CN102782922A

CN102782922A - 燃料电池

Info

Publication number: CN102782922A
Application number: CN2011800098201A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·朗曼; 布赖恩·克拉克森
Original assignee: Acal Energy Ltd
Current assignee: Acal Energy Ltd
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2031-03-01
Also published as: US20130056076A1; WO2011107795A3; CN102781561B; JP2013521112A; BR112012018419A2; EP2543104B1; WO2011107794A2; KR101523187B1; JP2013521604A; KR20130014530A; KR101899929B1; EP2542332A2; WO2011107795A2; JP5970378B2; EP2542332B2; CN102782922B; BR112012020301A2; EP2542332B1; US9385391B2; CN102781561A

Abstract

氧化还原燃料电池，其包括由离子选择性聚合物电解质膜隔开的阳极和阴极；用于将燃料供给至电池的阳极区域的装置；用于将氧化剂供给至电池的阴极区域的装置；用于在电池的各个阳极和阴极间提供电路的装置；包含至少一个阴极电解质组分的阴极电解液，所述阴极电解液包含氧化还原介体对；以及包括阴极电解质通道和具有活性表面的多孔元件的再生区，所述阴极电解质通道设置为邻近或朝向所述活性表面引导阴极电解质流，用于将氧化剂供给至电池的装置适于将氧化剂供给至所述多孔元件。

Description

燃料电池

本发明涉及燃料电池，特别是间接或氧化还原燃料电池，其在固定、备用和热电联产(chp)背景下具有应用，以及在用于汽车工业的燃料电池及用于电子和便携式电子设备的微型燃料电池中具有应用。

已知燃料电池多年来用于便携式应用，例如汽车和便携式电子技术，尽管仅在最近几年燃料电池变为重要的实际考虑。在最简单的形式中，燃料电池为将燃料和氧化剂转化为反应产物的电化学能量转换装置，其在运行中产生电和热。在这类电池的一个实例中，氢用作燃料，并且空气或氧气用作氧化剂，并且反应产物为水。分别将气体引入由在两个电极间运载带电颗粒的固体或液体电解质隔离的催化、扩散型电极。在间接或氧化还原燃料电池中，氧化剂(在某些情况下，和/或燃料)不在电极直接反应，而与氧化还原对的还原形式(对于燃料而言，是氧化形式)反应以使其氧化，并且该氧化的物质被引入阴极。

在氧化氧化还原对的步骤中存在许多限制。氧化还原对的氧化应当尽可能地快速发生，因为通过阴极的阴极电解质流速降低将降低能量产生的速率。如果氧化还原对的氧化没有尽可能完全，即如果氧化还原对的大部分仍然未氧化，则也将降低能量产生的速率。需要在进行氧化步骤时确保消耗的能量较低，否则燃料电池的总的能量产生性能将降低，从而对快速并完全氧化存在于阴极电解液中的氧化还原对的设备条件产生挑战。此外，用于氧化氧化还原对的设备应尽可能紧凑，尤其是当燃料电池旨在用于便携式或汽车应用中时。

对平衡这些矛盾要求的需要导致电池效能的低效，特别是在汽车应用和热电联产中。

本发明的目的是克服或改善前述缺点的一个或多个。本发明的另一目的是提供用于有效氧化氧化还原对的改善的氧化还原燃料电池结构。

根据本发明的第一方面，提供了氧化还原燃料电池，其包括：

由离子选择性聚合物电解质膜隔开的阳极和阴极

用于将燃料供给至所述电池的阳极区域的装置；

用于将氧化剂供给至所述电池的阴极区域的装置；

用于在所述电池的各个阳极和阴极间提供电路的装置；

阴极电解液，其包含至少一种阴极电解质组分，所述阴极电解液包含氧化还原介体对；以及

再生区，其包括阴极电解质通道和具有活性表面的多孔元件，所述阴极电解质通道设置为邻近或朝向所述活性表面引导阴极电解液流，用于将氧化剂供给至所述电池的装置适于将所述氧化剂供给至所述多孔元件。

“阴极区域”是指通过膜电极装置的阴极侧而固定在一侧上的部分电池。或者，或以及，“阴极区域”可以被认为是部分电池，其中在电池运行时流经的至少一部分的阴极电解质与膜电极装置的阴极侧接触。

同样，“阳极区域”是指通过电极装置的阳极侧而固定在一侧上的部分电池。

在电池的运行中，流动的阴极电解质通过电池的阴极区域与阴极流体连通。在电池的运行中，在阴极至少部分还原氧化还原介体对，并且在阴极进行这样的还原之后，通过与氧化剂反应至少部分再生。在再生区实现氧化还原介体对的至少部分再生。具体地，通过多孔元件活性表面的氧化剂以及朝向或邻近多孔元件流动的阴极电极质的界面面积是大的。氧化还原介体对的再生在该点开始，并且继续作为阴极电解液，与混在其中的氧化剂一起通过再氧化区。

在优选的布置中，至少部分的通道壁是敞开的以将阴极电解质通道的内部暴露于至少部分的多孔元件活性表面。

多孔元件可以由任意多孔材料形成，所述多孔材料允许氧化剂以足够体积通流，从而使至少部分还原的氧化还原对能够至少部分再生，即氧化。适当材料的实例包括烧结玻璃或金属粉末、多孔或半透膜、网和钻孔板或穿孔板。

为了提高多孔元件的性能，其可以特定地形成或改进以使通过的氧化剂表面积最大化。例如，可以控制孔的位置和尺寸以促进小气泡的释放。此外，朝向或通过多孔元件的阴极电解质流在它们有时间生长之前促进小泡的释放。泡的快速除去是有利的，因为其允许新的阴极电解质液体接触多孔元件的活性表面。

典型地，平均泡尺寸直径为1微米至1000微米。优选地，形成的泡尺寸较小，例如直径为150微米或更小，1微米至100微米，或者最优选地，直径为25微米至50微米。为了实现平均直径落入这些优选范围的泡流，应提供直径比目标泡直径小3至10倍的孔。

也能够通过使多孔元件的表面亲水来快速除去泡，可通过用亲水材料涂覆，或者通过由亲水材料形成多孔元件的活性表面来使多孔元件的表面亲水。在多孔元件的活性表面上的亲水材料的存在将导致形成的泡比由疏水表面形成的泡更容易释放。优选地，这类材料的表面能大于46达因/cm²，和/或可以包括亲水基团，例如羟基。这类材料的实例为醋酸人造丝。另外或可替换地，能够通过处理金属表面实现可接受的亲水性。这样处理的金属表面包括退火的奥氏体不锈钢、激光或等离子体涂覆的不锈钢，或氧化物或氮化物修饰的表面涂层。

应理解阴极电解质液体进入多孔元件将是不利的，因为这将阻碍氧化剂的通流，这表示该阴极电解质的氧化速率将降低。为了克服该问题，多孔元件可以由疏水性材料形成，其具有在暴露于亲水性阴极电解质通道的表面上的涂层。可形成多孔元件的疏水性材料的实例包括聚四氟乙烯、卤化的有机聚合物、硅酮聚合物和烃聚合物，例如聚乙烯和聚丙烯。另外或可替换地，最大孔径能够足够小，以使阴极电解质的表面张力阻止其进入多孔元件，即使当没有氧化剂通过多孔元件时。

可以使用本领域技术人员已知的任何技术形成多孔元件中的孔，尤其是其活性表面。在优选的实施方案中，通过激光加工制备孔。

可以以任何方式布置阴极电解质通道和多孔元件，条件是至少部分再生阴极电解液中的氧化还原对。

在一个布置中，多孔元件可以为细长元件。在优选的实施方案中，多孔元件大致为圆柱形或管形。可以在本发明的燃料电池中使用一个或多个多孔元件。

或者，可以提供阴极电解质通道，以作为多孔元件周围缠绕的管，作为与多孔元件共轴的通道，或者作为多孔元件周围的环形物。在这样的布置中，通道壁可以基本沿其全长或沿其部分长度是敞开的以将阴极电解质通道的内部暴露于部分的多孔元件活性表面。在正压下将氧化剂供给至多孔元件的内部，导致氧化剂通过多孔元件的外部并进入阴极电解质通道。

在其他布置中，可以在多孔元件内形成阴极电解质通道。阴极电解质通道可以为线形的或可以为螺旋状的。在这些布置中，在多孔元件的内表面上提供多孔元件的活性表面，并且使氧化剂向内通过多孔元件，通过内部、活性表面并进入阴极电解质通道。

在某些实施方案中，最优选地，阴极电解质通道的内部暴露于其周围的大多数(如果不是其周围的全部)的多孔元件活性表面，则再生区可优选包括阴极电解质旋转装置以使阴极电解质暴露于活性表面最大化，由此最大化氧化还原对的氧化。旋转装置可以包括补偿液体入口以使阴极电解质的螺旋流经过通道。另外或可替换地，旋转装置可包括转向元件以通过例如螺旋状凸起来诱导旋转流经过通道。

在本发明的某些布置中，阴极电解质通道优选增加阴极电解质流的方向中的横断面积。这是为了容纳阴极电解质和氧化剂的增加的体积，由此防止流速加快。可以通过具有分散锥度的通道来实现横截面积的增加。

在其他布置中，再生区通常可包括平面多孔元件，其界定室的一个或多个壁。提供阴极电解质通道的开口端以确保离开阴极电解质通道的阴极电解质流流向并流经至少一部分的多孔元件活性表面。这可以通过将阴极电解质通道的开口端放置在基本邻近于平面多孔元件或离多孔元件少许距离但指向多孔元件的位置来实现。

平面再生区的优势在于可以作为单独燃料电池的附加部分来添加它们，以便存在相等量的电池和再生单元。这应允许单一装置完成能量产生和再生功能二者，降低系统成本。

这样的布置区别于泡罩反应器(bubble column reactor)，其中不使入口基本邻近于或朝向在这类反应器中常用的泡形成基底(bubbleforming base)。相反地，使这类反应器中的入口与泡形成基底保持一段距离，以便不干扰泡形成。此外，由于相同原因，入口将不引导液体朝向泡形成基底。

泡罩反应器和本发明使用的再生区之间存在区别，因为发明人发现当与本发明的燃料电池使用的再生区的性能相比时，这类反应器的性能是不利的。更具体地，当使用泡罩反应器以使氧化剂气体颗粒并入阴极电解质时，发现系统中气体：阴极电解质的保持比(以体积计)显著低于1:1，即，阴极电解质中氧化还原对的氧化不完全。

不管使用何种具体布置，都将大量氧化剂暴露于本发明燃料电池的再生器中的阴极电解质。在本发明优选的实施方案中，通过再生区的每一体积的阴极电解质都暴露于相同体积的氧化剂中。在尤其优选的实施方案中，将通过再生区的每一体积的阴极电解质暴露于两倍、三倍或甚至四倍体积的氧化剂。

当将阴极电解质液体暴露于这样高体积的气态氧化剂中时，通常形成泡沫。

为了最大化该泡沫中的氧化还原对的氧化，可以在再生区中提供膨胀区。优选地，膨胀区为泡沫状阴极电解质流入的室，这导致流速降低。流速度的降低导致残留时间增加并导致质量转移，因此，氧化还原对的氧化速率增加。膨胀室的最佳形状和尺寸将根据液体的流体性质和可行的反应速度而变化。

在提供氧化剂作为气体的那些布置中，泡沫状混合物优选从膨胀区流入分隔区，其优选采用室的形式。与膨胀区类似，分隔区内的流速优选较低。通过泡沫中的泡的自然破裂从刚再生的阴极电解质中分离残留的氧化剂气体。为了增加破裂速率，可以提供空化装置。空化装置可以包括旋风分离器，其导致气相和液相的快速分离。

阴极电解质通过再生区的流速优选较高。在优选的实施方案中，当阴极电解质与多孔元件的活性表面接触时或邻近多孔元件的活性表面而通过时，阴极电解质的流速为至少约0.2m/s。在尤其优选的实施方案中，当阴极电解质与多孔元件的活性表面接触时或邻近多孔元件的活性表面而通过时，阴极电解质的流速为约0.5m/s至约1.5m/s。

在本发明的优选实施方案中，再生区与膜装置分离。因此，本发明的燃料电池优选包括将至少部分还原的氧化还原介体对从电池的阴极区域供给至再生区的装置。

此外，本发明的燃料电池优选包括将至少部分再生的氧化还原介体对从电池的再生区供给至阴极区域的装置。

因此，在电池运行中，包含氧化还原介体对的阴极电解液以至少部分再生(氧化)的形式从再生区循环至阴极区域，在阴极区域中其被至少部分还原然后返回至再生区，在所述再生区中，在返回循环之前其(当存在氧化还原催化剂时，直接或间接地)与氧化剂反应

在循环中的任何方便位置，可以提供一个或多个泵以驱动阴极电解液的循环。优选地，在再生区的下游端和阴极区域的上游端之间放置至少一个泵。

阴极区域优选包括下列中的一个或多个：从再生区接收至少部分再生的氧化还原介体对的入口；以及将至少部分还原的氧化还原介体对供给至再生区的出口。

再生区优选包括下列中的一个或多个：其中发生再生反应的室；接收从电池的阴极区域进入室的还原的氧化还原介体对的第一入口；将氧化的氧化还原介体对供给至电池阴极区域的第一出口；接收氧化剂供给的第二入口；以及用于从室排出气体、水蒸气和/或热的第二出口。

为了降低并尽可能地消除阴极电解液的任何损失，可以在第二出口中或第二出口的上游提供一个或多个除雾器。

另外，为了防止水从阴极电解质的过度蒸发，可以在第二出口中或第二出口的上游提供冷凝器。如果在本发明的燃料电池中使用冷凝器，则优选对其进行布置以使预定量的冷凝物返回系统。在返回阴极电解质之前，优选使冷凝物通过一个或多个除雾器。

当用于chp应用时，可以提供具有热传递装置的本发明的燃料电池，所述热传递装置与再生区相关联，从而用于将再生区中产生的热传递至外部目标，例如家用或商用锅炉。热传递装置可在热交换的标准原理下工作，例如具有紧密接触的管道系统、翅和叶片，例如用于增加冷管和热管间的表面积接触。

当上面提及“阳极”和“阴极”(单数形式)时，应当理解本发明的燃料电池通常包括多于一个的膜电极装置，各个装置由双级隔板而隔开，作为燃料电池堆，上述是本领域技术人员通常已知的。在本发明范围内预期提供复数形式的再生区，各个再生区从堆的一部分或某些部分中接收还原的氧化还原介体对，并且使氧化的氧化还原介体对返回至堆的相同或不同的一个或多个部分。然而，通常地，单一再生区将服务全部堆，或其一部分。

本发明燃料电池的氧化还原术语中的运行可体现在下列方案的阴极区域(堆)和再生区(再生器)之间，其中氧化还原催化剂的存在和功能应该被理解为是任选的：

当存在时，氧化还原介体对和/或氧化还原催化剂可包括多金属氧酸盐化合物，如我们的共同未决的PCT/GB2007/050151中所描述。

当存在时，氧化还原介体对和/或氧化还原催化剂可包括具有二价反荷离子的多金属氧酸盐化合物，如我们的共同未决的PCT/GB2008/050857中所描述。

当存在时，氧化还原介体对和/或氧化还原催化剂可包括N-供体化合物，如我们的共同未决的PCT/GB2007/050421中所描述。

当存在时，氧化还原介体对和/或氧化还原催化剂可包括多齿N-供体配体，其包括至少一个杂环取代基，所述杂环取代基选自吡咯、咪唑、1,2,3-三唑、1,2,4-三唑、吡唑、哒嗪、嘧啶、吡嗪、吲哚、四唑、喹啉、异喹啉，并且选自被一个或多个前述杂环基取代的烷基、烯基、芳基、环烷基、烷芳基、烯芳基、芳烷基、芳烯基，如我们的共同未决的PCT/GB2009/050065中所描述。

当存在时，氧化还原介体对和/或氧化还原催化剂可包括多齿大环N-供体配体，如我们的共同未决的PCT/GB2009/050067中所描述。

当存在时，氧化还原介体对和/或氧化还原催化剂可包括修饰的二茂铁物质。如我们的共同未决的PCT/GB2007/050420中所描述。

当存在时，氧化还原介体对和/或氧化还原催化剂可包括修饰的二茂铁物质，其包括在环戊二烯基环之间的桥接单元，如我们的共同未决的PCT/GB2009/050066中所描述。

通常，氧化还原介体对将包括配位的过渡金属络合物。能够形成这类络合物的适当的过渡金属离子的具体实例包括氧化态II-V的锰、铁I-IV、铜I-III、钴I-III、镍I-III、铬(II-VII)、钛II-IV、钨IV-VI、钒II-V和钼II-VI。配体能够包括碳、氢、氧、氮、硫、卤素和磷。配体可以为螯合络合物，其包括Fe/EDTA和Mn/EDTA、NTA、2-羟基乙二胺三乙酸，或所述配体为非螯合的，例如氰化物。

本发明的燃料电池可以简单地与在燃料电池的运行中催化阴极区域中氧化剂还原的氧化还原对一起运行。然而，在某些情况下，并且具有某些氧化还原对的情况下，在阴极电解液中加入催化性介体可以是必须的和/或期望的。

在本发明的一个优选实施方案中，离子选择性PEM是阳离子选择性膜，与其他阳离子相比，所述膜倾向于选择质子。

可以从任何适当材料形成阳离子选择性聚合物电解质膜，但其优选包括具有阳离子交换能力的聚合物衬底。适当的实例包括氟树脂型离子交换树脂和非氟树脂型离子交换树脂。氟树脂型离子交换树脂包括全氟羧酸树脂、全氟硫酸树脂等。全氟羧酸树脂是优选的，例如“Nafion”(Du Pont Inc.)、“Flemion”(Asahi Gas Ltd)、“Aciplex”(Asahi Kasei Inc)等。非氟树脂型离子交换树脂包括聚乙烯醇、聚环氧烷烃、苯乙烯-二乙烯基苯离子交换树脂等，及其金属盐。优选的非氟树脂型离子交换树脂包括聚环氧烷烃-碱金属盐络合物。例如，这些可在氯酸锂或其他碱金属盐的存在下通过聚合环氧乙烷低聚物而获得。其他实例包括苯酚磺酸、聚苯乙烯磺酸酯、聚三氟苯乙烯磺酸酯、磺酸酯化的三氟苯乙烯、基于α，β，β三氟苯乙烯单体的磺酸酯化的共聚物、辐射接枝膜。非氟化膜包括磺酸酯化的聚(苯基喹喔啉)、聚(2,6二苯基-4-苯醚)、聚(芳基醚砜)、聚(2,6-二苯基烯醇)；掺酸的聚苯并咪唑、磺酸酯化的聚酰亚胺；苯乙烯/乙烯-丁二烯/苯乙烯三嵌段共聚物；部分磺酸酯化的聚芳基醚砜；部分磺酸酯化的聚醚醚酮(PEEK)；以及聚苄基磺酸硅氧烷(PBSS)。

在某些情况下，可以期望离子选择性聚合物电解质膜包括双膜，如我们的共同未决的PCT/EP2006/060640中所描述。

根据本发明的其他方面，提供了操作氧化还原燃料电池的方法，其包括：

提供由离子选择性聚合物电解质膜隔开的阳极和阴极；

提供包含至少一种阴极电解质组分的阴极电解液，所述阴极电解液包含氧化还原介体对；以及

提供包括阴极电解质通道和具有活性表面的多孔元件的再生区；

通过所述阴极电解质通道邻近或朝向所述活性表面引导所述阴极电解液流；

将氧化剂供给至所述再生区的多孔元件；

将燃料供给至所述电池的阳极区域；

提供所述电池的各个阳极和阴极间的电路。

应当理解，在所有各种实施方案、优选和替换方案中，本发明的方法可以用于操作本发明的燃料电池，并且当说明书描述这样的燃料电池的任何特征时，也具体设想了该特征也可以为本发明方法中的优选或替换的方法特征。

本发明的燃料电池可以包括重整器(reformer)，其设置为通过蒸汽重整反应将诸如LPG、LNG、汽油或低分子量醇的可用燃料前体转化为燃料气体(例如，氢气)。因此，电池可以包括燃料气体供应装置，其设置为将重整的燃料气体供给阳极区域。

可以期望在电池的某些应用中提供燃料加湿器，其设置为使诸如氢气的燃料潮湿。因此，电池可以包括燃料供应装置，其设置为将潮湿燃料供给至阳极区域。

也可以与本发明的燃料电池结合的方式提供设置为负载电能的电负载装置。

优选的燃料包括氢气；金属氢化物(例如，硼氢化物，其可本身作为燃料或作为氢气的提供者)、氨、低分子量醇、醛和羧酸、糖和生物燃料以及LPGLNG或汽油。

优选的氧化剂包括空气、氧气和过氧化物。

本发明的氧化还原燃料电池中的阳极可以例如为氢气阳极或直接甲醇阳极；其他低分子量醇，例如乙醇、丙醇、二丙二醇；乙二醇；以及由这些物质和诸如甲酸、乙酸等酸性物质形成的醛。另外，可以由生物燃料型系统形成阳极，其中细菌物质消耗燃料并且产生在电极氧化的介体，或者细菌本身被吸附在电极并将电子直接供给至阳极。

本发明的氧化还原燃料电池中的阴极可以包括作为阴极材料的碳、金、铂、镍、金属氧化物物质。然而，优选地，避免昂贵的阴极材料，因此，优选的阴极材料包括碳、镍和金属氧化物。一个优选的阴极材料是基于网状的玻璃碳或碳纤维的电极，例如碳毡。另一种为镍泡沫。可以由颗粒状阴极材料的精细分散体来构成阴极材料，该颗粒分散体由适当的粘合剂或质子导电聚合材料保持在一起。阴极设计为产生阴极电解液到阴极表面的最大流。因此，其可以由一定形状的流量调节器或三维电极组成；可以在旁流装置中控制液体流，其中存在邻近电极的液体通道，或者在三维电极的情况下，其中使液体流经电极。期望电极表面也是电催化剂，但这可以有利于在电极表面上粘附沉积颗粒形式的电催化剂。

在本发明的燃料电池中使用的氧化还原对和任何其他辅助氧化还原对或催化剂应为非挥发性的，并且优选溶于水性溶剂。优选的氧化还原对应以在燃料电池的电路中有效产生有用电流的速率与氧化剂反应，并且与氧化剂反应以使水为反应的最终产物。

本发明还提供了阴极电解质再生系统，其包括：室；用于接收从电池阴极区域进入室的还原的氧化还原介体对的第一入口；用于将氧化的氧化还原介体对供给至电池阴极区域的第一出口；用于接收氧化剂供给的第二入口；以及用于从室排出气体、水蒸气和/或热的第二出口，与第一入口流体连通的阴极电解质通道，具有活性表面的多孔元件，至少一部分的阴极电解质通道内部暴露于至少一部分的多孔元件活性表面，其中：

a)多孔元件包括平均直径为5微米至100微米或更优选为20微米至50微米的孔；

b)至少一部分的活性表面由亲水性材料形成或涂有亲水性材料；和/或

c)除了活性表面，至少一部分的多孔元件由疏水材料形成。

为了避免任何疑惑，可以在本发明的阴极电解质再生系统中使用上面提供的本发明燃料电池再生区的任何特征。

本发明还提供了本文所述的燃料电池为交通工具提供动力的用途。

本发明还提供了本文所述的燃料电池在电子元件中产生电离的用途。

本发明还提供了热电联产系统，其包括至少一个本文所述的燃料电池。

本发明还提供了交通工具，其包括至少一个本文所述的燃料电池。

本发明还提供了电子元件，其包括至少一个本文所述的燃料电池。

多孔元件的一个主要目的是当向其提供氧化剂时产生细泡。因此，在燃料电池中以有效方式使用多孔元件。多孔元件旨在允许氧化剂以足够体积通流以使至少部分还原的氧化还原对能够至少部分再生。当然，存在形成气泡的其他方法。

形成气泡的一些常见技术包括：压缩空气以将空气溶于液体流，然后通过喷嘴释放以通过空化形成泡；在液体表面下递送空气流，其中通过搅动或剪切力机械地打破泡；并且超声诱导空化。

在通过使用叶片和气泡射流、用剪切力将空气引入水流来产生气泡的系统中，通常需要使用较高转数以产生空化。然而，产生了问题，例如能量消耗增加和叶片腐蚀或由产生空化导致的震动。此外，这样的技术不适于产生大量的细泡。

期望小泡是因为它们提供多种优秀作用，其已经在许多工业领域中使用，包括植物栽培、水产养殖、废水处理等。有效降低泡的直径以相对于其体积来增加其表面积，由此扩大泡和周围液体间的接触面积；因此，当泡尺寸减少时能发生更快速的质量转移过程。

然而，在使用常规型细泡产生系统的曝气系统中，例如基于注射的扩散系统，甚至当提供细孔时，当在压力下通过孔注射气泡时，每个泡的体积膨胀并且每个泡的直径增加至数毫米，这是由于注射期间气泡的表面张力。这样的方法遇到了产生小直径细泡的困难。与这样的方法有关的另一问题是孔的堵塞，其降低系统效力。

因此，期望以比目前已知方式更方便和有效的方式产生细泡。

通常观念是为了降低泡的尺寸，唯一要求是降低形成泡的孔径。然而，存在许多这种观念为何是考虑欠周的原因。

这些原因的第一个是泡“固定”于形成该泡的衬底材料，并且将继续充气直到泡被某些破坏力打破。例如，该力能够为当泡产生时施加于泡的浮力、惯性力或剪切力。界面张力控制了由于泡固定于表面而保持该泡的力。在这种情况下，存在三种需要考虑的相互作用：

-液体和固体衬底间的相互作用，γ_ls,[mN/m]；

-液体和气体(即空气)间的相互作用，γ_lg,[mN/m]；以及

-固体衬底和气体(即空气)间的相互作用，γ_sg,[mN/m]。

这些力的相对贡献控制了泡生长的性质和泡能够离开表面的容易程度。

除了上面，泡生长的速度，

不依赖于孔尺寸，但能够表达为：

\frac{{dr}_{b}}{dt} = \frac{F}{4 {πr}_{b}^{2}}

通式(1)

其中F是气体通过孔的流速，并且r_b是泡半径。这说明泡越小，生长速度越快，并且这能够从图1中清楚地看出，图1示出通过30微米直径单孔的泡的快速生长。

已经观察到在穿孔或烧结材料表面上泡差不多立即形成。如图1所示，当气泡从孔进入液体时，假设泡的形状为半径(r)和高(h)的球形帽。因此，给出泡的体积：

V = \frac{π}{3} h^{2} (3 r - h)

通式(2)

在等分线之间存在几何关系，其允许通式(2)变形为单变量h，使得

V = π (\frac{r_{o} h^{2}}{2} - \frac{h^{3}}{6})

通式(3)

在恒定压差ΔP=P₀-P₁下，泡的体积生长速度dV/dt等于气体通过孔的流速F。微分恒等式：

\frac{dV}{dt} = \frac{dh}{dt} . \frac{dV}{dh}

通式(4)

通式(4)能够用于给出泡生长的线速度：

\frac{dh}{dt} = \frac{2 F}{π ({r_{o}}^{2} + h^{2})}

通式(5)

通式(5)的数值解给出了泡半径的生长速度，如图2所示。图2所示的分析与在穿孔或烧结材料表面泡差不多立即形成的观察现象一致。能够看到泡半径从开始条件r₀=15μm到0.01秒内半径为250μm(0.5mm直径)的急速生长。然后是较稳定的生长速度。因此，通式(5)的解也与观察一致。

从Young-Laplace方程可知，当泡在其最小半径r_b时，实现泡内的最大压力ΔP：

通式(6)

其中γ是液体/气体界面张力。

当泡是具有该泡所通过的孔的相同半径的半球时，出现泡的最小半径，因此其构成泡中最大压力点；这已知为突破压力。

期望提供在泡生长过大之前从衬底表面除泡并使其进入液体的装置和方法。例如，可以期望产生直径为100微米或更低并且优选为50微米或更低的细泡。

发明人假定如果空气流速F能够在达到泡的突破压力时停止，然后孔中的残留压力使泡膨胀为小尺寸，随后在流恢复之前从表面分开。

可以在深度为δ且半径为r_o的供给泡的孔中形成空气储库。根据波义耳定律，起始状态和泡破裂(下标“0”)能够与最终状态(下标“1”)有关：

p_oV_o＝p₁V₁ 通式(7)

下面给出起始和最终状态的体积：

V_{o} = 2 {πr}_{o}^{2} δ + \frac{2}{3} {πr}_{0}^{3}

通式(8)

V_{1} = 2 {πr}_{o}^{2} δ + \frac{4}{3} {πr}_{1}^{3}

能够通过组合通式(6)、(7)和(8)来确定可能的泡尺寸，并且简化给出降三次式形式的关系：

2 r_{1}^{3} - (3 {δr}_{o} + r_{o}^{2}) r_{1} + 3 {δr}_{o}^{2} = 0

通式(9)

其中，δ为孔的长度/深度(即，衬底厚度)，r_o为形成泡的孔的半径，并且r_b为最终泡尺寸。

通式(9)的解明显依赖于r_o和δ的值。对于r_o=15μm并且δ=70μm的典型值，通式(9)的解为r_o=30μm，即泡是孔尺寸的两倍，但在期望范围内。表1给出了当达到平衡时泡形成的解的范围。这些最终值全部是如果大量形成则提供良好质量转移的尺寸。

表1

发明人考虑了在泡的突破点停止气流的装置。因为在典型的多孔元件中存在数万个孔，单独停止每个孔中的流似乎过于复杂。

考虑许多可替换的途径，其包括：

-振动或脉动气流；

-使用声频执行器(sonic frequency actuator)，例如扬声器，以导致压力达到高峰和低谷；

-柔性膜，其随气体流动打开和关闭孔的后部；以及

-使用量孔板以在生长的膨胀阶段限制流动。

多孔元件和/或装置可以包括衬底，其具有穿过其的孔，每个孔包括气体入口和气体出口，其中气体出口的宽度大于气体入口的宽度。

发现为了限制流动的目的，使用出口尺寸大于入口尺寸的孔将给予所追求的性质。当泡膨胀超过突破压力时，将通过限制孔来限制空气供给，因此通式(1)中的流动术语F降低，所以泡的生长速度减慢。在这种情况下，提供了使泡尺寸最小化同时保持产生大量细泡的能力的方式。设备的复杂程度远不及已知设备，例如使用空化作为产生细泡的主要技术的那些设备。

关于设备，每个孔的横断面形状可以为选自圆形、三角形、正方形、长方形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形和十边形中的一种。当然，应当理解其他几何形状可以同样有效地实现本发明的功能。在某些实施方案中，圆形截面可以在产生细泡中特别有效。

设备可以为多孔元件或者可以视为这样的多孔元件。多孔元件可以用于的应用诸如氧化还原燃料电池，特别是这类电池的再生系统。

气体出口宽度可以比气体入口宽度大一个数量级。典型地，出口直径可以小于所需泡直径的一半直径。入口直径应足够小以阻止气流。当入口直径为出口直径的1/10(0.1)至1/5(0.2)时，特别能看到该作用。气体入口宽度为直径2微米至10微米并且气体出口宽度为直径20微米至50微米是特别有效的。跨越穿孔表面的几何学上的一致性可以对设备的有效性能起关键作用；因此，优选不超过10%的变化；更特别地，期望小于1%的变化。

孔可以从气体入口向气体出口有规则地逐渐变细。根据液体-固体界面张力，孔的形状可以防止液体进入孔。例如，具有开放式圆锥形结构的疏水性衬底可以期望阻止液体进入。

孔可以从气体入口向气体出口无规则地逐渐变细。

衬底上的孔密度可以为400孔/cm²至10000孔/cm²。孔密度为压力下降和泡合并间的平衡。泡产生的频率越高，当孔填装密度高时，它们合并的可能性越大。当使用正方形排列(square pitch)时，1,000孔/cm²至2,500孔/cm²的孔密度可以为特别有利的。也使用交错的排列以使得泡分离最大化。六边形和其他排列是有效的。当然，应当理解其他几何排列可以同样有效地实现本发明的功能。

衬底的厚度可以为20微米至1,000微米；随着空气储存增加，该厚度将影响最终泡直径。优选的范围为50微米至100微米。当然，应当理解在本发明的不同应用中衬底的其他厚度可以为更适当的。

气体出口宽度可以约为所需泡尺寸宽度的一半，其中所需泡尺寸可以为50微米至100微米。

衬底可以具有朝向孔的气体出口的活性表面。活性表面是与液相接触的表面，泡将被分散在所述液相中。具有吸引液相的活性表面、例如在水性液体情况下的亲水表面有利于产生小泡，因为液体在形成泡的情况下有利地流动并使泡从表面升高，由此增加细泡产生。

形成泡的表面的湿润能为显著的。最后，至少部分的活性表面可以由亲水材料形成或涂有亲水材料。亲水表面允许液体在泡生长时“控制”泡，以便使其升起并由此产生较小的泡。

可能地，朝向孔的气体入口的至少一部分表面可以由疏水材料制成或涂有疏水材料。另外或可替换地，至少一部分的孔内部可以涂有疏水材料。疏水材料不被弄湿，因此当装置未激活时，在气压下阻止液体进入孔或跨越孔侧，并允许在最小突破压力的需求下进行快速启动。

衬底可以为细长元件。细长元件可以特别适于诸如在氧化还原燃料电池中再生阴极电解液的应用。

气体出口可以包括从活性表面突起的边缘。该边缘可以在液流的层流边界层中使离开的泡(exiting-bubble)提升得更高，并且增加剪切应力以使泡脱离固体衬底。当然，衬底可以为易弯曲的，其可以改进其的泡脱离能力。

装置可以包括一种或多种烧结玻璃或金属粉末、塑料、多孔膜、网和钻孔或穿孔板。

在某些实施方案中，优选地，装置包括不锈钢箔和/或聚酰亚胺膜。这些材料可以容易形成为薄板/衬底，其能力/性质适于本发明的目标功能。

在某些实施方案中，可能地，从气体入口到气体出口的锥形角度相对于每个孔的纵轴为约6°至26°，并且优选为约10°至15°。与孔直径组合的这种角度通过限制可用于泡形成的气体储存而提供对泡尺寸形成的优异控制。

特别有利地，每个孔是截头锥形。

公开了制备用于产生细泡的装置的方法，其包括下列步骤：

-提供衬底；以及

-在预定位置将所述衬底穿孔，所述孔具有预定宽度。

选择衬底中的孔位置对防止泡在衬底表面合并是重要的。在形成操作中，良好设计的分布形式将允许泡形成并释放入液体而没有其他泡影响。孔的无规分布可能未必允许该水平的工程控制。

将衬底穿孔的步骤可以涉及使用激光。激光提供了在孔位置和尺寸方面对衬底进行穿孔的精确方式。这可以通过使用激光加工形成主模板，然后通过电镀或电沉积批量产生喷射元件。

还公开了产生细泡的方法，其包括下列步骤：

-提供任何权利要求(如本文所定义的)所述的装置/多孔元件；

-将液体供给孔；以及

-通过每个孔的气体入口供给气体来经过孔。

在某些实施方案中，优选地，供给液体穿过孔以诱导液流。这可显著降低所得泡尺寸。由液流提供的对形成泡的粘滞阻力与气体和液体间的浮力相比是显著更大的力。粘滞阻力更迅速地克服了粘性形成界面张力，因此形成较小的泡。

同时前述产生泡的装置具有多种应用，例如，特别有效的应用是在氧化还原燃料电池的阴极电解质再生系统中使用该装置

在间接或氧化还原燃料电池中，氧化剂(在某些情况下和/或燃料)不在电极直接反应，而是与氧化还原对的还原形式(对于燃料是氧化形式)反应以使其氧化，并且将该氧化的物质供给至阴极。

对氧化氧化还原对的步骤存在许多限制。氧化还原对的氧化应尽可能快速发生，因为通过阴极的阴极电解质的流速降低将降低能量产生速度。如果氧化还原对的氧化没有尽可能完全，即如果氧化还原对的大部分仍然未氧化，则还将降低能量产生的速度。需要在进行氧化步骤时确保消耗的能量较低，否则燃料电池的总能量产生性能将降低，从而对快速并完全氧化存在于阴极电解液中的氧化还原对的设备条件产生挑战。此外，用于氧化氧化还原对的设备应该尽可能紧凑，尤其是当燃料电池旨在用于便携式或汽车应用中时。

对平衡这些矛盾需求的需要导致电池效能的低效，特别是在汽车应用和热电联产中。

产生细泡的设备可以为多孔元件。

在氧化还原燃料电池的运行中，流动的阴极电解质可以通过电池的阴极区域与阴极流体连通。在电池的运行中，氧化还原介体对在阴极至少部分还原，并且在阴极处的这样的还原之后，通过与氧化剂反应至少部分再生。在再生区实现氧化还原介体对的至少部分再生。具体地，通过多孔元件活性表面的氧化剂和朝向或邻近多孔元件流动的阴极电解质的界面面积是大的。氧化还原介体对的再生在该点开始，并继续作为阴极电解质，与混在其中的氧化剂一起通过再氧化区域。

在优选的布置中，至少一部分的通道壁可以是敞开的以将阴极电解质通道内部暴露于至少一部分的多孔元件活性表面。

多孔元件可以由的任意多孔材料形成，所述材料允许氧化剂以足够体积通流，从而使至少部分还原的氧化还原对能够至少部分再生，即氧化。

还公开了用于氧化还原燃料电池的阴极电解质再生系统，其包括：室；用于接收从电池的阴极区域进入室的还原的氧化还原介体对的第一入口；用于将氧化的氧化还原介体对供给至电池的阴极区域的第一出口；用于接收氧化剂供给的第二入口；以及用于从室排出气体、水蒸气和/或热的第二出口，与第一入口流体连通的阴极电解质通道，具有活性表面的本文所定义的装置，以及阴极电解质通道，其设置为邻近或朝向活性表面引导阴极电解质流。

装置可以包括平均直径为5微米至100微米，优选为20微米至50微米的孔。

为了增加细泡产生装置(多孔元件)的性能，其可以特定形成或改进以最大化氧化剂通过的表面积。例如，可以控制孔(pore)(孔(hole))的位置和尺寸以促进小/细气泡的释放。此外，朝向或通过多孔元件的阴极电解质/液体的流在它们有时间生长之前将促进小泡的释放。泡的快速除去是有利的，因为其允许新的阴极电解质液体接触多孔元件的活性表面。

也能够通过使多孔元件的表面亲水来快速除去泡，通过用亲水材料涂覆，或者通过从亲水材料形成多孔元件的活性表面来使多孔元件的表面亲水。在多孔元件的活性表面上的亲水材料的存在将导致形成的泡比从疏水表面形成的泡更容易释放。优选地，这类材料的表面能将大于46达因/cm²，和/或可以包括亲水基团，例如羟基。这类材料的实例为醋酸人造丝。另外或可替换地，能够通过处理金属表面实现可接受的亲水性。这样处理的金属表面包括退火的奥氏体不锈钢、激光或等离子体涂覆的不锈钢，或者氧化物或氮化物修饰的表面涂层。

应理解阴极电解质液体进入多孔元件将是不利的，因为这将阻碍氧化剂的通流，这表示该阴极电解质的氧化速率将降低。为了克服该问题，多孔元件可以由疏水性材料形成，其具有在暴露于亲水性阴极电解质通道的表面上的涂层。可形成多孔元件的疏水材料的实例包括聚四氟乙烯、卤化的有机聚合物、硅酮聚合物和烃聚合物，例如聚乙烯和聚丙烯。另外或可替换地，最大孔尺寸能够足够小，以使阴极电解质的表面张力阻止其进入多孔元件，即使当没有氧化剂通过多孔元件时。

可以使用本领域技术人员已知的任何技术来形成多孔元件中的孔，尤其是其活性表面。在优选的实施方案中，通过激光加工或电成型产生孔。

可以以任何方式来布置阴极电解质通道和多孔元件，条件是至少部分再生阴极电解液中的氧化还原对。

在一个布置中，多孔元件可以为细长元件。在优选的实施方案中，多孔元件基本为圆柱形或管形的。可以在本发明的燃料电池中使用一个或多个多孔元件。

或者，可以提供阴极电解质通道，以作为多孔元件周围缠绕的管，作为与多孔元件共轴的通道，或者作为多孔元件周围的环形物。在这样的布置中，通道壁可以基本沿其全长或沿其部分长度是敞开的以将阴极电解质通道的内部暴露于一部分的多孔元件活性表面。在正压下将氧化剂供给多孔元件的内部，导致氧化剂通过多孔元件的外部并进入阴极电解质通道。

在某些实施方案中，最优选地，阴极电解质通道的内部暴露于其周围的大多数(如果不是其周围的全部)的多孔元件活性表面，则燃料电池的再生区可优选包括阴极电解质旋转装置以使阴极电解质对活性表面的暴露最大化，由此最大化氧化还原对的氧化。旋转装置可以包括补偿液体入口以使阴极电解质的螺旋流经过通道。另外或可替换地，旋转装置可包括转向元件以通过例如螺旋状凸起来诱导旋转流经过通道。

在其他布置中，再生区通常可包括平面多孔元件，其界定室的一个或多个壁。提供阴极电解质通道的开口端以确保离开阴极电解质通道的阴极电解质流朝向并流经至少一部分的多孔元件活性表面。这可以通过将阴极电解质通道的开口端放置在基本邻近平面多孔元件或离多孔元件少许距离但指向多孔元件的位置来实现。

阴极电解质通过再生区的流速优选较高。在优选的实施方案中，当阴极电解质与多孔元件活性表面接触或邻近多孔元件活性表面而通过时，阴极电解质的流速为至少约0.2m/s。在尤其优选的实施方案中，当阴极电解质与多孔元件活性表面接触或邻近多孔元件活性表面而通过时，阴极电解质的流速为约0.5m/s至约1.5m/s。

空气通过多孔元件(装置)进入液体的喷射将泡引入阴极电解质并可以形成泡沫。细小的空气(氧化剂)泡提供了增加的表面积，其促进氧气转移和液体催化剂/介体系统的所需氧化。

装置可以有利地用于再生系统，因为对于给定量的反应，需要较小的接触体积，因此能够构成较小和更便携的再生器。

现在参照下列例示本发明实施方案的附图，更具体地描述本发明的多个方面。

图1是当气泡脱离传统形状的孔(现有技术)时的气泡的示意图；

图2是在固定供给流量(7μl/s)和孔尺寸直径为30μm的情况下的气泡生长图；

图3是原理图(侧视图)形式的本发明实施方案和对通过圆锥孔的气泡形成的描述性公式；

图4是本发明实施方案中形成的装置的平面图；

图5是从激光进入(气体出口)显示的衬底中形成的孔的平面图；

图6是从激光离开(气体入口)显示的衬底中形成的孔的平面图；

图7是静态水中的细泡形成的照片；

图8是由液体诱导的细泡形成的照片；

图9是使用现有发明在多金属氧酸盐中的气泡形成的照片；以及

图10例示了本发明的燃料电池的示意图。

参照图3，其示出原理图(侧视图)和对通过圆锥孔的气泡形成的描述性公式。本发明人发现，使用孔来限制由截头锥体形式的孔产生的流动将产生本发明所寻求的性质。当泡膨胀超过突破压力时，空气供给将由孔的约束而限制，因此，通式(1)中的流动术语F降低，并且生长速度减慢。图3给出突破点的图示以及对通过孔的流速和泡生长速度的描述性公式，其中：

F=气体流速=泡中体积交换速度=dV/dt

r_i=气体入口孔半径

r_b=泡半径

r_o=气体出口孔半径

P_i=气体入口压力

P_b=泡内压

ΔP=孔压下降

ΔP_b=整个孔的压力下降=内压-外压

ΔP_p=液流压力下降

l_p=液流特征尺寸

R=管流半径

d=管流直径

c_d=孔流系数

t=时间

dU/dy=液体应变速度=速度变化

A_x=孔横断面面积

ρ=气体密度

γ=界面张力

τ=粘度剪切应力

u=液体粘度

π=3.1415927

为了将本发明体现到实际喷射板(装置)，将上面设计公式用于计算截头锥体中的孔入口和孔出口的尺寸和所得空气流速。典型值显示在下表2中。

表2

证明所述概念的测试样本使用激光打孔技术由70μm 316不锈钢箔制成。作为打孔技术的一部分，在激光进入侧(即孔的气体出口侧)上形成4μm的边缘。气体出口侧周围的边缘是有利的，因为它在液流的层流边界层中使泡提升得更高，并增加了剪切应力以使泡脱离固体衬底。

图3例示了产生细泡的装置的侧视图，其通常表示(1)，包括具有通过其的至少一个孔(5)的细长的衬底(3)，所述孔(5)包括气体入口(7)和气体出口(9)，其中气体出口(9)的宽度大于气体入口(7)的宽度。

孔(5)的结构是圆锥形的，并且具有从气体入口(7)延伸至气体出口(9)的倾斜壁(11)。在该实施方案中，倾斜(孔的锥形)是有规律的。在图3的图示中，壁(11)以相对于孔(5)的纵轴15°的角度倾斜。

当气体通过孔(5)时，泡(13)在孔(5)的气体出口(9)侧形成。

参照图4，示出图1的装置(1)的平面图。装置(1)包括由316不锈钢形成的衬底(3)。衬底(3)包括36个孔(5)，每个的尺寸为50微米。该图不是成比例的。孔(5)以6×6的正方形方式而布置。

实施例

使用安装并密封在丙烯酸块(acrylic block)中的激光钻孔不锈钢板的10mm乘10mm截面，在受控的空气供应下检测本发明的实践实施方案。使用SEM检测试样的孔入口和孔出口，参见图5和6。在3.3μm测量气体进入(入口)孔并在19.1μm测量气体离开(出口)孔。

水平安装测试板。将250mbar的空气压力施加于测试板(小孔)的供给和为覆盖表面而添加的蒸馏水。观察泡形成并拍照。泡在表面积聚并合并。使用蒸馏水洗涤瓶诱导水流跨越孔；再次观察泡形成并拍照。用诱导的水流观察到更细小的泡。

使用还原的多金属氧酸盐(0.3M溶液)重复这些实验。

从图7和8显示的照片可以看出，使用相对比例，在诱导的水流下的泡估计具有约50μm的直径。在图7中，水泡在表面破裂并且在水表面上能够看到微小的水滴。在图8中，也能看到1mm的表面泡。

从图9显示的照片可以看出，用POM进行的测量显示较大的泡，直径为约75μm至100μm。然而，由于POM的不透明性质，仅能观察到表面泡，并且这些与水实验中的那些一致。

参照图10，示出本发明的燃料电池101。该电池包括两个主要元件：燃料电池堆201和再生区301。例示的燃料堆201包括四个1/2膜电极装置401。以本领域熟知的方式，用双级板将每个膜电极装置和阴极401与其邻近的膜电极装置和阴极隔开，所述双级板包括用于在电池运行中使燃料(在阳极侧的情况下)穿过电极表面扩散的流动通道和将阴极电极和阴极电解质(在阴极侧的情况下)定位的井。在燃料电池堆的每个末端，提供单级隔板(是指，对于阳极仅在一侧上提供扩散通道；所述侧朝向电极和阴极的阴极井)。图10不试图显示这些板，因为它们的构造、组装和功能是本领域已知的。

阴极电解质通道601例示在图10中并且箭头表示电池周围的燃料流动的方向。

在线路501通过循环泵701将阴极电解质供给至燃料堆并回收，在电池运行中阴极电解质的氧化还原介体对组分在阴极已经被至少部分还原。回收包含至少部分还原的氧化还原介体对的阴极电解质并通过第一入口901将其供给至再生室801。在第二入口1001中进一步给再生室801提供氧化剂流；在这种情况下为空气。氧化剂通过多孔元件1201进入邻近通道(未示出)内部并且接触通过其的至少部分还原的阴极电解质。在电池运行中，将在再生室的溶液中流动的氧化还原对用于本发明作为还原氧的催化剂，如下(其中Sp为氧化还原对物质)：

O₂+4Sp_还原+4H⁺→2H₂O+4Sp_氧化

从再生室801通过第一出口1101回收包含再生氧化的氧化还原对的阴极电解液，并且可以通过循环泵701将其直接供给线路501。某些或全部的水蒸气可以通过除雾器(未示出)在冷凝器中冷凝并且返回至阴极电解液以便有助于在电池中保持湿度平衡。

在电池运行中，通过氧化燃料气而在阳极产生的电子以熟知方式在电路(未示出)中流动并且返回至阴极。

下列实施例进一步例示本发明燃料电池的可能优势。

实施例1

制备包含三十个电池和再生器区域的燃料电池系统，所述再生器区域包括八个平行再生器模块。每个模块包含直径为26mm管形多孔元件，其孔径为约50微米。阴极电解质流速为0.3m/秒。在阴极电解质通过多孔元件后，其流入采用内直径为32mm并且长度为200mm的开放管形式的膨胀区。系统产生1.5kW电输出。

Claims

1.氧化还原燃料电池，其包括：

由离子选择性聚合物电解质膜隔开的阳极和阴极

用于将燃料供给至所述电池的阳极区域的装置；

用于将氧化剂供给至所述电池的阴极区域的装置；

用于在所述电池的各个阳极和阴极间提供电路的装置；

2.如权利要求1所述的燃料电池，其中界定所述阴极电解质通道的壁的至少一部分是敞开的以将所述阴极电解质通道的内部暴露于至少一部分的所述多孔元件活性表面。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池，其中所述多孔元件包括烧结玻璃、金属粉末、多孔膜、网和钻孔或穿孔板中的一种或多种。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述多孔元件的活性表面的平均孔径为5微米至100微米。

5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述多孔元件的活性表面的平均孔径为20微米至50微米。

6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述活性表面由亲水材料形成或涂有亲水材料。

7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的燃料电池，其中除了所述活性表面以外，所述多孔元件由疏水材料形成。

8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述多孔元件为细长元件。

9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述多孔元件为圆柱形和/或管形。

10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述多孔元件包括：衬底，其具有通过其的孔，每个孔包括气体入口和气体出口，其中所述气体出口的宽度大于所述气体入口的宽度。

11.如权利要求10所述的燃料电池，其中每个孔的横断面形状为选自圆形、三角形、正方形、长方形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形和十边形中的一种。

12.如权利要求10或11所述的燃料电池，其中所述气体出口宽度比所述气体入口宽度大一个数量级。

13.如权利要求10至12中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述孔从所述气体入口向所述气体出口有规则地逐渐变细。

14.如权利要求10至12中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述孔从所述气体入口向所述气体出口无规则地逐渐变细。

15.如权利要求10至14中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述衬底上的孔密度为400孔/cm²至10000孔/cm²。

16.如权利要求10至15中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述衬底具有正方形排列并且所述衬底上的孔密度为1000孔/cm²至2500孔/cm²。

17.如权利要求10至16中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述衬底的厚度为约20微米至1000微米。

18.如权利要求10至17中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述衬底的厚度为约50微米至100微米。

19.如权利要求10至18中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述气体入口宽度为所述气体出口宽度的约0.1至0.2倍。

20.如权利要求10至19中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述平均气体入口宽度为约2微米至10微米。

21.如权利要求10至20中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述平均气体出口宽度为约5微米至100微米。

22.如权利要求10至21中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述平均气体出口宽度为约20微米至50微米。

23.如权利要求10至22中任一权利要求所述的燃料电池，其中在所述衬底的整个长度上，所述气体出口和/或气体入口的宽度变化不超过10%，优选小于1%。

24.如权利要求10至23中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述气体出口宽度约为期望的泡尺寸宽度的一半，其中优选地，所述期望的泡尺寸为50微米至100微米。

25.如权利要求10至24中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述衬底具有朝向所述孔的气体出口的活性表面。

26.如权利要求10至25中任一权利要求所述的燃料电池，其中至少一部分的所述活性表面由亲水材料形成或涂有亲水材料。

27.如权利要求10至26中任一权利要求所述的燃料电池，其中朝向所述孔的气体入口的至少一部分的所述表面由疏水材料形成或涂有疏水材料。

28.如权利要求10至27中任一权利要求所述的燃料电池，其中至少一部分的所述孔的内部涂有疏水材料。

29.如权利要求10至28中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述气体出口包括从所述活性表面突起的边缘。

30.如权利要求10至29中任一权利要求所述的燃料电池，其包括不锈钢箔和/或聚酰亚胺膜。

31.如权利要求10至30中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述每个孔的横断面形状是圆形的，并且所述气体入口和气体出口的宽度为所述气体入口和气体出口的直径。

32.如权利要求31所述的燃料电池，其中从所述气体入口朝向所述气体出口的锥形角度相对于每个孔的纵轴为约6°至26°，优选为10°至15°。

33.如权利要求31或32所述的燃料电池，其中每个孔为截头锥形。

34.如权利要求1至33中任一权利要求所述的燃料电池，其中提供的所述阴极电解质通道为邻近所述多孔元件外表面的管。

35.如权利要求1至33中任一权利要求所述的燃料电池，其中在所述多孔元件内形成了所述阴极电解质通道。

36.如权利要求1至35中任一权利要求所述的燃料电池，其中旋转装置提供所述阴极电解质通道。

37.如权利要求36所述的燃料电池，其中所述旋转装置包括进入所述阴极电解质通道的补偿液体入口或转向元件。

38.如权利要求1至37中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述阴极电解质通道在阴极电解质流的方向上的横断面积增加。

39.如权利要求1至38中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述再生区额外包括与所述阴极电解质通道流体连通的膨胀室。

40.如权利要求1至39中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述再生区额外包括与所述通道流体连通的分离室。

41.如权利要求40所述的燃料电池，其中所述分离室包括气旋分离器。

42.如权利要求1至7中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述多孔元件大体为平面的。

43.如权利要求1至42中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述再生区包括：

其中发生再生反应的室；

用于接收从所述电池的阴极区域进入所述室的还原的氧化还原介体对的第一入口；

用于将氧化的氧化还原介体对供给至所述电池的阴极区域的第一出口；和/或

用于接收氧化剂供给的第二入口；以及用于从所述室排出气体、水蒸气和/或热的第二出口。

44.如权利要求42所述的燃料电池，其还包括在所述再生区的第二出口中或所述再生区的第二出口上游提供的至少一个除雾器。

45.如权利要求44所述的燃料电池，其还包括在所述再生区的第二出口中或所述再生区的第二出口上游提供的用于冷凝水蒸气并且任选地使所述冷凝的蒸气返回至所述再生区的冷凝器。

46.如权利要求1至45中任一权利要求所述的燃料电池，其中所述阴极电解液还包含用于促进所述氧化剂与至少部分还原的氧化还原介体对之间的电子转移的氧化还原催化剂。

47.如权利要求1至46中任一权利要求所述的燃料电池，其中当存在所述氧化还原介体对和/或所述氧化还原催化剂时，所述氧化还原介体对和/或所述氧化还原催化剂包括：

多金属氧酸盐化合物；

具有二价反荷离子的多金属氧酸盐化合物；

N-供体化合物；

多齿N-供体配体，其包括至少一个杂环取代基，所述杂环取代基选自吡咯、咪唑、1,2,3-三唑、1,2,4-三唑、吡唑、哒嗪、嘧啶、吡嗪、吲哚、四唑、喹啉、异喹啉，以及选自被一个或多个前述杂环基取代的烷基、烯基、芳基、环烷基、烷芳基、烯芳基、芳烷基、芳烯基；

多齿大环N-供体配体；

修饰的二茂铁物质；

包含在环戊二烯基环间的桥接单元的修饰的二茂铁物质；和/或

配位的过渡金属络合物。

48.操作氧化还原燃料电池的方法，其包括：

提供由离子选择性聚合物电解质膜隔开的阳极和阴极；

提供包含至少一种阴极电解质组分的阴极电解液，所述阴极电解液包含氧化还原介体对；

通过所述阴极电解质通道邻近或朝向所述活性表面引导阴极电解液流；

将氧化剂供给至所述再生区的多孔元件；

将燃料供给至所述电池的阳极区域；

提供所述电池的各个阳极和阴极间的电路。

49.如权利要求48所述的方法，其中通过所述阴极电解质通道的所述阴极电解液的流速为至少约0.2m/s。

50.如权利要求48或49所述的方法，其中通过所述阴极电解质通道的所述阴极电解液的流速为至少约0.5m/s至1.5m/s。

51.用于操作权利要求1至47中任一权利要求所述的燃料电池的权利要求48至50中任一权利要求所述的方法。

52.权利要求1至47中任一权利要求所述的燃料电池在热电联产中的用途。

53.权利要求1至47中任一权利要求所述的燃料电池在向交通工具提供动力中的用途。

54.权利要求1至47中任一权利要求所述的燃料电池在电子元件中产生电力的用途。

55.热电联产系统，其包括至少一个权利要求1至47中任一权利要求所述的燃料电池。

56.交通工具，其包括至少一个权利要求1至47中任一权利要求所述的燃料电池。

57.电子元件，其包括至少一个权利要求1至47中任一权利要求所述的燃料电池。

58.阴极电解质再生系统，其包括：室；用于接收从电池的阴极区域进入所述室的还原的氧化还原介体对的第一入口；用于将氧化的氧化还原介体对供给至所述电池的阴极区域的第一出口；用于接收氧化剂供给的第二入口；以及用于从所述室排出气体、水蒸气和/或热的第二出口，与所述第一入口流体连通的阴极电解质通道，具有活性表面的多孔元件，所述阴极电解质通道设置为邻近或朝向所述活性表面引导阴极电解质流，其中：

a)所述多孔元件包括平均直径为5微米至100微米的孔；

b)至少一部分的所述活性表面由亲水性材料形成或涂有亲水性材料；和/或

c)除了所述活性表面以外，至少一部分的所述多孔元件由疏水材料形成。

59.如权利要求58所述的阴极电解质再生系统，其中所述多孔元件包括平均直径为20微米至50微米的孔。