CN107873111A - 可再生双极膜燃料电池的操作方法及其可再生双极膜燃料电池 - Google Patents

可再生双极膜燃料电池的操作方法及其可再生双极膜燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种操作可再生双极膜燃料电池的方法，和用于储存和产生能量的可再生双极膜电池。根据本发明的方法包括以下步骤：‑提供一种可再生双极膜燃料电池，其包括:‑反应器，所述反应器具有阳极室和阴极室，所述阳极室具有阳极，所述阴极室具有阴极；以及‑若干电池单元，所述电池单元分隔阳极室和阴极室，其中，所述电池单元包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、和双极膜，所述膜界定了所述室；‑在所述双极膜的两侧提供流体，所述流体的离子浓度使得双极膜两侧的流体的水活性差异最小化；‑通过向所述反应器提供外部电流而在能量储存状态下储存能量，以在与所述双极膜接触的流体之间实现pH差；‑在能量储存状态和能量产生状态之间切换；以及‑从与所述双极膜接触的流体之间的pH差在能量产生状态下使能量再生。

Description

可再生双极膜燃料电池的操作方法及其可再生双极膜燃料 电池
技术领域
本发明涉及一种可储存和产生能量的可再生双极膜燃料电池的操作方法。这使得在能量过剩的时段能够储存能量并在能量短缺时段能够使用该能量。能量的暂时储存对于匹配能量的供需以及能量需求的峰值调整具有重要意义。例如，这能够储存太阳能、风能和水能等供应的能量。
背景技术
常规的能量储存装置包括电池，而由于电池生产所需的许多重要元素的储备下降，电池无法从长远上提供可持续的储能。
常规的能量产生方法可以涉及利用电解液的差异进行反向电渗析过程(RED)，如WO2007/094659所述。例如，这种差异体现在海水和河水之间。这种RED过程也可用于中和酸性和苛性污水废物流(如，在半导体工业中)，且在处理这些废物流时产生能量。例如，US2013/0288142公开了使用包括双极膜的RED系统处理这种废物流的过程。
常规的方法和装置面临着如何可再生储存并产生能量，从而以有效方式匹配能量供应和能量需求关系的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可再生双极膜燃料电池的操作方法，所述可再生双极膜燃料电池被配置为储存并产生能量，且可以有效的方式在能量过剩的时段储存能量并在能量短缺的时段释放能量。
上述目的通过根据本发明的可再生双极膜燃料电池的操作方法来实现，其中，所述方法包括如下步骤：
提供一种可再生双极膜燃料电池，包括:
-反应器，所述反应器具有阳极室和阴极室，所述阳极室具有阳极，所述阴极室具有阴极；和
-若干电池单元，所述电池单元分隔阳极室和阴极室，其中，所述电池单元包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、和双极膜，所述膜界定了所述室；
-在双极膜的两侧以下述离子浓度提供流体：所述离子浓度使得双极膜两侧的流体间的水活性差异最小化；
-通过向反应器提供外部电流而在能量储存状态下储存能量，以在与双极膜接触的流体之间实现pH差；
-在能量储存状态和能量产生状态之间切换；以及
-从与双极膜接触的流体之间的pH差在能量产生状态下使能量再生。
提供一种使用包括阳离子交换膜、双极膜和阴离子交换膜的系统以储存电能的可再生双极膜燃料电池。该膜之间界定了室。该系统还能够通过相同的膜构造产生电能。这避免了在根据本发明的系统的不同状态或操作下需要使用不同的膜构造。这为可再生储存并产生能量提供了一种有效的方法。
在能量储存状态下，外部电流供应至所述反应器。更具体地，以实现浓度梯度的方式供应电流，所述浓度梯度涉及阳极室与阴极室之间的pH差。这涉及进行电渗析(ED)过程。例如WO 2007/094659中所描述的电渗析过程涉及在阳极和阴极之间施加电压，使正离子倾向于移动至阴极，而负离子倾向于移动至阳极。由于离子交换膜的使用，通过室的实际进给流会在在浓缩和稀释的电解液中变化(替换)。
根据本发明，在能量储存状态下，提供外部电流实现了与双极膜接触的流体的浓度增加。优选地，这些流体是酸性流体和碱性流体。这在与双极膜在其不同侧接触的流体之间实现了pH差。在本发明的现有的优选实施例中，第三溶液(即盐溶液)的浓度下降了。
当能量需求大于能量供应时，所述系统可以从能量储存状态切换至能量产生状态，从而可以从浓度梯度中(再)产生能量。这涉及进行反向电渗析(RED)过程，该过程在WO2007/094659也有所描述。由于浓缩和稀释的电解液之间的浓度差异，离子将倾向于从高浓度移动至低浓度。由于膜限制了离子运动的自由，阳离子和阴离子在相反方向进行净运输以保持阳极和阴极处的电中性，反应发生，使得电子从阳极流向阴极，从而产生电流。
根据本发明，在能量产生状态下，在双极膜的不同侧与双极膜接触的流体之间的pH差产生电流。在本发明的现有的优选实施例中，离子被输送至盐溶液以维持电中性。
在能量(再)产生状态下，产生能量优选地包括水解离，水解离优选地发生在双极膜中。在能量产生状态下，在双极膜的阴离子部分和阳离子部分的边界或中间层处，由于H+通过双极膜的阴离子部分到达该边界且OH-通过双极膜的阳离子部分到达该边界，从而形成H2O。H2O优选从通向相邻隔室的两个方向(优选地以等量)离开双极膜。
在阴极，通过进行4H2O+4e-→2H2+4OH-来进行水解离，而在阳极，阳极反应可能涉及2H2O→4e-+O2+4H+。这些反应发生在根据本发明的可能实施例中之一。应当理解，可以根据本发明设想在电极室中的替代反应。
电子通过外电路从阳极流至阴极，从而产生能量。进入的流体在能量产生状态下被稀释。利用反应器的不同室中的不同流体间的(离子)浓度差产生能量。
在能量产生状态下，双极膜的阴离子部分和阳离子部分的界面处生成水。所生成的水从双极膜两侧中的一侧离开所述双极膜。因此，该水稀释了与双极膜其中一侧接触的溶液。这影响了能量产生效率。所生成的水流更倾向于两种液体之一与双极膜的侧表面中的一侧表面直接接触的情况下，对能量产生效率的影响更为负面。
优选地，根据本发明，与双极膜接触的两种流体的水活性差异至少在能量产生状态最小化。这种做法具有以下效果：在双极膜中生成的水优选地平均分配到与双极膜接触的两种流体中，从而使能量产生效率的稀释作用最小化。
双极膜可以提供为单层或单薄层膜，其中一侧表面被处理，以充当阴离子交换部分，且处理另一侧表面以充当阳离子交换部分。此外，双极膜可以提供为层压膜，也称为多层膜。例如，层压的双极性膜可以提供为具有阴离子交换层和阳离子交换层的双层膜，或者为在阴离子交换层和阳离子交换层之间具有中间层的三层膜。在实践中，当使用层压的双极膜时，在与双极膜接触的液体中的水活性不相等的情况下，层压的双极膜可能发生膨胀或分层。这明显限制了这种双极膜和使用这种层压的双极膜的任何能量产生过程的适用性和/或有效性。
作为能量产生过程中双极膜两侧流体中的水活性差异最小化的另外的效果，层压的双极膜的膨胀或分层的风险显著降低。已经表明，与层压的双层膜接触的两种流体的水活性差异造成在常规方法和/或系统中经受的膨胀和分层问题。
根据本发明，提供在双极膜两侧的流体，所述流体具有的离子浓度根据本发明涉及双极膜两侧的流体的pH差，使与双极膜接触的两种流体的水活性差异最小化，防止所谓的层压的双极膜膨胀和分层。
因此，根据本发明的方法能够将用于再生储存和产生能量的双极膜用于在能量储存状态和能量产生状态下具有相同膜构造的系统中，从而使用单层或多层双极膜实现有效的能量再生储存和产生方法。实际上，由于使双极膜两侧的流体的水活性差异保持最小化，因而可以有效地产生能量。此外，维持与双极膜接触的两种流体的水活性差异最小化提供了层压的双极膜中出现的使常规方法和系统无效的膨胀和分层问题的解决方案。
作为另外的优点，根据本发明的方法提供比常规方法更安全和更有成本效益的能量储存和再生。
进一步地，根据本发明的方法可以应用于所谓的独立(stand-alone)应用中，换言之，应用于在离网(off-grid)应用中，从而在远程区域也能够进行有效的能量储存。
可以有利地应用本发明，特别是涉及源自可再生能源如太阳能、风能等存储和(再)产生电能。与在RED过程使用盐浓度的方法和/或系统相比，随着能量密度的增加，这种能量的储存成为可能。与基于稀释和浓缩的盐溶液的盐梯度相比，本发明使能量密度跟高，如系数高10-30倍。例如，使用稀释和浓缩的盐溶液时，能量密度为约0.5-1kWh/m3。
特别地，双极膜的使用能够使质子和氢氧根离子在膜内结合成水，为实现提高能量密度提供了有效手段。例如，如果在施加外部电流期间，根据本发明的方法产生22.2Wh，该能量储存于1升1摩尔酸溶液和1升1摩尔碱溶液中。这与22.2kWh/2m3，或11.1kWh/m3对应。为了能够应付日夜能量供应和能量需求状况，对于普通家庭，通常需要10-20kWh的能量储存容量。在这个例子中，这种储存容量可以用1至2m3的容积实现。应当理解，在使用更高浓度的流体的情况下，可以进一步降低所需的体积。
优选地在-20至+100℃的温度范围内，更优选地，在-10至+80℃的温度范围内操作所述系统。优选地，电极具有足够高的导电性和对水氧化和水还原的催化活性。可能的材料包括石墨、碳、涂覆有(混合的)金属氧化物(如PtxIry、RuxIry、RuOx、TaxIry)的钛和涂覆有贵金属如铂的钛。
在根据本发明现有的优选实施例中，使用时，所述反应器提供有三种流体，第一液体包括盐溶液，第二种液体包括酸溶液，第三种液体包括碱溶液。
设置三种流体为储存和产生能量提供了一种有效系统。酸和碱溶液设置在双极膜的相反侧，从而限定与双极膜接触的两种流体的pH差。盐流体设置在另一室中，且不与双极膜直接接触。
在能量产生状态下，根据本发明的反应器的电池单元优选包括三个腔室，所述腔室用阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜界定。这些膜把电池单元界定为三个室，从而能够提供通向所述单元的三种不同的流体。在能量产生状态下，设置这些液体使得与双极膜接触的双极膜的两侧液体具有pH差，而与双极膜接触的液体中的水活性差异保持最小。优选地，在能量产生状态下，在双极膜的阳离子层和阴离子层之间的中间层处形成水。
优选地，所述盐溶液包括以下离子中的一种或多种：Li+、Na+、K+,Mg2+、Ca2+、Ba2+和Cl-、F-、Br-、I-、SO4 2-、NO3 -、ClO4 -。
此外，优选地，所述碱溶液包括以下离子中的一种或多种：Li+、Na+和K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+和OH-。
优选地，所述酸溶液包括以下离子中的一种或多种：H+、和F-、Cl-、Br-、I-、SO4 2-、NO3 -、ClO4 -。
在根据本发明的现有的优选实施例中，使用酸溶液、碱溶液以及盐溶液来应用所述方法，所述酸溶液包括HCl，所述碱溶液包括LiOH和/或NaOH和/或KOH，所述盐溶液包括LiCl和/或NaCl和/或KCl。
在根据本发明的替代优选实施例中，使用酸溶液、碱溶液以及盐溶液来应用所述方法，所述酸溶液包括HNO3，所述碱溶液包括LiOH和/或NaOH和/或KOH，所述盐溶液包括LiNO3和/或NaNO3和/或KNO3。
在根据本发明的现有的优选实施例中，使用NaCl盐溶液、NaOH碱溶液或HCl酸溶液来应用所述方法。已经表明，这三种流体的浓度为0.5mol/l会造就用于能量的再生储存和产生的有效的方法。对于电极室中的溶液，使用包含0.5mol/l的Na2SO4的流体。应当理解，可以根据本发明设想用于电极的其它解决方案。
在根据本发明的现有的优选实施例中，NaCl和H2O的组合用于电渗析/能量储存,而HCl和NaOH的组合用于RED/能量产生。这为储存和产生能量提供了一种有效的操作。特别地，用于电极室的NaCl与NaOH、HCl和Na2SO4可有效地用于本发明的方法中。
在根据本发明的现有的优选实施例中，与双极膜接触的两种流体的水活性差异维持在-0.015至+0.015的范围内，优选地，在-0.012至+0.012的范围内，最优选地，在-0.01至+0.01的范围内。
维持与双极膜接触的两种流体的水活性差异在这些范围内提高了事实方法的整体效率，且防止(层压的)双极膜膨胀和/或分层，并限制了双极膜内生成的水不均等运输至与双极膜接触的两种流体。
在根据本发明的现有的优选方案中，所述方法还包括向一种或多种流体提供额外的电解液和/或有机化合物，以维持这种流体的水活性的步骤。
提供额外的电解液(提供背景电解质和/或有机化合物)能够使双极膜两侧处的水活性保持大致相等，而与双极膜接触的液体间的pH差可以用于产生电能。这种背景电解质可以包括电解质如，浓度为0.1至3mol/l的NaCl、KCl、KNO3。优选地，所提供的所有溶液都具有这样的背景电解液，以使在双极膜的两侧处的水活性维持大致相等。这为储存和产生电能提供有效的方法，并且所述反应器在该方法的不同状态中维持其构造。
在根据本发明的进一步优选实施例中，所述方法还包括控制与双极膜接触的两种流体的水活性差异的步骤。
当储存和/或产生电能时，例如，由于浓度变化，与双极性膜接触的两种流体的水活性差异可能开始变化。通过控制在边界内与双极膜接触的两种流体中的水活性差异，优选地，使与所述双极膜接触的两种流体中的水活性差异保持最小化，可以防止(层压的)双极膜膨胀和/或分层问题，提高所述方法的整体效率。
在根据本发明的现有的优选实施例中，可以通过控制与涉及泵控制器的泵速控制相关的、与所述双极膜接触的流体中的至少一种流体，来控制与所述双极膜接触的两种流体的水活性差异。
通过控制泵速，可以有效地控制各种流体的流速，从而操控与双极膜接触的流体的水活性差异。作为替代或与其组合，可以控制供应至一种或多种流体的背景电解液的量。
在操作期间控制与所述双极膜接触的两种流体间的水活性差异提高所述方法的整体效率，并且防止所述系统达到可能导致(层压的)双极性膜膨胀和/或分层的操作条件。
本发明还涉及一种用于储存和产生能量的可再生双极膜燃料电池，所述可再生双极膜燃料电池被配置为执行上述方法，所述电池包括：
反应器，所述反应器具有阳极室和阴极室，所述阳极室具有阳极，所述阴极室具有阴极；和
若干电池单元，所述电池单元分隔阳极室和阴极室，其中，所述电池单元包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、和双极膜，其中该膜界定所述室。
所述电池提供与上述方法相同的效果和优势。
更具体地，所述电池能够在能量过剩时段将能量储存在能量储存状态下作为化学能，并通过在能量短缺的时段转变这些成分来在能量产生状态下提供电能。因为电池被配置为使与双极膜接触的两种流体间的水活性差异保持最小化，这为储存可再生的能量提供了一个有效的系统。
在根据本发明的现有的优选实施例中，上述电池单元包括六边形形状。
对三个腔室电池单元设置六边形错流的电池，提供了有效的电池构造。电池单元的六边形形状特别地为电池单元的入口和/或出口处提供了最小压降。这使得所述构造比传统系统相对高效。
在现有的优选实施例中，所述燃料电池包括泵控制器，所述泵控制器被配置为基于与所述双极膜接触的流体的水活性差异控制泵速。通过操控泵速，与所述双极膜接触的流体的水活性差异可以维持在最小水平，从而提高所述方法的整体效率，并防止(层压的)双极膜膨胀和/或分层。除此之外，或者作为替代方案，可以控制背景电解液的泵速。
附图说明
基于优选实施例并参考附图，进一步阐述本发明的优点、特征和细节，其中：
图1展示能执行根据本发明的方法的反应器的构造；
图2展示一种替代构造；
图3A-E展示水活性差异Vs.一些溶液的质量摩尔浓度；
图4-7展示一些实验结果；
图8展示用于根据本发明的电池单元的六边形；
图9展示对20A/m2的放电电流密度响应的堆叠电压；以及
图10为不同条件下的堆叠电压。
具体实施方式
可再生双极膜燃料电池2(图1)包括分别在第一电极室8和第二电极室10中的第一电极4和第二电极6。应当理解，也可以根据本发明设想其他数量和构造的电极。在电极4、6之间设置若干分隔电极室8、10的膜。在所示的实施例中，设置了两个电池单元12。在第二电池单元12和第一电极4之间设置了阳离子交换膜20。
每个电池单元12包括被所述双极膜26分隔的阴离子交换膜22和阳离子交换膜24。电池单元12界定三个室28、30、32。使用时，第一室28提供有盐溶液，如0.5mol/l的NaCl。使用时，第二腔室30提供有酸溶液，如0.5mol/l的HCl酸溶液。使用时，第三室32提供有碱溶液，如0.5mol/l的NaOH。
电极4、6经由电路34连接。在所示的实施例中，所示系统2处于电能产生状态，其中，电路34包括负载36。进一步地，电路34包括用于接通和断开系统2的电能产生的开关38。
电极4、6由钛网制成，例如，具有混合的金属氧化物涂层，如PtxIry、RuxIry、TaxIry。
以具有十个电池单元12的系统2进行实验，所述电池单元12连续放置在电极4、6之间，所述电极4、6之间设置有(额外的)阳离子交换膜20且电池单元12的阳离子交换膜16中的一个为端膜。实验中电极室8、10使用的溶液为0.5mol/l Na2SO4。用于三个腔室电池单元12的盐溶液为0.5mol/lNaCl,碱溶液为0.5mol/l NaOH，且酸溶液为0.5mol/lHCl。下面将描述这种构造的结果。
在所示的实施例中，系统2包括用于三种特定流体的单独的泵40、42、44。应当理解，也可以为每个独立的室设置单独的泵以增加控制的可能性。在所示的实施例中，流体储存在容器46、48、50、52、54、56中。应当理解，也可以根据本发明提供其它构造和数量的容器。仅因为说明的原因，图中未表示用于液体离开系统2的容器。
系统58(图2)包括电极4、6和电池单元12，以说明电能产生的原理。在所示的实施例中，在电极4、6的电极反应包括在电极4处的反应4H2O+4e-→2H2+4OH-和在第二电极6处的6 2H2O→4e-+O2+4H+。在所示的系统58的能量产生状态下，电极4作为阴极，电极6作为阳极。在所示的电能产生中，浓缩的NaOH和HCl溶液被稀释，而NaCl液体在此状态中浓缩。
可选地，来自容器60(图1)的背景电解液由单独的泵62、64、66供应至其它三种流体。应当理解，还可以根据本发明来设想电解液的其它构造，这些构造具有一个或多个额外的容器60，和/或不同数量的泵62、64、64。
对于NaOH和HCl溶液，图3A展示了水活性差异Vs.质量摩尔浓度。对于增大至2的质量摩尔浓度，两种溶液的水活性几乎相等(同样参见图3B)。对于较高质量摩尔浓度，水活性差异开始明显增大。在根据本发明的方法以较高质量摩尔浓度进行的情况下，需要谨慎选择水活性。例如，质量摩尔浓度为6的NaOH的的水活性约等于质量摩尔浓度约为4.5的HCl的水活性。在这些水平时，与双极膜接触的HCl溶液和NaOH溶液的水活性差异可以保持为最小值。这展示了一种与双极膜接触的两种流体间的水活性差异的可能的操控方法。作为一种替代或与其结合，背景电解液可以用于减少与所述双极膜接触的流体间的水活性差异。
图3C展示了水活性Vs.硫酸(□)、LiOH(◇)、NaOH(Δ)和KOH(○)的质量摩尔浓度，以及溶液的最佳拟合。取决于流体的质量摩尔浓度，可以根据质量摩尔浓度展示其它流体的相应的水活性。应当理解，其它溶液也表现出了与质量摩尔浓度相关的类似的水活性，从而能够操控与双极膜26接触的两种流体的水活性差异。
图3D展示HCl相对于LiOH(◇)、HCl相对于NaOH(□)、HCl相对于KOH(Δ)的随质量摩尔浓度的水活性差异。也显示了水活性差异为0.01范围。使用KCl生成HCl和KOH的系统实现了所示水活性范围的最高可能质量摩尔浓度。图3E展示了针对HNO3对比LiOH(◇)、NaOH(□)和KOH(Δ)的水活性差异与质量摩尔浓度的对比，以及其最佳拟合和0.01的水活性范围。已经表明以NaNO3生成NaOH和HNO3的系统的两种流体的水活性差异最小，包括与双极膜26接触的质量摩尔浓度相同的NaOH和HNO3，且能够在最高质量摩尔浓度下操作，从而提高方法的整体效率，并且防止(层压的)双极膜26的膨胀或分层。
结果表明根据本发明的方法和/或系统中可以使用若干组合，如KNO3，优选地，NaNO3。应当理解，还可以根据本发明使用其它解决方案。
上述实验以十个电池单元的系统中进行，其中，所使用的每个膜的有效面积为100cm2。结果如图4-7所示。获得的最大功率为约0.65瓦特。有效的电极面积为约100cm2。总安装膜面积为约3.000cm2。测试在室温下进行。图4展示功率vs.放电电流。图5为功率密度(瓦特/平方米)vs.放电电流密度(A/m2)，其中，总安装膜面积用于计算功率密度，且电极面积用于计算电流密度。在实验中，电极反应包括生成氧气的水氧化反应和生成氢气的水还原反应。这导致与连续置于电极之间的有限数量的膜单元相关的电极处的电压损失较高。通过增加电极4、6之间的电池单元12的数量可以使这些损失最小化。
图6展示了堆叠电压vs.放电电流，表明了曲线斜率为约12.9Ohm。堆叠电压降低，而损失出现在发生水氧化和水还原反应的地方。通过增加电极之间膜的数量可以降低曲线的斜率，因为这降低了电极处相对电压损失的影响。由膜电阻(Ralex)阴离子和阳离子交换膜、和Fumatech双极膜计算膜电阻分布。图7展示了十个膜单元堆叠以及溶液和电极4、6的电阻分布，并且每个电池单元12具有阳离子交换膜(CEM)、双极膜(BPM)和阴离子交换膜(AME)。
该实验展示说明根据本发明的用于储存和(再)产生电能的方法的适用性。
在一个替代实施例中，电池单元12(图8)的堆叠68设置为六边形70。堆叠68具有用于盐溶液的入口72和出口74，用于酸溶液的入口76和出口78以及用于碱溶液的入口80和出口82。六边形70界定用于堆叠68的活性区域84。六边形70减少了在堆叠60的入口和出口处的压降。
以根据系统2的实验装备进行了另外的实验，系统2具有10个电池单元12，该10个电池单元12置于电极4、6之间。在这个实验中，电极的电极面积为约100cm2。对于具有三种不同的膜型，即，AEM、CEM和BPM的10个电池，总安装膜面积约为0.3m2。在放电率约20A/m2的实验中，最大持续时间为约4小时。所实施的解决方案涉及1M NaOH和1M HCl。当用系统2产生能量时，实验中放电时没有出现BPM膨胀。
堆叠电压对20A/m2的放电电流密度的响应(图9)显示为平滑的放电曲线。电压在开始时快速下降后，缓慢地稳定。实验中注意到NaCl的pH值从中性变为11.5，这可能引起氢氧根离子比质子共离子运输更高的共离子运输。
还进行了另外的实验以在6小时内测试系统2的性能。实验以新制备的1M HCl、1MNaOH和0.5M NaCl溶液开始。测试包括不同相，开始以20A/m2放电4小时，随后为等效的1小时100A/m2充电，接着是10分钟开路电压(OCV)条件，最后以20A/m2放电1小时。
实验中监测的堆叠电压(图12)表明系统有效放电4小时。然后，系统可以充电，实现碱溶液pH＝13和酸溶液pH＝3。OCV返回至初始电压。接下来，在实验中实现最后一小时放电。进一步地，实验中注意到NaCl溶液的pH几乎立刻下降至pH＝2，并在余下实验中一直维持在这个水平。这可能表明质子的共离子运输大于氢氧根离子的共离子运输。在第一次放电时，可以计算出获得约28800C，这表明与1M Hcl和1M NaOH中潜在的(理论)最大值96485C相比，库伦效率，η，为约30％。在第二次充电和放电中，可以计算出库伦效率为约25％，因为在充电中施加了28800C，放电过程中获得7140C。
实验表明了本发明的适用性。应当理解，用不同的实验装置可以获得类似的结果。例如，可以改变电池的数量。
本发明不限于上述优选实施例。本发明的保护范围由所附权利要求书限定，在本发明的范围内可以设想许多修改。

Claims (17)

1.用于操作可再生双极膜燃料电池的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供可再生双极膜燃料电池，所述可再生双极膜燃料电池包括:
-反应器，所述反应器具有阳极室和阴极室，所述阳极室具有阳极，所述阴极室具有阴极；和
-若干电池单元，所述电池单元分隔阳极室和阴极室，其中，所述电池单元包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、和双极膜，所述膜界定了所述室；
-向所述电池提供若干种流体，其中在所述双极膜的两侧以下述离子浓度提供至少一种流体：所述离子浓度使得所述双极膜两侧的流体的水活性差异最小化；
-通过向所述反应器提供外部电流而在能量储存状态下储存能量，以在与双极膜接触的流体之间实现pH差；
-在能量储存状态和能量产生状态之间切换；以及
-从与双极膜接触的流体之间的pH差在能量产生状态下使能量再生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，双极膜两侧的流体的水活性差异在能量产生状态下被最小化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，储存能量包括水解离。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述水解离在双极膜中进行。
5.根据前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，使用时，所述反应器提供三种流体，其中，第一流体包括盐溶液，第二流体包括酸溶液，第三流体包括碱溶液。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述盐溶液包括以下离子中的一种或多种：Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+和Cl-、F-、Br-、I-、SO4 2-、NO3 -、ClO4 -。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述碱溶液包括以下离子中的一种或多种：Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+和OH-。
8.根据权利要求5、6或7所述的方法，其特征在于，所述酸溶液包括以下离子中的一种或多种：H+和F-、Cl-、Br-、I-、SO4 2-、NO3 -、ClO4 -。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述酸溶液包括HCl，所述碱溶液包括LiOH和/或NaOH和/或KOH，且所述盐溶液包括LiCl和/或NaCl和/或KCl。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述酸溶液包括HNO3，所述碱溶液包括LiOH和/或NaOH和/或KOH，且所述盐溶液包括LiNO3和/或NaNO3和/或KNO3。
11.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，与所述双极膜接触的两种流体的水活性差异维持在-0.015至+0.015的范围内，优选地，在-0.012至+0.012的范围内，且最优选地，在-0.01至+0.01的范围内。
12.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括供应额外的电解液和/或有机化合物，以维持这种流体的水活性的步骤。
13.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括控制与所述双极膜接触的两种流体的水活性差异的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，控制与所述双极膜接触的两种流体的水活性差异包括用泵控制器来控制一种或多种流体的泵速。
15.用于储存和产生能量的可再生双极膜燃料电池，所述可再生双极膜燃料电池被配置为执行根据前面任一项权利要求所述的方法，所述电池包括：
-反应器，所述反应器具有阳极室和阴极室，所述阳极室具有阳极，所述阴极室具有阴极；以及
-若干电池单元，所述电池单元分隔阳极室和阴极室，其中，所述电池单元包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、和双极膜，所述膜界定所述室。
16.根据权利要求15所述的电池，其特征在于，所述电池单元包括六边形形状。
17.根据权利要求15或16所述的电池，其特征在于，所述电池还包括泵控制器，所述泵控制器被配置为基于与所述双极膜接触的流体间的水活性差异控制泵速。
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