[发明专利]具有致密金属电极的热电化学转换器

说明书

本公开提供了一种包括工作流体和一对膜电极组件(MEA)的热电转换器。每个MEA包括一对电极以及夹在电极之间的薄膜电解质膜，这些电极可传导电子并且对工作流体具有渗透性。该膜对工作流体的离子具有传导性，其厚度为0.03pm至10pm。每个MEA的至少一个电极包括无孔的致密金属。每个MEA的一个电极在第一且较高的压力下与工作流体接触，而另一个电极在第二且较低的压力下与工作流体接触。第一MEA被配置为将工作流体从第二压力压缩到第一压力，而第二MEA被配置为将工作流体从第一压力膨胀到第二压力。

与相关专利申请的交叉引用

本申请要求2020年8月24日提交的第63/069,380号美国临时专利申请的优先权，该临时申请的全部公开内容在此通过引用的方式并入本文。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。