CN1495954A - 熔融氢化物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池组件，包括至少一个燃料电池(10)。该燃料电池(10)包括通过至少一个含有电绝缘材料的间隔元件(22)以间隔分开的关系保持的阳极(15)和阴极(16)。间隔元件(22)的近端与阴极(16)接触，远端与阳极(15)接触。电解质(17)设置于其间，与阳极(15)和阴极(16)接触。电解质(17)包括在燃料电池工作温度下氢负离子的电导系数大于约0.95的熔融盐。提供邻接于阴极(16)的燃料气体入口(18)以便将燃料气体传送给电解质。提供邻接于阳极的氧化气体入口(19)以便将氧化气体传送给电解质(17)。排气口(20)与阳极(15)流体连通。

Description

熔融氢化物燃料电池
技术领域
本发明总的来说涉及燃料电池领域，尤其涉及含有液体电解质的燃料电池。
背景技术
在本领域中人们已知各种类型的燃料电池，这些燃料电池是把来自化学反应的能量转化为电能的装置。各类型的燃料电池具有一个或多个方面的局限性，这些局限性使得燃料电池仅能应用于专门应用。例如，在由单独加热装置保持以产生氢的高温(例如约800℃至约1300℃)下，通过氢化锂和氢化钠混合物的热分解，热再生液体燃料电池引起氢流动。然后，氢在高压下(10个大气压或更高)穿过电池，从而使氢负离子迁移，氢负离子在电极上释放电子从而产生电能。仅一小部分热能转换为电能。高温加热装置的需要和处理高压气体的能力提高了设计复杂性，这包括在尺寸和成本方面的限制。另一个例子是常规的氢-氧燃料电池，这里所采用的电解质对于正氢离子(H+)的质量输运具有有限的迁移率，因此，和理想状态下可获得的电化学转化相比，所产生的电能非常少。此外，在其它类型的燃料电池中，例如利用聚合物电解质的燃料电池，由于存在气态杂质，例如一氧化碳、硫化氢、氯等，因此存在着污染电极的极大风险。
固体氧化物燃料电池采用固态的金属氧化物陶瓷电解质。这些电解质在约1000℃的高温下工作。此高工作温度允许氧离子的传输，此氧离子在电极处释放电子以产生电能。然而，易碎的陶瓷电解质的采用、耐高温的结构材料的需求以及额外的冷却系统的需求限制了固体氧化物燃料电池的可靠性。
因此，本领域需要一种燃料电池，和目前的燃料电池相比，该电池在低温下更有效和可靠的工作。
发明概述
本发明的实施例提供一种包括至少一个燃料电池的燃料电池组件。燃料电池包括通过含有电绝缘材料的至少一个间隔元件以间隔分开的关系保持的阳极和阴极。间隔元件的近端与阴极接触，远端与阳极接触。电解质设置于其间，与阳极和阴极接触。电解质包括在燃料电池工作温度下氢负离子的电导系数大于约0.95的熔融盐。提供邻接于阴极的燃料气体入口以便将燃料气体传送给电解质。提供邻接于阳极的氧化气体入口以便将氧化气体传送给电解质。排气口与阳极流体连接。
本发明的另一实施例提供一种包括至少一个燃料电池的燃料电池组件，燃料电池进一步包括通过至少一个间隔元件以间隔分开的关系保持的阳极和阴极。间隔元件包括电绝缘材料。间隔元件的近端与阴极接触，远端与阳极接触。电解质设置于其间并与阳极和阴极接触，电解质包括从由氯化锂和氯化钾构成的组中选出的至少一种熔融碱金属卤化物，并进一步包括氢化锂。提供邻接于阴极的燃料气体入口以便将燃料气体(包括氢)传送给电解质。提供邻接于阳极的氧化气体入口以便将氧化气体(包括氧)传送给电解质。排气口与阳极流体连接。
本发明的再一实施例中提供一种燃料电池，该电池包括阳极、与阳极间隔分开的阴极、与阴极流体连通的氢负离子源、与阳极流体连通的氧源、及电解质。电解质包括熔融盐，此熔融盐具有在燃料电池工作温度下氢负离子电导系数大于约0.95的氢负离子。
参考下面描述、所附权利要求书和附图更好地理解本发明的这些和其它特点、方面和优点。
附图的简要说明
图1是用于将化学能转化为电能的燃料电池的截面图。
图2是表示发电机理的燃料电池截面图。
图3是在集中发电装置中燃料电池堆的典型应用。
具体实施方式
参考图1，本发明的一个实施例是燃料电池组件，该组件是包括至少一个燃料电池10的阵列或叠层。根据此实施例的燃料电池10包括阳极15和阴极16，它们通过至少一个间隔元件22以间隔分开的关系设置。根据该实施例的间隔元件22包括电绝缘材料，例如氧化铝、氧化锆、氮化硼、氮化硅、氮化铝和硅酸盐玻璃，但不限于此。间隔元件22还包括与阴极16接触的近端和与阳极15接触的远端。
在一个实施例中，阳极15和阴极16的至少一个包括可透过氢的固体薄膜。这些材料的氢吸收特性使得例如由燃料气体入口18提供的燃料气体迅速扩散。在特别实施例中，此薄膜包括从钯、钒、β钛、及含钯和银的合金构成的组中选出的至少一种材料。在另一实施例中，阳极15和阴极16的至少一个包括烧结难熔材料，该材料也通过多孔结构使得气体迅速扩散。适用的烧结难熔金属包括钼、钨、铼和钒，但不限于此。在另一实施例中，在阳极15和阴极16的至少一个中采用含烧结难熔材料和固体薄膜的复合材料，以便于加速气体扩散。
在特定实施例中，阳极15和阴极16是管状结构。管状结构有助于保持均匀流动，由此贯穿燃料电池建立起稳定的密度梯度。这导致了燃料电池稳定的、不受时间约束的电流特性。此外，管状结构保持了结构的整体性，在长时间周期内有效，并增强了封装的紧凑性。在另一实施例中，阳极15和阴极16是平面的。平面几何结构提高了扩散速率，增加了功率密度。此外，由于制造的方便性，因此平面结构适用性更强。
在某些实施例中，阳极15和阴极16的至少一个的厚度在约50微米至约500微米的范围内。在特定实施例中，阳极15和阴极16的厚度在约50微米至约250微米的范围内。仍根据本发明的一些其它的实施例，阳极15和阴极16的厚度可以在约75微米至约150微米的范围内。一般来说，为了使燃料电池10的电阻最小，在机械设计限制允许的范围内，阳极15和阴极16的厚度应设计成尽可能低。
电解质17设置在阳极15和阴极16之间并与它们接触。电解质17包括熔融盐，该熔融盐在燃料电池工作温度下具有大于约0.95的氢负离子电导系数。利用具有在此范围内的氢负离子(H-)电导系数的电解质17确保了燃料电池以合适的成本效率工作。在某些实施例中，燃料电池工作温度在约250℃至约650℃的范围内，此温度保证了适用的电解质材料处于熔融状态并能够以所需水平的效率传导氢负离子。在特定实施例中，电解质17的燃料电池工作温度在约250℃至约600℃的范围内。根据本发明的特定实施例，燃料电池工作温度在约300℃至约450℃的范围内。
在某些实施例中，电解质17包括至少一种熔融碱性卤化物和至少一种熔融金属氢化物。本发明人发现，在上述范围内的燃料电池工作温度下，此类型的电解质具有合适的高氢负离子电导率，此类型的电解质将用在本发明的实施例中。根据本发明的一个实施例，碱卤化物从由氯化锂、溴化锂、氟化锂、氯化钾、溴化钾、氟化钾、氯化钠、溴化钠、氟化钠及其混合物构成的组中选出。合适的碱性氢化物包括氢化锂、氢化钾、氢化钠及其混合物构成的组中选出，但不必限于此。根据本发明的一个实施例，熔融盐包括为熔融盐混合物总量的约5wt％-约25wt％的碱性氢化物。即使在燃料电池的最初启动时，这也确保了氢负离子的迁移率。在特定实施例中，熔融盐包括为熔融盐混合物的约10wt％-约20wt％的碱性氢化物。
邻接于阴极16的燃料电池入口18将燃料气体传送给电解质17。在某些实施例中，燃料气体包括氢；适用的燃料气体包括含甲烷和丙烷中至少一种气体，但不限于此。本领域的普通技术人员应理解，在碳氢化合物例如甲烷或丙烷用作燃料气体的情况下，采用重整装置(未示出)从碳氢化合物中提取氢，然后把氢通过燃料气体入口18转移到电解质17。邻接于阳极15的氧化气体入口19将氧化气体传送到电解质17。在某些实施例中，氧化气体包括氧，在特定实施例中，氧化气体包括空气。
参考图2，燃料气体通过阴极16扩散。根据反应106，燃料气体中的氢与在电极中的自由电子反应。
经过电解质17传输的氢负离子扩散到并经过阳极15，在此它们接触氧化气体并与该气体反应以生成水和自由电子。阳极15用作物理阻挡层，从而防止氧化气体和反应产物水与电解质17混合。当自由电子连接到外部负载21时，它们从阳极15向阴极16流动。如下，表示出图2中的阳极反应107。
总反应表示为：
上述反应是放热的，因此在最初起动之后将燃料电池的工作温度保持在恒定值。由此在反应中形成的水分子转化成汽相。未用过的气体和水蒸汽通过排气口20排出。
本发明的另一实施例是这样一种燃料电池，它包括阳极15、与阳极15间隔分开的阴极16、与阴极16流体连通的氢负离子源、与阳极流体连通的氧源、包括熔融盐的电解质17，熔融盐具有在燃料电池工作温度下电导系数大于约0.95的氢负离子。本发明的燃料电池组件的元件的各种供选的方案也可以应用于这些燃料电池的实施例中。在这些实施例中，氢负离子源经常是燃料气体，氧源经常是氧化气体，正如前所述。
燃料气体和氧化气体可以由各种来源获得，因此这种类型的燃料电池适用于各种应用。例如，它可以用在安装了便携式重整装置单元的刹车中，在此单元中碳氢化合物裂解为氢，因此适合用在电力驱动车辆或任何其它小规模发电中。图3中示出了在中央发电装置中用于大规模发电的典型燃料电池堆。对于在中央发电装置中的大规模发电，氢一般可以通过水气转移反应由煤气获得。在相移变换器201中由煤重整气体生成的氢气输送到燃料电池堆200的入口204。燃料电池堆200包含单个燃料电池单元210。将氧或大气输送给燃料电池堆200的入口205。在如上说明的反应中产生的未用过的氧和水蒸汽经由冷凝器216和连接管214进行再循环。未用过的氢从口207通过连接管212再循环。燃料电池还可以用于航天发电设备，在此设备中氢和氧由低温存储箱218提供。
在此描述了不同的实施例，同时还应理解，本领域的普通技术人员可以在此进行各种元件的组合、变化、替代或改善，并且这些改变仍在所附权利要求书所限定的本发明的范围之内。
元件列表
10燃料电池
15阳极
16阴极
22间隔元件
18燃料气体入口
17电解质
21外部负载
20排气口
19氧化气体入口
23未用过的燃料气体废气
106阴极反应
107阳极反应
108电流流动
201相移变换器
204氢入口
205氧或空气入口
200燃料电池堆
210燃料电池单元
216冷凝器
214再循环未用过的氧和水蒸汽的连接管
212再循环未用过的氢的连接管
207未用过的氢排气口
218低温存储箱

Claims (10)

1.一种燃料电池组件，包括：
至少一个燃料电池(10)，包括：
a.通过至少一个间隔元件(22)以间隔分开的关系保持的阳极(15)和阴极(16)，所述至少一个间隔元件(22)含有电绝缘材料、与所述阴极(16)接触的近端、和与阳极(15)接触的远端；
b.电解质(17)，包括在燃料电池(10)工作温度下氢负离子的电导系数大于约0.95的熔融盐，所述电解质(17)设置在所述阳极(15)和所述阴极(16)之间并与它们接触；
c.燃料气体入口(18)，用于将燃料气体传送给所述电解质(17)，其中所述燃料气体入口(18)邻接于所述阴极(16)；
d.氧化气体入口(19)，用于将氧化气体传送给所述电解质(17)，其中所述氧化气体入口(19)邻接于所述阳极(15)；以及
e.排气口(20)，其与所述阳极(15)流体连通。
2.根据权利要求1的燃料电池组件，其中所述阳极(15)和所述阴极(16)的至少一个包括可透过氢的固体薄膜。
3.根据权利要求2的燃料电池组件，其中所述薄膜包括从由钯、钒、β钛和含钯和银的合金构成的组中选出的至少一种材料。
4.根据权利要求1的燃料电池组件，其中所述阳极(15)和所述阴极(16)的至少一个包括至少一种烧结难熔材料。
5.根据权利要求4的燃料电池组件，其中所述烧结难熔材料包括从由钼、钨、铼和钒构成的组中选出的至少一种材料。
6.根结权利要求4的燃料电池组件，其中所述阳极(15)和所述阴极(16)的至少一个进一步包括复合材料，所述复合材料包括所述烧结难熔材料和可透过氢的固体薄膜。
7.根据权利要求1的燃料电池组件，其中所述阳极(15)和所述阴极(16)的至少一个的厚度在从约50微米至约500微米的范围内。
8.根据权利要求1的燃料电池组件，其中所述熔融盐包括至少一种熔融碱卤化物和至少一种熔融金属氢化物。
9.一种燃料电池组件，包括：
a.通过至少一个间隔元件(22)以间隔分开的关系保持的阳极(15)和阴极(16)，所述至少一个间隔元件(22)含有电绝缘材料、与所述阴极(16)接触的近端、和与所述阳极(15)接触的远端；
b.电解质(17)，包括从氯化锂和氯化钾构成的组中选出的至少一种熔融碱金属卤化物，并进一步包括氢化锂，所述电解质(17)设置在阳极(15)和所述阴极(16)之间并与它们接触；
c.燃料气体入口(18)，用于将含氢的燃料气体传送给所述电解质(17)，其中所述燃料气体入口(18)邻接于所述阴极(16)；
d.氧化气体入口(19)，用于将含氧的氧化气体传送给所述电解质(17)，其中所述氧化气体入口(19)邻接于所述阳极(15)；以及
e.排气口(20)，其与所述阳极(15)流体连通。
10.一种燃料电池(10)，包括：
阳极(15)；
阴极(16)，其与所述阳极(15)间隔开；
与所述阴极(16)流体连通的氢负离子源；
与所述阳极(15)流体连通的氧源。
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