势差可能与燃料电池的阳极侧上的氧化剂和阴极侧上的氧化剂的相对浓度有关。此电势差还可能与所使用的电解质和燃料的类型有关。本发明的燃料电池的示例性的开路电压可以在约0.9V到约1.2V的范围。然而，开路电压可在燃料电池正在工作时改变。例如，燃料电池工作过程中形成的干扰物质(例如，碳或硫沉积物)可沉积在电极的表面上，且能够降低两个电极之间的电势。
第一加载设备和第二加载设备可适合于在不同的时刻，以不同的电负载进行操作。在一些实施方案中，第一加载设备和第二加载设备可适合于以相同的电负载或以不同的电负载同时进行操作。在其他实施方案中，第一加载设备和第二加载设备可适合于以相同的电负载或以不同的电负载异相地进行操作。例如，在某一时间点，第一加载设备可适合于以在燃料电池的前端两端产生约0.5V(或在另一个实施方案中，约0.7V)的电压的电负载进行操作，而第二加载设备以在燃料电池的后端两端产生OCV的0电负载进行操作。在不同的时间点，第二加载设备可适合于以在燃料电池的后端两端产生约0.5V(或在另一个实施方案中，约0.56V)的电压的电负载进行操作，而第一加载设备以0电负载进行操作并在燃料电池的前端两端产生OCV。
微处理器可以用于控制施加到第一加载设备和第二加载设备的电势。例如，微处理器可以被编程以便独立地且在不同的时刻改变电负载来优化燃料电池的性能。此优化将在下面得到更详细的讨论。另外，第一加载设备和第二加载设备可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得到独立的电流输出和独立的功率输出。
微处理器还可以用于调节且合并来自第一电路和第二电路的功率输出。例如，如果第一电路输出约50W且第二电路输出约25W，那么变压器能够被微处理器执行和控制以便产生1瓦特数的合并的输出，例如约75W的输出。而且，因为连接至燃料电池的电路并在其上得到的电负载与阴极处被离子化的氧化剂的量相关，所以对电负载进行的任何变化可以改变氧离子与阳极处的氢燃料之间的反应速率。这又可以影响燃料电池的功率输出和温度。
因此，上面提到的微处理器可以用于优化燃料电池的性能，包括通过监测并合适地调节施加到每一个独立电路的电负载来优化功率输出和工作温度。因此，本发明的燃料电池不仅包括特定类型的多个电极或电极段，而且还包括将电极连接至两个或更多个加载设备的两个或更多个独立电路。多个电路可以独立地进行操作且可以允许将多于一个的电负载施加到燃料电池的不同部分，此益处将在下面进行更详细的描述。
图1是根据本发明的管状燃料电池12的实施方案的示意性透视图。参考图1，燃料电池12具有第一电极14、第二电极16、电解质18、前端19、第三电极20和后端21。为了从燃料电池12汲取电流或电力，通过第一电路24将第一电极14和第三电极20连接至第一加载设备22，而通过第二电路28将第二电极16和第三电极20连接至第一加载设备26。微处理器30控制第一加载设备22和第二加载设备26，并传送所得到的输出32。
本发明的类似于图1描述的燃料电池的管状燃料电池可以是阳极支撑的、阴极支撑的、电解质支撑的或基材支撑的。具体地说，图1所示的实施方案描述了常见的支撑阳极20和两个阴极14、16。在某些实施方案中(未显示)，支撑管状阳极可以包括多个支撑元件，例如纵向隆起或凸起部，从其内壁向其中空的中央孔突出，正如美国专利第6,998,187号中公开的，该专利在此以引用方式并入。这种内部的纵向隆起或凸起部可以增强整个电池的结构，增大电极的表面积，使阳极电子电导率最佳，以及有利于将燃料电池安装到组件系统(例如，燃料电池堆)。
如上所述，将多个独立电路结合在单个燃料电池中能够提高效率。例如，当燃料电池连接至两个等长的独立电路时，电子前行的距离被缩短至单电路燃料电池的距离的至少一半，这是因为电子将沿着优选的共路，即最短距离前行至电源。电子的缩短的路线导致沿着电路遇到更少的阻力，而这又提高了燃料电池的功率输出和效率。增加第二电路为燃料进入燃料电池的后端提供了捷径。这减小了燃料电池的前端处的反应速率，从而能够带给燃料电池更好的热平衡和延长的使用寿命。
而且，由于电负载和功率与燃料电池的温度有关，因此对施加到燃料电池的每一部分的电负载进行调节能够控制燃料电池的温度。例如，如果燃料电池的前端处在比燃料电池的后端处高的温度下工作，那么人们可以减少施加到前端的电负载，而增加施加到后端的电负载，以便提供改善的热平衡。微处理器可以交替进行较高和较低的电负载的施加以调节燃料电池的总体温度。
具有单独的、分开的加载设备的多个独立电路还允许控制燃料电池的不同部分的两端的电势。例如，可以在时间t1，先将电负载施加到包括第一电路的前端。在时间t2，前端处的电势可以被变成OCV，即没有电负载施加到燃料电池的前端，而电负载可以施加到包括第二电路的后端。因而，燃料电池的不同部分可以按交替的方式或其他的异相方式进行操作。当前端在OCV下进行操作时，前端处将不消耗燃料，且所有的燃料都将前行至后端并在后端处进行反应。这可以造成燃料前行通过电池时的波动或脉动。因此，交替地操作燃料电池的不同部分可以通过在不同的时间优化燃料电池的单个部分的性能来提高燃料电池的总效率、功率密度和热调节。
另外，控制施加到燃料电池内的每一个电路的电负载可以清洁电极表面并防止诸如硫和碳的干扰物质沉积。例如，使用在燃料电池中的许多电极包含镍，且通常使用碳氢化合物来操作燃料电池。这种含碳的燃料(例如，丙烷)可以与镍反应生成多种副产物，导致碳沉积到电极上。如果燃料电池是管状的，则碳的聚积可导致燃料电池圆柱体的阻塞。另外，碳沉积可干扰燃料电池的反应化学并使其不能操作。而且，碳丝可形成在电极的内表面上，从而造成潜在的开裂并损坏燃料电池。
碳沉积物可以通过使沉积的碳与氧/水反应生成一氧化碳或二氧化碳来去除。这种转化可以通过将不同的电负载施加到独立电路来实现，从而控制燃料电池的不同部分处的反应速率。例如，如果第一电路在较高的电负载下进行操作，例如在电池前端的两端产生约0.5V的电压的电负载下进行操作，那么更多的氧离子将被驱动通过前端的电解质，这又将升高前端的温度，并将会改变从前端处的阳极的内表面去除碳的速率。然而，第二电路可以在较低的电负载下进行操作，例如在电池后端的两端产生约0.9V的电压的电负载下进行操作。那么，燃料电池的后端将会接纳水脉冲，这是作为前端处增大的反应速率的副产物而产生的。此水副产物可以与沉积的碳发生反应，并从阳极的表面去除碳。如上所述，微处理器可以用于将电负载交替地施加到燃料电池的不同部分，使得在工作一段时间后，较高的电负载可以施加到第一电路，而较低的电负载可以施加到第二电路，以从燃料电池的前端去除碳聚积。
同样的过程还适用于从阳极表面去除硫。大多数燃料是无味的，因此基于安全原因向燃料中添加了硫。此硫添加剂可以将其自身附着到阳极上的镍涂层。上述用于去除碳沉积物的方法也可以用于去除硫沉积物。
上述燃料电池的部件可以由本领域已知的多种材料制成。例如，用于固体氧化物燃料电池的阳极、阴极和电解质的合适的材料描述在在审的专利申请系列号10/999,735中，该专利在此以引用方式并入。在一些实施方案中，阳极可以由也称为金属陶瓷的金属/陶瓷复合材料制成。陶瓷部件可以包含氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)或其他陶瓷材料，诸如铈的氧化物和氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)。金属相可以包含过渡金属、合金或其物理混合物，包括但不限于，镍、钛、钒、钌、铑、铼、钯、镁、铁和铜。在一些实施方案中，阴极可以由钙钛矿制成，钙钛矿诸如但不限于，LaSrMnO3、(LaSr)(CoFe)O3、LaCaMnO3和(LaCa)(CoFe)O3。在一些实施方案中，电解质可以包括传导离子的材料(ion-conducting material)，诸如金属氧化物陶瓷(例如，氧化锆)、稳定的金属氧化物陶瓷(例如，YSZ、SSZ)或电解的金属陶瓷，电解的金属陶瓷可以包括陶瓷材料(例如，稳定的氧化锆、掺杂的二氧化铈或其混合物)和如上面结合阳极描述的金属组分。此外，就电极由多孔材料制成来说，包括一种或多种过渡金属(例如，铈、钴、铜、铁、钼、镍、银和钨)的盐(例如，硝酸盐)的修补基面涂层组合物(wash-coat composition)可以施用到电极以改善燃料电池的性能，正如美国专利申请系列号11/002,394中公开的，该专利在此以引用方式并入。而且，本领域技术人员将会认识到，虽然此处描述的装置包括共享一个或多个共用电极的多个独立电路，但是单个电路所独享的电极可以被构建成分开的电极或构建成分为不同段的单一电极。类似地，电解质层可以是电极之间的连续层或不连续的分段层。
图2描绘了本发明的另一个实施方案。图2描绘了具有第一电极114、第二电极116、电解质118和第三电极120的平面状燃料电池112。第一电极114和第二电极116被描绘成相同的类型(例如，阳极)，而第三电极120被描绘成不同的类型(例如，阴极)。第一加载设备122通过第一电路124连接至第一电极114和第三电极120。第二加载设备126通过第二电路128连接至第二电极116和第三电极120。微处理器130控制如上所述的第一加载设备122和第二加载设备126。
图3描绘了本发明的又一个实施方案。图3是平面状燃料电池的可选择的实施方案。代替具有圆形几何形状，图3中的平面状燃料电池具有矩形形状的电极板。图3中的参考数字指代与结合图2描述的元件相同的元件。参考图2和图3，电极的同心布置可以缩短电子前行的径向距离，从而降低阻力并使输出最佳，如上面描述的。多个独立电路可以有利于调节温度和调整燃料电池的表面上的反应速率。
在一些实施方案中，多个燃料电池被电连接以形成燃料电池堆。该堆通过合并多个燃料电池的输出而允许功率输出增大。例如，燃料电池堆可以包括设置在中心支撑管周围的多个管状燃料电池，中心支撑管可以包括燃料重整器和其他部件，正如美国专利申请系列号11/939,185中所公开的，该专利在此以引用方式并入。堆还可以包括堆叠在各自顶部上的管状燃料电池。在一些实施方案中，多个燃料电池可以被设计成具有集电板的组件。堆内的燃料电池的数目可以是就包装、连接和/或操作而言的任意可行的数目。例如，2、5、10、20、36、50或更多的燃料电池可以被捆扎以形成燃料电池堆。
在另一个方面，本发明涉及操作电化学装置的方法。该方法可以包括提供电化学装置，该电化学装置包括具有第一加载设备的第一电路和具有第二加载设备的第二电路，其中，第一电路和第二电路与共用电极电相通。第一电负载施加到第一电路，而第二电负载施加到第二电路。电化学装置可以是具有上述一个或多个特征的燃料电池或电解装置。例如，共用电极可以是阳极或阴极。
如上所述的施加的第一电负载和第二电负载可以分别在第一电极与第二电极两端产生第一电势以及在第二电极与第三电极两端产生第二电势。第一电势和第二电势可以在约0.3V到开路电压之间。第一电负载和第二电负载可以是相同的或不同的。第一电负载和第二电负载可以被同时施加或可以被异相施加。在某些实施方案中，第一电路可以与第一阳极电相通，而第二电路可以与第二阳极电相通。在某些实施方案中，燃料可以被交替地引入到第一阳极和第二阳极中的一个。
本发明的另一个实施方案涉及通过向两个分开的阳极交替地引入燃料/空气混合物来操作燃料电池的方法。在此实施方案中，燃料电池具有共用阴极和两个阳极。在正常操作燃料电池的过程中，将通常呈空气形式的氧化剂输送至阴极，而将燃料/氧化剂混合物输送至阳极。若存在两个阳极，则可以在两个阳极之间交替地输送燃料。交替地输送燃料可以减少燃料电池的阳极上的碳沉积或焦化，且也可以减少阳极上的硫沉积，从而改善燃料电池的性能并延长其使用寿命。
在另一个实施方案中，本发明涉及通过向两个分开的阴极交替地引入氧化剂来操作燃料电池的方法。在此实施方案中，燃料电池具有共用阴极和两个阳极。若存在两个阴极，则可以在两个阴极之间交替地输送氧化剂。
根据下面的实施例可以进一步理解本发明的各方面，实施例并不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。
实施例
利用挤压工艺制造阳极支撑的管状固体氧化物燃料电池。先将原材料(例如，YSZ、SSZ)和金属氧化物粉末(例如，NiO、CuO)与结合剂和溶剂混合以形成糊状物。随后，通过减压挤压模(reduction extrusion die)将该糊状物挤压成期望的形状。在炉内预烧阳极支撑体之前，以受控的温度和湿度水平，在炉中干燥该挤压物。通过浸渍涂布将薄的电解质膜施加到预烧的阳极管上，然后干燥并烧结。通过刷涂、气喷涂或浸渍将两个或更多个等长的或不同长度的阴极段施加到烧结电解质的顶部上，然后焙烧。在进行燃料电池的性能测试和评估之前，将金属集电器(currentcollection)施用到阳极和阴极上。在以某温度和燃料流速进行电化学测试和评估燃料电池的性能之前，先在电炉内还原(将阳极从氧化物还原成金属)燃料电池。
根据上述过程来制备两个阳极支撑的管状固体氧化物燃料电池(电池1和电池2)。电池1和电池2的尺寸和材料都发生变化。以四种构型测试了电池1和电池2：(a)仅电池的前端(即，一个电路)，(b)仅电池的后端(即，一个电路)，(c)分别是电池的前端和后端(即，一个电路)，以及(d)分别是电池的前端和后端(即，两个独立电路)。在相同的条件下(即，相同的工作温度、燃料流速和电负载)，测试了这四种构型时的每一个电池。为了阐释本发明的优势，当电负载连接至(a)仅电池的前端(即，一个电路)，(b)仅电池的后端(即，一个电路)，(c)整个电池(即，一个电路)，以及(d)分别是电池的前端和后端(即，两个独立电路)时，比较了两个电池的功率输出。
为了有利于进行比较，当电负载连接至整个电池时所测量的功率输出被归范化且以100单位的功率输出来表示(参见图4中的柱状图1(c)和2(c))。将其他参数(即，(a)(b)和(d))的功率输出测量结果与(c)所得到的值进行了比较，并因此以相对百分数来表示。图4概述了结果。
参考图4，当电负载仅连接至电池的前端或后端时，功率输出在约66-86单位之间(分别参见柱状图1(a)-(b)和2(a)-(b))。然而，根据本发明，当相同的燃料电池连接至两个独立的加载设备/电路时，功率输出增大至约130-150单位(参见柱状图1(d)和2(d))，这与使用单电路(参见柱状图1(c)和2(c))相比，相当于功率输出增大了30％-50％，或者与使用单电路和单端集电器(参见柱状图1(a)和2(a)、1(b)和2(b)以及1(d)和2(d))相比，相当于功率输出增大了80％-100％。
其他实施方案
本发明可以按其他具体形式，不是上面描述的形式来体现，而并不偏离本发明的精神或基本特征。因此，前述实施方案被认为在所有方面都是示例性的，而不是对此处描述的本发明的限制。因而，本发明的范围由所附权利要求，而不是由前面的描述来表明，且落在权利要求等同方案的意思和范围内的所有变化预期都被包括在此处。

Claims (35)

1.一种电化学装置，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。
2.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述电化学装置是电解装置。
3.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述电化学装置是燃料电池。
4.如权利要求3所述的燃料电池，其中，所述燃料电池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。
5.如权利要求3或4所述的燃料电池，其中，所述第一电极和所述第二电极中的每一个是阳极，而所述第三电极是阴极。
6.如权利要求3或4所述的燃料电池，其中，所述第一电极和所述第二电极中的每一个是阴极，而所述第三电极是阳极。
7.如权利要求3-6中的任一项所述的燃料电池，其中，所述燃料电池是管状的。
8.如权利要求3-6中的任一项所述的燃料电池，其中，所述燃料电池是平面状的。
9.如权利要求3-6中的任一项所述的燃料电池，其中，所述燃料电池包括单块结构。
10.如权利要求3-10中的任一项所述的燃料电池，其中，所述第一加载设备和所述第二加载设备适合于独立地进行操作。
11.如权利要求3-10中的任一项所述的燃料电池，其中，所述第一加载设备和所述第二加载设备适合于以相同的电负载同时进行操作。
12.如权利要求3-10中的任一项所述的燃料电池，其中，所述第一加载设备和所述第二加载设备适合于以不同的电负载同时进行操作。
13.如权利要求3-10中的任一项所述的燃料电池，其中，所述第一加载设备和所述第二加载设备适合于以相同的电负载异相地进行操作。
14.如权利要求3-10中的任一项所述的燃料电池，其中，所述第一加载设备和所述第二加载设备适合于以不同的电负载异相地进行操作。
15.如权利要求3-10中的任一项所述的燃料电池，其中，所述第一加载设备和所述第二加载设备适合于独立地进行操作，每一个从所述燃料电池的所述第一电路和所述第二电路中得到独立的电流输出和独立的功率输出。
16.如权利要求3-15中的任一项所述的燃料电池，其中，所述燃料电池包括阳极支撑的结构、阴极支撑的结构、电解质支撑的结构或基材支撑的结构。
17.一种燃料电池堆，其包括两个或更多个权利要求3中的任一个的燃料电池。
18.一种操作电化学装置的方法，所述方法包括：
提供一种电化学装置，所述电化学装置包括第一电路和第二电路，其中，所述第一电路包括第一加载设备，所述第二电路包括第二加载设备，且所述第一电路和所述第二电路与共用电极电相通；
将第一电负载施加到所述第一电路；以及
将第二电负载施加到所述第二电路。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述第一加载设备和所述第二加载设备适合于独立地进行操作。
20.如权利要求18或19所述的方法，其中，所述第一电负载和所述第二电负载是相同的。
21.如权利要求18或19所述的方法，其中，所述第一电负载和所述第二电负载是不同的。
22.如权利要求18-21中的任一项所述的方法，其包括同时施加所述第一电负载和所述第二电负载。
23.如权利要求18-21中的任一项所述的方法，其包括异相施加所述第一电负载和所述第二电负载。
24.如权利要求18-23中的任一项所述的方法，其中，所述共用电极是阴极。
25.如权利要求18-23中的任一项所述的方法，其中，所述共用电极是阳极。
26.如权利要求18-23中的任一项所述的方法，其中，所述电化学装置是燃料电池。
27.如权利要求26所述的方法，其中，所述燃料电池是管状的。
28.如权利要求26所述的方法，其中，所述燃料电池是平面状的。
29.如权利要求26所述的方法，其中，所述燃料电池包括单块结构。
30.如权利要求26-29中的任一项所述的方法，其中，所述燃料电池包括阳极支撑的结构、阴极支撑的结构、电解质支撑的结构或基材支撑的结构。
31.如权利要求26所述的方法，其中，所述第一电路与所述第一阳极电相通，且所述第二电路与所述第二阳极电相通，并且燃料被交替地引入到所述第一阳极与所述第二阳极中的一个。
32.如权利要求26所述的方法，其中，所述第一电路与所述第一阴极电相通，且所述第二电路与所述第二阴极电相通，并且氧化剂被交替地引入到所述第一阴极与所述第二阴极中的一个。
33.如权利要求18-25中的任一项所述的方法，其中，所述电化学装置是电解装置。
34.一种电化学系统，其包括与第一电路和第二电路电相通的燃料电池，其中，所述第一电路和所述第二电路适合于独立地进行操作。
35.如权利要求34所述的系统，其还包括微处理器，所述微处理器适合于控制所述第一电路和所述第二电路。
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