CN102598385A - 燃料电池胞 - Google Patents

Abstract

公开了一种燃料电池胞，包括外壳(12)和在外壳中的电极组件，电极组件包括多孔基板(36)、在基板的一侧上的第一和第二电极(46、48)，在基板的另一侧上提供了第三和第四电极(60、62)。每个电极包括极耳(36、38、42和44)，通过该极耳可以电连接到该电极。外壳中有电解质。

Description

燃料电池胞

技术领域

本发明涉及可用作燃料电池胞和氢气发生器的混合结构，并且其还可用作蓄电池。

背景技术

与传统的热力发动机相比，作为将氢气和含碳的或矿物燃料转换成电的潜在更高效并且更少污染的装置，对于燃料电池胞的兴趣已经超过了150年。对于使用燃料电池胞生成公用电源并用于驱动电动车辆的研究已经经过了相当长的时间段，但是进展缓慢。近来在燃料电池胞技术方面的发展重新激发了对用于这些应用以及新应用的这样的电池胞的兴趣。

当传统的燃料电池胞的端子连接到外部电源，该燃料电池胞释放出氢气和氧气。可以反过来操作这样的电池胞以向其提供氢气和氧气(其可以为大气空气中氧气)。随后，它生成以跨端子的电压形式呈现的电能。

在传统的商用燃料电池胞中，供应电能从而生成氢气和氧气，与供应氢气和氧气从而生成电能发生在不同的时间。两个模式不能同时操作。

来自燃料电池胞的电流取决于多个因素，氢气消耗的速度是一个重要的因素。氢气和氧气流经的沟道的构造也影响到反应的速度，根据该反应产生电子流。

其中电解质(其可以是水)被水解的电池胞也是已知的，这些电池胞产生氢气和氧气。作为电解必然产物的氢气被收集并存储。氧气的量较少，并且往往允许其直接逸出到大气中。

具有正极板和负极板并且以化学形态存储电的许多类型的电化学电池胞是已知的并且被广泛使用。

如上所述，一些电池胞由于在其中发生可逆反应的优点，既可以用作氢气发生器，也可以用作电发生器。供应氢气以及氧气或大气空气引起电的产生，换言之，该电池胞用作燃料电池胞。跨电池胞的端子连接直流源引起在电解质中发生电解，因而生成氢气和氧气。

本发明提供了一种燃料电池胞，在该燃料电池胞中，供应电能从而生成氢气和氧气，与生成可以馈送至能耗设备的电能同时发生。

在此公开的另一发明构思是这些结构(燃料电池胞、电解电池胞和电化学蓄电池胞)可以在构造上组合，这引起超过单个结构的显著优点。

本发明扩展到与直流源连接的电解电池胞，以使它们产生氢气和氧气，但是它们也具有从其中获取电能的端子。

根据本发明，具有电化学存储能力的燃料电池胞也是可能的。

还可以根据本发明构造用作燃料电池胞、电解电池胞和蓄电池的结构。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池胞，包括外壳和在该外壳中的电极组件，该电极组件包括多孔基板、在该基板的一侧上的第一电极、在该基板的该一侧上的第二电极、在该基板的另一侧上的第三电极、在该基板的该另一侧上的第四电极、以及该外壳中的电解质，每个电极包括极耳，通过该极耳可以电连接到该电极。

本发明还提供了一种装置，包括如在前述段落中限定的燃料电池胞、跨第一和第三端子连接的电流源和跨第二和第四端子连接的能耗设备。

在基板的每一侧上提供多于两个电极，以使多于一个电流源可以连接到电池胞，并且多于一个能耗设备连接到电池胞。

根据本发明的装置具有通过电解质从第一电极流向第三电极的电流，同时在第二和第四端子从该装置获取电能以驱动该能耗设备。

根据本发明的另一方面，提供了一种结构，其包括：第一和第二导电板，其浸入在电解质中，该第一和第二导电板中具有一定量的孔以增加它们的表面面积并且具有用于连接到直流电流源的极耳，从而该板之间的电流流动使电解质离解，使得释放氢气和氧气；该结构还包括第三和第四导电板，其在该第一和第二导电板之间并通过气体渗透膜彼此分离而且与该第一和第二板分离，该第三和第四板具有与能耗设备连接的极耳，在使用中，当氢气和氧气渗透经过该板和膜以在第三板上再化合时，出现通过该设备的电子流。

该第一和第二板每一个可以包括两个金属板，其形成板基板并且通过电绝缘网状物分离，第一板的基板和网状物涂有电化学活性正极材料，而第二板的基板和网状物涂有电化学活性负极材料，每个基板具有极耳，第一和第二板构成电蓄电池。

在又一形式中，第一板和第三板之间存在电绝缘网状物，并且第二和第四板之间存在又一电绝缘网状物，第一和第三板以及其间的网状物涂有电化学活性正极材料以形成复合板，并且第二和第四板以及其间的网状物涂有电化学活性负极材料以形成又一复合板，复合板通过气体渗透膜分离。

板和膜可以是矩形形式。

该结构可以包含在外壳中，该外壳具有沿每个侧壁的内面向下延伸并横跨该外壳的底部的顶面的凹槽，该结构以气密或液密的方式适配进该凹槽中。

该结构的每一侧上存在间隔。

其中具有孔的顶盖用于密闭该外壳。

在另一实施例中，每个板和膜是长条带的形式，该结构被卷绕并包含在圆柱外壳中。

根据本发明的又一方面，提供了一种装置，其包括如上限定的结构、跨第三和第四板的极耳连接的能耗设备、和跨第一和第二板的极耳连接的直流电流源。

附图说明

为了更好地理解本发明，并示出如何实现本发明，现将以示例的方式参考附图，其中：

图1是示出根据本发明的燃料电池胞的构件的示图；

图2是部分组装的燃料电池胞的示图；

图3是完全组装的燃料电池胞的示图；

图4概略地图示了可用作燃料电池胞或氢气发生器的电池胞的单个构件；

图5概略地图示了混合电池和燃料电池胞的构件；

图6示出彼此并列的图5的构件；

图7是外部外壳中的图5和6的构件的示图；

图8概略地图示了又一混合电池和燃料电池胞的构件；

图9图示了圆柱状混合燃料电池胞和电池；以及

图10图示了本发明的又一实施例。

具体实施方式

图示的燃料电池胞标示为10，并包括外壳12，外壳12包括两个伸长的侧壁14、两个狭窄的端壁16和底座18。垂直凹槽20在每个端壁16的内面的全高度上延伸。外壳12的顶盖22具有4个狭缝24和与狭缝24交替的3组孔26、28和30。端壁16中的凹槽20继续延伸跨过底座16的上表面以及顶盖22的下侧。顶盖的上表面中的凹槽标示为32。

附图标记34标示了燃料电池胞的电极组件。组件34包括基板36，其为多孔的以使外壳12中的电解质可以从一侧渗透到另一侧。基板36是诸如聚乙烯的材料以使其用作电绝缘体。基板形成有4个向上突出的极耳38、40、42和44。

诸如铅的导电金属的两个轨道46、48设置在基板36的可见面上。

轨道46在极耳38的可见面上开始，并且具有沿基板34的左手边缘向下延伸的部分50，和横跨基板36的底部边缘延伸的另一部分46、52。一系列的隔开的条带54从部分52向上延伸。

轨道48在极耳40上开始并且包括横跨基板的顶部边缘延伸的部分56，和从轨道部分56向下延伸的一系列条带58。条带54和58彼此交替并且彼此隔开。

轨道46和48构成两个电极。

在基板的可见面上的轨道46、48的布置在不可见的面上重复。这些轨道的一个在极耳42而另一个在极耳44上开始。这些轨道仅在极耳42和44上的那些部分是可见的并且标示为60和62。

电极组件34滑入凹槽20(见图2)而极耳38、40、42和44从外壳12中突出。该外壳中装满电解质并且顶盖22被压下，以使极耳穿过狭缝24突出在顶盖22上(见图3)。电极组件的下边缘处于底座18中的凹槽中，并且组件的上边缘处于顶盖22中的凹槽32中。轨道46、48在极耳上的部分是可及的，并具有到其上的电连接。电流源连接到可见轨道46、48中的一个的极耳，并连接到基板另一侧上的轨道中的一个的极耳。能耗设备连接到轨道46、48的另一个极耳并且连接到基板另一侧上的轨道的另一个极耳。更具体地，充电电源可以连接在极耳38上的轨道46的部分和极耳44上的轨道的部分之间。能耗设备可以跨极耳40上的轨道48的部分和在极耳42上的轨道的部分连接。极耳44上的轨道用作阳极，而轨道46用作阴极。同样，极耳42上的轨道可以用作另一个阳极，而极耳40上的轨道用作另一个阴极。

实验性的工作已经表明氧气和氢气在电流源与其连接的电极处释放，并且电能可以从另外两个电极提取。氧气和氢气释放的速度取决于充电速度与放电速度之间的差。随着差增加，充电的速度高于放电的速度，气体释放增加。在阳极释放的氢离子渗透通过隔板34并与在阴极处释放的氧气化合。氢气/氧气反应的产物是水和电能。如果电解质是酸性的，水在阴极处产生。如果电解质是碱性的，水在阳极处产生。

如果充电速度和放电速度之间的差变得足够大，氧气和氢气产生的速度将超过其在电池胞中消耗的速率，并将形成气泡逸出以用于收集和存储。

可以使用在其每侧都具有薄的铜层的基板来产生四个轨道。这些层被遮蔽以保护将被保留的铜的区域，而暴露的铜被腐蚀掉。在移除该遮蔽后，剩余的铜镀有诸如铅、镉、锂或镍耐酸金属，或者镀有耐酸金属氢化物。在使用中，剩余未镀过的铜可能将被腐蚀，而耐酸的金属会留下。

在替代的形式中，基板36在其两面都有凹槽，轨道在凹槽中。该轨道可以是浇铸成的或以其他方式形成的，并随后压入凹槽。可提供诸如凹槽与轨道的连锁部分的合适的装置用于将轨道固定在适当的位置上。

孔26、28和30具有多种用途。它们可以用于补充电池胞中的电解质、使释放的氢气和氧气能够从电池胞中去除、以及使氢气和空气/氧气能够向电池胞供应。

现参考图4，图示的构件是4个导电板，其可为铅板，并标示为64、66、68和70，以及，处于板64和66、66和68、以及68与70之间的3个气体渗透膜72、74和76。64、66、68和70的每个板中具有一定量的通孔，如将要描述的，该一定量的通孔具有增加暴露于电解质的板的表面面积的效用。孔为尽可能地小以符合用于其构造的制造技术。部件72、74和76用作隔板。

通过钻孔或浇铸在铅板上形成的孔的最小尺寸大于最优的尺寸。减小孔尺寸的可能方法是对板进行钻孔以产生孔或者浇铸带有孔的板。该板比要求的更厚，并且随后该板被压缩以减小板的厚度和板中的孔的尺寸两者。

孔执行已知的燃料电池胞中的沟道的功能。

每个板包括极耳，其被标示为78、80、82和84。膜72、74和76可以是合适的合成塑料材料。聚乙烯是合适的材料。“全氟磺酸聚合物(Nafion)”也是合适的材料。

极耳78和84可以连接到直流电流源。极耳80和82连接在包括能耗设备的电路中。当向极耳78和84施加直流电压时，因而获得的电流使电解质离解。氧气在板64的两侧释放，并且氢气在板70的两侧释放。

氧气渗透通过膜72和板66中的孔，而氢气通过膜76、板68中的孔和膜74渗透到板66。在板66和膜74之间发生再化合，并且从而存在通过连接到极耳80和82的外部电路的电子流。

通过从与板70相邻的间隔抽出氢气可以调节流经板和膜的氢气的速度。当参考图7时将更好地理解此结构。

将环境空气馈送到位于板64左侧的间隔以增加安培小时容量。代替抽出氢气，可以将氢气引入到位于板70的右侧的间隔中以进一步增加安培小时容量。

现在转向图5，示出的构件包括如以上所述和在图4中图示的形式相同的6个导电板。这些板标示为86、88、90、92、94和96。板86和88涂敷有电化学活性正极材料。板94和96涂敷有电化学活性负极材料。板90和92没有被涂敷。在板86和88之间，存在网状隔板98和设置在板94和96之间的另一网状隔板100。气体渗透膜102、104和106设置在板88和90、90和92、以及92和94之间。

当板86和88被涂敷时，涂敷物穿过网状隔板88的缝隙。同样，当板94和96被涂敷时，涂敷物穿过网状隔板100。网状隔板98防止金属板86、88的直接接触，而网状隔板100防止板94、96的直接接触。

每个板包括极耳，其标示为108、110、112、114、116和118。

图5的构件在图6中示出为组装的，并且在图7中组装的构件在标示为120的外壳内。外壳120的侧壁124与端壁126相比相对长。每个端壁126具有在外壳的全高度上延伸的内部凹槽128。凹槽128在容器的底座130的上表面继续延伸，并且图5中示出的组件滑入凹槽128中并安装在底座的凹槽中。这种适配使得分别位于组件两侧的标示为132和134的间隔相对彼此密闭。

提供顶盖130用于以气密的方式封闭外壳120。顶盖130中具有用于图6中所示的组件的极耳的狭槽132和134。顶盖还有孔136和138，其用于将气体馈送至间隔132和134，或允许气体从间隔132和134逸出。孔还用于在需要时补充电解质。

将会理解，当图4的构件并排放置时，其适配进图7所示的类型的外壳中，从而提供邻近板64和66的间隔。

板86、88和94、96构成电化学蓄电池，而没有被涂敷的板90和92构成燃料电池胞。极耳110、116分别连接到直流电流源的负极和正极。能耗设备跨极耳112和114连接。极耳108和116连接到也包括能耗设备的电路中。

电流从直流电流源流经图示的组件，并且同时通过极耳108、118、112和114来提取电能。

当跨极耳110、116施加直流电压时，流动的电流使电解质离解。氧气在板88上释放，而氢气在板94上释放。

氧气渗透通过膜102和板90。氢气渗透通过膜106、板92和膜104。在膜104和板90之间发生氢气和氧气的再化合。从而在极耳112和114之间存在电流。

如果存在跨极耳108和118的开路，由板86、88和94、96构成的电池进行充电。如果存在跨极耳108和118的能耗设备，从该组件获取电能，而同时电池进行充电。

在之前两个段落中讨论的反应同时发生。

如上所述，环境空气或氧气可以供应到间隔132。氢气可以供应到间隔134以增加安培小时容量。

图8中示出的组件具有与图5中示出的组件共同的多个构件，并且相同的部分通过相同的附图标记来标示。气体渗透膜102和106已被省略，而标示为140和142的两个网状物分别插在板88和90，以及92和94之间。

在此实施例中，板86、88和90涂敷有电化学活性正极材料，而板92、94和96涂敷有电化学活性负极材料。因而获得的板组件对为一个正极和一个负极，并且它们构成电化学蓄电池胞。图8中的极耳以与图5中的极耳相同的方式来标注，并且以如以上参考图5所述相同的方式连接到外部电路。

外层板86和96构成电蓄电池胞，而内层板88、90、92和94既构成氢气发生器也构成燃料电池胞。

氧气在板88上释放，而氢气在板94上释放。氢气渗透通过板92和膜104，并在板90和膜104之间与氧气再化合。电流流经跨极耳112和114连接的电路。

可以从极耳108和118获取电池电能。还可以从极耳112和114获取电能，这样的电能部分地源自电池板中的电化学反应，而部分地源自氢气和氧气的再化合。

图9中示出的圆柱状结构与以上描述的棱柱状结构基本相同。图9中的构件使用与图8中相同的标记来标注。附图标记144标示了在图示的板上的涂敷物。

存在另外的标示为146的气体渗透膜，其被要求为在不允许具有相反极性的涂敷的板之间接触的情况下使该结构能够卷绕。

图10从相对侧图示了板148。更具体地，后面的图解是在前面的图解中示出的板的隐藏侧。该板中具有分隔开的多行微小的孔，其标示为150。这些孔可以填充有气体渗透材料，如上所述。

第一极耳152连接到金属轨道154，其横跨板的顶部延伸并随后沿左手边缘向下延伸。隔开的金属条带156横跨板142的面延伸并连接到轨道154。孔150穿过条带156。

第二极耳158连接到轨道160，其沿着板148的另一边缘向下延伸。金属条带170横跨板148延伸并且与条带156相互交错。条带156和170是彼此电隔离的。

板148的相对侧的构造类似，并且包括极耳172和174、轨道176和178以及条带180和182。孔150穿过条带182。

板在使用时浸入电解质中。

当跨极耳158和172来施加直流电压时，氧气在板的一侧上的固体条带156上释放，而氢气在板的另一侧在孔150穿过的条带182上释放。氢气渗透经过孔150并与板的另一侧上的氧气再化合。

将氧气或环境空气供应给再化合正在发生的面以增加安培小时容量。

在其上释放氢气的板的一侧可以涂敷为负极，而在其上发生再化合的一侧可以涂敷为正极。

如果在任意图示的构造中使用的电解质是酸性的，则氢气在负极侧释放，并且如果电解质是碱性的，氢气在正极侧释放。

板的子结构可以是铅，并且优选地存在镍涂层。

电化学活性材料可以基于镍、铅、氢化物、氧化物和碳。电化学活性材料的多孔性增加了表面面积，在其上可以发生氢气和氧气的产生以及氢气和氧气的再化合。

Claims (13)

1.一种燃料电池胞，包括外壳和在所述外壳中的电极组件，所述电极组件包括多孔基板、在所述基板的一侧上的第一电极、在所述基板的所述一侧上的第二电极、在所述基板的另一侧上的第三电极、在所述基板的所述另一侧上的第四电极、以及所述外壳中的电解质，每个电极包括极耳，通过所述极耳可以电连接到该电极。

2.根据权利要求1所述的燃料电池胞，其中在所述基板的每一侧上提供多于两个的电极。

3.一种装置，包括根据权利要求1所述的燃料电池胞、跨第一和第三端子对连接的电流源。

4.一种装置，包括根据权利要求3所述的燃料电池胞、跨第二和第四端子对连接的能耗设备和跨第一和第三端子对连接的电流源。

5.一种结构，所述结构包括：第一和第二导电板，所述第一和第二导电板浸入在电解质中，所述第一和第二导电板中具有一定量的孔以增加所述第一和第二导电板的表面面积并且具有用于连接到直流电流源的极耳，板之间的电流流动使电解质离解，使得释放氢气和氧气；第三和第四导电板，所述第三和第四导电板在所述第一和第二导电板之间并通过气体渗透膜彼此分离而且与第一和第二板分离，第三和第四板具有与能耗设备连接的极耳，在使用中，当氢气和氧气渗透经过板和膜以在所述第三板上再化合时，出现通过所述设备的电子流。

6.根据权利要求5所述的结构，其中所述第一和第二板包括两个金属板，所述金属板形成板基板并且通过电绝缘网状物分离，所述第一板的基板和网状物涂敷有电化学活性正极材料，而所述第二板的基板和网状物涂敷有电化学活性负极材料，每个基板具有极耳，所述第一和第二板构成电蓄电池。

7.根据权利要求5或6所述的结构，包括所述第一板和第三板之间的电绝缘网状物和所述第二和第四板之间的又一电绝缘网状物，所述第一和第三板以及其间的网状物涂敷有电化学活性正极材料以形成复合板，并且所述第二和第四板以及其间的网状物涂敷有电化学活性负极材料以形成又一复合板，所述复合板通过气体渗透膜分离。

8.根据权利要求5、6或7所述的结构，其中所述板和膜是矩形形式。

9.根据权利要求5、6、7或8所述的结构与外壳的组合，所述结构包含在所述外壳中，所述外壳具有沿每个侧壁的内面向下延伸并横跨所述外壳的底部的顶面的凹槽，所述结构以气密或液密的方式适配进所述凹槽中。

10.根据权利要求9所述的组合，其中在所述结构的每一侧上存在间隔。

11.根据权利要求9或10所述的组合，还包括用于密闭所述外壳的顶盖，所述顶盖之中具有孔。

12.根据权利要求5、6、7或8所述的结构和圆柱外壳的组合，每个板和膜是长条带的形式，所述结构被卷绕并包含在所述圆柱外壳中。

13.一种装置，包括根据权利要求1、2、3、4和8中任意一项限定的结构、跨第三和第四板的极耳连接的能耗设备、和跨第一和第二板的极耳连接的直流电流源。

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