新型碱性燃料电池
2019-11-22

新型碱性燃料电池

一种燃料电池(7),它具有立刻启动的能力和通过反向操作作为电解装置可以接受回收的能量,如再生制动的能量。立刻启动燃料电池(7)的效率增加和供电能力(更高的电压和电流)提高并显著地扩大操作温度范围到约-20到150℃。

图1是燃料电池存储阳极1的特殊示意说明图。阳极体包括疏水组分2(如聚四氟乙烯(PTFE)),氢存储阳极活性材料组分3。尽管图1表示疏水组分2和活性电极材料组分3是作为阳极1内分离的材料层,但它们也可紧密地混合成单一的材料。阳极1,也包括基质组分4,它起码作为电流收集器,但也可提供支承作用。下面将讨论这种基质组分。

应该注意本发明的阳极和阴极活性材料是非常抗毒化的。这是事实,因为这些材料增加的催化活性点数目不仅提高了催化剂活性,而且能使材料更加耐毒化,因为用本发明的材料,一定数量的催化活性点可以牺牲在毒化物质的效应里,而大量的没有毒化的点仍保持活性从而提高了所需的催化作用。还有某些毒素由于被连接到其他点而失去活性因此不会影响到活性点。

用作阳极材料的特殊合金是含有分布在整个氢化物界面上直径为50-70埃的加浓催化剂镍区域的合金,区域到区域的变化为2-300埃左右,优选地为50-100埃。由于这些镍区域,该材料表现出明显的催化作用和导电性。在'591号专利的合金中Ni区域的密度形成具有加浓的Ni表面的粉末颗粒。具有加浓Ni区域的最优选的合金是有下述组合的合金:(基础合金)aCobMncFedSne式中基础合金包括0.1到60原子百分比的Ti、0.1到40原子百分比的Zr、0到60原子百分比的V、0.1到57原子百分比的Ni、和0到56原子百分比的Cr;b是0到7.5原子百分比;c是13到17原子百分比;d是0到3.5原子百分比;e是0到1.5原子百分比;和a+b+c+d+e=100原子百分比。

能量供应系统还包括电解液循环系统。从输出管线28将来自燃料电池7的电解液排出并把它送到电解液调节装置26。如果需要,电解液调节装置26加热或冷却电解液和按照需要除去/加上水分。然后将调整过的电解液经过输入管线27送回到燃料电池7。

用于立刻启动燃料电池中的阳极活性氢存储合金可逆地吸收和释放氢并具有快速的氢化反应速率和很长的使用寿命。氢存储合金优选地是从稀土/混合稀土合金、锆合金、钛合金和它们的混合物或合金中选择。优选的氢存储合金包含分布在其颗粒整个氧化表面的加浓的催化剂镍区域。催化剂镍区域的直径为50-70埃,并大约在2-300埃范围内变化(优选的在50-100埃)。这样一种合金的例子具有下述的组分:(基础合金)aCobMncFedSne:式中基础合金包括0.1到60原子百分比的Ti、0.1到40原子百分比的Zr、0到60原子百分比的V、0.1到57原子百分比的Ni、和0到56原子百分比的Cr;b是0到7.5原子百分比;c是13到17原子百分比;d是0到3.5原子百分比;e是0到1.5原子百分比;和a+b+c+d+e=100原子百分比。

图2是结合入本发明电极1(“a”代表阳极和“c”代表阴极)的碱性燃料电池7的特殊示意说明图。燃料电池7包括三个通用段:1)阳极段,它包括阳极1a和氢气供应室8;2)电解液室11;和3)阴极段,它包括阴极1c和氧气(空气)供应室10。

一种先有技术的燃料电池阳极催化剂是铂。铂尽管有良好的催化特性,但并不适合在大范围的工业应用中作为燃料电池阳极的催化剂,因为它非常昂贵。还有,象铂这样的贵金属催化剂也不能承受通常氢燃料流中所含杂质的污染。这些杂质可以包括可能存在于氢燃料中的一氧化碳或包含在电解液中的杂质,如通常包含在未处理水中的杂质,包括钙、镁、铁和铜。

多轨道的改性物,例如过渡元素,产生存储点数目更大的增加,这是由于存在不同的连接构形,从而获得能量密度的增加。改性技术特别提供非平衡材料,该材料具有变化的无序程度形成独特的连接构形、轨道重叠和连接点的范围。由于不同程序的轨道重叠和无序结构,在充电/放电周期或之间的静止时期内结构重排列的量明显降低形成长的使用周期和货架寿命。

目前大多数燃料电池研究和开发部门都把精力集中在P.E.M(质子交换薄膜)燃料电池上。该P.E.M燃料电池有转换效率转低的缺点和许多其他的不足。例如,系统的电解液是酸性的。所以,只能用贵金属催化剂作为系统电极的活性材料。不幸的是,贵金属不仅昂贵,而且还对许多气体的毒化很敏感,特别是一氧化碳(CO)。还有由于P.E.M燃料电池的酸性特性,构造燃料电池的其余材料需要与这样的环境相容,这又增加了它的成本。质子交换薄膜本身是相当贵的,并且由于在温度低于80℃时它的低导电性,固有地限制了P.E.M燃料电池的动力性能和操作温度范围(在低温时PEM几乎不起作用,不象本发明的燃料电池)。还有薄膜对高温很敏感,在120℃时开始软化。薄膜的导电性依赖于水,在高温时水份干燥,从而使电池失效。因此,P.E.M燃料电池有许多缺点,这使它在工业/消费的使用中有关不合需要。

图3表示电势降(ΔV)对电流的关系。即使没有氢气流(曲线a),氢化物电极能够保持明显的放电电流,因为它已经充电。在这个模式,燃料电池证明它的固有氢存储容量,所以形成立刻启动的燃料电池。当放电电流增加时极化增加,因为氢化物电极逐渐消耗尽氢。相反在氢气流动时(曲线b),极化较低,因为有连续的气态氢供应被变换成金属氢化物给燃料电池供能。极化值还会达到一个稳态值,这是因为电化学氢消耗的速率与气相中气态氢分解的速率相匹配(即正常的燃料电池操作模式)。

常规的碱性燃料电源比P.E.M燃料电池具有某些优点,它们有较高的操作效率,它们使用不太贵重的结构材料,和它们的不需要昂贵的薄膜。碱性电池在电解液中还有相对较高的离子导电性,因此它有相当高的供电能力。虽然常规的碱性燃料电池比P.E.M燃料电池对温度的敏感低,但常规的碱性燃料电池电极的铂活性材料在低温时变得效率极差。不幸的是,常规的碱性燃料电池还是有某些缺点。例如,常规的碱性燃料电池在两个电极中还是使用昂贵的贵金属催化剂,与在P.E.M燃料电池一样,它们对气体污染物的毒化很敏感。常规的碱性燃料电池还对由阳极碳基质氧化产生的或通过在电极上使用的燃料和空气中的杂质引入的CO2形成的碳酸很敏感。这种碳酸组分粘附在电解液/电极表面以而减小/消除了它们的活性。这里描述的发明从阳极根除了这个问题。

在美国,据估计每单位经济生产量所形成的碳量,由于不断采用低碳燃料并结合提高能效率1950年以来已经减小了约一半。所以,能量系统的去碳化是最近20年以来该系统分析中所出现的单一最重要的因素。已经有人预言这种发展到21世纪末将产生无碳的能量系统。本发明是将这个时期缩短到数年左右的关键性的另一个成果。用接近的话说,氢气将用在汽车、卡车和工厂燃料电池中,就象它已经为轨道上的宇宙飞船提供动力一样。但是,由于解决了存储和基础设施问题(见'810和'497号申请),还将提供氢气作为通用的无碳燃料,以便满足所有燃料需要。