專利名稱：電化學(xué)裝置和氣體存儲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及減壓裝置、電化學(xué)裝置、減壓增壓裝置、氣體存儲裝置、氣體存儲輔助系統(tǒng)以及驅(qū)動這些裝置的方法。
本申請要求基于2002年1月18日提交的日本專利申請2002-009456和2002年12月25日提交的日本專利申請2002-373798的優(yōu)先權(quán)，在此引入其全部內(nèi)容作為參考。
背景技術(shù)：
作為將高壓氣體轉(zhuǎn)化為低壓氣體的手段，迄今為止廣泛地使用機械氣體調(diào)節(jié)器(gas regulator)。通常的氣體調(diào)節(jié)器是例如日本專利申請公開H04-244506中披露的機械裝置。
現(xiàn)在，根據(jù)日本專利申請公開H04-244506披露的內(nèi)容，在下面說明通常的氣體調(diào)節(jié)器。
如

圖1所示形成通常的氣體調(diào)節(jié)器。即，在主體殼體86進(jìn)口側(cè)的一端，裝有進(jìn)氣管87。在另一端，形成有出氣口88。在主體殼體86頂面形成的開口部分86a上，固定有封蓋89。在主體殼體86和封蓋89之間，固定隔板90的外緣(peripheral edge)。隔板90不透氣地劃分出封蓋89側(cè)的大氣壓室91和外殼86內(nèi)的減壓室92。
在隔板90的中間，操縱桿93垂直地穿過。隔板90夾在并固定在軸環(huán)部(collar part)93a和螺母94之間，其中軸環(huán)部93a布置在操作桿93內(nèi)，螺母94旋擰在操縱桿93的上端。彈簧95在隔板90與封蓋89之間插入，持續(xù)地壓迫隔板。操縱杠桿(operation level)96的操縱端交聯(lián)在操縱桿93的下半部，以便進(jìn)行滑動。操縱杠桿96通過支撐軸97由外殼86支撐，以便進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。操縱杠桿96的操縱端借助于操縱銷99與閥體98嚙合，該閥體98正對著進(jìn)氣管87的末端管口部分87a。在封蓋89內(nèi)，形成有與大氣一側(cè)相通的通氣孔89a。
在上述結(jié)構(gòu)的通常氣體調(diào)節(jié)器中，當(dāng)減少燃燒設(shè)備(省略了其說明)消耗的氣體量，以增大減壓室92內(nèi)壓力時，隔板90就克服彈簧95的推力而偏移至氣壓室91側(cè)，從而提升操縱桿93，并在支撐軸97上逆時針方向旋轉(zhuǎn)操縱杠桿96。使閥體98接近管口端87a。從而，進(jìn)入的氣體量就減少，由此降低減壓室92內(nèi)的氣壓。這樣，減壓室92內(nèi)的氣壓就被保持在對應(yīng)于彈簧95推力的基本穩(wěn)定的值。
因此，當(dāng)從進(jìn)氣管87側(cè)供給高壓氣體(氣態(tài)材料)時，在出氣口88側(cè)能得到規(guī)定低壓的氣體。
從構(gòu)造的角度看，上述機械系統(tǒng)的通常氣體調(diào)節(jié)器具有龐大的外形。而且，由于上述氣體調(diào)節(jié)器還具有可移動部分，因此就會產(chǎn)生由摩擦引起的磨損，從而縮短機器壽命。同時，在操作過程中還會產(chǎn)生不希望的噪音。
另外，這種通常的氣體調(diào)節(jié)器僅僅設(shè)計用來降低氣體的壓力，且僅配備有減壓機構(gòu)。因此，除減壓機構(gòu)外還需單獨地布置增壓機構(gòu)來加壓。
發(fā)明的公開本發(fā)明的一個目的是提供新型的減壓裝置、電化學(xué)裝置、減壓增壓裝置、氣體存儲裝置和氣體存儲輔助系統(tǒng)，以及驅(qū)動這些裝置的方法，這些裝置能夠解決如上所述通常提出的用于將高壓氣體轉(zhuǎn)化成低壓氣體的裝置所存在的問題。
本發(fā)明的另一個目的是提供緊湊、耐用而又無聲的減壓裝置，電化學(xué)裝置，減壓增壓裝置，氣體存儲裝置和氣體存儲輔助系統(tǒng)，以及驅(qū)動這些裝置的方法。
本發(fā)明涉及的氣壓調(diào)節(jié)器包括電化學(xué)電池，其包含將氣體分解為離子的第一電極，將所述第一電極處產(chǎn)生的離子再次轉(zhuǎn)化為所述氣體的第二電極，以及夾在所述兩個電極之間的離子導(dǎo)體；和配備在所述電化學(xué)電池側(cè)的高壓容器。
本發(fā)明涉及的氣壓調(diào)節(jié)方法包括在第一電極處將氣體分解成離子的分解步驟；將分解的離子通過離子導(dǎo)體傳導(dǎo)(conduct)至第二電極的傳導(dǎo)步驟，該離子導(dǎo)體夾在所述第一電極和第二電極之間；和在所述第二電極處將被傳導(dǎo)的離子再次轉(zhuǎn)化成所述氣體的轉(zhuǎn)化步驟。
在本發(fā)明的氣壓調(diào)節(jié)器和氣壓調(diào)節(jié)方法中，由于包括有分解步驟、傳導(dǎo)步驟和轉(zhuǎn)化步驟，而且在該裝置中沒有配備機械可移動部分，因此就能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊、耐用而又無聲的氣壓調(diào)節(jié)器。
此時，例如，當(dāng)驅(qū)動本發(fā)明的氣壓調(diào)節(jié)器時，電化學(xué)電池就可以起作用來降低高壓容器內(nèi)的壓力。
電化學(xué)電池起作用，以降低或增加高壓容器內(nèi)的壓力，從而本發(fā)明的氣壓調(diào)節(jié)器可以作為減壓增壓裝置來操作。
在這些情形中，由于在本發(fā)明的氣壓調(diào)節(jié)器中沒有配備機械可移動的部分，因此就能夠得到緊湊、耐用而又無聲的裝置。依照本發(fā)明，由于形成這樣裝置以便于具有減壓機構(gòu)和施壓機構(gòu)，因此就可以實現(xiàn)比通常的氣壓調(diào)節(jié)器更加緊湊的裝置。
在本發(fā)明中，氣體理想的是處于常溫和常壓狀態(tài)下的氣體。具體地，氣體優(yōu)選是氫氣或氧氣。
離子導(dǎo)體優(yōu)選是由能夠透過電離氣體的電解質(zhì)材料制成的膜。另外，第一電極和第二電極優(yōu)選是電極膜，在電極膜上承載(carry)有能夠離子平衡氣體的催化劑諸如鉑。
電極優(yōu)選具有一定的耐熱性和盡可能大的表面。每個電極優(yōu)選能夠在整個表面借助于表面上承載的催化劑，與離子導(dǎo)體緊密接觸。電極優(yōu)選具有一定程度的柔韌性，以便緊密接觸離子導(dǎo)體。另外，電極優(yōu)選是活化的電極(actived electrode)。
相應(yīng)地，第一電極和第二電極優(yōu)選是多孔或網(wǎng)孔形狀。例如，第一電極和第二電極可以以這種方式形成，即碳纖維或多孔碳形成片狀，而且在與由片狀電極材料制成的離子導(dǎo)體緊密接觸的一側(cè)上承載有活性催化劑。對于這種片狀電極材料，可以插入或粘結(jié)芯部材料，例如由編織金屬線形成的網(wǎng)狀芯部材料。這種金屬芯部材料插入或粘結(jié)在電極上，使得能夠提高電極本身的電導(dǎo)性，而且能夠獲得在整個表面上均勻的電流分布。
催化劑理想的是例如鉑、氧化釕、氧化銥等的細(xì)粒。但任何其它的電極材料如銀也是可以使用的，借助該材料進(jìn)行作為本發(fā)明一個目的的反應(yīng)。
催化劑可以用通常的方法承載在電極上。例如，可以采用一種方法，即使催化劑材料或其前體承載在碳粉末的表面上，經(jīng)受諸如加熱的處理來形成催化顆粒，并將這些催化顆粒與電極表面上的氟樹脂一起烘烤。另外，預(yù)先形成其上沒有承載催化材料的電極體。接著，將催化材料的前體，例如氯化鉑和氯化釕的混合水溶液或丁醇溶液作為涂布液體，涂覆在電極的表面，并在200℃至350℃下，在含有氫的還原氣氛中進(jìn)行燒結(jié)。這樣，在電極的表面上就形成鉑和釕的合金。
依照本發(fā)明的裝置優(yōu)選在電化學(xué)容器的另一側(cè)具有一個低壓容器。該電化學(xué)電池優(yōu)選充當(dāng)氣體隔墻的作用。當(dāng)在電化學(xué)電池兩側(cè)處產(chǎn)生壓力差時，優(yōu)選地設(shè)置通過控制兩個電極間的電勢來調(diào)節(jié)壓力的手段。另外，由壓力差生成的電動勢優(yōu)選地用繼電器等來短路，或者優(yōu)選地用可變電阻器來調(diào)節(jié)壓力。
通常，當(dāng)在電化學(xué)電池兩側(cè)生成壓力差時，由壓力差產(chǎn)生電動勢。這就是通常所說的能斯脫公式，其包含下式中示出的壓力項。
E＝E0+(RT/2F)ln(P1/P2) (1)在式(1)中，E0表示氣體的電離能(ionized potential)，R代表示氣體常數(shù)，T表示溫度，F(xiàn)表示法拉第常數(shù)，P1和P2表示氣壓。
實際上，當(dāng)作為氣體隔墻的電化學(xué)電池兩側(cè)的氣壓相同時，并不產(chǎn)生電勢差。然而，當(dāng)一側(cè)的氣壓升高時，就產(chǎn)生由式(1)中l(wèi)n(P1/P2)項引起的電動勢。
例如，當(dāng)氣體是氫氣時，在于催化劑之中存在下式(2)示出的平衡，如電極上加載的鉑。
(2)當(dāng)氣壓上升時，這種電化學(xué)平衡發(fā)生偏移，減緩壓力。這種反應(yīng)平衡使體積發(fā)生變化，從而具有非常重要的意義。也就是說，當(dāng)氣壓上升時，該平衡向右偏移，以減緩它。因此，許多電子流進(jìn)電極中來提高電勢。與此同時，許多質(zhì)子(H+)注入高壓容器側(cè)的離子導(dǎo)體中，使質(zhì)子易于擴散到低壓容器側(cè)。
當(dāng)擴散到低壓容器一側(cè)的質(zhì)子不與電子再次結(jié)合時，這些質(zhì)子就不能還原成氫氣。相應(yīng)地，當(dāng)產(chǎn)生電學(xué)短路時，其中兩個電極間的電勢差恒定，質(zhì)子在低壓容器側(cè)與電子再次結(jié)合。從而，很顯然，氫氣流向低壓容器一側(cè)。
在這一過程中，需要離子導(dǎo)體的氣體阻斷(gas interrupting)特性。如下所述，例如，當(dāng)氫氣用作這種氣體時，包含富勒烯或類似物作為基體(base)的質(zhì)子導(dǎo)體可用于離子導(dǎo)體。
基本上，由于僅特定氣體的離子才能穿過離子導(dǎo)體，因此這種電化學(xué)電池也具有氣體精制過濾器(gas refining filter)的功能。相應(yīng)地，當(dāng)氫氣用作這種氣體時，電化學(xué)電池最適合用作調(diào)節(jié)器用于向處于規(guī)定壓力下的電化學(xué)裝置如燃料電池供應(yīng)氫氣。
如上所述，本發(fā)明的本質(zhì)在于基于壓力的能斯脫公式，即上述式(1)。當(dāng)在兩個電極間產(chǎn)生壓力差時，該兩個電極的電勢可以用繼電器等來短路，或者該兩個電極的電勢可以用可變電阻器來控制，以調(diào)節(jié)壓力。
充當(dāng)氣體隔墻的電化學(xué)電池的兩側(cè)都具有封閉的容器。當(dāng)一側(cè)用作高壓氣體罐，另一側(cè)連接在氣體消耗系統(tǒng)上時，在另一側(cè)的封閉容器內(nèi)布置壓力傳感器。該壓力傳感器可以與連接在電化學(xué)電池兩個電極間的繼電器開關(guān)聯(lián)動(interlock)，而起作用以補償氣體的消耗。
由參看附圖的下述實施方式的描述，本發(fā)明其它的目的和具體優(yōu)點將變得更加清楚明白。
附圖簡述圖1是示出通常氣體調(diào)節(jié)器示例的截面示意圖；圖2是示出本發(fā)明的減壓裝置的截面示意圖；圖3是示出本發(fā)明的減壓裝置高壓容器側(cè)壓力變化的曲線圖；圖4A和4B是多羥基化富勒烯的結(jié)構(gòu)圖，示出可用于本發(fā)明的富勒烯衍生物的一個實例；圖5A和5B是示出富勒烯衍生物各個實例的示意圖；圖6A至6M是示出碳簇的各個實例的示意圖，該碳簇作為質(zhì)子導(dǎo)體的核；圖7A至7D是分別示出碳簇(部分富勒烯結(jié)構(gòu))其它實例的示意圖；圖8A至8G是分別示出碳簇其它實例(金剛石結(jié)構(gòu))的示意圖；圖9A至9H是分別示出碳簇其它實例(各個簇鍵合在一起)的示意圖；圖10A和10B示出作為質(zhì)子導(dǎo)體的核的碳納米管，圖10C是示出碳纖維的示意圖；圖11是示出本發(fā)明電化學(xué)裝置的截面示意圖；圖12是示出本發(fā)明的氣體存儲裝置的截面示意圖；圖13是連接在本發(fā)明氣體存儲裝置上的出口和進(jìn)口壓力探測手段的截面示意圖；圖14是示出本發(fā)明的氣體存儲裝置和連接在其上的氣體存儲輔助系統(tǒng)的截面示意圖；
圖15是本發(fā)明氣體存儲裝置另一個實例的截面示意圖；圖16是本發(fā)明氣體存儲裝置又一個人實施方式的截面示意圖；圖17是示出氣體存儲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中電化學(xué)電池以多級(multistage)結(jié)構(gòu)方式形成；圖18是示出氣體存儲裝置的另一個實例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中電化學(xué)電池以多級結(jié)構(gòu)方式形成。
實施本發(fā)明的最佳方式現(xiàn)在，參看附圖來說明本發(fā)明的各種實施方式。
如圖2所示，依照本發(fā)明的減壓裝置包括作為隔墻的電化學(xué)電池4，電化學(xué)電池4具有分別形成第一和第二電極的第一和第二催化電極1和2，在這些電極上承載有催化劑例如鉑，夾在催化電極1和2之間的質(zhì)子導(dǎo)體3；配備在電化學(xué)電池4兩側(cè)的高壓容器5和低壓容器6。真空泵8通過真空管道7連接在高壓容器5和低壓容器6上。此外，H2儲罐9和氣體流量計10連接在高壓容器5和低壓容器6上。引線導(dǎo)入端11和12連接在每個容器5和6上。用氫氣作為燃料的電能產(chǎn)生裝置(其說明被省略)連接在氣體流量計的末端。
首先，關(guān)閉閥13、14和17，打開閥15和16，用真空泵8在高壓容器5和低壓容器6內(nèi)獲得真空。接著，關(guān)閉閥15和16，打開閥13和14，由H2儲罐9向每個容器5和6引入10個大氣壓的氫氣。然后，關(guān)閉閥13和14。此后，打開閥17，使低壓容器6僅為1大氣壓。
此時，測量連接在電化學(xué)電池4兩端上的引線導(dǎo)入端11和12之間的電壓差，該電壓差大約是100mV。
接著，將電化學(xué)電池4的電極1和2兩者都短路，來測量高壓容器5內(nèi)壓力的變化。圖3表示高壓容器5的壓力隨時間的變化圖。如圖3所示，可以看出，高壓容器5內(nèi)的壓力隨著時間t的流逝而降低，通過繼電器(relay)來進(jìn)行電極1和2之間的短路。
質(zhì)子導(dǎo)體3理想地包括衍生物，該衍生物以這種方式形成，即通過制備作為主要成分的由至少一種選自富勒烯分子、碳作為主要成分的簇和管狀或線狀碳結(jié)構(gòu)體的材料制成的材料，且向形成該材料的碳原子引入質(zhì)子離解基團(tuán)而形成。下面描述的其它發(fā)明與上面的相同。
此處，質(zhì)子離解基團(tuán)指其中質(zhì)子可以根據(jù)電離進(jìn)行分離的功能團(tuán)。質(zhì)子的離解指質(zhì)子根據(jù)電離從功能團(tuán)分離出來。
作為質(zhì)子離解基團(tuán)所引入的目標(biāo)的核(nucleus)，富勒烯分子可以是沒有特別限定的任何球殼型簇分子Cm(m是使Cm可以形成球殼結(jié)構(gòu)的自然數(shù)。)。通常，優(yōu)選采用選自C36，C60，C70，C76，C78，C80，C82，C84，C86，C88，C90，C92，C94，C96等或者其中兩種或多種材料的混合物的富勒烯分子的單一材料(single material)。
這些富勒烯分子是在1985年，通過激光燒蝕，在碳的簇束(cluster beamof carbons)的質(zhì)譜光譜中發(fā)現(xiàn)的(Kroto，H.W，；Heath，J.R；O’Brien，S.C.；Curl，R.F.；Smalley，R.E.Nature 1985.318，162)。實際上，五年后才建立其制造方法。1990年，發(fā)現(xiàn)了用弧光放電法來制造碳電極的方法。其后，富勒烯作為碳質(zhì)半導(dǎo)體材料等一直引起人們的關(guān)注。
如圖4A和4B所示，作為通過向富勒烯分子添加多個羥基而形成的結(jié)構(gòu)的富勒烯醇(fullerenol)，其合成的例子最先在1992年由Chiang等人報道(Chiang，L.Y，；Swirczewski，J.W.；Hsu，C.S.；Chowdhury，S.K.；Cameron，S.；Creegan，K.，J.Chem.Soc，Chem.Commun.1992，1791)。
本發(fā)明的發(fā)明人首次發(fā)現(xiàn)，如果富勒醇用作圖5A所示的聚集體(aggregate)來在富勒醇分子的羥基之間產(chǎn)生相互作用時(在圖中，o表示富勒烯分子)，其中富勒醇分子彼此相互間緊密接觸，該聚集體作為宏觀聚集體表現(xiàn)出高質(zhì)子導(dǎo)電性，即，聚集體表現(xiàn)出H+從富勒醇分子的酚羥基解離的性能。
根據(jù)本發(fā)明，具有例如除富勒醇外多個-OSO3H基團(tuán)的富勒烯聚集體可以用作離子導(dǎo)體。圖5B所示其中OH基被OSO3H基取代的多羥基化富勒烯，即硫酸氫鹽酯化富勒醇也由Chiang等人在1994年報道(Chiang，L.Y.；Wang，L.Y.；Swirczewski，J.W.；Soled，S.；Cameron，S.，J.Org.Cem.1994，59，3960)。在硫酸氫鹽酯化富勒醇里，一個分子可以僅包括OSO3H基或可以分別包括多個OSO3H基和羥基。
當(dāng)許多上述的富勒醇和硫酸氫鹽酯化富勒醇聚集時，作為整體(bulk)顯示出的質(zhì)子導(dǎo)電性直接與質(zhì)子的運動相聯(lián)系，該質(zhì)子衍生于初始包含在分子內(nèi)的大量羥基或OSO3H基。因此，即使是在很低濕度的氣氛中也可以不斷地使用富勒醇和硫酸氫鹽酯化富勒醇。
構(gòu)成這些分子的基體(base)的富勒烯特別地具有親電性，該親電性被認(rèn)為不僅極大地有助于加速高酸度OSO3H基內(nèi)氫離子的電離，還有助于加速在羥基內(nèi)氫離子的電離，并顯示出優(yōu)良的質(zhì)子導(dǎo)電性。由于相對大量的羥基和OSO3H基可以被引入一個富勒烯分子，因此每單位體積與傳導(dǎo)相連系的質(zhì)子導(dǎo)體的密度變得非常高。從而，就實現(xiàn)穩(wěn)定的傳導(dǎo)性。
大部分的富勒醇和硫酸氫鹽酯化富勒醇是由富勒烯碳原子構(gòu)成，它們重量很輕，較少變質(zhì)，而且不包含任何的污染物。從而，富勒烯的生產(chǎn)成本正在迅速降低。因此，從資源、環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)的觀點看，基本上認(rèn)為富勒烯是比其它材料更理想的碳材料。
而且，質(zhì)子離解基團(tuán)并不必限于上述的羥基或OSO3H基。
即，用式-XH表示質(zhì)子離解基團(tuán)。其中X可以是具有二價鍵的任意的原子或原子團(tuán)。此外，也可用式-OH或-YOH表示質(zhì)子離解基團(tuán)，其中Y可以是具有二價鍵的任意的原子或原子團(tuán)。
具體地，作為質(zhì)子離解基團(tuán)，除-OH和-OSO3H外，優(yōu)選-COOH、-SO3H、-OPO(OH)2和-C6H4-SO3H的任一種。
例如，為了合成在本發(fā)明中使用的富勒醇，已知的方法像酸化法或水解法適合組合起來運用至富勒烯粉末，以使所需的基團(tuán)可以引入到形成富勒烯分子的碳原子上。
接著，用涂覆或沉積的方法將獲得的富勒烯衍生物形成膜結(jié)構(gòu)，用作電化學(xué)電池4的質(zhì)子導(dǎo)體3。
該質(zhì)子導(dǎo)體3可以基本上僅由富勒烯衍生物構(gòu)成，或者可以由用粘合劑粘合的富勒烯衍生物構(gòu)成。
當(dāng)質(zhì)子導(dǎo)體3基本上僅由富勒烯衍生物構(gòu)成時，可以使用在壓力下通過模塑富勒烯衍生物而形成的薄膜狀質(zhì)子導(dǎo)體3。當(dāng)用粘合劑粘合的富勒烯衍生物作為質(zhì)子導(dǎo)體3時，可以用粘合劑來形成具有足夠強度的質(zhì)子導(dǎo)體。
作為用作粘合劑的聚合物材料，采用一種或兩種或者多種具有已知成膜特性的聚合物。具有這種結(jié)構(gòu)的質(zhì)子導(dǎo)體能夠顯示出與僅由富勒烯衍生物構(gòu)成的質(zhì)子導(dǎo)體相同的質(zhì)子導(dǎo)電性。
此外，由聚合物材料得到的成膜特性使該質(zhì)子導(dǎo)體不同于僅由富勒烯衍生物構(gòu)成的質(zhì)子導(dǎo)體。因此，用粘合劑粘合富勒烯衍生物而形成的質(zhì)子導(dǎo)體可以用作柔性質(zhì)子導(dǎo)體3，該質(zhì)子導(dǎo)體3的強度高于富勒烯衍生物粉末壓塑的產(chǎn)品，且該質(zhì)子導(dǎo)體3具有防透氣功能。此時使用的質(zhì)子導(dǎo)體薄膜具有300微米或更小的厚度。
作為聚合物材料，盡可能地不阻礙質(zhì)子的導(dǎo)電性(因為與富勒烯衍生物的反應(yīng))且具有成膜特性的任何材料都是可用的，沒有特別限制。通常，使用沒有電子導(dǎo)電性且具有良好穩(wěn)定性的材料。關(guān)于具體的例子，可以例舉出聚氟乙烯、聚偏1，1二氟乙烯、聚乙烯醇等?；谙旅婷枋龅脑?，這些材料是優(yōu)選的聚合物材料。
首先，由于聚四氟乙烯可以比其它聚合物材料更容易地形成具有較高強度、較少混合量的薄膜，因此聚四氟乙烯是優(yōu)選的。在這種情形下，混合的量是3重量％或更少，優(yōu)選地，混合的量是0.5至1.5重量％這么小。薄膜的厚度通?？梢詼p少到100微米至1微米。
聚偏1，1二氟乙烯和聚乙烯醇是優(yōu)選的，因為它們能夠獲得具有優(yōu)良防透氣功能的質(zhì)子導(dǎo)電薄膜。在這種情形下，混合的量優(yōu)選介于5至15重量％的范圍。
當(dāng)聚氟乙烯、聚偏1，1二氟乙烯或聚乙烯醇各自混合的量低于上述范圍的下限值時，就會給成膜帶來不良的影響。
為了用粘合劑分別粘合富勒烯衍生物來獲得質(zhì)子導(dǎo)體薄膜，可以采用已知的成膜方法，像加壓模塑或擠塑法。
在依照本發(fā)明的裝置中，從處理和致密角度看，電極1、2和作為質(zhì)子導(dǎo)體3的富勒烯衍生物優(yōu)選成形為具有足夠物理強度的柔軟片形。
由于電化學(xué)電池4在大氣中，即使是當(dāng)操作期間溫度或濕度并不進(jìn)行調(diào)節(jié)時也可以有效地起作用，因此就有效地降低氫氣的壓力。
由向形成富勒烯分子例如富勒醇的碳原子引入質(zhì)子離解基團(tuán)而形成的富勒烯衍生物被用作形成質(zhì)子導(dǎo)體3的材料。因此，電化學(xué)電池4能在大氣中低濕度的狀態(tài)下起作用，即使沒有加濕器，這不同于使用作為H3O+離子導(dǎo)體的高氟化樹脂(Nafion)的情形。
也即，由于可以在大氣中低濕度的狀態(tài)下降低氫氣的壓力，因此就可以加速降低氫氣壓力的初始操作，而不再需要一段時間直至穩(wěn)定工作。例如，可以配備加濕器，以類似地在有水的情形下降低氫的壓力。但是，本發(fā)明并不一定需要上述的條件。
當(dāng)使用作為H3O+離子導(dǎo)體的高氟化樹脂時，氫被壓縮，同時產(chǎn)生水，因此就需要除濕器。與其相比，在本發(fā)明的這種實施方式中，即使不提供除濕器，氫氣的壓力也可以降低。
而且，即使不提供加濕器，也可以有效地實現(xiàn)電化學(xué)壓力的降低操作。從而，壓力被降低的氫氣中水的含量很低。相應(yīng)地，就不需要作為后續(xù)工藝(post process)的除濕過程。
因此，電化學(xué)電池4可以有效地降低氫氣的壓力。這樣，本發(fā)明的裝置更緊湊且高度通用。
在本發(fā)明中，作為質(zhì)子導(dǎo)體，例如可以用簇衍生物來替代富勒烯衍生物，該簇衍生物可以以這種方式得到，即用碳電極的弧光放電法來得到由碳粉末制成的簇，并使碳粉末酸化，且將質(zhì)子(H+)離解基團(tuán)引入碳粉末。
此處，簇一般指的是幾個至幾百個原子粘合或聚集在一起而形成的聚集體。該聚集體能使質(zhì)子導(dǎo)電性得到提高，且能保持化學(xué)特性以具有足夠的膜強度，以及能很容易地形成層。這種簇表明該聚集體包括作為主要成分的碳，且是通過粘合幾個至幾百個碳原子而無論碳-碳鍵的類型來形成的。然而，該簇并不必僅包括100％的碳，其它的原子也可以混合進(jìn)去。包括上述情形的許多碳原子占據(jù)的這種簇，稱作碳簇。
由于上述的質(zhì)子導(dǎo)體包括作為主要成分的、由向作為核(nucleus)的碳簇引入質(zhì)子離解基團(tuán)而獲得的材料，因此在干燥狀態(tài)下質(zhì)子可以很容易地離解。從而，可以實現(xiàn)類似于上述質(zhì)子導(dǎo)體的效應(yīng)以及質(zhì)子導(dǎo)電性。由于多種下述的含碳材料包括在上述碳簇的范疇(category)內(nèi)，因此實際上可選擇含碳材料的范圍很寬。
在這種情形下，碳簇被用作核，因為需要引入大量的質(zhì)子離解基團(tuán)以獲得良好的質(zhì)子導(dǎo)電性，而且用碳簇來實現(xiàn)上述的情況。從而，固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體的酸度極高。然而，碳簇與其它普通的含碳材料不同，它很難被氧化變質(zhì)，同時它的耐久性也很出色，且成分原子被緊密地鍵合在一起。因此，即使當(dāng)酸度很高時，原子間的鍵合也不會破裂，即碳簇很難被化學(xué)地改變，從而能夠保持膜結(jié)構(gòu)。
具有這種結(jié)構(gòu)的質(zhì)子導(dǎo)體在干燥狀態(tài)下也能顯示出很高的質(zhì)子導(dǎo)電性。如圖6至9所示，示出有各種類型的碳簇。因此，作為質(zhì)子導(dǎo)體的材料，選擇范圍就變得很寬。
首先，在圖6A至6M中示出各種類型的碳簇，包括許多聚集的碳原子，具有球形或長球形結(jié)構(gòu)(long spherical structure)或者類似的閉合面(closedsurface)結(jié)構(gòu)。在這種情形中，示出的富勒烯分子相互結(jié)合在一起。另一方面，在圖7A至7D中示出各種類型的碳簇實例，其中球形結(jié)構(gòu)都是部分缺失的。這里示出的碳簇的特點在于開口端配備在這些結(jié)構(gòu)內(nèi)。大多數(shù)的結(jié)構(gòu)都是在用弧光放電法制備富勒烯的過程中作為副產(chǎn)品來制得的。當(dāng)碳簇的多數(shù)碳原子以SP3鍵合時，就制造出如圖8A至8G中所示具有金剛石結(jié)構(gòu)的各種簇。在圖7C和7D中，涂黑部分表示五員環(huán)或七員環(huán)。
碳原子大體以SP2鍵合的簇具有石墨的平面結(jié)構(gòu)，或者具有富勒烯或納米管的全部或部分結(jié)構(gòu)。由于具有石墨結(jié)構(gòu)的簇基本上具有電子導(dǎo)電性，因此這些簇并不優(yōu)選作為質(zhì)子導(dǎo)體的核。
另一方面，由于具有富勒烯或納米管的SP2鍵合的簇部分地包括SP3鍵合的因素(factor)，因此它們的大多數(shù)并沒有電子導(dǎo)電性，從而具有SP2鍵合的這些簇優(yōu)選作為質(zhì)子導(dǎo)體的核。
圖9A至9G示出簇鍵合在一起的各種情形。這些結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于本發(fā)明。在圖9A和9B中，～表示鍵合鏈，像(CH2)n，(CF2)n等。此外，在圖9E至9G中，涂黑部分表示五員環(huán)或七員環(huán)。
在本發(fā)明中，需要將上述的質(zhì)子離解基團(tuán)引入形成碳簇的碳原子。作為引入質(zhì)子離解基團(tuán)的手段，優(yōu)選下面描述的制造方法。
也即，首先用碳電極的弧光放電來生成由碳粉末制成的碳簇。隨后，酸化碳簇，或者進(jìn)一步進(jìn)行例如水解的處理或進(jìn)一步進(jìn)行磺化，或者適宜地形成磷酸鹽酯化。這樣，就可以很容易地獲得作為理想產(chǎn)品的碳簇衍生物。在上述酸化過程中，使用硫酸等。
碳簇可以在壓力下不使用粘合劑而直接成型為膜狀、丸狀或其它類似形狀。在本發(fā)明中，作為核的碳簇的主軸長度優(yōu)選100納米或更短，特別優(yōu)選100?；蚋。乙牖鶊F(tuán)的數(shù)目優(yōu)選為2或更多。
關(guān)于碳簇，富勒烯等籠型結(jié)構(gòu)，或者在其至少一部分內(nèi)具有開口端的結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的。具有這種缺失結(jié)構(gòu)(defect structure)的富勒烯具有富勒烯的反應(yīng)性。同時，缺失部分，即，開口部分額外地具有較高的反應(yīng)性。因此，通過酸化處理促進(jìn)酸(質(zhì)子)離解取代基團(tuán)的引入，來獲得較高的取代引入率和高質(zhì)子導(dǎo)電性。另外，大量具有上述結(jié)構(gòu)的富勒烯能比普通的富勒烯更好地合成，而且能以極低的成本進(jìn)行生產(chǎn)。
另一方面，作為本發(fā)明質(zhì)子導(dǎo)體的核，優(yōu)選使用管狀或線性的碳結(jié)構(gòu)。作為管狀碳結(jié)構(gòu)，優(yōu)選使用例如管形的碳納米管。作為線性碳結(jié)構(gòu)，優(yōu)選使用例如纖維形的碳纖維。
碳納米管或碳纖維往往由于其結(jié)構(gòu)而很容易放出電子，從而極大地增加其表面積。因此，碳納米管或碳纖維能夠進(jìn)一步地提高質(zhì)子的傳播效率。
在此，該優(yōu)選使用的碳納米管或碳纖維可以采用弧光放電法或化學(xué)氣相沉積法(熱CVD法)來制造。
在弧光放電法中，通過使用弧光放電腔，使用金屬催化劑如FeS，Ni，Co等，并在例如150托的He氣氛下合成碳納米管或碳纖維。根據(jù)弧光放電，碳納米管材料粘在腔的內(nèi)表面上，形成布(cloth)狀。從而，例如就得到碳納米管。在此，若催化劑共同存在，則可以得到具有小直徑的碳納米管。當(dāng)弧光放電是在無催化劑的條件下進(jìn)行時，可以得到具有多層的厚碳納米管。
如上所述，碳納米管可以例如在無催化劑的條件下進(jìn)行弧光放電來生成。作為高品質(zhì)碳納米管，圖10A中示出的多層碳納米管101和圖10B中示出具有石墨(graphene)結(jié)構(gòu)(圓柱結(jié)構(gòu))的多層碳納米管201是已知的，它沒有任何缺陷且作為電子放電(electron discharging)材料具有很高的性能。
質(zhì)子離解基團(tuán)可以以一種與上述相同的處理方式而引入上述用弧光放電法得到的碳納米管。從而，更可以獲得即使在干燥狀態(tài)中也具有優(yōu)良的質(zhì)子導(dǎo)電性的質(zhì)子導(dǎo)體。
化學(xué)氣相沉積法是一種通過使過渡金屬的細(xì)粒與乙炔、苯、乙烯的烴或CO等進(jìn)行反應(yīng)，合成碳納米管或碳纖維的方法。使過渡金屬基材或涂覆基材與烴或CO氣體反應(yīng)，將碳納米管或碳纖維301聚集在基材300上，如圖10C所示。
例如，可以通過將Ni基材300配備在一個加熱至700℃的氧化鋁管內(nèi)，并使之與甲苯/H2氣體(例如，100sccm)反應(yīng)，而合成具有圖10C所示結(jié)構(gòu)的碳纖維301。
此處，碳納米管的直徑長度比(aspect ratio)優(yōu)選在1∶1000至1∶10的范圍。另外，碳纖維的長度直徑比優(yōu)選在1∶5000至1∶10的范圍。管狀或線性碳結(jié)構(gòu)的直徑優(yōu)選在0.001至0.5微米的范圍。其長度優(yōu)選是1至5微米。
在依照本發(fā)明的裝置中，可以僅僅布置單個電化學(xué)電池作為壓力隔墻。然而，多個電化學(xué)電池可以沿氣體流動方向平行地布置，而且可以具有多級結(jié)構(gòu)。特別地，當(dāng)布置在電化學(xué)電池兩側(cè)的容器的壓力差很大時，就需要使用數(shù)個電化學(xué)電池。
本發(fā)明涉及電化學(xué)裝置。這種電化學(xué)裝置包括減壓部分和氣體消耗部分；該減壓部分包括電化學(xué)電池和高壓容器；該電化學(xué)電池具有用于將氫氣分解成質(zhì)子的第一電極、用于將第一電極處產(chǎn)生的質(zhì)子再次轉(zhuǎn)化成氫氣的第二電極、夾在兩個電極之間的質(zhì)子導(dǎo)體，該電化學(xué)電池用來降低高壓容器內(nèi)的壓力，高壓容器布置在電化學(xué)電池第一電極側(cè)，以容納包括氫氣的氣態(tài)材料；該氣體消耗部分包括氫氣存儲部分、第三電極、用于將在第三電極處產(chǎn)生的質(zhì)子轉(zhuǎn)化成水的第四電極、以及夾在這兩個電極之間的質(zhì)子導(dǎo)體，在第四電極處被轉(zhuǎn)化成水的質(zhì)子將第三電極與第四電極之間的電化學(xué)能導(dǎo)出(take out)，布置該氫氣存儲部分與減壓部分內(nèi)第二電極側(cè)接觸，布置該第三電極與該氫氣存儲部分接觸，用于將來自氫氣儲存部分的氫氣分解成質(zhì)子。
作為一種驅(qū)動本發(fā)明電化學(xué)裝置的方法，例如，當(dāng)驅(qū)動減壓部分時，電化學(xué)電池起作用，減少高壓容器內(nèi)的壓力，而且布置氫氣存儲部分與減壓部分內(nèi)第二電極側(cè)接觸。理想地布置氣體消耗部分與氫氣存儲部分接觸，以在第四電極處將質(zhì)子轉(zhuǎn)化成水并導(dǎo)出第三電極與第四電極之間的電化學(xué)能。氣體消耗部分含有第三電極，該第三電極將來自氫氣存儲部分的氫氣分解成質(zhì)子；將在第三電極處生成的質(zhì)子轉(zhuǎn)化成水的第四電極；和夾在該兩個電極之間的質(zhì)子導(dǎo)體。
在依照本發(fā)明的電化學(xué)裝置中，由于可以機械移動的部分，像上述本發(fā)明的氣壓調(diào)節(jié)器，并不布置在該電化學(xué)裝置中，因此就能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊、耐用而又無聲的裝置。
在圖11中示出依照本發(fā)明的電化學(xué)裝置的具體結(jié)構(gòu)。
如圖11所示，減壓部分18包括電化學(xué)電池4和用于容納包括氫氣的氣態(tài)材料的高壓容器5，該電化學(xué)電池4具有用于將氫氣分解成質(zhì)子的第一電極1、用于將在第一電極1處生成的質(zhì)子再次轉(zhuǎn)化成氫氣的第二電極2、和夾在兩個電極1與2之間的質(zhì)子導(dǎo)體3，布置高壓容器5在電化學(xué)電池4第一電極1側(cè)。電化學(xué)電池4起作用來減小高壓容器5內(nèi)的壓力。布置氫氣存儲部分19與減壓部分18的第二電極2側(cè)接觸。布置氣體消耗部分20與氫氣存儲部分19接觸，且氣體消耗部分20包括第三電極21，布置該第三電極21與氫氣存儲部分19接觸，且用于將由氫氣存儲部分19供給的氫氣分解成質(zhì)子；和用于將在第三電極21處生成的質(zhì)子轉(zhuǎn)化成水的第四電極22；以及夾在兩個電極21與22之間的質(zhì)子導(dǎo)體23。在第四電極22處質(zhì)子可以被轉(zhuǎn)化成水，且第三電極21與第四電極22之間的電化學(xué)能被導(dǎo)出來用作燃料電池部分。在不與質(zhì)子導(dǎo)體23接觸的第四電極22的表面?zhèn)?，供給O2或含有O2的氣體。
壓力傳感器24布置在氫氣存儲部分19內(nèi)，用來與連接在引線導(dǎo)入端11和12之間的繼電器開關(guān)11a聯(lián)動，來補償氣體的消耗，其中引線導(dǎo)入端11和12連接在電化學(xué)電池4的第一電極1和第二電極2之間。
高壓容器5通過閥25a連接到H2供應(yīng)罐25上。當(dāng)高壓容器5內(nèi)的壓力達(dá)到規(guī)定值或更小時，閥25a打開，從而由H2供應(yīng)罐25供給氫氣。該H2供應(yīng)罐25可以填充氫氣存儲合金(storing alloy)、氫氣存儲碳材料(storingcarbon material)、金屬鹵化物等。作為氫氣存儲合金，可以使用LaNi6、CaNi5、TiCo0.5Mn0.5、TiCo0.5Fe0.5、TiFe0.8Ni0.15V0.05等。作為氫氣存儲材料，可以使用碳材料、碳納米管、碳纖維、活性碳等。作為金屬鹵化物，可以使用NaAlH4、LiAlH4等。高壓容器5也可以填充氫氣存儲合金、氫氣存儲碳材料、金屬鹵化物等。
在這種情形中，由于質(zhì)子導(dǎo)體3和23的氣體阻斷性質(zhì)必須很高，因此質(zhì)子導(dǎo)體3和23就需要具有電離氣體可以透過而氣體本身不能透過的性質(zhì)。為了獲得上述性質(zhì)，質(zhì)子導(dǎo)體3和23理想地包含以這樣的方式形成的衍生物，即作為主要成分包括至少一種選自富勒烯分子、碳作為主要成分的簇和管狀或線性碳結(jié)構(gòu)的材料，而且質(zhì)子離解基團(tuán)被以上述相同的方式引入到形成這種材料的碳原子上。
本發(fā)明涉及氣體存儲裝置，包括用于引入或排出氣體的氣體進(jìn)口和出口部分；用于存儲氣體的氣體存儲部分；配備在氣體存儲部分內(nèi)的電化學(xué)電池，該電池包含用于將氣體分解成離子的第一電極、用來將在第一電極處生成的離子再次轉(zhuǎn)化成氣體的第二電極、和夾在兩個電極之間的離子導(dǎo)體；減壓增壓部分，其中依照電化學(xué)電池的作用，通過氣體進(jìn)口和出口部分，氣體供給到氣體存儲部分或從氣體存儲部分排出，來降低或增加氣體存儲部分內(nèi)的壓力。
作為驅(qū)動本發(fā)明氣體存儲裝置的方法，例如，在當(dāng)驅(qū)動氣體存儲裝置時，理想的是根據(jù)電化學(xué)電池的作用情況，通過氣體進(jìn)口和出口部分，氣體供給到氣體存儲部分或從氣體存儲部分排出，來降低或增加氣體存儲部分內(nèi)的壓力。
在本發(fā)明的氣體存儲裝置中，由于機械移動部分并未配備在氣體存儲裝置內(nèi)，例如上述的氣壓調(diào)節(jié)器或本發(fā)明的電化學(xué)裝置，因此就可以實現(xiàn)緊湊和耐用的氣體存儲裝置。
依照本發(fā)明的氣體存儲裝置26具有圖12所示的結(jié)構(gòu)。設(shè)置在該氣體存儲裝置26中的氣體進(jìn)口和出口部分27具有用于輸入和輸出氣體的開口和一個足以暫時地將氣體保持在相等壓力下的微空間(micro space)。
配備進(jìn)口和出口壓力探測手段28用來探測微空間內(nèi)的壓力，而且例如是一個采用隔板的壓力傳感器。作為這種壓力傳感器的一個實例，例如，采用如圖13所示具有隔板29、封閉空間(closed space)30和微型開關(guān)31的壓力傳感器，其中在封閉空間30內(nèi)密封有規(guī)定量的氣體。
隔板29的一個表面?zhèn)人哂械膲毫εc氣體進(jìn)口和出口部分27的相同。從而，隔板29移動直到封閉空間30與氣體進(jìn)口和出口部分27之間的壓力差和隔板29的彈力相平衡。當(dāng)氣體進(jìn)口和出口部分27的壓力達(dá)到規(guī)定壓力時，微型開關(guān)31就從ON(連接狀態(tài))切換為OFF(不連接狀態(tài))。
壓力璧32是用來承受高壓例如10到300個大氣壓的壓力承受璧(pressure resistant wall)，它具有氣體流動孔，就像在氣體進(jìn)口和出口部分27與壓力璧32的邊界處有很多非常小面積的開口。壓力璧32并不特別限于特定的形式，而是只要均勻地分散壓力即可，圓柱形或球形是更優(yōu)選的。圖12示出當(dāng)壓力璧32呈圓柱體形時沿包括圓柱體中心的平面所取的截面圖。
氣體流動孔保持第一電極1、離子導(dǎo)體3和第二電極2逆著氣體存儲部分33的壓力，與此同時，氣體流動孔使氣體從氣體存儲部分33向氣體進(jìn)口和出口部分27移動。包括第一電極1、離子導(dǎo)體3和第二電極2的電化學(xué)電池是作為獨立部分進(jìn)行操作的減壓增壓部分，電化學(xué)電池的整個部分位于氣體存儲部分33內(nèi)。
引線34和35是電導(dǎo)體，其各自的一端分別連接在第二電極2和第一電極1上，其另一端連接在第二電極端38和第一電極端39上，同時與壓力璧32保持絕緣。連接線36和37又分別將第二電極端38和第一電極端39的觸點與微型開關(guān)31連接在一起。
依照本發(fā)明的氣體存儲裝置26包括一個氣體存儲輔助系統(tǒng)。該氣體存儲輔助系統(tǒng)理想地包括氣體通道，用于向配備在氣體存儲裝置26內(nèi)的氣體進(jìn)口和出口部分27供應(yīng)氣體；壓力探測手段，用于探測氣體通道41內(nèi)的氣壓；電壓探測手段，用于探測第一電極1和第二電極2之間產(chǎn)生的壓力；計算手段，用于基于氣壓和電壓來計算控制電流信號；電流供應(yīng)部分，用于產(chǎn)生控制電流；切換手段，用于在第一電極1與第二電極2之間供給控制電流和探測電壓直到電壓達(dá)到預(yù)定值這兩個狀態(tài)間交替切換。
具有本發(fā)明氣體存儲輔助系統(tǒng)40的氣體存儲裝置26示出在圖14中。在圖14中用虛線示出的部分表示氣體存儲裝置26，用實線示出的部分表示氣體存儲輔助系統(tǒng)40。
通道41具有連接氣體進(jìn)口和出口部分27的開口部分上的結(jié)構(gòu)，以使氣體不會泄漏，氣體進(jìn)口和出口部分27配備在氣體存儲裝置26內(nèi)。氣體由罐47向通道41供應(yīng)。
壓力探測機構(gòu)42是用來探測通道41內(nèi)氣體壓力值的手段，而且，例如，它將隔板相對于阻力值的位移變成類似(analog)的壓力值P1。布置壓力探測機構(gòu)42，用于探測氣體存儲裝置26中氣體進(jìn)口和出口部分27的壓力，也即，探測從氣體進(jìn)口和出口部分27一側(cè)施加在第二電極2上的壓力。由于通道41連接到氣體進(jìn)口和出口部分27，因此它們具有基本上相同的壓力。該壓力探測機構(gòu)42配備在通道41附近，從而可以實現(xiàn)這一目的。
第一接線端48和第二接線端49與氣體存儲裝置26的第一電極端39和第二電極端38保持電接觸。
切換部分46是借助于電導(dǎo)線連接到第一接線端48和第二接線端49上的切換手段。
觸點S0與S1，以及觸點S3與S4同時接通。當(dāng)切換信號C1改變時，觸點S0與S2，以及觸點S3與S5同時接通。切換信號C1由計算手段44發(fā)出。當(dāng)切換開關(guān)的切換元件43a和44a與觸點S1和S4相連時，壓力電壓探測部分43探測第一電極1和第二電極2之間產(chǎn)生的電壓。當(dāng)切換元件43a和44a與觸點S2和S5相連時，預(yù)定電流就從電流供應(yīng)部分45向第一接線端48和第二接線端49供給。
電流的方向和大小取決于電流控制信號C2，這些值由計算部分44計算。
如下所述，排出氣體存儲裝置26內(nèi)氣體的操作以與本發(fā)明的減壓裝置相同的方式來進(jìn)行。
在氣體存儲裝置26的第一電極端39與第二電極端38之間，產(chǎn)生對應(yīng)于存儲部分33與氣體進(jìn)口和出口部分27之間壓力差的電壓，并借助于連接線36和連接線37將該電壓導(dǎo)向微型開關(guān)31的各個觸點。當(dāng)氣體進(jìn)口和出口部分27的壓力降低至規(guī)定值或更小時，微型開關(guān)31的觸點連通(ON)。這樣，基于產(chǎn)生的電壓，電流就提供給第二電極2和第一電極1，離子提供給離子導(dǎo)體3。結(jié)果，氣體存儲部分33內(nèi)的氣體壓力被降低，而且壓力降低的氣體被提供給氣體進(jìn)口和出口部分27。當(dāng)氣體進(jìn)口和出口部分27填充有足夠量的氣體時，微型開關(guān)31的觸點關(guān)閉(OFF)，中斷第二電極2和第一電極1的電流。相應(yīng)地，離子的傳導(dǎo)也中斷，從而停止氣體存儲部分33內(nèi)的氣體進(jìn)入氣體進(jìn)口和出口部分27。
作為微型開關(guān)31的接觸形式，當(dāng)使用磁滯(hysteresist)特性類型(即不同的壓力會使開關(guān)切換為每個狀態(tài)ON/OFF)的開關(guān)時，開關(guān)的ON/OFF操作可以緩慢地在規(guī)定壓力變化范圍內(nèi)重復(fù)。從而，開關(guān)觸點的壽命就能被有效地延長。
這樣，由于氣體進(jìn)口和出口部分27充有規(guī)定壓力的氣體，因此該規(guī)定壓力的氣體就能夠從開口部分排出。在這一操作的過程中，不需要外部電能，由此就能夠得到高可靠性且便于維護(hù)的氣體存儲裝置。
現(xiàn)在，參看上述圖12至14，說明氣體存儲裝置26內(nèi)存儲氣體的操作。
當(dāng)存儲氣體時，氣體存儲裝置26連接到氣體存儲輔助系統(tǒng)40，以存儲氣體。
暫時地移走氣體存儲裝置26的連接線36和連接線37，或者其中一個連接線用配備在中途(halfway)的開關(guān)(未示出)斷開。接著，通道41連接到氣體進(jìn)口和出口部分27的開口部分上，第一接線端48和第二接線端49連接到第一電極端39和第二電極端38上。
用切換信號C1將切換部分46切換至壓力探測操作側(cè)，并用壓力電壓探測部分43探測壓力電壓。此處，第二電極2處的壓力被探測作為來自壓力探測機構(gòu)42的輸出P1。相應(yīng)地，通過用于替代上述式(1)的獲得值，來得到氣體存儲部分33處的氣體壓力，作為P2。
當(dāng)壓力P2低于氣體存儲部分33的壓力璧32的耐壓時，即使氣體存儲部分再填充氣體，壓力璧32也不會破裂。從而，氣體存儲部分可以進(jìn)一步地填充氣體。為了使氣體流向氣體存儲部分33，用切換信號C1切換該切換部分46來提供電流，而且向第二電極2和第一電極1施加規(guī)定電流，其方向與氣體排出所施加電流方向相反。
當(dāng)電流強度進(jìn)一步增加時，氣體的流動量也進(jìn)一步增大，從而氣體存儲部分可以快速地填充氣體。但是，當(dāng)供給過量電流時，離子導(dǎo)體3可能會破裂。因此，電流需要處在一定限制的范圍內(nèi)。
作為規(guī)定的電流，可以在填充氣體的所有時間內(nèi)提供恒定的電流，或者可以根據(jù)填充氣體的過程來任意地控制電流量。
切換部分46的切換交替地進(jìn)行，以交替地用氣體填充存儲部分33和監(jiān)控存儲部分33的壓力。這樣，存儲部分33內(nèi)氣體的壓力就不停地升高，直到最終得到規(guī)定的壓力。
從而，在監(jiān)控存儲部分33的壓力同時，而在存儲部分33內(nèi)不配置壓力傳感器時，存儲部分33可以安全地填充氣體。因此，存儲部分33的結(jié)構(gòu)就可以有效地簡單化。另外，在氣體存儲輔助系統(tǒng)40側(cè)，由于并不存在有處于高壓下的部分，因此氣體存儲輔助系統(tǒng)40本身非常廉價，而且同時可以安全地用在普通的家庭中。
圖15示出在圖12的氣體存儲裝置26中配備其它電化學(xué)電池的實例。因為與圖12中用相同標(biāo)號表示的部分具有相同的操作功能，所以省略了其詳細(xì)的說明。
布置第三電極21與氣體進(jìn)口和出口部分27的開口部分接觸。第二質(zhì)子導(dǎo)體23布置在第三電極21和第四電極22之間。第三接線端50電連接至第三電極21。第四接線端51連接至第四電極22。52所示的箭頭標(biāo)志表示向第四電極22提供液態(tài)材料或者氣態(tài)材料。
現(xiàn)在，說明圖15所示這種氣體存儲裝置的操作。
當(dāng)向第三電極21和第四電極22供應(yīng)特定的材料時，依據(jù)第三電極21、質(zhì)子導(dǎo)體23和第四電極22的作用，圖15所示本發(fā)明的氣體存儲裝置可以充當(dāng)燃料電池。此時，依據(jù)分別提供給電極膜的材料，第三電極21充當(dāng)陽極或陰極，第四電極22充當(dāng)陰極或陽極。例如，當(dāng)向第三電極21供給氫氣，向第四電極22供給空氣(含有氧的氣體)或氧氣時，第三電極21充當(dāng)陽極，第四電極22充當(dāng)陰極。從而，能夠從第三接線端50得到負(fù)電壓，從第四接線端51得到正電壓。
直至氣體進(jìn)口和出口部分27內(nèi)獲得規(guī)定壓力氣體的操作與上面描述的相同。
當(dāng)向第四接線端51施加正電壓，向第三接線端50施加負(fù)電壓，而且向第四電極22供給純水或水蒸氣時，在氣體進(jìn)口和出口部分27內(nèi)就能得到氫氣。對氣體進(jìn)口和出口部分27內(nèi)的氫氣增壓，以將氣體存儲在氣體存儲部分33內(nèi)的操作與上面描述的相同。
這種裝置是能夠生成氣體例如氫氣并能夠產(chǎn)生能量的緊湊、便攜式裝置。因此，這種裝置適合于室外使用電能的情形，并適合用作緊急情況下的電源。
圖16示出帶有顯示部分53的氣體存儲裝置126，該顯示部分53顯示氣體存儲裝置26的狀態(tài)。上述的狀態(tài)例如指的是氣體存儲部分33內(nèi)的壓力，氣體存儲部分33內(nèi)氣體的填充狀態(tài)，氣體的剩余量，或者電化學(xué)電池是否正常工作等，該電化學(xué)電池具有第一電極1和第二電極2，且上述電極具有催化劑來促進(jìn)離子鍵合或離子離解。
當(dāng)由上述式(1)表示的能斯脫公式來推定氣體進(jìn)口和出口部分27的壓力時，就能夠識別出氣體存儲部分33的壓力。在氣體存儲裝置26工作時，依據(jù)壓力探測手段28的工作，氣體進(jìn)口和出口部分27保持在規(guī)定的壓力下。這樣，就能夠掌握氣體存儲部分33的壓力。
同時，氣體存儲部分33的壓力也顯示出氣體存儲部分33內(nèi)氣體的填充狀態(tài)。由于氣體存儲部分33內(nèi)壓力的降低意味著填充氣體數(shù)量的減少，因此借此就能夠識別氣體的填充狀態(tài)或剩余量。
當(dāng)在該裝置工作的同時電化學(xué)電池正常工作時，配備在壓力探測手段28內(nèi)的微型開關(guān)31重復(fù)ON/OFF操作。因此，當(dāng)探測這些操作時，就可以確定電化學(xué)電池的操作是否正常。
顯示部分53包括例如電壓表或發(fā)光元件如LED。連接線54連接在第二電極2上，連接線55連接在第一電極1上。連接開關(guān)56連接在這些連接線上。僅當(dāng)使用顯示部分53時，才按壓按鈕57連通電路。通常，顯示部分53與電極膜斷開。
當(dāng)顯示部分53是電壓表時，該電壓表的指針依據(jù)微型開關(guān)31的ON/OFF操作進(jìn)行擺動。在ON時，由于第一電極1和第二電極2是短路連接，因此電壓表的指針指零。在OFF時，產(chǎn)生電壓，即，產(chǎn)生對應(yīng)于壓力差的電壓。
盡管電壓表的內(nèi)阻很高，但是仍然會在兩個電極之間經(jīng)常不斷地提供很小的電流。這樣，就有非常少量的氣體從氣體存儲部分33流出。因此，當(dāng)不需要顯示時，理想地是顯示部分53與電路斷開。顯示部分53可以是視覺可識別的探測手段像LED，或者可以是依據(jù)聽覺的手段像蜂鳴器?？梢酝ㄟ^利用阻抗劃分(resistance division)來調(diào)節(jié)LED的發(fā)光起始電壓和氣體存儲部分33的壓力，或者設(shè)定蜂鳴器繞組的規(guī)格來任意地布置操作點。
因此，就可以顯示氣體存儲裝置26的狀態(tài)，而不需要外部電源。而且，可以有效地估算再充滿時間，探測氣體的剩余量，以及方便地識別氣體存儲裝置26的正常操作。
圖17示出多個電化學(xué)電池配備置在氣體存儲裝置26中形成多級結(jié)構(gòu)的實例。
向高壓一側(cè)58供給高壓氣體。從低壓氣體側(cè)59排出要使用的氣體。電化學(xué)電池60至65以這樣的方式進(jìn)行配置，即各個空室66至70分別布置在兩個電化學(xué)電池之間。每個電化學(xué)電池都具有夾在兩個氣體擴散電極之間的質(zhì)子導(dǎo)體。氣體擴散電極接觸質(zhì)子導(dǎo)體的表面承載有催化劑。
每個電化學(xué)電池中每個電極的控制方法與前面所述實施方式中的相同，因此在此省略了其說明。
根據(jù)本發(fā)明的裝置，設(shè)定每個電化學(xué)電池兩側(cè)處的差壓(differentialpressure)等于一個規(guī)定的常數(shù)，以順序進(jìn)行減壓操作，從而施加在每個電化學(xué)電池單體(single body)上的差壓就可以減小。例如，當(dāng)配備六個電化學(xué)電池時，假定施加在一個電化學(xué)電池上的差壓是20個大氣壓，施加在低壓側(cè)59的差壓是一個大氣壓，則高壓側(cè)58的壓力是121個大氣壓。無論壓力差多大，例如120個大氣壓，電化學(xué)電池的耐壓力都可以承受20個大氣壓。因此，該裝置的設(shè)計就有利地簡單化。
在圖17示出的這種裝置中，空室分別配備在兩個電化學(xué)電池之間。然而，當(dāng)不需要具有探測空室壓力的功能時，這些空室就不再需要。圖18示出在兩兩電化學(xué)電池之間沒有配置空室這樣一種裝置的截面示意圖。
電化學(xué)電池71至76的基本結(jié)構(gòu)與圖17中示出的相同。但是，氣體擴散電極通?？梢砸韵录墯怏w擴散電極的方式使用。相應(yīng)地，氣體擴散電極的數(shù)目就減少，而且在兩個電化學(xué)電池間沒有配備空室。
現(xiàn)在，在下面說明這種裝置的操作。
在氣體擴散電極77表面上承載的催化劑78的作用下，供應(yīng)的氫氣電學(xué)地離解為電子和質(zhì)子。由于質(zhì)子導(dǎo)體79的作用，這些電學(xué)離解的質(zhì)子在整個質(zhì)子導(dǎo)體內(nèi)移動。同時，在氣體擴散電極80表面上承載的催化劑81的作用下，這些質(zhì)子與這些電子鍵合，再次變成氫氣。從而，氫氣就在具有很多氣體可以穿過的孔的氣體擴散電極80內(nèi)進(jìn)行擴散。
氫氣依照濃度分布透過氣體擴散電極80，并在氣體擴散電極80另一表面上承載的催化劑82的作用下再次離解為質(zhì)子和電子。由于質(zhì)子導(dǎo)體83的作用，這些電學(xué)離解的質(zhì)子移動，并到達(dá)氣體擴散電極84。在氣體擴散電極84表面上承載的催化劑85的作用下，這些質(zhì)子再次在氣體擴散電極84處還原成氫氣。
重復(fù)上述過程，順序地降低壓力。此時，如上所述，探測氣體擴散電極80和氣體擴散電極84之間的電壓。相應(yīng)地，例如，當(dāng)依照產(chǎn)生的電壓相互導(dǎo)通此兩極，以向氣體擴散電極80和氣體擴散電極84供應(yīng)電流時，氣體擴散電極80和氣體擴散電極84之間的壓力差就可以保持為規(guī)定值?？梢允惯@些氣體擴散電極和這些質(zhì)子導(dǎo)體的耐壓性基本上相等。
在本實施方式中，描述了氫氣用作氣體的實例。然而，也可以使用氧氣。在那種情形中，作為離子導(dǎo)體，優(yōu)選采用氧化鋯。
本發(fā)明并不限于上面所述參看附圖的各種實施方式。很顯然，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，可以在不脫離本發(fā)明所附權(quán)利要求及其要旨的范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出各種修改、替代及替換。
工業(yè)實用性依照本發(fā)明，由于機械可移動的部分并不設(shè)在這種裝置中，因此就可以得到緊湊、耐用而又無聲的減壓裝置、電化學(xué)裝置、減壓增壓裝置、氣體存儲裝置和氣體存儲輔助系統(tǒng)，以及驅(qū)動這些裝置的方法。
可以利用本發(fā)明使該裝置緊湊而又便攜。因此，例如，就能夠得到可以單個地攜帶而且可以容易地操作用氣體如氫氣驅(qū)動的各種器件的電化學(xué)裝置。
權(quán)利要求
1.一種氣壓調(diào)節(jié)器，包括電化學(xué)電池，其包含將氣體分解為離子的第一電極，將所述第一電極處產(chǎn)生的離子再次轉(zhuǎn)化為所述氣體的第二電極，以及夾在所述兩個電極之間的離子導(dǎo)體；布置在所述電化學(xué)電池一側(cè)的高壓容器。
2.依照權(quán)利要求1的氣壓調(diào)節(jié)器，還包括用于向所述第一電極和第二電極的兩端都提供控制電流的手段，其中控制所述控制電流的量來控制流經(jīng)所述兩個電極的氣體的流量。
3.依照權(quán)利要求1的氣壓調(diào)節(jié)器，其中所述氣體是氫氣或氧氣。
4.依照權(quán)利要求1的氣壓調(diào)節(jié)器，其中所述離子導(dǎo)體是由能夠透過電離氣體的電解質(zhì)材料制成的膜。
5.依照權(quán)利要求1的氣壓調(diào)節(jié)器，其中所述第一電極和第二電極是電極膜，該電極膜上承載有能夠離子平衡所述氣體的催化劑。
6.依照權(quán)利要求1的氣壓調(diào)節(jié)器，其中低壓容器布置在所述電化學(xué)電池的另一側(cè)，所述電化學(xué)電池充當(dāng)氣體隔墻的作用，而且具有用于當(dāng)在所述電化學(xué)電池兩側(cè)間產(chǎn)生壓力差時，通過控制所述兩個電極間的電勢來調(diào)節(jié)壓力的手段。
7.依照權(quán)利要求6的氣壓調(diào)節(jié)器，其中由所述壓力差生成的電動勢是被短路的，或者所述壓力由可變電阻器來調(diào)節(jié)。
8.依照權(quán)利要求1的氣壓調(diào)節(jié)器，其中多個電化學(xué)電池沿氣體流動方向平行地布置，而且具有多級結(jié)構(gòu)。
9.依照權(quán)利要求1的氣壓調(diào)節(jié)器，其中當(dāng)所述充當(dāng)氣體隔墻的電化學(xué)電池的兩側(cè)都具有封閉的容器，且當(dāng)一側(cè)充當(dāng)高壓氣體罐，另一側(cè)連接到氣體消耗系統(tǒng)上時，壓力傳感器布置在所述另一側(cè)的封閉容器內(nèi)，而且所述壓力傳感器與連接在所述電化學(xué)電池兩個電極間的繼電器開關(guān)聯(lián)動，而起作用以補償氣體的消耗。
10.依照權(quán)利要求1的氣壓調(diào)節(jié)器，其中所述電化學(xué)電池充當(dāng)氣體精制過濾器。
11.依照權(quán)利要求1的氣壓調(diào)節(jié)器，其中所述離子導(dǎo)體是質(zhì)子導(dǎo)體，該質(zhì)子導(dǎo)體用衍生物通過向形成物質(zhì)的碳原子引入質(zhì)子離解基團(tuán)來形成，該物質(zhì)具有作為主要成分的至少一種選自富勒烯分子、碳作為主要成分的簇、和具有管狀或線性碳的結(jié)構(gòu)體的材料，而且在所述第一電極處生成的質(zhì)子通過所述質(zhì)子導(dǎo)體移向所述第二電極。
12.依照權(quán)利要求11的氣壓調(diào)節(jié)器，其中所述質(zhì)子離解基團(tuán)是-XH(X表示具有二價鍵的任意的原子或原子團(tuán)，H表示氫原子)。
13.依照權(quán)利要求12的氣壓調(diào)節(jié)器，其中所述質(zhì)子離解基團(tuán)是-OH或-YOH(Y表示具有二價鍵的任意的原子或原子團(tuán))。
14.依照權(quán)利要求13的氣壓調(diào)節(jié)器，其中所述質(zhì)子離解基團(tuán)是選自-OH，-OSO3H，-COOH，-SO3H，-OPO(OH)2和-C6H4-SO3H中任一個的基團(tuán)。
15.依照權(quán)利要求11的氣壓調(diào)節(jié)器，其中所述富勒烯分子是球殼型碳簇分子Cm(m表示使Cm形成球殼結(jié)構(gòu)的自然數(shù))。
16.一種電化學(xué)裝置，包括電化學(xué)電池，其包含將氫氣分解為質(zhì)子的第一電極、將在所述第一電極處產(chǎn)生的質(zhì)子再次轉(zhuǎn)化為所述氫氣的第二電極、以及夾在所述兩個電極間的質(zhì)子導(dǎo)體；布置在所述電化學(xué)電池第一電極側(cè)的高壓容器，以容納包含所述氫氣的氣態(tài)材料；和氣體消耗部分，其包含減壓部分，其中所述電化學(xué)電池起作用來降低所述高壓容器內(nèi)的壓力；氫氣存儲部分，其與在所述減壓部分內(nèi)的第二電極側(cè)相接觸而布置；第三電極，其與所述氫氣存儲部分相接觸而布置，以將從所述氫氣存儲部分供給的氫氣分解為質(zhì)子；將在所述第三電極處生成的質(zhì)子轉(zhuǎn)化成水的第四電極；和夾在所述兩個電極之間的質(zhì)子導(dǎo)體；在所述第四電極處質(zhì)子轉(zhuǎn)化成水，以導(dǎo)出所述第三電極和第四電極之間的電化學(xué)能。
17.依照權(quán)利要求16的電化學(xué)裝置，其中向不與所述質(zhì)子導(dǎo)體接觸的所述第四電極的表面供應(yīng)氧氣或含有氧的氣體，以與經(jīng)過所述質(zhì)子導(dǎo)體的質(zhì)子反應(yīng)，并將質(zhì)子轉(zhuǎn)化成水，而且導(dǎo)出在所述第三電極和所述第四電極之間的電化學(xué)能。
18.一種氣體存儲裝置，包括用于引入或排出氣體的氣體進(jìn)口和出口部分；用于存儲氣體的氣體存儲部分；和布置在所述氣體存儲部分內(nèi)的電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池包括將所述氣體分解為離子的第一電極、將在所述第一電極處產(chǎn)生的離子再次轉(zhuǎn)化成所述氣體的第二電極、和夾在所述兩個電極間的離子導(dǎo)體；其中依照所述電化學(xué)電池的功能，通過所述氣體進(jìn)口和出口部分，所述氣體供給到所述氣體存儲部分或從所述氣體存儲部分排出，以降低或增加所述氣體存儲部分內(nèi)的壓力。
19.依照權(quán)利要求18的氣體存儲裝置，還包括氣體存儲輔助系統(tǒng)，該氣體存儲輔助系統(tǒng)包括用于向所述氣體存儲裝置內(nèi)的氣體進(jìn)口和出口部分供給氣體的氣體通道；用于探測所述氣體通道內(nèi)氣壓的壓力探測手段；探測所述第一電極和第二電極間所產(chǎn)生的壓力的壓力探測手段；基于所述氣壓和電壓用于計算控制電流信號的計算手段；用于產(chǎn)生控制電流的電流供應(yīng)手段；和用于在所述第一電極與第二電極間供應(yīng)所述控制電流的狀態(tài)與探測所述電壓直到所述電壓達(dá)到預(yù)定值的狀態(tài)之間交替切換的切換手段。
20.一種氣壓調(diào)節(jié)方法，包括在第一電極處將氣體分解成離子的分解步驟；將分解的離子通過離子導(dǎo)體傳導(dǎo)至第二電極側(cè)的傳導(dǎo)步驟，該離子導(dǎo)體夾在所述第一電極和第二電極之間；和在所述第二電極處將被傳導(dǎo)的離子再次轉(zhuǎn)化成所述氣體的轉(zhuǎn)化步驟。
21.依照權(quán)利要求20的氣壓調(diào)節(jié)方法，其中向所述第一電極和第二電極的兩端提供控制電流，控制所述控制電流的量來控制流過所述兩個電極的氣體的流量。
22.依照權(quán)利要求20的氣壓調(diào)節(jié)方法，其中包含所述第一電極、第二電極和離子導(dǎo)體的電化學(xué)電池充當(dāng)氣體隔墻，而且當(dāng)在所述電化學(xué)電池兩側(cè)產(chǎn)生壓力差時，控制所述兩個電極間的電勢來調(diào)節(jié)壓力。
23.依照權(quán)利要求22的氣壓調(diào)節(jié)方法，其中從所述壓力差生成的電動勢被短路，或者所述壓力由可變電阻器來調(diào)節(jié)。
24.依照權(quán)利要求22的氣壓調(diào)節(jié)方法，其中當(dāng)高壓氣體儲罐布置在所述用作氣體隔墻的電化學(xué)電池一側(cè)，且連接到氣體消耗系統(tǒng)的封閉容器布置在另一側(cè)時，壓力傳感器布置在所述另一側(cè)的封閉容器內(nèi)，而且該壓力傳感器與連接在所述電化學(xué)電池兩個電極間的繼電器開關(guān)聯(lián)動，起作用以補償氣體的消耗。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣壓調(diào)節(jié)裝置，包括電化學(xué)電池(4)，包含將氣體分解為離子的第一電極(1)，將所述第一電極(1)處產(chǎn)生的離子再次轉(zhuǎn)化為所述氣體的第二電極(2)，以及夾在所述兩個電極(1)和(2)之間的離子導(dǎo)體(3)；和配備在所述電化學(xué)電池(4)一側(cè)的高壓容器(5)。在這種裝置中，氣體在第一電極(1)處分解成離子。使分解的離子穿過夾在第一電極(1)和第二電極(2)之間的離子導(dǎo)體(3)，并被傳導(dǎo)至第二電極(2)一側(cè)。在第二電極(2)處，被傳導(dǎo)的離子再次轉(zhuǎn)化成氣體。
文檔編號B01D53/32GK1620576SQ0380244
公開日2005年5月25日 申請日期2003年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月18日
發(fā)明者和智滋明, 丸山竜一郎, 阿多誠文 申請人:索尼株式會社