燃料电池制造技术

一种燃料电池，至少包括下面的元件：ａ）两个电极，每个为反应气体至少提供有一个气体输送管道，ｂ）液体电解质，电极各自的气体输送管道每个具有至少一个入口，并与由电极的排列决定的负载下的离子的移动方向垂直。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池，特别是具有注入电解质的电极的不可分开的燃料电池。燃料电池是将化学能转换成电能的能量转换器。在燃料电池中，电解的原理被颠倒过来。现在已有各种类型的燃料电池，它们尤其是在工作温度上彼此不同。但是，所有类型燃料电池的结构基本上是相同的，尤其是包括两个电极，即阳极和阴极，反应在其上发生；和两个电极之间的电解质。它具有三项功能。它建立离子接触，防止电接触，并且还用于分离注入电极的气体。电极通常被提供有进行氧化还原反应的气体。例如，阳极被提供有氢气而阴极被提供有氧气。为实现这一目的，电极被提供有导电的气体分布设备。这些通常是具有格子状表面结构的板，格子状表面结构由细通道的系统组成。一个例外是直接甲醇燃料电池，其中燃料不是气态，而是液态甲醇溶液。所有燃料电池中的整个反应可以被分成阳极子步骤和阴极子步骤。各种类型的电池由于工作温度、使用的电解质和可能的燃料气体而存在不同。基本的差别在于低温燃料电池和高温系统之间。低温燃料电池通常具有很高的电效率。但是，它们释放的热量因为低温水平而使用困难。这样这些燃料电池只用于短程加热，并且不用于流动的能量转换过程。这样低温燃料电池适用于移动使用和分散的低功率应用。另一方面，可以高温系统下游安装发电级，来从产生的热量中产生电能，或利用后者作为过程加热。燃料电池工艺的现今状态包括下面的工业相关类型AFC(alkaline fuel cell，即碱性燃料电池)PEFC(polymer electrolyte fuel cell，即聚合体电解质燃料电池)PAFC(phosphoric acid fuel cell，即磷酸燃料电池)MCFC(molten carbonate fuel cell，即熔化碳酸盐燃料电池)SOFC(solid oxide fuel cell，即固体氧化物燃料电池)特别是聚合体电解质燃料电池和磷酸燃料电池，由于既用于固定应用又用于移动应用，而现在引起重大的兴趣，而且它们广泛的商业应用即将到来。另一方面，其它类型迄今为止，现在或从前只运行于少量的示范工厂，或用于特别应用，例如在太空飞行部门或用于军事目的。根据现有技术，所有燃料电池具有气体渗透性、多孔性电极，作为三维电极为人所知。这些电极被统称为气体扩散电极(GDE)。通过这些电极，各自的反应气体被运送靠近电极(参考附图说明图1)。所有燃料电池中出现的电解质保证离子电荷在燃料电池中运输。它具有附加任务，在两个电极之间形成不漏气的屏障。而且，电解质保证并帮助稳定三相层的形成，电解反应可以在其中发生。在碱性燃料电池中，电解质可以是液体。另一方面，在磷酸燃料电池和熔化碳酸盐燃料电池中，无机的、惰性的支持形式，与电解质一起，形成离子传导的和不漏气的基体。在固体氧化物燃料电池中，高温氧离子导体通常作为电解质并同时作为膜。聚合体电解质燃料电池使用有机离子交换膜，在工业应用的情况下使用预氟化的阳离子交换膜，作为电解质。电极的结构和电解质的类型决定三相边界层。相反地，这些类型燃料电池的每个的边界相的结构，导致对气体扩散电极和电解质的特定需求。对于电流密度、温度条件，支持材料的使用和催化剂及助剂的使用予以限制。在阳极和阴极分离气体空间的密封导致结构复杂，这样也导致高成本和技术难度。在所有现今的燃料电池中，反应气体从电极的相反一侧，也就是，在每种情况下从反电面对远处的一侧，通过气体分布系统提供给电化学活性区。在负载下，气体运输和离子移动与给出的电极形状垂直发生，且离子在电极之间的移动和气体向电极移动发生在相反一侧。这样在所有方式中，气体运输和离子运输平行进行(参考图1)。这会有这样的结果，如果不被特别提供的分离媒介，或者如在一些AFC中，通过限定电解质在电极上的流动来防止混合，好的气体运输到两个电极之间的边界，将导致反应气体在这一边界的混合。反应气体的混合由于安全原因必须被避免。而且，气体到另一个电极将导致在各自电极形成混合电势。这将导致功率急剧减小。但是，提供稳定运输和分离方法的困难，实质上限制了投入产出比和今天燃料电池的效率。而且，现今燃料电池的这一工作原理使燃料电池的水平衡和热量控制更困难。例如在PEFC的情况下，形成的水必须从电池中去掉，使气体扩散电极不会失效，而另一方面，系统必须保持足够潮湿来保证膜的导电性。而且，由于材料经受小的热应力，特别是离子交换膜，热量释放恐怕是电池长期有效性的重要标准。本专利技术的一个目的是提供一种燃料电池，它避免了现有的燃料电池的上述工作原理中内在的缺点。我们已经发现通过这样的电池可以实现这一目标，它包括至少下面的元件a)两个电极，每个为反应气体至少提供有一个气体输送管道，b)液体电解质。其中电极各自的气体输送管道具有至少一个入口，并与由电极的排列决定的负载下的离子移动方向垂直。为了本专利技术的目的，“垂直”意味着气体输送管道与离子移动方向之间的夹角，在90°±45°的范围，最好是90°±20°，更好是90°±10°。根据本专利技术作为反应气体被垂直于离子移动方向运输的结果，反应气体在两个电极之间的边界上的混合被避免，而不必有适当的分离媒介或，如在AFC的情况下，电极上适当的电解质的流动。相比于已知的燃料电池，这相当地提高了本专利技术的燃料电池的经济性和效率。这样，不再需要膜来使反应气体分离。在本专利技术进一步的优选实施例中，两个电极是电解质注入电极或可以被注入电解质的电极。各自的电化学活性区这样不被限制于两个电极各自的表面，或两个电极之间相应的区域，视各自电极中的气体输送管道的结构而定，可以占据相当大的区域。本专利技术的燃料电池这样比以前的电池更经济，以前的电池只具有空间非常有限的电化学活性区。而且，不再需要使用气体扩散电极，也就是多孔的、气体透过性的主体，它使气体运输到电化学活性层。迄今为止使用的气体扩散电极是复杂的多部件系统，具有一组亲水性或厌水性、多孔性、催化剂负载或传导率。它们非常贵并有时也化学不稳定。去掉膜现在变得可能了，也相当地减小了成本。而且，根据本专利技术的结构也消除了电压的损耗，它迄今为止发生在气体扩散电极和在不可缺少的膜或其它分离媒介中。结果，本专利技术的燃料电池的能量产出及总效率，与现有技术相比增加了。在本专利技术的优选实施例中，燃料电池是不可分开的电池，因为当使用本专利技术的原理时，电极空间的分离不再绝对必要，并且不再有反应气体以不受控方式彼此混合的危险。这样不再需要由于安全原因而分开的燃料电池。在本专利技术的另一个实施例中，燃料电池具有分布系统，在每种情况下将至少一种反应气体引入两个电极的气体输送管道。这里给出的优先选择是使用原理上已知的结构。特别给出的优先选择是使用微混合器。根据本专利技术，分布系统被这样设计，使气泡的均匀的细流在电极中产生。这增加了系统的电流密度。作为反应气体，给出的优先选择是使用氧气和氢气。但是，这里使用甲醇或甲烷也可以考虑。在本专利技术的另一个优选实施例中，反应气体被至少一种合适的惰性的气体稀释。这里给出的优先选择是使用氮气。使用CO2作为惰性的气体也是可以考虑的。最好以至少一种惰性的气体稀释的反应气体，最好从下面通过本专利技术的分布系统注入到燃料电池腔，并提供给各自电极中的相应气体输送管道，使它们被垂直于离子移动方向运输。例如这意味着，反应气体与两个电极之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃料电池，它包括至少下面的元件：ａ）两个电极，每个为反应气体至少提供有一个气体输送管道，ｂ）液体电解质，其中电极各自的气体输送管道每个具有至少一个入口，并与由电极的排列决定的负载下的离子的移动方向垂直。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：赫尔曼普特，
申请(专利权)人：巴斯福股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]