再生燃料电池制造技术

提供了能够在功率输送模式和能量储存模式下工作的再生燃料电池。所述电池可包括在阳极隔室中的可逆氢气阳极、在阴极隔室中的可逆阴极和将所述阳极隔室与所述阴极隔室分隔的隔膜，所述隔膜能够选择性地使质子通过。所述阴极隔室内可以提供添加剂。阴极隔室内可以提供添加剂。阴极隔室内可以提供添加剂。

【技术实现步骤摘要】
再生燃料电池
[0001]本申请是申请日为2016年12月13日，申请号为201680079013.X，名称为“再生燃料电池”的专利技术专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术通常涉及再生燃料电池(regenerative fuel cell,RFC)
更具体地，本专利技术涉及RFC技术中添加剂的使用。

技术介绍

[0003]再生燃料电池及其用于储存和输送电力的方法已为人所知多年。它们是用于能量储存和功率输送的电化学装置。在功率输送阶段，电化学活性物质被提供给电极，在此它们进行电化学反应来产生电化学功率。在储存阶段，电功率用于使电化学活性物质再生并将其储存。
[0004]因为电化学活性物质可以与电极隔室分开储存并在需要时供应，因此该设备的发电能力可以相当大且是可扩展的。
[0005]电化学反应发生在离子转运系统(例如隔膜)的任一侧，其中载流子可以通过隔膜来运输或交换。
[0006]这些再生燃料电池(RFC)系统中的基本电化学过程可以通过简单的氧化还原反应式来描述，其中反应在系统的能量储存模式下以一个方向进行，而在系统的功率输送模式期间以相反的方向进行，术语“氧化还原”定义了还原和互补的氧化一起发生的反应。
[0007]然而，尽管这看似是简单的电化学过程，在实际应用中实现这些系统遇到了较多限制。实际问题包括危险材料的使用、效率低下、系统尺寸、电解质流动的堵塞和阻塞、物质交叉、气体的形成，尤其是材料成本和设备成本。这些阻止了RFC在工业中被广泛采用。
[0008]能量储存技术具有广泛的潜在应用。大多数可再生能源技术不能轻易调整其功率输出以满足波动需求，因此能源储存对于实现低碳/可再生能源的实施具有重要意义。能量储存技术还可以用作远程功率源，以确保恒定的功率供应和质量，并且可以用于通过在电力便宜时储存能量并在高峰时间分配储存的能量来减少电力成本。
[0009]所有具有金属氧化还原对的再生燃料电池所面临的缺点之一是，当金属离子被电化学还原时会发生氢和/或氧的共析出。
[0010]Livshits等人研究了采用氢气和液体溴电解质的液体/气体燃料电池(Electrochemistry Communications,2006,vol.8(8),1358
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62)。随后，通过EnStorage流系统(EnStorage Flow Systems)将氢
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溴燃料电池改造成RFC。虽然已经证明了该系统具有高放电输出功率，但是使用该系统存在一些缺点，包括催化剂稳定性低以及运行期间析出溴气体。最近WO2011/089518提出了氢
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溴再生燃料电池，还提及了使用氢
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铁氧化还原系统。然而，由于二价铁/三价铁氧化还原对的标准电化学势低(0.77V vs SHE)，该氢
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铁系统在放电时的平均工作电压甚至会更低(事实上，它是已知再生燃料电池中最低的)，这对于实际的氧化还原电池应用来说是显著的缺点。另一种已经研究的液体/气体RFC是钒/空气
RFC(Hosseiny,S.S.,et al,Electrochemistry Communications,2011,vol.13,751
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754)；然而，该系统的效率较低，电密度较低并且可再充电性较差。
[0011]认识到再生燃料电池不同于标准燃料电池是非常重要的。标准燃料电池消耗燃料并且通常仅以功率输送模式运行；它们不能以能量储存模式运行(在其中储存功率)，或者如果它们可以，则仅以非常低效的方式进行。此外，在燃料电池中逆转电化学反应可导致对催化剂的永久损伤。标准燃料电池仅针对在能源产生模式下工作优化，而燃料电池针对以组合的功率输送模式和能量储存模式下工作优化。因此，只有易于可逆的电化学反应可用于再生燃料电池，而在某些燃料电池(如直接醇、或直接硼氢化物燃料电池或氢/氧燃料电池)中，反应不必是可逆的，而且的确它们通常不是可逆的。由于这些考虑，虽然在燃料电池明确地使用半电池的情况下，所述半电池均使用易于可逆的氧化还原反应，但是与标准燃料电池相比，再生燃料电池通常会使用至少一个不同的电化学反应，例如“Advancements in the Direct Hydrogen Redox Fuel”,Electrochemical and Solid
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State Letters,11(2)B11
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B15(2008)中所公开的氢
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I系统，这种系统可以用于燃料电池和再生燃料电池两者。
[0012]另外，在放电期间的平均工作电压是重要的。低电压系统会需要更多数量的电串联的电池来增加电压，或设计定制的功率转换器以处理低电压
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高电流系统，这增加了系统的复杂性和成本。
[0013]因此，寻找用于再生燃料电池的两个氧化还原对是具有挑战性的任务，该两个氧化还原对是可逆的、在实践性浓度下可溶(约1M或更高)、在偶对的标准电极电势(E
θ
/V)之间具有合适的电势差并且克服现有技术中的问题。
[0014]WO2013104664(A1)通过提供氢气/溶解金属离子再生燃料电池来克服上述问题，其中该金属选自钒、铈、锰或其稳定的和电化学可逆的水性络合物。钒、铈和锰具有比较高的电化学氧化还原电势：
[0015][0016][0017]在特别优选的实施例中，WO2013104664(A1)提供了氢/溶解的钒离子再生燃料电池。本专利技术的再生燃料电池，特别是氢/钒离子体系至少部分地克服了目前使用的全钒RFCs(VRBs)的问题，其成本通过将所需昂贵的钒的量减半而显著降低。此外，用氢气压缩气体储存容器替换大型液体电解质储罐大大减少了再生燃料电池占用的空间量，这进一步降低了成本。其他优势包括由于氢氧化反应较低的超电势导致的系统的输出功率增加。优选的氢/钒RFC提供了进一步的优势，即现有的钒/钒RFC系统可以很容易地用氢阳极代替钒阳极，从而通过防止需要安装整个系统来降低安装本专利技术再生燃料电池的投资成本。因此，该改装方面克服了那些已经在现有技术上投入大量资金的人使用新系统的缺陷，这是本专利技术的重要的方面。
[0018]虽然WO2013104664 A1中公开的RFC克服了问题，但是效率低下、系统尺寸、电解质
流动的堵塞和阻塞、离子交换膜污染和高投资成本的问题仍然阻碍RFC被业界广泛采用。
[0019]例如，Mn是在能源储存应用中令人感兴趣的具有高氧化还原电势(E
θ
Mn(III)/Mn(II)＝1.51V)的丰富且便宜的金属。然而，由于不期望的沉淀反应，基于Mn的电解质在再生燃料电池中的实施至今一直难以实现。在电池充电期间，如以下方程式所示，产生了Mn(III)，该离子自发地经历歧化作用，导致MnO2沉淀，结果电池容量降低。
[0020]2Mn
3+
+2H2O
→
Mn
2+
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种再生燃料电池，能够在功率输送模式下工作和在能量储存模式下工作，在所述功率输送模式下，所述再生燃料电池通过在阳极处和在阴极处电化学活性物质的反应产生电功率，在所述能量储存模式下，所述再生燃料电池消耗电功率来产生所述电化学活性物质，所述电池包括：可逆的氢气阳极，在阳极隔室中；可逆的阴极，在阴极隔室中；将所述阳极隔室与所述阴极隔室分隔的隔膜，所述隔膜能够选择性地使质子通过；导管，被配置为，在所述功率输送模式下，供应电化学活性物质至所述阳极和至所述阴极，在所述能量储存模式下，运送生成的电化学活性物质远离所述阳极和远离所述阴极；其中，在所述阳极处的氧化还原反应为：在所述阴极处的氧化还原反应为：所述阴极隔室包含添加剂，所述添加剂包括Ti(IV)，其中所述添加剂的浓度为0.2M。2.根据权利要求1所述的再生燃料电池，其特征在于，所述阴极隔室包含Ti(SO4)2。3.根据权利要求1所述的再生燃料电池，其特征在于，所述阴极隔室包含TiO
2+
离子。4.根据前述权利要求中任一项所述的再生燃料电池，其特征在于，包括至少一个容器，所述容器被配置为容纳含有阴极电化学活性物质的液体阴极电解质，在所述功率输送模式下，第一容器与阴极电解质隔室相连，用于将含有电化学活性物质的液体阴极电解质输送至所述阴极电解质隔室。5.根据权利要求4所述的再生燃料电池，其特征在于，在所述能量储存模式下，所述至少一个容器与所述阴极电解质隔室相连，用于从所述阴极电解质隔室接收含有生成的电化学活性物质的阴极电解质。6.根据权利要求1所述的再生燃料电池，其特征在于，包括至少一个容器，所述容器被配置为容纳含有用过的电化学活性物质的液体阴极电解质，在所述功率输送模式下，第二容器与所述导管相连，用于从所述阴极电解质隔室接收含有用过的电化学活性物质的阴极电解质。7.根据权利要求6所述的再生燃料电池，其特征在于，在所述能量储存模式下，所述至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：奈杰尔，
申请(专利权)人：IP二IPO创新有限公司，
类型：发明
国别省市：