技术领域
[0001] 本
发明涉及用于产生或蓄积
能量的电化学装置的领域，尤其是用于向
电动车辆供电的电化学装置。
[0002] 特别地，本发明的范围是通过使用与
氧气结合的氢气作为
能源以能够蓄积和产生能量的装置。
[0003] 电化学装置可以从电能和通过直接注入气态氢气的方式来再充电。
背景技术
[0004] 已知电化学装置，能够以
化学能的形式储存电能；根据能量储存的
位置，这些装置分为
电池、
电化学电池和
燃料电池。在电池中，能量储存在电池本身中，而在
燃料电池中，能量储存在电池本身外部的燃料中，而助燃剂一般是包含在周围空气中的氧气。因此，燃料电池是将化学能转换为电能的装置，但后者不能储存在燃料电池内部中。
[0005] 在电池或电化学电池中，由于
氧化还原反应，发生从化学到电的能量转换，其中第一物质经历氧化过程，由此它失去
电子，而第二物质获得所述电子，因此经历还原过程。
[0006] 每个电池都有一个正极，称为
阴极；以及负极，称为
阳极，后者的电位低于阴极。
[0007] 每当电池连接到外部
电路时，电子从负极流出并产生连续的
电流；产生电流的电位差是氧化和还原反应的功能，并且一旦这些化学反应达到平衡状态，就会停止产生电能。
[0008] 电池通过一般称为电池充电器的电源单元以电能形式充电。将电能转换成电化学能所需的时间取决于电池的特性以及电源单元的特性。
[0009] 为了缩短充电时间，可以构建更强大的电源单元，但是对于任何类型的已知电池，确定所使用技术的典型限制，超过该限制会触发电池的快速物理劣化，并且急剧减少可能的充电-放电循环量。
[0010] 为了不超过所述限制，充电时间不能减少太多。
[0011] 所有已知电池共同的其他问题包括与可传输能量的数量相比，所述电池具有显着重量，以及在充电和放电循环过程中能量储存容量的逐渐损失。
[0012] 在燃料电池中，电能是从一些物质(一般是氢气和氧气)开始产生，没有发生热燃烧过程，因为燃料电池的运行原理在于从反应物质开始直接产生，举例来说，氢气和氧气，通过电化学反应产生电动势，与电池一样，而不是通过能量转换过程，因为它发生在由热燃烧机器操作的发
电机中。
[0013] 电化学反应基于将可燃氢分子或助燃剂氧分子分解为正离子和电子的概念；后者通过交叉外部电路提供与化学反应速度成比例的电流，因此所述电流可用于任何目的。
[0014] 燃料电池的一个非常有趣的方面在于它们具有氢动
力的可能性，同时仅将
水蒸气释放到大气中，然而氢气在自然界中不存在，因此必须产生氢气。氢气的产生过程中不依赖会让CO2释放到大气中对环境有害的过程，而是使用
电解槽，即能够通过电解将水分解成氢气和氧气的装置。
[0015] 目前，燃料电池的主要限制在于难以储存氢气，因为需要
压力容器，以及在填充步骤期间和燃料电池运行期间发生的热变化。
[0016] 目前的燃料电池系统的运行周期分为三个主要步骤，每个步骤使用一个特定的装置：第一步骤是从水开始产生氢气，并需要一个特定的
电解槽，第二步骤是输送和储存氢气，其用于为燃料电池供电，需要一个特殊的压力储槽(压力一般为300至700巴)，以及最后第三步骤是在燃料电池本身产生电能。
[0017] 因此，目前使用氢气驱动的
机动车辆配备有氢气储槽，燃料电池从该氢气储槽中填充，而用于产生氢气的电解槽(应连接到电源以便操作)从未安装在可移动装置上。
[0018] 目前用于机动车辆的最普遍的系统使用储槽，但氢气是高度易燃的物质，这带来了重大的安全问题，并且它们的使用具有重要的
风险和危险性。
[0019] 为了消除这些问题，已经开发了一些不是利用一些
金属粉末(特别是氢化物金属粉末)性质的方法，由金属粉末吸收和释放氢气，所述放置在槽内的金属粉末能够在很小的空间内以很低的压力(压力范围从1到10巴)储存大量的金属粉末，但同时能够长时间为燃料电池供电(比高压储槽长得多)。
[0020] 然而，这样技术方案存在许多显着的局限性，基本上受到两个因素的影响：一个是物理的，与置入氢气时的
温度升高并且在取出氢气时温度降低有关，而另一个是操作上的，并且与填充稀有的氢气所必需的
基础设施有关。
[0021] 在快速再充电步骤中，泡罩，即内部容器中有氢化金属粉末，加热至高温，甚至高达100-150℃，有着火和烧伤的风险，而且温度升高需要耗散能量，这可能会使效率降低多达30％。
[0022] 相反地，当从储槽向燃料电池供应氢气时，无论是在储槽上还是在管道上，由气体膨胀引起的温度降低导致大气湿度
凝结并且随之形成
冰，然后，当冰融化时，形成的水应妥善收集和排放。
[0023] 组合型系统长期以来也是已知的，也称为“再生”燃料电池，其中标准燃料电池由电解电池补充，使得通过向电解电池提供电流，可以“再生”在放电步骤中燃料电池消耗的氢气。
[0024] 举例来说，在美国
专利申请US3839091A中公开了这种类型的系统，其公开了一种由燃料电池和电解槽形成的装置：电解槽通过电解产生氢气和氧气，它们储存在两个单独的隔室中，并且由燃料电池产生电能。
[0025] 同样，专利申请US2002017463A1公开了一种将电解电池与燃料电池连接的装置；由电解槽装置电解产生的氢气储存在连接到燃料电池的适当的储槽中，所述燃料电池在放电步骤期间使用它以产生电流。
[0026] 国际专利申请WO2005008824A2公开了由两个彼此耦合的单独装置形成的组合系统的另一个例子，即产生和储存氢气的电解电池，以及燃料电池；在WO2005008824A2中公开的解决方案中，两个装置分别由两个
电极和一个隔板形成；如果需要的话，还可以设想两个装置共享一个电极。在到目前为止所描述的所有装置中，燃料电池、用于储存氢气的储槽和电解槽是连接在一起的独立装置，以便构成一个组合系统，这导致整体尺寸、重量和组成零件数量的增加，考虑到需要提供电解槽、燃料电池、氢气储槽、水和氧气储槽以及适当的互连通道。
[0027] 由于这些原因，本领域目前已知的上述类型的系统不能用于实现适合用作便携式电子设备(例如计算机、
平板电脑和手机)的电池的小尺寸可再充电燃料电池，也不能用作用于
汽车和摩托车的燃料电池。
[0028] 最近开发了双峰电池，其中在放电步骤期间氢气的消耗以及在充电步骤期间氢气的产生仅通过使用两个电极在内部发生在同一个电池上。
[0029] 在美国专利申请US20060003203A1中公开了所述类型的系统的一个例子，其中要求保护一种电池，该电池能够在放电步骤中电解产生氢气并消耗所述氢气以产生电能。然而，US20060003203A1中描述的装置不是真正的燃料电池，而是氢化物/空气电池，因为不可能通过从外部世界直接注入氢气来对装置进行再充电，而是仅以电能的形式。
[0030] “再生”燃料电池的一个众所周知的缺点是充电步骤的持续时间，仅可电力充电，事实上，再生氢所需的电解过程需要很长一段时间，一般是几个小时，在此期间，装置应与电源保持连接。因此，这种解决方案难以在许多应用中实施，并且绝对不太实用，因为有必要在电池应该充电时提前计划，以便能够在以后随后使用它，如同机动车辆，其电池一般整夜充电。
[0031] 相反地，仅通过直接注入氢气可再充电的燃料电池提供极短的充电时间，一般为几分钟，但目前的氢气加注站几乎没有普及。
[0032] 在美国专利申请US 2001/033959 A1中公开了已知类型的电解电池的另一个例子，其中要求保护用于燃料电池的阴极和包括这种阴极的
碱性燃料电池，所述燃料电池能够非常快速地启动。
[0033] US 2001/033959 A1中公开的电解电池特别包括至少部分地由能够储存纯氧的金属
合金形成的阴极和由能够储存氢气的非贵金属合金形成的阳极；然而，氢气蓄积厚度被限制到阳极的薄表
面层，这仅允许储存确保装置快速启动所必需的氢气，而它不允许以这样的量蓄积氢气以提供持久的放电步骤，在此期间氢气逐渐被氧化以产生电能。
[0034] 另外，根据US 2001/033959 A1的阳极电极由廉价的金属合金形成，而不是贵金属，因此它不耐受酸性环境，也不能在二氧化
碳存在下使用，否则会导致与所述阳极电极相邻的
电解质发生有害的碳
酸化反应；因此，必须使用纯氧来为阴极电极供电而不是使用大气。
发明内容
[0035] 本发明的一个目的是提供一种能量蓄积装置，该装置既可以通过使用由普通电池充电器提供的电能再充电，也可以通过直接供应氢气进行再充电。
[0036] 本发明的另一个目的是提供一种所述类型的装置，该装置极轻且紧凑、经济实惠、可靠并且易于安装，例如可以有利地用于多种类型的应用：来自用于手机的快速再充电装置，用于向电动车辆供电的设备或用于需要减小总体尺寸和重量的任何其他应用。
[0037] 这些目的和其他目的是通过出乎意料的组件集成，形成一个和同一装置来实现的，该装置集成了电解槽以产生氢气、氢化物金属储槽以蓄积氢气以及从所述氢气接收动力的燃料电池的功能。
[0038] 与已知的解决方案不同，根据本专利申请的装置仅包括一个电池，其中
吸附在氢化物金属中的氢气被储存在内部，在该电池内部，从氢气开始产生电能所需的反应和当电池连接到电源时产生氢气所需的电解反应，同时允许同时通过从外部世界直接供应气态氢气来补充氢气。该主题装置具有减少的整体尺寸和重量，并且可以出乎意料地通过直接注入氢气将可再充电的燃料电池的优点与“再生”燃料电池的优点结合起来，所述“再生”燃料电池当它们连接到电源时，允许再生先前消耗的氢气。
[0039] 本发明包括：
[0040] 一阴极电极，主要由一导电
基板和一催化剂形成，所述催化剂能够电化学地还原在其内部输送空气中的氧气；
[0041] 一种电绝缘的隔板，其特征在于它对氢气是不渗透的，并且与离子交换基团官能化；
[0042] 一阳极电极，主要由一导电基板和能够电化学地氧化氢气的一催化剂所形成；
[0043] 相邻负极的载体，主要包括能够快速吸收大量气态氢气(高达2-3重量％)并根据需要逐渐释放的氢化物金属粉末；
[0044] 外部水储槽，如果需要，通过外部水储槽使空气穿过以便在被输送到电池的阴极之前被加湿；该储槽属于封闭的液压回路，其收集在供应电能时由氢与氧的再结合形成的水。
[0045] 在本装置中非常有利地能重新整合发生在装置的两种不同充电模式中所消耗的氢气。
[0046] 在第一模式中，该装置透过电能充电，通过连接到装置的电极的电池充电器充电，后者充当电解槽，利用所提供的电流来分解水分子，与空气流一起引入阴极隔室中、引入阳极处的氢气和阴极处的氧气；氢分子由储氢室中存在的氢化物金属粉末吸附，从而在大约8巴的最大压力下用氢气填充装置。根据该模式的装置的充电时间与一般的电池类似。
[0047] 在第二种模式中，通过直接注入氢气进行充电：该模式包括将低压(1-8巴)气态氢气直接引入阳极隔室，该氢气被金属氢化物快速吸附。有利地，该第二模式使得可以比根据第一模式的再充电所需的时间较短的时间内执行完全再充电。
[0048] 值得强调的是，根据第二模式的充电，即通过氢气注入，是放热过程，其产生相当高的温度；在本发明中，利用空气
输送机被认为是非常方便的，该空气输送机除了通过阴极隔室输送空气以在放电步骤期间带来作为反应物所需的氧气之外，在充电步骤期间通过注入氢气也保持活性，可以除去其中产生的热量，从而冷却吸附粉末。
[0049] 在这方面，值得注意的是，由于装置的布置及其尺寸特性(特别是宽度和长度远大于厚度)，可以比通过在压力储槽内部插入相同数量的金属粉末更有效的方式储存氢气，因为在这个创新的系统中，因为更大的热交换表面积，冷却-在通过直接注入氢气的充电放热过程中是必要的-可以以更快更有效的方式进行。
[0050] 有利的是，根据本专利申请的装置的阴极电极，与一般的燃料电池的阴极不同，基本上不含碳，以便通过电能防止其在再充电步骤期间降解为二氧化碳。
[0051] 放电步骤包括由氢化物金属吸收剂所释放的氢气上的电化学氧化过程(电子转移)，同时还包括空气中存在的氧气的还原过程(电子获得)；氧化还原反应的产物还包括-除了电能-
热能和水，不产生任何有毒或污染物质。这种放电步骤完全由吸热过程形成，该吸热过程涉及氢气脱附和涉及电流产生氧化还原反应的放热过程，其相互补偿并且防止达到过低或过高的温度，因此，提高整体能效。
附图说明
[0052] 图1示出根据本发明的电化学电池的可能
实施例的垂直剖面图；图1示出一正电流
集电器(1)、一负电流集电器(2)、一阴极电极(3)、一阳极电极(4)、一不透气
聚合物隔膜(5)、用作气体扩散层的一多孔载体(6)、含有氢化物金属粉末的一多孔载体(7)、加湿的空气入口通道(8)和使空气离开所述多孔载体(6)的空气出口通道(9)，以及使氢气进入所述多孔载体(7)的一气态氢气入口通道(10)。
[0053] 图2示出图1中所示类型由3个电化学
电池组成的电池的垂直剖面图，它们彼此
串联连接；在这里所说明的实施例，如气态氢气入口通道(10)那样，提供彼此连通的空气扩散通道(8、9)。
具体实施方式
[0054] 在特别完整的实施例中，根据本发明的可再充电的电化学电池，包括：
[0055] 一正电流集电器(1)和一负电流集电器(2)，其中每个由高导电和导热材料组成，对反应物(特别是氧气和氢气)不可渗透，并且具有高机械强度。所述集电器(1、2)可以例如由不锈
钢、
石墨、
钛或镍制成；
[0056] 一阴极电极(3)和一阳极电极(4)，其中阴极电极(3)和阳极电极(4)的每一个基本上由导电基板(催化剂固定在其上，并且允许从集电器到催化剂本身的电子转移)、一聚合物黏着剂(优选地由聚四氟乙烯的水分散粒剂成)和一催化剂所形成。催化剂基于电化学电池不论处于放电步骤还是充电步骤通过电流执行两种不同的功能：在阴极电极的情况下，放电步骤期间，催化剂电化学地还原内部输送到阴极隔室的空气中的氧气，而在充电步骤中，通过电能，催化剂通过引入阴极隔室的水分子与空气流分解来获取氧气；在阳极电极的情况下，在放电步骤的期间，催化剂电化学地氧化在阳极隔室中出现的氢气，而在充电步骤中，通过电能，它通过聚合物膜(5)分解从阴极电极
电渗透地渗入的水分子来产生氢气。有利的是，电极的宽度和长度较它们的厚度大，并且优选地后者最多为十分之几毫米；
[0057] 一离子交换聚合物膜(5)，其介于阴极电极(3)与阳极电极(4)之间，并且能够使所述两个电极(3、4)电绝缘；所述膜(5)提供离子
导电性和对气体(特别是对氢气和对氧气)的不渗透性，并且具有高热
稳定性；
[0058] 一导电多孔层(6)，介于正电流集电器(1)与阴极电极(3)之间，并且用作气体扩散层；
[0059] 一导电多孔层(7)，介于阳极电极(4)与负电流集电器(2)之间，所述多孔层(7)浸渍有催化剂粉末(基本上由镧、镍、钴、锰或
铝金属合金形成)，能够快速吸收大量气态氢气(高达2-3重量％)，优选地达到8巴的最大压力，并根据实际需要逐渐释放。所述多孔层(7)优选地具有与所述阳极电极(4)相同的宽度和长度，但它的厚度较后者厚20至30倍，以便能够含有足够的吸附合金材料，以储存与电化学电池的需求成比例的氢气量；
[0060] 一
框架，适于容纳电化学电池的组份部份，由塑胶材料组成(例如，举例来说，天然的或强化
纤维玻璃的聚氧二
甲苯(PPO)、聚苯硫醚(PPS)、聚二醚
酮(PEEK))，不透气且能够提供电化学电池的电绝缘；
[0061] 多个电绝缘固定螺钉，适于将框架的组份部份彼此相连，同时牢固地保持电化学电池的各个组份部份连接在一起；
[0062] “O环”型的平坦或环形
垫圈，由对反应物不可渗透的材料(例如，举例来说，
硅、三元乙丙
橡胶(EPDM)、丁腈橡胶(NBR)、氟橡胶(Viton))组成，其提供电池的阳极隔室和阴极隔室的气密密封；特别是，提供两个垫圈，一个与负电流集电器(2)
接触，而另一个与聚合物分隔膜(5)接触，所述聚合物分隔膜(5)在阳极隔室提供氢气密封，其中储存有加压氢气；一第三垫圈与正电流集电器(1)接触，并且在阴极隔室提供气密性；
[0063] 反应物扩散通道，在电化学电池的隔室内，特别是阴极电极(3)连接到加湿的空气入口通道(8)和到空气出口通道(9)；相反地，在阳极隔室这里，仅出现一个入口(10)，通过该入口(10)气态氢气可直接地注入多孔载体(7)中，在氢气充电步骤期间，这样的入口在达到大约8巴的最大压力值之后关闭；
[0064] 一水储槽(11)，如果需要，通过水储槽(11)，使输入阴极隔室的空气在输送到电池(3)的阴极之前穿过；非常有利的是，该储槽(11)是封闭回路的一部分，其收集在电能供应步骤中由氢气与氧气再结合形成的水。
[0065] 根据本发明的电化学电池的可能的实施例，所述离子交换膜(5)为阳离子型，并且由具有酸官能基的聚合物基质形成。在这种情况下，在阴极电极(3)中，所述基质由铂或
镀铂的钛网形成，并且催化剂由铂和铱纳米颗粒形成，而在阳极电极(4)中，基板由
碳质材料(例如碳布或碳纸)形成和催化剂由铂纳米颗粒形成；多孔层(6)由碳质材料形成，举例来说一层碳纸。
[0066] 在另一实施例中，所述膜(5)为阴离子型，并且由具有碱官能基的聚合物基质形成。在这种情况下，在阴极电极(3)中，基板由镍网或
泡沫镍形成，并且催化物由金属的氧化物、
钙钛矿或
尖晶石形成，例如钴、镧、锰、镍、
铁，而在阳极电极(4)中，基板由镍或钴的网或泡沫、或由碳质材料(例如碳布或碳纸)形成，并且催化剂由钯形成或由镍和铝金属海绵形成，其商品名为“nichel ”；多孔载体(6)由一层或多层的泡沫镍形成。
[0067] 根据本发明的电化学电池的操作分为两个主要操作步骤，即充电步骤和放电步骤。充电步骤使得可以重新整合放电步骤期间消耗的氢气，并且有利地可以以两种替代方式执行，即通过连接到电源或通过直接注入气态氢气。
[0068] 在第一充电模式中，集电器(1、2)连接到电源，并且在这种情况下，电池作为电解槽，在电解槽中它将引入的水分子与空气流一起分流到阴极隔室中；所述水分子在阳极(4)分解为氢气，而在阴极(3)分解为氧气。因此，所获得的氢气通过出现于多孔载体(7)中的氢化物金属粉末吸附，氢气在那里储存，优选地在不超过8巴的最大值的压力下储存。在第一模式中，充电时间与一般的电池相似。
[0069] 在第二电化学电池充电模式中，气态氢气以低压(一般为1至8巴)直接注入多孔载体(7)，其中通过金属氢化物快速吸附气态氢气。
[0070] 放电步骤包括通过多孔载体(7)释放氢气的一电化学氧化步骤(电子转移)以及同时包括注入阴极(3)的空气中的氧气还原过程(获得电子)。
[0071] 如果需要更大的电能储存容量，则可以将两个或多个上述类型的电化学电池耦合在一起以形成一系列电化学电池。在特别有效的实施例中，在电池的相对端处放置负主电流集电器和正主电流集电器，而每对相邻电池由一个集电器分开，其厚度小于所述主集电器的厚度。
[0072] 整个系统通过电绝缘螺钉紧固，并通过使用这种垫圈组装，以提供结构本身的气密密封，所述结构应能承受高达8至10巴的氢气压力。
[0073] 为每个电池提供通道以使反应物在内部扩散到框架，并且特别是，提供空气入口和空气出口到阴极隔室/从阴极隔室提供空气入口和空气出口，以及提供氢气入口到阳极隔室；特殊实施例还可以包括在框架内部彼此连通的空气扩散通道以及氢气通道。
