具有致密金属电极的热电化学转换器的制作方法

背景技术：

1、膜电极组件(mea)具有夹在两个电极之间的离子传导膜，被用于许多电化学的应用。最常见的应用为电池、燃料电池和气体分离工艺，如氢气或氧气分离。通常来说，可电离的工作流体通过mea时，在进入的一侧被氧化，从而使电子与原子分离。由此产生的离子通过膜被传导到相对侧(也被称为流出侧)上的电极。另一方面，电子通过外部电路被传导到相对侧上的电极。当离子与流出侧的电极中的电子重新结合时，离子被还原。

2、通常来说，希望可电离的工作流体尽可能有效地通过mea。基本上在所有关注的应用中，在对可电离的工作流体通过膜的阻力方面是存在着问题的。例如，在氢气或氧气分离应用中，当工作流体通过膜时，跨膜的压降越大，意味着需要更多的能量(因此产生更高的成本)来以增加的压力供应源气体。

3、燃料电池也存在类似的情况。最常见的燃料电池类型是质子交换膜燃料电池，它采用具有质子传导膜(pcm)的mea。这类燃料电池向其中一个电极提供氢气，向另一个电极提供氧气。氢离子在氢和氧的化学反应电位下通过pcm传导到燃料电池的氧气侧。参与化学反应的电子通过外部负载从氢电极传导到氧电极。电子和氢离子重新构成氢气并且在电池的氧气侧完成与氧气的反应，产生了水，水从系统中排出。持续的电流是由持续供应给电池的氢气和氧气维持的。

4、碱金属热电化学转换(amtec)电池已被设计为热电化学热引擎。amtec热引擎在高温下利用压力迫使可电离的工作流体(如钠)通过电化学电池，从而产生电压电势和电流。电极将电流连到外部负载。当电解质分离器上的压力差迫使熔化的钠原子通过电解质时，就会进行电功。钠在进入电解质时被电离，从而释放出电子到外部电路中。在电解质的另一侧，钠离子在离开电解质时与电子重新结合，以重新形成钠，其方式与电池组和燃料电池型电化学电池中发生的过程基本相同。重组后的钠在低压和高温下，以膨胀气体的形式离开电化学电池。

5、约翰逊热电化学转换器(jtec)系统(在2003年4月28日提交的第7，160,639号美国专利中披露)也是一种热电化学热引擎，它使用mea将热量转化为电能。jtec使用一对mea堆叠，特别是氢浓差电池，以背对背的方式连接，一个处于相对较高的温度，一个处于相对较低的温度。氢气在引擎内经由逆流回热式换热器在两个mea堆叠之间循环。与散热器相连的低温mea堆叠作为引擎的″电化学压缩″阶段，而与热源相连的高温mea则作为引擎的″电化学膨胀″阶段。正如在任何热引擎中，在高温下发生的膨胀过程产生足够的功率来驱动在低温下发生的压缩过程，以及向外部负载提供净输出功率。

6、然而，这种传统的引擎设计往往由于需要大的膜与电极表面积比率以及需要大量的电池电气串联连接以达到实用的输出电压电平而变得复杂。具体来说，与开路电压可以大于1v的传统燃料电池不同，在热电化学热引擎中，由高温mea和低温mea之间的能斯特电压差从氢气压力比产生的净输出电压，在中等高压和中等低压工作条件下，只在大约0.1v的范围内。因此，一些电池通常必须串联起来才能达到有用的输出电压电平。此外，mea对的内部阻抗对输出功率能力有很大影响。

7、与mea相关的主要效率损失是进入和离开多孔电极的气体压力流损失、在电极/膜界面氧化和还原工作流体所需的活化能，以及离子通过膜进行传导的阻抗。与气体流有关的压力损失通过优化电极的厚度、孔径和孔的分布来解决。一般来说，活化损失是固定的材料特性。努力减少活化能损失通常关注于优化催化剂负载和分布，以及使用的催化剂类型。

8、根据用途，离子通过膜进行传导的阻抗是一种材料特性。为了实现高效的能量转换，膜最好具有较高的气体扩散阻隔属性，因为工作流体(例如氢气)在跨膜的压力差下的扩散会导致电输出和效率降低。所使用的膜还必须具有良好的离子传导性。然而，许多具有良好离子传导性的已知和可用的膜材料，如杜邦公司制造的nafion(全氟磺酸基聚合物)，通常具有非常差的分子扩散阻隔属性。低分子阻隔性能导致需要使用更厚的膜，以抑制扩散，这反过来又会导致有着更高的传导电阻，因此，该材料是不可用的。相反，具有高分子扩散阻隔属性的已知和可用的膜材料通常具有相对较低的离子传导性，使用这种材料将导致高系统阻抗和相关的高极化损失。因此，为了达到实用的功率密度，需要薄的膜，而为了达到实用的功率电平，需要大的膜面积，同时尽量减少内部电阻性极化的损失。

9、因此，需要有一种实用的方法，利用现有的高阻隔、低传导性的膜材料来提供与卡诺等效循环接近的热电化学热引擎，该引擎可以在宽范围的热源温度范围内运行，并且消除与机械引擎相关的可靠性和低效率的问题。本发明的固态热引擎满足了这一需求。

技术实现思路

1、在一个实施例中，本发明涉及一种热电转换器，该热电转换器包括包括可电离的工作流体，以及第一膜电极组件和第二膜电极组件，所述第一膜电极组件和所述第二膜电极组件相互电联接。每个膜电极组件包括第一电极，所述第一电极能传导电子并且对于所述可电离的工作流体是能渗透的；第二电极，所述第二电极能传导电子并且对于所述可电离的工作流体是能渗透的；以及薄膜电解质膜，所述薄膜电解质膜夹在所述第一电极和所述第二电极之间。该薄膜电解质膜可传导所述可电离的工作流体的离子并且具有0.03微米至10微米的厚度。每个膜电极组件的第一电极和第二电极中至少有一个是由无孔的致密金属组成。由于跨每个膜电极组件施加的工作流体压力差，每个膜电极组件的所述第一电极和所述第二电极中的一个电极在第一压力下与所述工作流体接触，每个膜电极组件的所述第一电极和所述第二电极中的另一个电极在低于所述第一压力的第二压力下与所述工作流体接触。第一膜电极组件被配置为将工作流体从第一压力膨胀到第二压力，第二膜电极组件被配置为将工作流体从第二压力压缩到第一压力。

2、根据前面所述的实施例，第一膜电极组件和第二膜电极组件在彼此不同的温度下工作。电能被施加到第二膜电极组件上，以便泵送工作流体经过第二膜电极组件到较高的压力，以保持压力差(热量从其上被移除)，因此第二膜电极组件在第一电压下工作。第一膜电极组件也受到压力差的影响，工作流体经过第一膜电极组件膨胀到较低的压力(向第一膜电极组件提供热量)，从而在与第一电压下不同的第二电压下工作。

3、在一个实施例中，可与前面所述的任何实施例结合，所述无孔的致密金属被分层摆放或安装到多孔基底上。

4、在一个可与前面所述的任何实施例结合的实施例中，其中所述第一膜电极组件和所述第二膜电极组件中的至少一个膜电极组件的所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极包括催化剂，所述催化剂被配置为在所述工作流体通过相应的薄膜电解质膜时促进所述工作流体的氧化和还原。

5、在一个可与前面所述的任何实施例结合的实施例中，其中所述第一膜电极组件和所述第二膜电极组件中的至少一个膜电极组件的所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极包括钯或其合金。

6、在一个可与前面所述的任何实施例结合的实施例中，热电转换器进一步包括回热式换热器，所述回热式换热器在所述第一膜电极组件和所述第二膜电极组件之间以所述第一压力和所述第二压力联接所述工作流体的流动。

7、在一个可与前面所述的任何实施例结合的实施例中，转换器具有管状构造。

8、在一个可与前面所述任何实施例结合的实施例中，第一膜电极组件和所述第二膜电极组件中的每一个都具有管状结构。

9、在一个可与前面所述的实施例结合的实施例中，第一膜电极组件和所述第二膜电极组件中的每一个的内部构成第一导管，所述第一导管用于所述工作流体在所述第一压力下流动。

10、在一个可与前面所述的实施例结合的实施例中，热电转换器进一步包括外壳，该外壳至少部分地围绕所述第一膜电极组件和所述第二膜电极组件，所述第一膜电极组件和所述第二膜电极组件与所述外壳之间的空间构成第二导管，所述第二导管用于所述工作流体在所述第二压力下流动。

11、在一个可与前面所述的任何实施例相结合的实施例中，第一电极和所述第二电极的其中一个对于所述第一膜电极组件和所述第二膜电极组件这二者是电气上共用的。

12、在一个可与前面所述的任何实施例相结合的实施例中，热电转换器进一步包括外部电路，该外部电路用于电联接所述第一膜电极组件和所述第二膜电极组件。

13、在一个可与前面所述的任何实施例相结合的实施例中，本发明涉及一种热电转换器系统，该系统包括多个上述的转换器，多个所述转换器在第一温度下的所述工作流体的第一流和第二温度下的所述工作流体的第二流之间联接，所述第二温度低于所述第一温度。

14、在一个可与前面所述的任何实施例相结合的实施例中，本发明涉及一种使用上述热电转换器作为热泵的发电的方法。该方法包括将所述第一膜电极组件与第一温度下的热源联接，将所述第二膜电极组件与第二温度下的散热器联接，第一温度低于第二温度，向所述第二膜电极组件施加电力，以将所述工作流体从所述第二压力泵送到所述第一压力，在所述第二温度和第一电压下去除热量，当所述工作流体从所述第一压力膨胀到所述第二压力时，从所述第一膜电极组件中提取电力，在所述第一温度和第二电压下向所述工作流体提供热量，所述第一电压高于所述第二电压。

15、在一个可与前面所述的任何实施例相结合的实施例中，该方法进一步包括将外部电源与所述第二膜电极组件串联连接。

16、在一个实施例中，可与前面所述的任何实施例结合，本发明涉及一种使用上述热电转换器作为热引擎发电的方法。该方法包括将所述第一膜电极组件与第一温度下的热源联接，将所述第二膜电极组件与第二温度下的散热器联接，所述第一温度高于所述第二温度，向所述第二膜电极组件施加电力，以将所述工作流体从所述第二压力泵送到所述第一压力，在所述第二温度和第一电压下去除热量，以及当所述工作流体从所述第一压力膨胀到所述第二压力时，从所述第一膜电极组件中提取电力，在所述第一温度和第二电压下向所述工作流体提供热量，所述第二电压高于所述第一电压。