專利名稱：一種混合反應(yīng)物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)體系，更具體地說(shuō)，涉及使用混合反應(yīng)物的燃料電池或電池，也就是說(shuō)，反應(yīng)物在燃料電池或電池中相互直接接觸。
常規(guī)的燃料電池由夾在電解質(zhì)周?chē)膬蓚€(gè)電極構(gòu)成，其用于使化學(xué)反應(yīng)物完全也相互分開(kāi)。在一種常規(guī)類(lèi)型的燃料電池中，反應(yīng)物是氫和氧。氧穿過(guò)一個(gè)電極，而氫穿過(guò)另一個(gè)，從而產(chǎn)生電能、水和熱。在此類(lèi)燃料電池中，氫燃料供入燃料電池的陽(yáng)極。氧或空氣供入燃料電池的陰極區(qū)域。在陽(yáng)極，通常在催化劑的幫助下，氫原子分裂成質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)，該電解質(zhì)為離子導(dǎo)體，但對(duì)于電子的傳輸具有很高的阻力，因而能夠認(rèn)為是電子絕緣體。由此，電子從外部通路到達(dá)陰極，并在與陰極反應(yīng)之前，能夠通過(guò)一個(gè)載荷，以便做有用功。在陰極，通過(guò)電解質(zhì)遷移來(lái)的質(zhì)子與氧和電子結(jié)合從而形成水。
由于燃料電池依賴于電化學(xué)而不是熱燃燒來(lái)提供有用的能量轉(zhuǎn)化，操作溫度和轉(zhuǎn)化效率較高，因此從燃料電池系統(tǒng)的排放比即使是最干凈的燃料燃燒系統(tǒng)的排放也要小很多。這是燃料電池引人注目的兩個(gè)原因。但是，目前由于其成本很高而使得燃料電池遠(yuǎn)沒(méi)有低成本的燃燒發(fā)電有份量。盡管燃料電池提供附加的優(yōu)點(diǎn)，如低噪音和寬載荷性能，但是目前燃料電池技術(shù)的主要努力方向在于開(kāi)發(fā)在成本、重量和體積方面能夠與常規(guī)能量發(fā)生體系相比更廉價(jià)的體系。
在燃料電池技術(shù)中報(bào)道的主要工作是基于如上所述的常規(guī)布置，其中燃料和氧化劑的分開(kāi)供料被送入燃料電池中不同的室。但是，極少量的工作者研究了用混合反應(yīng)物的可能性，其主旨描述如下。盡管混合反應(yīng)物間的直接反應(yīng)在熱力學(xué)觀點(diǎn)上是可行的，然而卻由于種種原因而阻止了燃料電池設(shè)計(jì)者對(duì)其的實(shí)施如，直接進(jìn)行反應(yīng)的高的活化能量和/或反應(yīng)的慢的動(dòng)力學(xué)和/或慢的混合速度都阻止了反應(yīng)的發(fā)生。通過(guò)選擇性地加入催化電極或選擇性地選用其它途徑，在陰極上的還原反應(yīng)以及在陽(yáng)極上的氧化反應(yīng)都可得到提高，同時(shí)混合反應(yīng)物中發(fā)生反應(yīng)的可能性還是很小。
在混合反應(yīng)物燃料電池領(lǐng)域的早期工作由Charles Eyraud、JanineLenoir和Michel Géry在1961年3月13日的Seánce上報(bào)道。在該文獻(xiàn)中報(bào)道的單電池使用其上吸附有水分子的多孔氧化鋁膜，在特定的溫度和壓力條件下，能夠作為膜電解質(zhì)使用。例如，陰極為銅或鎳的多孔金屬片。陽(yáng)極是鉑或鈀的真空沉積層。據(jù)報(bào)道，在濕空氣中(即，無(wú)燃料)，鎳的氧化使其自身在多孔Ni-Al2O3-Pd元素電極上表現(xiàn)出電位差。隨著燃料混入供料氣體混合物中，該種布置的工作情況受到燃料和氧化劑混合物通過(guò)多孔氧化鋁元素的擴(kuò)散特性的限制。試圖將可離子化組分如氨加入到氧化鋁或加入到氣態(tài)混合物中，以增強(qiáng)吸附在多孔氧化鋁中的固定水膜電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。但，上述概念中沒(méi)有一個(gè)開(kāi)發(fā)成為有實(shí)際價(jià)值的產(chǎn)品。
C.K.Dyer在《自然(Nature)》第343卷(1990)，第547-548頁(yè)上描述了一種用于能量轉(zhuǎn)化的薄膜電化學(xué)設(shè)備。Dyer的設(shè)備是一個(gè)固體電解質(zhì)燃料電池，它能夠用氧化劑與燃料的混合物來(lái)操作。它包括一個(gè)可滲透的催化電極和一個(gè)不可滲透的催化電極，上述兩個(gè)電極由電子絕緣但離子導(dǎo)通的氣態(tài)滲透固體電解質(zhì)分開(kāi)。該固體電解質(zhì)燃料電池在氣態(tài)燃料/氧化劑混合物下操作。該混合物僅供入一個(gè)電極，并通過(guò)多孔電解質(zhì)擴(kuò)散到另一個(gè)電極。通過(guò)不同的擴(kuò)散遷移產(chǎn)生濃度梯度。該設(shè)備僅描述為單電池形式。
Moseley和Williams在《自然(Nature)》第346卷(1990)，第23頁(yè)上發(fā)表了在傳感設(shè)備中使用Au/Pt電極來(lái)傳感還原氣體。在他們的系統(tǒng)中，環(huán)境水吸附在用于分隔電極的作為固定膜電解質(zhì)的基體表面上。他們還宣稱鉑電極能夠使目標(biāo)氣體如一氧化碳電化學(xué)燃燒。他們的設(shè)備由于在室溫下操作，并且無(wú)需使解析(燃料)氣體與氧化劑分開(kāi)因而更方便。需要強(qiáng)調(diào)的是該設(shè)備用作傳感器，并且未打算用來(lái)產(chǎn)生能量。
W.van Gool在Philips Res.Repts.的第20卷(1965)第81-93頁(yè)討論了在燃料電池中采用表面遷移和多相催化劑的可能性。在公開(kāi)的一種布置中，兩個(gè)電極均與燃料氣和氧的混合物接觸，離子通過(guò)電極之間的基體表面遷移，并用選擇性化學(xué)吸附獲得分隔。此種燃料電池布置因?yàn)殡娊赓|(zhì)幾何學(xué)的高電阻而對(duì)于產(chǎn)生能量具有固有的不適合性，通常僅適用于傳感器領(lǐng)域。選擇性電極，特別是通過(guò)選擇性化學(xué)吸附來(lái)操作，在此種燃料電池布置中有用。
在燃料和空氣的均一混合物下操作的固體氧化物燃料電池的回顧見(jiàn)于《固態(tài)離子型表面活性劑》(Solid State Ionics)第82卷(1995)第1-4頁(yè)。
Hibino和Iwahara在Chemistry Letters(1993)笫1131-1134頁(yè)上描述了采用甲烷部分氧化的簡(jiǎn)化的固體氧化物燃料電池體系。提出了一種可替代的燃料電池體系，該體系在高溫下工作，并且采用甲烷加空氣混合物作為能源。Y2O3摻雜的氧化鋯(YSZ)盤(pán)用作一種固體電解質(zhì)。鎳-YSZ金屬陶瓷(80∶20重量％)在1400℃下燒結(jié)到固體電解質(zhì)盤(pán)的一個(gè)表面上，而后在900℃下將金屬Au涂覆到固體電解質(zhì)盤(pán)的另一個(gè)表面上。據(jù)報(bào)道這些電極孔足夠多，從而允許周?chē)娜剂霞涌諝饣旌衔飻U(kuò)散通過(guò)它們?；谠撓到y(tǒng)的早先設(shè)計(jì)，在電功率輸出方面是不能令人滿意的。
近來(lái)(《科學(xué)(Science)》第288卷(2000)第2031-2033頁(yè))，Hibino報(bào)道了一種低操作溫度的固體氧化物燃料電池，采用烴-空氣混合物，但是采用氧化釤摻雜的二氧化鈰(SDC)作為固體電解質(zhì)。據(jù)報(bào)道與YSZ相比，在氧化氣氛中，SDC具有非常高的離子電導(dǎo)。而且，該體系在電極中不使用貴金屬，因此生產(chǎn)成本相對(duì)較低。
與之類(lèi)似，Gdickemeier等人在電化學(xué)協(xié)會(huì)第192次會(huì)議和電化學(xué)國(guó)際協(xié)會(huì)第48次會(huì)議(1997年在法國(guó)的巴黎舉行)的論文集中報(bào)道了具有反應(yīng)選擇性電極的固體氧化物燃料電池。他們報(bào)道了一種布置，其中固體氧化物燃料電池在燃料氣與空氣的均一混合物中操作。電壓在陽(yáng)極和陰極之間產(chǎn)生，該陽(yáng)極對(duì)燃料的氧化有選擇性，該陰極上僅能發(fā)生氧的還原。當(dāng)燃料氣為甲烷時(shí)，陰極對(duì)甲烷的燃燒呈惰性。
在《燃料電池(Fuel Cells)》中，“用于電化學(xué)生產(chǎn)能量的現(xiàn)代工藝”(Modern Processes for the Electrochemical Production ofEnergy)”，Wolf Vielstich，Institute für Physikalische Chemie derUniversitt Bonn(由D.J.G.Ives翻譯，Birkbeck學(xué)院，倫敦大學(xué)，Wiley-Interscience ISBN 0 471 906956)，在第374和375頁(yè)上描述了一種放射性(radiolytically)再生氫氧電池。水通過(guò)化學(xué)核反應(yīng)堆分解為氫和氧。產(chǎn)物氣體即氫和氧的混合物供入具有兩個(gè)氣體擴(kuò)散電極的電解槽中。混合燃料氣首先引入槽的陰極側(cè)，而作為選擇性反應(yīng)的結(jié)果，氧的濃度降低。而后將殘余的富氫氣體供入槽的陽(yáng)極側(cè)。在該布置中，在兩步法中利用混合燃料。液體電解質(zhì)限制在電極之間，而反應(yīng)氣體供入電極的外表面。
Zhu等人在《能源》期刊第79卷(1999)第30-36頁(yè)上描述了被稱作“非傳統(tǒng)的”燃料電池體系，包括在混合反應(yīng)物下操作的單室體系。使用傳統(tǒng)的固體電解質(zhì)并且采用摻雜作為調(diào)整(tailoring)電導(dǎo)率，以及電解質(zhì)和/或電極的其它性能以獲得所需功能的方式。
上面討論的每種混合反應(yīng)物體系的主要優(yōu)點(diǎn)之一是使用混合反應(yīng)物可以省去復(fù)雜的管線。無(wú)需設(shè)置向燃料電池的室中分別供入分開(kāi)的燃料和氧化劑供料的卷繞管道。因此，減輕了燃料電池所需的密封困難問(wèn)題。另外，減少密封需求并且無(wú)管線的布置不象常規(guī)燃料電池那樣浪費(fèi)空間。仍需要將燃料加氧化劑在電池內(nèi)或穿過(guò)電池從一處移到另一處的基礎(chǔ)設(shè)施，但是通常采用混合反應(yīng)物體系允許電池設(shè)計(jì)的更多的變換?；旌戏磻?yīng)物技術(shù)可用于從放射性(radiolytic)體系、電解體系或光解體系產(chǎn)生的氣體混合物。上文中討論了使用輻解的體系中所排放的廢氣的例子。
混合反應(yīng)物燃料電池與它們的常規(guī)版式相比的缺點(diǎn)在于，它們通常在燃料效率和電池電壓(寄生的燃料-氧化劑反應(yīng))方面?zhèn)魉洼^低的性能。與寄生反應(yīng)相關(guān)的問(wèn)題可以通過(guò)制造選擇性較好的電極來(lái)克服。采用常規(guī)電極材料，混合反應(yīng)物燃料電池效率與其中燃料和氧化劑容納在分開(kāi)的進(jìn)料中的常規(guī)體系相比較低。但是，測(cè)得的其它性能，如成本和比功率將顯著提高。關(guān)于混合反應(yīng)物燃料電池值得注意的是，某些反應(yīng)物混合物具有潛在的爆炸的危險(xiǎn)。然而，如上文中討論的，混合反應(yīng)物并不簡(jiǎn)單地由于它是熱力學(xué)有利的而必然發(fā)生反應(yīng)。
公知的燃料電池的另一個(gè)限制是，電化學(xué)反應(yīng)僅在三相的界面處發(fā)生。換句話說(shuō)，電化學(xué)反應(yīng)限制在催化劑上反應(yīng)物和電解質(zhì)相遇的地方。這后一個(gè)問(wèn)題不僅是混合反應(yīng)物燃料電池的局限，而且也是常規(guī)燃料電池的缺陷。
在第一方面，本發(fā)明是一種通過(guò)電化學(xué)裝置來(lái)提供可利用的電源的燃料電池或電池，包括至少一個(gè)電池；在所述電池內(nèi)的至少一個(gè)陽(yáng)極和至少一個(gè)陰極；以及用于在電極之間傳導(dǎo)離子的導(dǎo)離子的電解質(zhì)裝置；其特征在于所述燃料、氧化劑和電解質(zhì)裝置以混合物的形式存在。
燃料和氧化劑以混合的形式存在是重要的。優(yōu)選的，該混合物是流體，包括液體、氣體、溶液甚至等離子體。該混合物可以是固體或固定的，如混合物可選擇性地粘在一起或是聯(lián)接到或含在載體內(nèi)。該混合物的組成優(yōu)選具有在彼此內(nèi)部的高擴(kuò)散性。
最優(yōu)選的，燃料為一種流體狀態(tài)(如上文中限定的)的可氧化組分?？裳趸傅氖侨剂夏軌蜇暙I(xiàn)電子以形成一種可選擇的氧化狀態(tài)。適當(dāng)?shù)娜剂习?，如氫、烴如甲烷和丙烷，C1-C4的醇，特別是甲醇和/或乙醇，氫硼化鈉，氨，肼和熔融或溶解形式的金屬鹽。
最優(yōu)選的是，氧化劑為流體形式的可還原的組分。也就是說(shuō)，該氧化劑作為電子受體。適當(dāng)?shù)难趸瘎┎牧习?，如氧，空氣，過(guò)氧化氫，金屬鹽-特別是含氧的金屬鹽，如鉻酸鹽、釩酸鹽或錳酸鹽等，以及酸。氧可以以溶解形式存在，例如，以在水、酸性溶液中溶解的氧存在，或溶解在全氟化碳中。
電解質(zhì)同樣可以是流體狀態(tài)的物質(zhì)，同時(shí)具有傳輸離子或電子的能力，從而較電極更利于傳輸離子。用于作電解質(zhì)的合適的材料包括酸化的全氟化碳，等離子體，水和含水體系，熔融鹽，酸和堿。
燃料或氧化劑可以產(chǎn)生電解質(zhì)或作為電解質(zhì)是可能的。換句話說(shuō)，電解質(zhì)，無(wú)須為該混合物中的離散組分。同樣燃料和氧化劑也無(wú)須為該混合物中的離散組分。但是，重要的是，該混合物具有至少三種功能，氧化劑、燃料和電解質(zhì)功能必須依賴于它。
在本文中術(shù)語(yǔ)“電極”應(yīng)理解為包括電催化劑和導(dǎo)電子介質(zhì)，在其中或其上結(jié)合有該電催化劑，或其為電催化劑本身。
本發(fā)明與常規(guī)燃料電池，以及如上所述混合反應(yīng)物體系相比，具有的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，在反應(yīng)物混合物中結(jié)合的電解質(zhì)官能度顯著增加了電極的有效活性表面。通常，增加電極的活性表面積的方法是提供更小的電催化劑顆粒。提供使反應(yīng)混合物與其三倍的官能度一起穿過(guò)多孔電極體，本發(fā)明有效地使電極的活性表面最大化。
而且，常規(guī)的固體電解質(zhì)是昂貴的，因此本發(fā)明提供了省略燃料電池中一個(gè)昂貴部分的可能性。因此，生產(chǎn)成本可以降低。而且，常規(guī)燃料電池中采用的固體電解質(zhì)需要仔細(xì)控制水。例如，如果不控制水，則水合聚合物電解質(zhì)膜易于遭受干燥或液泛。流體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)相比通常具有較高的電導(dǎo)率。另外，流體電解質(zhì)可以進(jìn)行攪拌，以進(jìn)一步增強(qiáng)離子傳導(dǎo)。由此可見(jiàn)，構(gòu)造一個(gè)燃料電池可以具有許多優(yōu)點(diǎn)，其無(wú)需傳統(tǒng)電解質(zhì)并且沒(méi)有其附加的缺點(diǎn)。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以使用已經(jīng)含有燃料加氧化劑的混合物的環(huán)境產(chǎn)物，例如，含甲烷加空氣的堆土廢氣(land-fill gas)。
盡管傳質(zhì)將限制在非流體體系中，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明燃料電池的某些用途受益于使用受約混合物。例如，在用作電池替代品的微型燃料電池和/或固態(tài)燃料電池領(lǐng)域中，有利的是把該混合物作為盒式磁帶/盒帶或其它易于操作的形式重新補(bǔ)足。此種補(bǔ)充可以是與更換打印機(jī)設(shè)備中用盡的油墨盒等類(lèi)似，或者與給香煙的打火機(jī)或加熱發(fā)卷夾補(bǔ)充燃料類(lèi)似。
向燃料電池或電池補(bǔ)充燃料不限于上述給出的例子，其中描述了通過(guò)物理方法補(bǔ)充混合物。補(bǔ)充混合物還可通過(guò)熱、化學(xué)或電的方法。將混合物組分再生或更新也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此種補(bǔ)充方法可以通過(guò)物理、熱、化學(xué)或電的方法。
根據(jù)本發(fā)明，燃料電池的操作溫度范圍可以是0℃～1000℃或更高。在混合物中使用等離子體組分的這些體系將難以通過(guò)操作溫度來(lái)分類(lèi)，因?yàn)殡y以測(cè)量等離子體的溫度。
本發(fā)明的燃料電池或電池可包括，諸如擋板或攪拌器等裝置，以便使體系內(nèi)產(chǎn)生湍流，從而增強(qiáng)向電極或由電極向外的物質(zhì)傳輸。一個(gè)或多個(gè)電極可吸附或存儲(chǔ)燃料或氧化劑。
優(yōu)選的，利用反應(yīng)物之間在高活化能下反應(yīng)以提供穩(wěn)定性，防止燃料電池或電池的自放電?？商娲氖?，可利用反應(yīng)物之間緩慢的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)來(lái)提供穩(wěn)定性，防止自放電。而且，可利用對(duì)反應(yīng)物擴(kuò)散有利的緩慢的動(dòng)力學(xué)來(lái)提供穩(wěn)定性，防止自放電。
載氧液體(如全氟化碳)可用于溶解氧或用于燃料和氧的共溶解。而后，可通過(guò)將氣體(如氧氣)溶解在適當(dāng)?shù)娜芤?如全氟化碳)中將燃料電池或電池的氧化劑組分再充電。
本發(fā)明還涉及在反應(yīng)物穩(wěn)定結(jié)合的單一供料下操作的燃料電池或電池，該反應(yīng)物是不可混合或部分不可混合的相，或者包含在不可混合或部分不可混合的相中。此種布置的例子是反應(yīng)物/電解質(zhì)混合物由穩(wěn)定的乳液組成。本發(fā)明的燃料電池或電池可以在反應(yīng)物相結(jié)合的單一供料下操作，該反應(yīng)物是不可混合或部分不可混合的相，或包含在不可混合或部分不可混合的相中，該相在設(shè)備中自發(fā)的分離?？商娲氖?，燃料電池或電池可以在氧化劑和還原劑的分開(kāi)供料下操作，氧化劑和還原劑是不可混合或部分不可混合的相，或包含在不可混合或部分不可混合的相中，其與存在電解質(zhì)裝置的設(shè)備接觸，該裝置可選擇的與氧化劑和還原劑的至少一個(gè)供料相結(jié)合。如上所述，氧化劑和/或還原劑可具有電解質(zhì)的功能，從而無(wú)需分離電解質(zhì)組分。
湍流可用來(lái)增加不可混合或部分不可混合相之間的接觸。優(yōu)選的，兩相中存在適量的電解質(zhì)，這是由于如上所述電化學(xué)反應(yīng)僅在催化劑/電解質(zhì)/反應(yīng)物這三相的界面處發(fā)生。因此，如果不可混合或部分不可混合的相中之一電解質(zhì)不足，則發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的可能性將受到限制，并且燃料電池或電池的性能也將受損。再次，湍流可用來(lái)增加貧電解質(zhì)相與富電解質(zhì)相和相應(yīng)電池電極之間的接觸表面積。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池或電池可利用電極材料既作為原電池反應(yīng)的表面，又可作為二次電池反應(yīng)的反應(yīng)物，它向電池提供額外的輸出電壓和/或更高的固有的比能量。當(dāng)設(shè)備不產(chǎn)生電能時(shí)，本發(fā)明的燃料電池或電池還可利用NEMCA(催化活性的非感應(yīng)電流的電化學(xué)改性)或具類(lèi)似功能來(lái)增強(qiáng)混合物穩(wěn)定性。NEMCA相應(yīng)是電催化劑的活性被其表面電荷改變的標(biāo)識(shí)。
本發(fā)明的燃料電池或電池包括含能夠發(fā)生歧化反應(yīng)組分的反應(yīng)物供料。此種體系可選擇的可再充電。例如，反應(yīng)物可包括一氧化碳，其發(fā)生歧化反應(yīng)形成碳和二氧化碳，通過(guò)加熱可再生為一氧化碳。另一個(gè)例子是錳離子的溶液，其中歧化反應(yīng)組分仍是電解質(zhì)。
在本發(fā)明的第二方面涉及用于通過(guò)電化學(xué)裝置提供電能的燃料電池或電池，包括至少一個(gè)電池；在所述電池內(nèi)的至少一個(gè)陽(yáng)極和至少一個(gè)陰極，以及用于在電極之間傳導(dǎo)離子的堿性電解質(zhì)；其特征在于所述電解質(zhì)以混合物的形式存在，其中所述燃料是碳或含碳物質(zhì)。
迄今為止，人們一直認(rèn)為不可能在低溫下操作燃料電池或電池，如那些具有特定含碳物質(zhì)，采用常規(guī)的鉑陽(yáng)極催化劑并基于質(zhì)子交換膜或堿性電解質(zhì)的燃料電池或電池，因?yàn)楹嘉镔|(zhì)將很快使鉑催化劑中毒，并且使其性能顯著惡化。但是，根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在證實(shí)，只要保持電解質(zhì)濃度，即可以直接在烴燃料(如甲醇，或含CO/CO2燃料)中，在具有簡(jiǎn)單的鉑催化劑陽(yáng)極條件下，操作堿性燃料電池或電池更長(zhǎng)的時(shí)間，而沒(méi)有顯著降級(jí)。不期望受理論的制約，據(jù)信允許此種操作而沒(méi)有鉑催化劑中毒的機(jī)理在于，含碳材料被電解質(zhì)有效地洗滌。由本發(fā)明帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)在于，電解質(zhì)為燃料、氧化劑以及電解質(zhì)混合物中的一部分，并且因此可以在允許連續(xù)操作而不發(fā)生催化劑中毒的濃度下供入電池中。
另外，當(dāng)空氣陰極(典型的，基于錳，基于鎳)直接浸漬在液體、燃料和堿性電極的混合物中時(shí)，連續(xù)引入氧化劑，如空氣，可保持此種堿性燃料電池或電池的操作。
在本發(fā)明的第三方面中涉及通過(guò)電化學(xué)裝置提供有用的電能的燃料電池或電池，包括至少一個(gè)電池；在所述電池中的至少一個(gè)陽(yáng)極和至少一個(gè)陰極，以及用于在電極之間傳導(dǎo)離子的導(dǎo)離子電解質(zhì)裝置；其特征在于燃料、氧化劑和所說(shuō)的電解質(zhì)裝置以混合物的形式存在，其中所述電極具有電催化劑，其通過(guò)它們電位的高低是可選擇的。
通過(guò)催化劑的電位，而不是通過(guò)它們的化學(xué)或物理性質(zhì)使之具有選擇性的現(xiàn)象公知是NEMCA(催化活性的非感應(yīng)電流電化學(xué)改性)效應(yīng)。本發(fā)明將相同的NEMCA催化劑用于單室燃料電池或電池的陽(yáng)極和陰極中。當(dāng)在相對(duì)正的電位下時(shí)，催化劑利于還原反應(yīng)，而在相對(duì)負(fù)的電位下時(shí)，催化劑利于氧化反應(yīng)。一旦操作燃料電池或電池，電化學(xué)反應(yīng)將保持每個(gè)電極上的偏壓，及其選擇性。該偏壓最初可以是通過(guò)隨機(jī)的不穩(wěn)定性的正反饋建立起來(lái)的，或者是通過(guò)施加短暫的外電壓建立起來(lái)的。
該布置的優(yōu)點(diǎn)在于，在操作過(guò)程中，通過(guò)施加短暫的外加電壓而使極性可逆，由此陽(yáng)極變成陰極，反之亦然。例如，外加電壓可通過(guò)外部電源提供，或者通過(guò)使用由燃料電池或電池自身充電的電容器提供。其優(yōu)點(diǎn)是可以顯著提高燃料電池或電池的性能，其可由較高的電流密度，電池電壓和改進(jìn)的燃料利用率來(lái)表征。
目前的燃料電池或電池具有兩個(gè)影響它們性能的缺點(diǎn)，這些可由本發(fā)明的這一方面克服。首先，反應(yīng)物在靠近電極處耗盡。其次，催化劑在操作過(guò)程中中毒，從而使它們的初始性能中電流流過(guò)相當(dāng)短的時(shí)間(也許僅幾分鐘)后顯著降低。有規(guī)律地改變?nèi)剂想姵鼗螂姵氐臉O性可以避免上述兩個(gè)缺點(diǎn)，并且通過(guò)減少由于電池極化而導(dǎo)致的功率損失，從而產(chǎn)生提高的電流和電壓特性。
在任何燃料電池或電池中在正常的操作下，在陽(yáng)極局部存在的燃料氧化，而在陰極局部存在的氧化劑還原，這將導(dǎo)致這些反應(yīng)物在它們各自的電極處耗盡，其結(jié)果是電池性能隨時(shí)間而降級(jí)。在本說(shuō)明書(shū)的上述混合反應(yīng)物燃料電池或電池中，如上述方法所述，未反應(yīng)的氧化劑將在陽(yáng)極局部存在，并可能聚集。類(lèi)似的，未反應(yīng)的燃料將在陰極局部存在，并也可聚集。但是，只要極性改變，這些局部濃縮的燃料和氧化劑就可參與電化學(xué)反應(yīng)，從而顯著提高瞬間電池性能。類(lèi)似的，一旦電極極性逆轉(zhuǎn)，局部濃縮的先前耗盡的反應(yīng)物就有機(jī)會(huì)恢復(fù)。通過(guò)以適于混合反應(yīng)物電池幾何學(xué)和性質(zhì)的最佳速率有規(guī)律地變換電極極性，就能夠使總電池性能保持在接近其瞬間性能峰。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池或電池有三個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域。首先，它們可用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛領(lǐng)域，最終用于安裝在交通工具(board vehicles)上代替內(nèi)燃機(jī)。已經(jīng)有一些混合體系投入了實(shí)際使用，其中燃燒礦物燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃料電池或電池來(lái)加以補(bǔ)充。典型的，使用氫燃料電池或電池，氫可以存儲(chǔ)在車(chē)輛的底板上或由重整器產(chǎn)生?？捎靡簯B(tài)燃料如甲醇來(lái)代替供入上述混合反應(yīng)物體系。這有利于傳遞較高的峰電流。但是，現(xiàn)在燃料電池或電池在單位功率的成本方面還不可能與內(nèi)燃機(jī)相比。通常，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，功率成本為每kW$30～$40。還必須考慮到尺寸，如果需要大量燃料存儲(chǔ)和液體處理系統(tǒng)則需要占據(jù)比目前的布置更多的空間，則不可能用燃料電池或電池作為內(nèi)燃機(jī)的替代。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池或電池的另一個(gè)用途是固定系統(tǒng)，如聯(lián)合生產(chǎn)熱和電能。將中心產(chǎn)生的電能進(jìn)行分配的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)存在，但是分配熱還很鮮見(jiàn)。燃料電池或電池的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)縮小時(shí)效力不變，因此它們具有用于為住宅聯(lián)合產(chǎn)生熱和電能的可能。
根據(jù)本發(fā)明，燃料電池或電池的另一個(gè)用途是代替和援助常規(guī)電池。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池或電池可機(jī)械再充電，而不是化學(xué)或電學(xué)再充電，因此則使得補(bǔ)充非常迅速。而且，例如，基于甲醇的體系的比能量比常規(guī)電池優(yōu)越，因此將燃料電池或電池用于便攜式電子設(shè)備有著巨大的潛力。當(dāng)無(wú)需管線時(shí)，這成為事實(shí)，因?yàn)槿剂想姵鼗螂姵啬軌蜃龅酶o湊。而且，氧化劑在系統(tǒng)中，因此無(wú)需空氣電極或暴露于空氣中。從而可以避免諸如電極干燥的水管理問(wèn)題。
首先，參考

圖1，所示為常規(guī)燃料電池或電池10布置的示意圖，該電池包括陽(yáng)極11和陰極12，由電解質(zhì)介質(zhì)13分開(kāi)，介質(zhì)13允許離子通過(guò)但是阻止電子傳輸。容納電解質(zhì)介質(zhì)13的室外分別為陽(yáng)極和陰極氣體空間21、22。陽(yáng)極氣體空間21具有接收氧化劑如氧氣的供料流入口31。陰極氣體空間22具有接收燃料如氫氣的供料流入口32，以及用于除去未使用的燃料和電化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物的出口42。
每個(gè)氣體空間和供料流必須相互隔開(kāi)，并且盡管由圖1的圖示不太清楚，但是根據(jù)常規(guī)原理構(gòu)造的燃料電池組件復(fù)雜且具有盤(pán)繞的管線。要求密封，并且大量有用的空間被與電池的功率輸出無(wú)關(guān)的組分占據(jù)。
選來(lái)作為對(duì)照的常規(guī)電池是選自易于與本發(fā)明的燃料電池進(jìn)行對(duì)比的。直接甲醇電池形式的常規(guī)電池的性能與最佳氣態(tài)加料聚合物電解質(zhì)膜燃料電池相比非常溫和，而是在保持新混合反應(yīng)物燃料電池的非優(yōu)化設(shè)計(jì)上。
令人驚奇地，混合反應(yīng)物電池比常規(guī)分開(kāi)反應(yīng)物電池輸出略多的功率。這歸功于在陽(yáng)極的兩側(cè)具有燃料，以及氧溶解在含水溶液中而不是在空氣中。
補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)顯示“流通”燃料電池概念也存在。構(gòu)造一個(gè)緊密的混合反應(yīng)物燃料電池，包括電極堆，通過(guò)該電極堆泵送燃料、氧化劑和電解質(zhì)。令人驚奇地，證實(shí)通過(guò)將電池串連電連接可以獲得高于單電池的電壓。其原因尚未完全弄懂。
原型燃料電池通過(guò)將電極安裝在外徑為5cm的有機(jī)玻璃管部分之間來(lái)構(gòu)造。陰極是在具有PTFE粘合劑的鎳網(wǎng)上的碳載體上的錳。陽(yáng)極也是使用PTFE粘合劑的鎳網(wǎng)上的碳載體上的鉑。這些電極材料，以及所使用的堿性體系，主要是依據(jù)它們的可商購(gòu)性和易于獲得緊密的混合反應(yīng)物形式來(lái)選擇的。
上述示意性描繪的燃料電池布置顯示出電極夾在有機(jī)玻璃管之間。該管具有供氣體和液體通過(guò)的入口和出口，并用O形環(huán)密封在一起。
室1含有燃料，CH3OH(5％v/v)或NaBH4(各種濃度)溶解在1M的KOH中，其還作為電解質(zhì)。室2含有電解質(zhì)或燃料與電解質(zhì)的混合物。室3含有空氣、電解質(zhì)或燃料和電解質(zhì)。氧通過(guò)將空氣鼓泡而溶解在燃料或電解質(zhì)中。
通過(guò)在燃料電池中連接不同的電阻來(lái)獲得電流相對(duì)于電壓的曲線。在改變電阻后，測(cè)量前，可使電流和電壓穩(wěn)定1分鐘。在某些實(shí)驗(yàn)中，特別是電極之間距離小時(shí)，I和V隨時(shí)間迅速下降。
下面的段落對(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和獲得的電池性能進(jìn)行了小結(jié)。
1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1.1初始實(shí)驗(yàn)在初始實(shí)驗(yàn)中，電極間隔4cm。在第一實(shí)驗(yàn)中，電池1含有存在于KOH中的MeOH，電池2含有KOH，電池3含有空氣。在第二實(shí)驗(yàn)中使用在KOH中的MeOH作為電解質(zhì)。在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中觀察到了細(xì)微的區(qū)別，這說(shuō)明空氣陰極對(duì)O2還原具有選擇性，但是不促進(jìn)MeOH的氧化。
在這組實(shí)驗(yàn)的結(jié)尾處，將KOH和MeOH用在所有三個(gè)室中，并使O2在電池內(nèi)與陰極接觸處鼓泡。結(jié)果與后面觀察到的相反，明顯比使用空氣陰極的差。認(rèn)為這是由于陰極上的PTFE襯的作用，或更有可能是由于老化-電極的性能隨時(shí)間變壞引起的。
在第一組實(shí)驗(yàn)中，初始開(kāi)路電壓為0.586V。在第一實(shí)驗(yàn)后，再次測(cè)量開(kāi)路電壓為0.537V。
1.2第二燃料電池實(shí)驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)的目的是比較使用溶解氧的電池性能，其中之一以MeOH/KOH作為電解質(zhì)，并且其它以KOH作為電解質(zhì)的燃料電池。注意安培計(jì)使用A刻度，因此測(cè)量結(jié)果為0.001A。
1.3改變電極間距的作用所有三個(gè)室含有在1M的KOH中的5％MeOH，空氣在室3中鼓泡。第一實(shí)驗(yàn)(使用新鮮的電極)電極之間的間距為4cm，開(kāi)路電壓為0.66V，讀數(shù)的時(shí)間間隔為1分鐘。第二實(shí)驗(yàn)采用電極之間1.5cm的間距。在進(jìn)行完這組實(shí)驗(yàn)后，電池恢復(fù)到開(kāi)路條件，并且電壓在15分鐘內(nèi)由0.537V增加到0.59V。
期望電極之間間距小的電池具有更好的性能，這是因?yàn)殡姌O之間的電解質(zhì)對(duì)離子的流動(dòng)將有更少的電阻。相反，看起來(lái)主要的影響是燃料的消耗(或可能是有電解質(zhì)形成K2CO3)導(dǎo)致電池輸出的功率隨時(shí)間下降-這導(dǎo)致從電池輸出的電流隨電阻下降而下降。
1.4第一電池堆實(shí)驗(yàn)組裝5個(gè)陽(yáng)極和5個(gè)陰極的電池堆，由蠕動(dòng)泵供料，在300ml 1M的KOH中含有0.104g的NaBH4。第二電池起始時(shí)工作得最好(第一電極可能是以前用過(guò)的？)但是隨時(shí)間降低，如下文所示。開(kāi)路電壓為0.874V。
電阻為20歐姆，由電池輸出的電壓和電流作為時(shí)間的函數(shù)來(lái)測(cè)量，并且功率相對(duì)于時(shí)間的圖如圖8所示。在42分鐘后，流速?gòu)?.5rpm(0.032ml/s)倍增為1.0rpm(0.064ml/s)，導(dǎo)致由電池的功率輸出也幾乎翻倍。
如下表所示，開(kāi)路電壓隨電池堆而不同。燃料從底部進(jìn)入電池堆，因此電池堆的電壓逐漸下降可解釋為由某些后反應(yīng)(back reaction)導(dǎo)致的燃料消耗。最底部電池的較差的性能可能是由于在實(shí)驗(yàn)中使用的所有其它電極為新鮮的這一事實(shí)造成的。

當(dāng)整個(gè)電池堆并聯(lián)連接時(shí)，得到0.476V的開(kāi)路電壓，并且電池性能差。在該實(shí)驗(yàn)后，中間的三個(gè)電池并聯(lián)連接，開(kāi)路電壓為0.288V，說(shuō)明電池組件隨時(shí)間退化。
1.5重復(fù)實(shí)驗(yàn)以測(cè)試混合反應(yīng)物概念由于電池隨時(shí)間降級(jí)，因此要測(cè)試混合反應(yīng)物概念的實(shí)驗(yàn)在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用新鮮的電極反復(fù)進(jìn)行。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，室1用MeOH/KOH填充，電池2用KOH填充，而電池3用空氣填充。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用新鮮溶液和電極，在每個(gè)室中使用混合的MeOH/KOH，并且空氣在陰極室鼓泡。與先前一樣，以1分鐘的間隔測(cè)量。
在該時(shí)間，結(jié)果顯示(圖9)混合反應(yīng)物電池比分開(kāi)室工作得好，這是由于甲醇存在于陽(yáng)極的兩側(cè)和/或在溶液中與在空氣中相比O2的活性較高。
1.6第二電池堆實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)試當(dāng)給定過(guò)量燃料和較高流速時(shí)，能否從每個(gè)電池堆獲得相同的性能，并且測(cè)試將每個(gè)電池串連連接和并聯(lián)連接的作用。
在5rpm，60秒內(nèi)輸送19.08g的H2O，相當(dāng)于流速為0.32cm3s-1。
在垂直方向的電池堆中建立五個(gè)電池。初始，最下面的三個(gè)電池以5rpm串連連接，并且獲得的開(kāi)路電壓為1.57V。而后，將三個(gè)電池中的每個(gè)分別連接，它們給出的開(kāi)路電壓為0.79V(電池1)，0.83V和0.83V。當(dāng)電池1和2基本上串連連接時(shí)，獲得的開(kāi)路電壓為1.20v。當(dāng)該三個(gè)電池再次串連連接時(shí)，獲得1.41V的電壓，再次說(shuō)明組成隨時(shí)間變壞。
還將相同的三個(gè)電池并聯(lián)連接，并測(cè)量20W電阻器的電流和電壓，如下所示。

三個(gè)電池及其并聯(lián)連接后的電壓和電流。
為了對(duì)比，電池3穿過(guò)40W的電阻器連接，因此電壓為0.75V，與三個(gè)電池并聯(lián)連接的情況類(lèi)似。所得到的電流為13.4mA。再次，盡管三個(gè)電池以并聯(lián)連接能給出高于任何單獨(dú)電池的功率，但是電流不是任何一個(gè)電池單獨(dú)操作時(shí)產(chǎn)生電流的三倍。
這種不理想的行為歸因于電池的非優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并不認(rèn)為表明有未預(yù)料的電化學(xué)作用。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析2.1混合反應(yīng)物的作用測(cè)量在室1中含有CH3OH/KOH、在室2中含有KOH且在室3中含有空氣的對(duì)照電池的電壓相對(duì)于電流的曲線。還獲得了在所有三個(gè)室中具有溶解的氧的含CH3OH/KOH的電池的V-I曲線。這些標(biāo)準(zhǔn)極化結(jié)果如圖9所示。
盡管從這些堿性電池輸出的功率低(與直接-甲醇相比)，上述結(jié)果說(shuō)明本發(fā)明的概念-即可由混合反應(yīng)物電池獲得電能。而且，混合反應(yīng)物電池比燃料、電解質(zhì)和氧化劑分開(kāi)的電池工作得好(在0.35V為1.86mA/cm2；峰功率＝8.4mW)。這部分是由于在陽(yáng)極的兩側(cè)具有甲醇，而且還由于溶解在水中的氧(0.25)比溶解在空氣中的氧(0.21)具有更高的活性[在開(kāi)路情況下較擴(kuò)散限制的負(fù)載模式下更是如此]。這些觀察證實(shí)，增強(qiáng)的性能是由于在全液體模式下操作而使每個(gè)電極的活性表面積增加。
2.2電極間距的作用在任何燃料電池中的電解質(zhì)均向電化學(xué)回路提供一個(gè)電阻。當(dāng)由電池輸出電流時(shí)，該電阻導(dǎo)致電池的電壓降，或極化。減少電解質(zhì)厚度，即減少電極間距導(dǎo)致電池性能的相應(yīng)提高。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是省去在電池中將燃料與氧化劑分開(kāi)的膜/結(jié)構(gòu)，因此電極相互可以放置得比標(biāo)準(zhǔn)電池更近。實(shí)驗(yàn)使用混合反應(yīng)物(CH3OH/KOH/O2)電池進(jìn)行，電極組件的距離在4cm～約1.5mm之間變化，以便研究該作用。其結(jié)果示于圖6中。
令人驚奇地，將電極間距由40mm降至1.5mm，對(duì)電池性能具有最小作用，直至電流達(dá)到一個(gè)臨界水平。在該臨界點(diǎn)，電池的功率輸出以時(shí)間-依賴方式突然下降。
最小作用區(qū)域說(shuō)明測(cè)試電池的性能受電解質(zhì)電阻以外的因素支配。例如，這些因素可包括電極極化(即，選擇的電催化劑的作用)。
在高電流下功率的突然下降歸因于反應(yīng)物在電極之間的小液體體積內(nèi)的耗盡。盡管原因還可能是由于在電極上形成K2CO3(即，電極堵塞)，甲醇與電解質(zhì)之間的反應(yīng)應(yīng)當(dāng)是更緩慢的而不是突然的。
后面的實(shí)驗(yàn)，即用不與堿性電解質(zhì)反應(yīng)的NaBH4燃料代替甲醇，表現(xiàn)出類(lèi)似的行為，說(shuō)明在此種情況下K2CO3的形成不是重要因素。
進(jìn)一步，利用較高的燃料濃度并通過(guò)本發(fā)明的系統(tǒng)引入反應(yīng)物混合物和電解質(zhì)流來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表明可以避免突然的功率降，即燃料耗盡是最可能的原因。
2.3燃料電池的緊密電池堆由5對(duì)電極組成的電池堆通過(guò)用1.5mm厚的橡膠墊片/間隔器(在“輪子”中具有四個(gè)“輪輻”的環(huán)形，從而防止相鄰電極相互接觸)將每個(gè)電極隔開(kāi)。在電極內(nèi)形成多個(gè)針孔，以便允許反應(yīng)物混合物緩慢地通過(guò)蠕動(dòng)泵泵送過(guò)電池堆。
2.3.i低燃料濃度和反應(yīng)物速率使用NaBH4作為燃料，其濃度為0.01摩爾/dm3，以0.032cm3s-1的流速流過(guò)電池堆，由電池堆最接近反應(yīng)物入口的電池處得到良好的結(jié)果，但是在電池堆中的每個(gè)電池的性能(電壓和電流)隨著在電池堆中的位置離該入口越來(lái)越遠(yuǎn)而穩(wěn)定下降。該行為在開(kāi)路條件(即無(wú)電流輸出)和輸出電流這兩種情況下都觀察到了。
開(kāi)路行為說(shuō)明燃料與氧化劑之間的直接背景反應(yīng)易于發(fā)生，其中沒(méi)有電子通過(guò)外部回路遷移。該反應(yīng)可能發(fā)生在任何電極上，但是最可能在鉑陽(yáng)極上。這強(qiáng)烈說(shuō)明電催化劑選擇性的重要性，這是根據(jù)具有創(chuàng)造性的燃料電池概念并表明該概念非常正確。
當(dāng)由電池堆的電池中輸出功率時(shí)，該功率隨時(shí)間顯著下降，直到其降低至基本穩(wěn)定的狀態(tài)。這說(shuō)明，諸如在上述實(shí)驗(yàn)中描述過(guò)的，燃料的消耗速度大于其補(bǔ)充速度。
在“穩(wěn)態(tài)”期，當(dāng)流速加倍時(shí)，產(chǎn)生的功率幾乎加倍，再次說(shuō)明性能受反應(yīng)物供料的影響這一結(jié)論。
2.3.ii高燃料濃度和反應(yīng)物流速當(dāng)以較高(5X)濃度(0.05M)和非常高(10X)的流速(0.32cm3s-1)使用NaBH4燃料時(shí)，由每個(gè)電池堆中的電池得到類(lèi)似的結(jié)果(起先，沿電池堆中的流動(dòng)方向性能下降)。該結(jié)果證明燃料和溶解的氧之間的背景反應(yīng)遠(yuǎn)不如兩個(gè)組分之間的電化學(xué)“燃料電池”反應(yīng)顯著。另外，該實(shí)驗(yàn)較高的功率輸出比例(在0.70V下1.58mA/cm2；通過(guò)20W的電阻時(shí)，功率＝13.2mW)與較低的流速和濃度(在0.29V下0.74mA/cm2；通過(guò)20W電阻時(shí)，功率＝2.58mW)相比，再次增強(qiáng)了反應(yīng)物流與功率輸出之間的聯(lián)系。
2.3.iii平行電池堆性能上述以高濃度/高流速模式使用5-電池堆的電池，每個(gè)電池的性能與多個(gè)相連電池相比。在電池堆中的三個(gè)中心電池以并聯(lián)和串連模式電連接。
從對(duì)具有創(chuàng)造性的燃料電池概念的較早分析可見(jiàn)，并聯(lián)模式最初被認(rèn)為是液體電解質(zhì)+燃料+氧化劑相結(jié)合的唯一操作模式。在并聯(lián)操作中，通常希望燃料電池堆以單電池操作(即，單電池電壓)，其總的電池面積(以及總的電流)等于每個(gè)電池的和。在具有創(chuàng)造性的電池堆的測(cè)試中，20W的施加載荷給出比每個(gè)電池性能的三倍小得多的性能(見(jiàn)下表)。

三個(gè)電池及其并聯(lián)后測(cè)得的電壓和電流。
并聯(lián)連接的電池堆性能上的下降沒(méi)有完全弄懂。一個(gè)可能的原因可能是并聯(lián)連接電池的電阻較高。為了更為直接地比較單電池和并聯(lián)電池的性能，單電池(電池3)的電壓通過(guò)將電池上的電阻載荷增加到40W來(lái)升高。新的單電池電壓為0.75V(類(lèi)似于三個(gè)電池并聯(lián)的)，所得到的電流為13.4mA。再次，盡管并聯(lián)的三個(gè)電池給出比任何單獨(dú)電池高的功率，但是并聯(lián)電池堆的電流輸出仍為預(yù)期的約一半。需要再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以弄懂該行為。
2.3.iv串連連接的電池堆的行為三個(gè)電池的電連接重新布置，以便使之串連連接。根據(jù)系統(tǒng)的初始分析，當(dāng)以串連連接時(shí)，在此類(lèi)電池堆中除外部電極以外的所有電極應(yīng)短路，因此不能給出比單電池更多的電壓和電流。
令人驚奇地，如下表所示，當(dāng)三個(gè)電池以串連連接時(shí)，得到了比單電池高的電壓(開(kāi)路電壓)。盡管串連電壓小于三個(gè)電池單獨(dú)操作時(shí)的電池總和，但是該結(jié)果說(shuō)明具有創(chuàng)造性的系統(tǒng)表現(xiàn)出比原始理論中預(yù)期的更復(fù)雜的行為。可能可以從簡(jiǎn)單的串連連接電池堆中輸出巨大的功率。

最接近混合反應(yīng)物供料的三個(gè)電池的開(kāi)路電壓，以及串連連接的三個(gè)相同電池的開(kāi)路電壓。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參考特定實(shí)施方案進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解可以進(jìn)行各種變化和改進(jìn)，而不偏離本發(fā)明所附權(quán)利要求書(shū)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)電化學(xué)裝置提供有用的電能的燃料電池或電池，包括至少一個(gè)電池；在所述電池中的至少一個(gè)陽(yáng)極和至少一個(gè)陰極，以及用于在電極之間傳導(dǎo)離子的導(dǎo)離子的電解質(zhì)裝置；其特征在于燃料、氧化劑和所說(shuō)的電解質(zhì)裝置以混合物的方式存在。
2.一種通過(guò)電化學(xué)裝置提供有用的電能的燃料電池或電池，包括至少一個(gè)電池；在所述電池內(nèi)的至少一個(gè)陽(yáng)極和至少一個(gè)陰極，以及一種用于在電極之間傳導(dǎo)離子的堿性電解質(zhì)；其特征在于燃料、氧化劑和所述的電解質(zhì)裝置以混合物的形式存在，其中所述燃料是碳或含碳物質(zhì)。
3.一種通過(guò)電化學(xué)裝置提供有用的電能的燃料電池或電池，包括至少一個(gè)電池；在所述電池中的至少一個(gè)陽(yáng)極和至少一個(gè)陰極，以及用于在電極之間傳導(dǎo)離子的導(dǎo)離子的電解質(zhì)裝置；其特征在于燃料、氧化劑和所說(shuō)的電解質(zhì)裝置以混合物形式存在，并且，其中所述電極中具有電催化劑，通過(guò)它們電位的效力而具有選擇性。
4.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中一種或多種反應(yīng)物可以電力地、熱力地、化學(xué)地或物理地再生或更新。
5.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中系統(tǒng)中的湍流用于增強(qiáng)電極之間的物質(zhì)傳輸。
6.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中電極中的一個(gè)或兩個(gè)能夠吸附和存儲(chǔ)燃料或氧化劑。
7.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中互聯(lián)件至少部分地被導(dǎo)電和/或離子絕緣的反應(yīng)物混合物代替。
8.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中反應(yīng)物之間反應(yīng)的高活化能用來(lái)提供穩(wěn)定性，防止設(shè)備的自放電。
9.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中反應(yīng)物之間反應(yīng)的緩慢的動(dòng)力學(xué)用來(lái)提供穩(wěn)定性，防止設(shè)備的自放電。
10.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中反應(yīng)物的緩慢的動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散用來(lái)提供穩(wěn)定性，防止設(shè)備的自放電。
11.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中反應(yīng)物之間的擴(kuò)散阻擋層或部分阻擋層用來(lái)提供穩(wěn)定性，防止設(shè)備的自放電。
12.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中載氧液體用來(lái)溶解氧，或共同溶解氧和混合物的至少一種其它組分。
13.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中氧化劑組分的再充電是通過(guò)將載氧氣體溶解在適當(dāng)?shù)囊后w中實(shí)現(xiàn)的。
14.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，在反應(yīng)物的穩(wěn)定結(jié)合供料下操作，其供料為不可混合或部分不可混合的相，或含有不可混合或部分不可混合的相。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池或電池，其中不可混合或部分不可混合的相在設(shè)備中自發(fā)分離。
16.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，在氧化劑和還原劑分開(kāi)供料下操作，其供料為不可混合或部分不可混合的相，或含有不可混合或部分不可混合的相。
17.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中利用電極材料作為用于原電池反應(yīng)的表面并作為二次電池反應(yīng)的反應(yīng)物，因此給整個(gè)電池提供額外的輸出電壓和/或較高的固有比能量。
18.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，具有利用NEMCA或類(lèi)似效果的至少一個(gè)催化劑，當(dāng)設(shè)備不產(chǎn)生電能時(shí)，用來(lái)增強(qiáng)混合物的穩(wěn)定性。
19.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中該混合物是能夠發(fā)生歧化反應(yīng)的組分，或含有能夠發(fā)生歧化反應(yīng)的組分。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的燃料電池或電池，是可再充電的。
21.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中燃料選自氫、烴、C1-C4的醇，硼氫化鈉、氨、肼和熔融態(tài)和溶解形式的金屬鹽。
22.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中該氧化劑選自氧、空氣、過(guò)氧化氫、金屬鹽和酸。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的燃料電池或電池，其中該氧化劑選自鉻酸鹽、釩酸鹽、錳酸鹽或其結(jié)合。
24.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中電解質(zhì)選自于水、水溶液、酸化的過(guò)氟化碳，等離子體，熔融鹽，酸和堿。
25.根據(jù)權(quán)利要求1～22中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料電池或電池，其中燃料和/或氧化劑形成電解質(zhì)，或起到電解質(zhì)的作用。
26.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的燃料電池或電池，其中包括并聯(lián)連接的電極堆。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的燃料電池或電池，其中電極以小縫隙隔開(kāi)，或通過(guò)功能上惰性的多孔膜隔開(kāi)，或通過(guò)多孔電解質(zhì)膜隔開(kāi)。
28.根據(jù)權(quán)利要求1～25任一項(xiàng)所述的燃料電池或電池，包括串連連接的電極堆。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的燃料電池或電池，其中陽(yáng)極與其下流相鄰陰極通過(guò)小縫隙隔開(kāi)，或通過(guò)功能惰性多孔膜隔開(kāi)，或通過(guò)多孔電解質(zhì)膜隔開(kāi)。
全文摘要
用于通過(guò)電化學(xué)裝置提供有用的電能的燃料電池或電池，包括至少一個(gè)電池；在所述電池中的至少一個(gè)陽(yáng)極和至少一個(gè)陰極，以及在電極之間用于傳導(dǎo)離子的導(dǎo)離子的電解質(zhì)裝置；并且其特征在于所述電極是多孔的，并且以此種方式導(dǎo)致至少燃料和氧化劑的混合物流過(guò)所述電極體的動(dòng)力學(xué)流動(dòng)。
文檔編號(hào)H01M8/06GK1426613SQ0180697
公開(kāi)日2003年6月25日 申請(qǐng)日期2001年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月24日
發(fā)明者邁克爾·亞歷山大·普里斯納爾, 邁克爾·約瑟夫·埃文斯, 米洛·塞巴斯蒂安·彼得·謝弗 申請(qǐng)人:科學(xué)基因有限公司