再生燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种再生燃料电池，其包括在阳极隔室中的可逆氢气阳极以及在阴极隔室中的可逆阴极，其中在阴极处的氧化还原反应从方程式(I)方程式(II)和方程式(III)中选择。
【专利说明】再生燃料电池
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及再生燃料电池（RFC)技术的领域。
【背景技术】
[0002] 再生燃料电池，以及通过其它们能够存储于传递电的方法已经被公知多年。它们 是用于能量存储与功率传递的电化学装置。在功率传递阶段，电化学活性物质供给到电极， 在那里它们电化学地反应以产生电化学能。在存储阶段中，利用电功率来再生存储的电化 学活性物质。
[0003] 由于电化学活性物质可以与电极隔室内分离地存储并且当需要时供给，因此装置 的发电容量可以非常大。
[0004] 在离子传递系统（诸如膜）的任一侧上发生的电化学反应，选择性电荷载体通过 膜传递或者交换。
[0005] 在这些再生燃料电池（RFC)系统中的基础化学过程的特征在于化学方程式，其中 在系统的能量存储模式中沿着一个方向并且在系统的功率传递期间沿着相反方向进行反 应。可以通过下面的氧化还原化学方程式示例此化学过程，其中术语"氧化还原"定义其中 还原与互补氧化一起发生的反应。
[0006] + ￥%〇 ￥\m + 方程式 1
[0007] 然而，尽管看起来是简单的直接化学过程，但是这些系统在实际应用中的实施遇 到了很大的局限性。实际问题包括有害材料的使用、低效率、系统尺寸、电解液的流动的堵 塞与封隔、气体形成以及尤其地材料的成本与装置的成本。这些阻止了 RFCs在工业中的广 泛使用。
[0008] 对于能量存储技术来说存在宽范围的潜在应用。大部分可更新能量技术不能容易 地调节它们的功率输出以满足需求波动并且由此能量存储在使低碳/可更新能量源能够 在实际中执行是重要的。能量存储技术也可以用作远程电源，以确保恒定的电源和质量，并 且还可以当电很便宜时通过存储能量并且在高峰时期分配存储的能量降低电的成本。
[0009] 在发展的不同阶段存在多种再生燃料电池，但是最发达的RFC是利用方程式1的 氧化还原反应的全钒氧化还原流电池（VRB)。1985年在新南威尔士州大学执行了全钒氧 化还原流电池的首次研究（Sum，E和Skyllas-Kazacos，M.电源学报，1985年，卷15(2-3)， 179-190 页，Sum，E.，Rychcik，Μ 和 Skyllas-Kazacos，M.，电源学报，1985,16(2)卷，85-95 页）。由Skyllas-Kazacos等开放的此系统利用在其半电池的一个中的硫酸中溶解的硫酸 氧钒。VRBs比其它再生燃料电池具有显著的优势，诸如通过在每个半电池中使用相同的元 件消除了与两个电解液隔室之间的渡线相关的污染问题。然而，此系统具有低的特定能量 并且由此对于大规模能量存储来说需要大体积的电解液。大体积电解液造成高的存储成本 并且要求使用大量昂贵的钒。此系统还以低输出功率密度为特征。因此需要更大且更多的 电池部件以满足功率要求，造成更大的成本。可能有利的是提供减少或克服这些问题中的 至少一些并且如果此系统可以利用现有的装置那么这可能是特别有益的。
[0010] 此外，具有金属金属氧化还原对的所有再生燃料电池面临的弊端中的一个是当金 属离子电化学地还原时可能发生析氢。
[0011] 当前开发的大部分再生燃料电池是液体/液体RFCs，g卩，在液体阳极电解液与阴 极电解液中存在用于阳极与阴极的电化学活性物质。Livshits，V等（电化学通信，2006年， 8(8)卷，1 358-62页）调查了使用氢气与液态溴电解液的液体/气体燃料电池。后来，氢溴 燃料电池经由EnStorage改变到RFC中。
[0012] 尽管此系统已经证明具有高的放电输出功率，但是使用此系统具有多个缺点包括 在操作过程中的低催化剂稳定性与溴气发展。最近W02011/089 51S提出了氢溴再生燃料电 池并且还涉及使用氢铁氧化还原系统。然而，由于铁Π /ΙΙΙ氧化还原对（〇. 77VvsSHE)的 低标准电化学电势，此氢铁系统的平均工作电压在放电将会甚至更低（在已知的再生燃料 电池中实际是最低的），这是用于实际氧化还原电池应用的显著弊端。已经调查的另一种 液体/气体RFC是钒/空气RFC(Hosseiny，S. S.等的电化学通信，2011年，13卷，751-754 页）；然而此系统具有低效率、低功率密度以及差的可充电性。
[0013] 重要的是认识到再生燃料电池与标准燃料电池是不同的。标准燃料电池消耗燃料 并且通常地仅能够在功率传递模式中运行；它们既不能以功率存储模式（其中存储功率） 或者，如果它们能够，则他们仅能以高度无效方式如此做。
[0014] 此外，使在燃料电池中的电化学反应逆可能对催化剂造成永久的损坏。标准燃料 电池被最优化以便仅在能量产生模式中操作，而再生燃料电池最优化以便结合的功率传递 模式与能量存储模式。因此在再生燃料电池中仅可以使用容易地可逆的电化学反应，而在 一些燃料电池中（诸如直接酒精，或直接硼氢化物燃料电池，或者氢/氧燃料电池）该反应 无需可逆并且实际上它们通常不是。由于这些考虑，与标准燃料电池相比再生燃料电池将 通常地使用至少一种不同的电化学反应，尽管其中燃料电池清楚地使用半电池，所述半电 池利用容易可逆的氧化还原反应，例如，在"直接氢氧化还原反应燃料中的进步"、电化学与 固态字母，11(2)B11-B15(2008)中公开的氢-1系统，此系统可以在燃料电池与再生燃料电 池中使用。
[0015] 此外，在放电过程中平均操作电压是重要的。低电压系统将要求以电串联的较高 数量的电池以增加电压，或者定制功率转换器的设计以处理低电压高电流系统，这为系统 增加了复杂性与成本。
[0016] 因此发现用于在可逆、以实际浓度（约1M或以上）可溶解的再生燃料电池中使用 的两个氧化还原对，在此对的标准电极电势（Ε°Λ〇之间具有适当的电势差并且并且克服了 本领域中作为艰巨任务的问题。
[0017] 本发明通过提供提供氢气/溶解的金属离子再生燃料电池克服了上述问题，其中 金属从钒、铈、锰或者它们稳定的并且电化学可逆的水复合物中选择。钒、铈和锰具有相对 高的电化学氧化还原电势：
[0018] 氧化还原反应标准电势已0
[0019]
【权利要求】
1. 一种再生燃料电池，其能够在功率传递模式与能量存储模式中操作，在所述功率传 递模式中其通过在阳极与阴极处的所述电化学活性物质的反应产生电功率，在所述能量存 储模式中其消耗电功率以产生所述电化学活性物质，所述电池包括： 在阳极隔室中的可逆的氢气阳极； 在阴极隔室中的可逆阴极； 将所述阳极隔室与所述阴极隔室分离的膜，所述膜能够选择性地通过质子； 导管，所述导管配置为在所述功率传递模式中将电化学活性物质供给到阳极并且到阴 极，并且在所述能量存储模式中将产生的电化学活性物质从阳极带走并且从阴极带走； 其中在所述阳极的所述氧化还原反应是：
3. 根据权利要求1或2所述的再生燃料电池，其包括至少一个容器，该至少一个容器 配置为容纳包括所述阴极电解液电化学活性物质的液体阴极电解液，在所述功率传递模式 中，所述第一容器连接到阴极电解液隔室以将包括所述电化学活性物质的液体阴极电解液 传递到所述阴极电解液隔室。
4. 根据权利要求3所述的再生燃料电池，其中所述至少一个容器在能量存储模式中连 接到阴极电解液隔室以便从所述阴极电解液隔室接收包括产生的电化学活性物质的阴极 电解液。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的再生燃料电池，其包括至少一个容器，该至少一 个容器配置为容纳包括废电化学活性物质的液体阴极电解液，第二容器在功率传递模式中 连接到导管以便接收来自阴极电解液隔室的包括废电化学活性物质的阴极电解液。
6. 根据权利要求5所述的再生燃料电池，其中所述至少一个容器在能量存储模式中连 接到导管以将所述包括废电化学活性物质的阴极电解液供给到阴极电解液隔室。
7. 根据权利要求1-6中任一项所述的再生燃料电池，其包括配置为容纳氢气的加压气 体源容器，气体源在功率传递模式中可连接到所述阳极。
8. 根据权利要求7所述再生燃料电池，其中所述加压气体源容器在能量存储模式中可 连接到所述阳极以接收在所述能量存储模式中产生的氢。
9. 根据权利要求8所述的再生燃料电池，其包括至少一个压缩机，所述至少一个压缩 机配置为使在所述能量存储模式中在所述阳极产生的氢加压以便存储在加压气体源容器 中，以及可选择地还包括氢膨胀器-发生器，其用于由于所述压缩气体的膨胀而传递电流。
10. 根据权利要求1-9中任一项所述的再生燃料电池，其中所述膜是质子交换膜。
11. 根据权利要求1-10中任一项所述的再生燃料电池，其中所述膜对于氢离子与溶剂 化氢离子是可渗透的。
12. -种操作再生燃料电池的方法，其能够在a)功率传递模式与b)能量存储模式中操 作，在所述功率传递模式中其通过在阳极与阴极处的所述电化学活性物质的反应产生电功 率，在所述能量存储模式中其消耗电功率以产生所述电化学活性物质，所述电池包括： 在阳极隔室中的可逆的氢气阳极； 在阴极隔室中的可逆阴极； 将所述阳极隔室与所述阴极隔室分离的膜，所述膜能够选择性地通过质子； 并且其中所述方法包括，在所述功率传递模式中，将电化学活性物质携带到所述阳极 并且到所述阴极并且，在能量存储模式中，将产生的电化学活性物质从所述阳极并且从所 述阴极带走， 其中在所述阳极的所述氧化还原反应是：
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述再生燃料电池是如在权利要求1到 11中任一项所要求的再生燃料电池。
【文档编号】H01M8/22GK104285328SQ201380005084
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年1月9日 优先权日:2012年1月9日
【发明者】奈杰尔·布兰登, 弗拉基米尔·尤菲特 申请人:英皇创新有限公司