[发明专利]用于产生机械能的方法及其系统

说明书

技术领域

本发明一般涉及燃料电池，更具体而言，涉及可逆燃料电池。

背景技术

燃料电池反应可以表示为：

2H₂O+电能2H₂+O₂+势电能(potential electric energy)。

电解的正向反应消耗水并释放氢气(H₂)和氧气(O₂)。氢气和氧气的反向反应产生水和势电能，即，所谓的“燃料电池”反应。

图1示出了典型的现有技术的可逆燃料电池100。直流电源110通过引线120向电解电池140内部的电极130供给电流。该电流电解位于电解电池140中的水150以产生气体氢气和氧气的混合物160，该混合物通过互联管道170流到试剂容器180。这对液体试剂190产生了压力，迫使该试剂通过管道195流出容器。

在该现有技术中，氢气和氧气160的催化复合被考虑并被允许。然而，这种复合是缓慢和不受控制的。此外，氢气和氧气以这种方式的不受控的复合产生热量，而所述热量并不能被有用地回收。

图2示出了现有技术的可逆燃料电池系统200的结构。燃料电池203包括正电极205、正多孔导体206、渗透质子的交换膜207、负多孔导体208以及负电极209。为清楚起见，这些部分都被分解示出。然而为获得好的电导性，结构205、206、207、208和209是直接相邻的。

所述膜可以通过诸如美国3,041,317、3,282,875和3,624,053号专利中描述的方法制备。一种膜是E.I.DuPont de Nemours and Company生产的磺化四氟乙烯聚合物膜，其所售商标为“Nafion”。

聚合物膜207具有H⁺离子可以穿过该膜扩散的属性。用在燃料电池中，膜的两边都覆盖有碳粉。碳粉中的颗粒覆盖有铂膜。铂催化2H₂O2H₂+O₂的可逆反应。碳/铂直接接触经石墨浸渍的纸张以提供低电阻的电学路径，且纸张是高度多孔的以允许气体流过。多孔导电层进而与穿孔的不锈钢压力板接触，所述板是实际的机械电极结构。

对于电解，由于氧化碳粉的活性氧，碳粉上的铂催化剂被分解。由于这个原因，执行电解(即2H₂O+电能→2H₂+O₂)和燃料电池反应(即2H₂+O₂→2H₂O+势电能)的电池使用氧气一边的专用催化剂。通常，所述催化剂是铂或铼、或氧化铼上的铂。这些催化剂还在直接转换甲醇燃料电池中使用。

此外，燃料电池203包括两个分离的气密的隔间，氢气隔间210和氧气隔间211。这两个隔间被膜207’隔开，所述膜也从一边示出。膜207防止氢气与氧气混合。

直流电源201产生直流电流。该电流通过开关202切换，以选择性地向燃料电池203供给电流。典型地，电池最初填充以水。当开关202导通时，所述电流电解水且产生氢气和氧气。

在通过电解产生某些数量的氢气和氧气之后，开关202截止，且负载开关204导通以向能量回收负载212供给燃料电池203产生的电流。负载的存在导致氢气和氧气复合。只要电池中存在氢气和氧气，该电流继续被供给到负载212。

当可以实现氢气和氧气的外部供给时，当负载开关204导通时，这些气体被直接供给到电池以产生用于负载212的电能。负载212可以是能量回收负载。即，向系统电源201返回势电能的设备。对于电池供电的设备，这可以通过使用切换电源以对电源201进行充电而完成。对于AC线供电的设备，行同步DC-AC转换器可用于返回势电能。

微泵

已知各种类型的微泵。微泵可以分成机械型和非机械型的。机械微泵包括电机驱动的质子泵和热空气驱动的蠕动泵。非机械微泵包括电-水压微泵和磁-水压微泵。

S.M.Mitrovski and R.G.Nuzzo，“An electrochemically drivenpoly(dimethylsiloxane)microfluidic actuator：oxygen sensing andprogrammable flows and pH gradients，”Lab on Chip，Vol.5，pp.634-645，2005中描述了一种电机微泵。在该微泵中，氧气和氧离子用于“拖动”流体。