專利名稱：用于生成和儲(chǔ)存氫的電化學(xué)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用可逆電化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存和生成氫的方法和裝置，其既促進(jìn)氫化物分解以便釋放氫又形成氫化物以便儲(chǔ)存氫。
發(fā)明背景 許多裝置消耗氫和產(chǎn)生電力。例如，質(zhì)子交換膜燃料電池目前作為電源發(fā)展用于各種軍事、運(yùn)輸和電子器件用途。這樣的燃料電池要求在需要時(shí)可供應(yīng)足以生成所需功率輸出的氫。需要高密度和能量有效的儲(chǔ)氫技術(shù)才能滿足這一要求。
已經(jīng)提出和研究了許多這樣的技術(shù)，包括這樣儲(chǔ)氫的裝置:作為壓縮氫氣；作為低溫液氫；作為吸附在高表面積載體上的氫分子；作為低密度在金屬鍵合的固體過渡金屬氫化物中的氫原子；作為高密度在離子鍵合的固體輕金屬氫化物中的氫原子；和作為高密度在極性共價(jià)鍵合的固體配位氫化物中的氫原子。這些方法各自具有限制。
依賴化學(xué)鍵合儲(chǔ)存和釋放氫的方法是有吸引力的，但氫釋放要求輸入能量，照慣例為熱形式。在過渡金屬氫化物中，可以在中等溫度下釋放氫，因?yàn)闅浜瓦^渡金屬與金屬鍵相對(duì)弱鍵合。但過渡金屬原子具有大于大約50原子質(zhì)量單位的原子量并且每過渡金屬原子儲(chǔ)存最多大約2個(gè)氫原子。因此，過渡金屬氫化物的重量?jī)?chǔ)存密度小于4重量％氫，這對(duì)許多用途而言太低。
輕金屬原子氫化物可具有最多大約12重量％氫的高氫密度。但是，這些氫化物中的金屬與氫之間的離子化學(xué)鍵極強(qiáng)，因此需要在大約280°C開始并高達(dá)900°C和更高的高溫以釋放氫。這些溫度對(duì)許多用途而言是不切實(shí)際的。
儲(chǔ)存在極性共價(jià)鍵合的輕金屬配位氫化物中的氫可具有最多18重量％氫的儲(chǔ)存密度。類似于輕金屬氫化物，這些化合物通常極強(qiáng)鍵合并因此仍需要高溫以釋放氫。
因此需要化學(xué)儲(chǔ)存和釋放氫的改進(jìn)的方法。
發(fā)明概述 本發(fā)明提供由金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物生成氫氣(H2)的裝置。在一些實(shí)施方案中，在排出氫后，該裝置可以在暴露于氫氣下時(shí)再生。該裝置由包含負(fù)極和正極的電化學(xué)電池構(gòu)成。這些電極任一或兩者可含有在活性電極材料中的固體金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物。該電化學(xué)電池還含有離子傳導(dǎo)金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物中的金屬陽(yáng)離子的電解質(zhì)。該裝置還含有負(fù)極和正極的外接頭(external connections)。這些接頭允許使用電源和電路來(lái)建立負(fù)極與正極之間的電化學(xué)勢(shì)并實(shí)現(xiàn)它們之間的電流流動(dòng)。
在本發(fā)明的實(shí)踐中，利用施加的電勢(shì)將電極材料中的固體金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物分解成氫氣。當(dāng)例如負(fù)極含有固體金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物時(shí)，電子流出負(fù)極使得金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物電化學(xué)分解成氫氣和金屬陽(yáng)離子。氫流出電極并離開該裝置。其可例如使用燃料電池或其它耗氫裝置傳輸至附近的氫。金屬陽(yáng)離子以離子形式經(jīng)由電解質(zhì)流至正極，在此它們被從電路流入正極的電子電化學(xué)還原。當(dāng)正極含有固體金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物時(shí)，以類似方式在正極處產(chǎn)生氫。在一些實(shí)施方案中，可以在正極和負(fù)極處都釋放氫。
用于負(fù)極活性材料的合適的固體金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物的實(shí)例包括LiH、LiBH4或LiAlH4。用于正極活性材料的合適的固體金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物的實(shí)例包括LiOH和LiNH2。在本發(fā)明的許多實(shí)施方案中，電極材料以細(xì)粒形式制備并壓到或粘合到適用于各電極的金屬集流體上。導(dǎo)電材料細(xì)粒也可以與活性金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物混合以在各電極組裝件中使電子更好地導(dǎo)入或?qū)С龌钚圆牧稀Ｒ后w電解質(zhì)可包含與負(fù)極和正極材料化學(xué)相容并離子傳導(dǎo)金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物中的金屬陽(yáng)離子的任何溶劑和溶質(zhì)組合。
因此，本發(fā)明使用電化學(xué)勢(shì)將固體金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物分解成氫氣。電化學(xué)勢(shì)的使用在許多耗氫裝置附近可存在的寬溫度范圍內(nèi)有效制氫。盡管這樣的環(huán)境溫度有波動(dòng)，但通常不必加熱(或冷卻)氫氣發(fā)生器。任選地，優(yōu)選確定電化學(xué)電池或電池組的尺寸以將規(guī)定體積的氫傳送至耗氫裝置。在許多實(shí)施方案中，通過向電極供氫并逆轉(zhuǎn)電流，可以重新形成金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物而不用從電池中取出該材料。
可以使用多種反應(yīng)物和反應(yīng)，各自具有其單獨(dú)的儲(chǔ)氫能力。優(yōu)選的氫化物包括低原子量的輕金屬簡(jiǎn)單氫化物，例如LiH或MgH2或配位氫化物，如鋁氫化物(AlH4O、氨基化合物(NH2_)或硼氫化物(BH4_)。這樣的配位氫化物可包括輕金屬陽(yáng)離子，如Li+、Mg+、Na+、K+和Ca++。這樣的配位金屬氫化物中的其它陽(yáng)離子可發(fā)生類似反應(yīng)，但由于化學(xué)儲(chǔ)氫法的一個(gè)品質(zhì)因素是重量效率(gravimetric efficiency),即每單位質(zhì)量化合物的儲(chǔ)氫質(zhì)量,很少使用降低重量效率的較重陽(yáng)離子。所有優(yōu)選組合物都在低于大約100°C的溫度下是固體。
示例性組合物和反應(yīng)(在括號(hào)中指出儲(chǔ)氫重量百分比)包括:1.2LiH — 2Li + H2 (12.7 %)2.LiBH4 — B + Li + 2H2 (18.5 %)3.2LiBH4 + 3A1 — AlB2 + 2LiAl + 4H2 (6.5 %)4.2LiBH4 + MgH2 — MgB2 + 2Li + 5H2 (14.4%)5.2LiBH4 + MgH2 + 2A1 — MgB2 + 2LiAl + 5H2 (8.1%)7.2Li + 2Li0H — 2Li20 + H2 (3.2 %)8.2LiH + 2Li0H — 2Li20 + 2H2 (6.2 %)9.4Li + 2LiNH2 — 2Li + 2Li2NH + H2 (2.7 %) — 3LisN + 2H2 (5.4 %)10.2LiH + LiNH2 — LiH + Li2NH + H2 (4.3 %) — Li3N + 2H2 (8.6 %)11.2LiBH4 + LiNH2 — 2B + Li3N + 5H2 (14.9 %)12.2LiBH4 + MgH2 + LiNH2 — MgB2 + Li3N + 6H2 (12.9 %)13.2LiH + Mg (NH2) 2 — Li2Mg(NH)2 + 2H2 (10.5 %)14.MgH2 — Mg + H2 (7.6 %)。
可以在含有浸在電解質(zhì)中的負(fù)極和正極的電化學(xué)電池內(nèi)促進(jìn)這些反應(yīng)和沒有列舉的其它反應(yīng)。這些電極任一或兩者可以是多孔的并含有負(fù)載在例如由N1、Cu和Al制成的導(dǎo)電片、網(wǎng)或框架上的固體金屬 陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物。該電極還可含有部分或完全脫氫和導(dǎo)電形式的形成金屬氫化物的金屬和合金以傳送電子和便于氫傳輸。這些形成氫化物的金屬和合金可包括18、1%2附、1^6、2洲丨、2—112、1^祖5和1^祖5_!^11!￡。為了提高重量效率，僅使用足以確保至少至儲(chǔ)氫化合物的電流路徑的最少量的導(dǎo)電粉末。一些添加劑，如LaNi5,可能表現(xiàn)出一些催化性質(zhì)并因此甚至當(dāng)以少量存在時(shí)也有效?？梢允褂锰技{米管或石墨烯，其中在低重量分?jǐn)?shù)下的良好電導(dǎo)率是最重要的。
可以添加粘合劑材料，例如苯乙烯-丁二烯橡膠或聚偏二氟乙烯，但僅在確保電極的完整性和長(zhǎng)期性能所需的程度上。根據(jù)形成氫化物的導(dǎo)電金屬和合金的選擇，可優(yōu)選單獨(dú)或以混合物和合金形式聯(lián)合并入催化促進(jìn)劑(對(duì)氫而言)，如碳載的Pd、Pt或Ni。
對(duì)僅涉及單一化學(xué)物類的反應(yīng)，例如反應(yīng)1、2和14而言，僅需要單一的制成電極且第二電極可以是不與電解質(zhì)反應(yīng)的任何(導(dǎo)電)材料，例如鋰、銅、鎳或鉬等許多材料。對(duì)涉及多于一種反應(yīng)性物類的反應(yīng)，例如反應(yīng)3和4而言，必須將另外的反應(yīng)性物類并入第二電極中。這通常必須如上所述制造粉末加工電極(powder processed electrode),但固體導(dǎo)電電極也可以是適當(dāng)?shù)模缭诜磻?yīng)3中那樣，其中可以使用固體鋁金屬基電極。
對(duì)涉及鋰離子傳導(dǎo)的反應(yīng)而言，可以使用鋰鹽的非水溶液(如溶解在碳酸亞乙酯和碳酸二甲酯的1:1混合物中的I摩爾LiPF6或在碳酸二甲酯中的I摩爾LiClO4)作為電解質(zhì)。
該電池還包括連接到負(fù)極和正極上的外接頭。這些接頭能連接電池外部的電源和電路以在負(fù)極與正極之間施加電勢(shì)差并實(shí)現(xiàn)正極與負(fù)極之間的電流流動(dòng)。
在制氫運(yùn)行過程中，外部電源強(qiáng)加的電勢(shì)差使電子經(jīng)由外電路從負(fù)極流入正極。
該裝置可逆以使其也可用于將氫儲(chǔ)存在金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物中。在這種情況下，電極最初含有脫氫狀態(tài)的金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物；逆轉(zhuǎn)電路中的電流流向，以促進(jìn)電子從正極流向負(fù)極；并向負(fù)極或正極任一或兩者供應(yīng)氫氣(H2)。
電極優(yōu)選以大約20微米至大約30微米的間距緊密隔開以使電極間電阻最小化。電極可以是平面的、同延的和相對(duì)布置的。除螺旋纏繞的電極布置外，還可以使用折疊構(gòu)造，其中一個(gè)電極呈“Z”或“W”形狀且交錯(cuò)同延的相對(duì)電極面對(duì)面對(duì)著。
在一些電池幾何形狀中，從電池內(nèi)的氫源向電池外部傳送氫可能需要經(jīng)顯著距離傳輸氫。類似地，將氫充入電池內(nèi)部可能涉及大范圍的氫輸送。為使擴(kuò)散傳輸程度最小化，優(yōu)選在電池中并入從外電極延伸并與電池內(nèi)部連通的通道或通路。這樣的通道能在制氫過程中促進(jìn)氫氣從電化學(xué)電池內(nèi)部排出和在儲(chǔ)氫過程中促進(jìn)氫加載到電池內(nèi)部。
優(yōu)選相對(duì)于大氣壓在適中壓力下運(yùn)行電池。合適地，為了與常在升高的壓力下運(yùn)行的燃料電池系統(tǒng)相容，氫壓應(yīng)為至少大約5巴。
反應(yīng)釋放的氫的壓力直接與外加電勢(shì)相關(guān)聯(lián)。所列舉的驅(qū)動(dòng)反應(yīng)和釋放氫所需的電勢(shì)通常是基于I大氣壓氫壓的平衡電勢(shì)。較大(大于平衡)電勢(shì)會(huì)造成釋放的氫氣的較高壓力。因此，在穩(wěn)定條件下，可以通過適當(dāng)設(shè)定外加電勢(shì)來(lái)“輸入(dailed in)”合適的氫壓。
但是，由于不能確保運(yùn)行穩(wěn)定性，優(yōu)選在任何變量的預(yù)期范圍內(nèi)確保適合燃料電池的至少最低氫壓(例如5巴左右)的電勢(shì)下運(yùn)行電池。安裝在電池與任何耗氫裝置之間的氫線路中的壓力調(diào)節(jié)器可用于確保該耗氫裝置與該較高氣壓隔離開。
或者，如果使用氫壓傳感器和任選(氫)流量傳感器，可以使用氫壓和氫需求量通過使用開-關(guān)或比例控制來(lái)控制外加電池電勢(shì)。
本發(fā)明還包括以下方面: 1.由至少金屬陽(yáng)離子基氫化物或氫氧化物釋放氫的電化學(xué)方法，所述方法包括:以間隔開的面對(duì)面關(guān)系放置兩個(gè)導(dǎo)電電極并與適合離子傳導(dǎo)至少所述金屬陽(yáng)離子的電解質(zhì)接觸，至少一個(gè)所述電極包含至少含有與導(dǎo)電材料密切混合的金屬陽(yáng)離子基氫化物或氫氧化物的壓實(shí)粉末混合物；和 在所述電極之間施加合適的電勢(shì)差以促進(jìn)至少一個(gè)所述電極處的釋氫反應(yīng)。
2.如方面I中所述的釋氫方法，其中所述導(dǎo)電材料是N1、Cu、Al、Mg、Mg2N1、TiFe、ZrNi> ZrMn2> LaNi5和LaNi5_xSnx、石墨和碳中的一種或多種。
3.如方面2中所述的釋氫方法，其中第二電極的導(dǎo)電壓實(shí)粉末進(jìn)一步包含鉬和鈀的一種或多種。
4.如方面I中所述的釋氫方法,其中所述離子是Li+、Mg++、Na+、K+和Ca++中的一種或多種。
5.如方面I中所述的釋氫方法，其中第一電極在比第二電極更負(fù)的電勢(shì)下，且第一電極包含含氫化物的壓實(shí)粉末電極并在所述壓實(shí)粉末電極處析出氫。
6.如方面I中所述的釋氫方法，其中在比第一電極更正的電勢(shì)下的第二電極包含含氫化物或含氫氧化物的壓實(shí)粉末電極并在所述壓實(shí)粉末電極處析出氫。
7.如方面I中所述的釋氫方法，其中第一和第二電極都包含含氫化物或含氫氧化物的壓實(shí)粉末電極并在第一和第二電極處都析出氫。
8.如方面5中所述的釋氫方法，其中所述含氫化物的壓實(shí)粉末電極包含LiH、LiBH4和MgH2中的一種或多種氫化物。
9.如方面6中所述的釋氫方法，其中所述含氫化物或含氫氧化物的壓實(shí)粉末電極包含LiOH和LiNH2中的一種或多種。
10.如方面7中所述的釋氫方法，其中所述含氫化物或含氫氧化物的壓實(shí)粉末電極包含LiH、LiBH4^MgH2, LiOH和LiNH2中的一種或多種。
11.儲(chǔ)氫方法，所述方法包括在呈面對(duì)面關(guān)系的間隔開的第一和第二電極之間施加合適的電勢(shì)差，其中至少一個(gè)電極包含形成氫化物的組合物，第一和第二電極各自與適合離子導(dǎo)電的電解質(zhì)接觸，所述電極和電解質(zhì)在氫氣氛下。
12.如方面11中所述的可逆儲(chǔ)氫法，其中至少一個(gè)電極包含N1、Cu、Al、Mg、N1、T1、Fe、Zr、Mn、La、Sn、石墨和碳中的一種或多種。
13.如方面11中所述的可逆儲(chǔ)氫方法，其中至少一個(gè)電極包含鉬和鈀的一種或多種。
14.如方面11中所述的可逆儲(chǔ)氫方法，其中所述形成氫化物的組合物包含L1、Mg、Na、K和Ca中的一種或多種。
15.釋放和儲(chǔ)存氫的電池，所述電池包含兩個(gè)隔開的面對(duì)的電極，所述電極適于連接至適于在所述電極之間建立電勢(shì)差的外部電源，所述電極被多孔的非導(dǎo)電隔片隔開，各電極與適于傳送所選離子物類的流體非水離子導(dǎo)體接觸，且至少一個(gè)所述電極包含氫化物或氫氧化物。
16.如方面15中所述的釋放和儲(chǔ)存氫的電池，其中至少一個(gè)所述電極包含LiH、LiBH4, MgH2, LiOH 和 LiNH2 中的一種或多種。
17.如方面15中所述的釋放和儲(chǔ)存氫的電池，其中所述電極面積為大約100平方毫米至大約1000平方毫米。
18.如方面15中所述的釋放和儲(chǔ)存氫的電池，所述電池進(jìn)一步包含在電池外部與電池內(nèi)部之間傳送氫的特征。
19.如方面18中所述的釋放和儲(chǔ)存氫的電池，其中所述氫傳送特征包含電極中的對(duì)齊開口。
20.如方面18中所述的釋放和儲(chǔ)存氫的電池，其中所述氫傳送特征包含沿電極的一個(gè)維度延伸的管狀通道。
下面描述本發(fā)明的這些和其它方面，而另一些是本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本說明書中提供的描述顯而易見的。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是具有面對(duì)面的平面電極并包含氫傳感器的電化學(xué)制氫電池的示意圖。
圖2是比較兩個(gè)電極(一個(gè)含有LiH，另一個(gè)是對(duì)照電極，不含氫化物)在3伏特和O伏特之間交替的外加偏壓下隨時(shí)間經(jīng)過的累積氫濃度變化的曲線圖。
圖3是適合使氫從電池內(nèi)部傳輸?shù)诫姵赝獠康臍鋬?chǔ)存和釋放電池電極的電極構(gòu)造的圖示。
圖4是適合使氫從電池內(nèi)部傳輸?shù)诫姵赝獠康臍鋬?chǔ)存和釋放電池的構(gòu)造的圖示。
優(yōu)選實(shí)施方案描述 下列實(shí)施方案描述僅是示例性的且無(wú)意限制本發(fā)明、其應(yīng)用或用途。
在車輛用途中，使用金屬氫化物化學(xué)儲(chǔ)存和釋放氫看起來(lái)是氫的物理儲(chǔ)存(其可能需要高壓或低溫或?qū)ｉT制備的底物中一項(xiàng)或多項(xiàng)才可行)的有吸引力的替代方案。
例如，大多數(shù)氫化物在不存在刺激的情況下在10_100°C的環(huán)境溫度和近環(huán)境溫度下穩(wěn)定，因此它們無(wú)需低溫或高壓儲(chǔ)存?？梢酝ㄟ^添加更多或更少的試劑逐漸改變制成的氫的體積以改變適用的車輛范圍或滿足不同尺寸和使用模式的車倆的需要。用于釋放氫的化學(xué)反應(yīng)可以逆轉(zhuǎn)以車上或(借助合適的包裝和連接能力)離車再生和補(bǔ)給廢氫(與儲(chǔ)存單元交換方案聯(lián)合)?？梢钥刂苹瘜W(xué)反應(yīng)的程度以使氫流適合所需車輛性能，例如其0-60 mph加速時(shí)間。
但化學(xué)方法也受到挑戰(zhàn)。更容易分解和重構(gòu)的儲(chǔ)氫化合物只有低重量效率，而更高重量效率的儲(chǔ)氫化合物更穩(wěn)定并僅在不可接受地高的溫度下才有效釋放和儲(chǔ)存氫。這些問題通常降低化學(xué)儲(chǔ)存的重量和體積效率?？赡苤苯油ㄟ^需要大質(zhì)量的低效率氫化物或間接通過需要附加的熱處理 設(shè)備，如隔熱、加熱器或熱交換器表現(xiàn)出降低的效率。
盡管熱是用于促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的能量輸入的最常見形式，但已知化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)和為電化學(xué)促進(jìn)相同反應(yīng)而必須施加的電勢(shì)之間等效。因此可能可以電化學(xué)促進(jìn)含氫化合物的分解，只要反應(yīng)物(大部分不導(dǎo)電)可并入導(dǎo)電電極中并可確定適合離子導(dǎo)電的電解質(zhì)。如果符合這些要求，可能可以通過對(duì)浸在合適電解質(zhì)中的兩個(gè)電極施加電勢(shì)來(lái)可逆釋放和儲(chǔ)存氫。有利地，可以在小于100°c和可能甚至低至大約25°C的溫度下進(jìn)行這樣的電化學(xué)反應(yīng)。
可被考慮用于這樣的電化學(xué)促進(jìn)的氫釋放的一些可能的反應(yīng)尤其包括:1.2LiH — 2Li + H2 (12.7 %)2.LiBH4 — B + Li + 2H2 (18.5 %)3.2LiBH4 + 3A1 — AlB2 + 2LiAl + 4H2 (6.5 %)4.2LiBH4 + MgH2 — MgB2 + 2Li + 5H2 (14.4%)5.2LiBH4 + MgH2 + 2A1 — MgB2 + 2LiAl + 5H2 (8.1%)7.2Li + 2LiOH — 2Li20 + H2 (3.2 %)8.2LiH + 2LiOH — 2Li20 + 2H2 (6.2 %)9.4Li + 2LiNH2 — 2Li + 2Li2NH + H2 (2.7 %) — 3LisN + 2H2 (5.4 %)10.2LiH + LiNH2 — LiH + Li2NH + H2 (4.3 %) — Li3N + 2H2 (8.6 %)11.2LiBH4 + LiNH2 — 2B + Li3N + 5H2 (14.9 %)12.2LiBH4 + MgH2 + LiNH2 — MgB2 + Li3N + 6H2 (12.9 %)13.2LiH + Mg (NH2) 2 — Li2Mg(NH)2 + 2H2 (10.5 %)14.MgH2 — Mg + H2 (7.6 %) 其中括號(hào)中的百分比是可釋放或儲(chǔ)存的氫的重量百分比。配位氫化物中的陽(yáng)離子除如所示的Li+和Mg++外還包括其它輕金屬陽(yáng)離子，如Na+、K+和Ca++。可能存在其它陽(yáng)離子的配位金屬氫化物并可發(fā)生類似反應(yīng)，但是由于它們的較高質(zhì)量降低該化合物的重量效率，這樣的陽(yáng)離子的氫化物通常不考慮用于儲(chǔ)氫。所有優(yōu)選的組合物在低于大約100°C的溫度下都是固體。
所列化合物包括其中氫為氫根形式的化合物，例如LiH、LiBH4或LiAlH4,和其中氫為質(zhì)子形式的化合物，包括LiOH和LiNH2。
氫根化合物含有具有〈O至-1的基本電荷單位的至少部分帶負(fù)電荷的氫。在這樣的氫根化合物中，當(dāng)用作電化學(xué)電池的負(fù)極時(shí)，電子在運(yùn)行過程中從負(fù)極流出使得金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物電化學(xué)分解成氫氣和金屬陽(yáng)離子。在負(fù)極釋放氫氣并離開該裝置。金屬陽(yáng)離子釋放到電解質(zhì)中并以離子形式經(jīng)由電解質(zhì)流至正極。在正極處，這些金屬陽(yáng)離子被從電路流入正極的電子電化學(xué)還原。
在質(zhì)子化合物中，氫至少部分帶正電荷，具有〉O至+1的基本電荷單位。在電化學(xué)電池中，負(fù)極可含有金屬陽(yáng)離子的還原(金屬)形式，而金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物可以是正極。在運(yùn)行過程中，電子從負(fù)極流出使得金屬陽(yáng)離子基形式的金屬釋放到電解質(zhì)中(金屬的電化學(xué)氧化)。金屬陽(yáng)離子以離子形式經(jīng)由電解質(zhì)流至正極，在此它們與金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物和從電路流入正極的電子電化學(xué)反應(yīng)。金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物與金屬陽(yáng)離子和電子的反應(yīng)使得金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物分解成氫氣和(完全或部分)脫氫的金屬陽(yáng)離子化合物。在正極處釋放氫氣。
因此，通過化合 物和在電化學(xué)電池的負(fù)極或正極的化合物安置的適當(dāng)選擇，可以在一個(gè)實(shí)施方案中在負(fù)極、在另一實(shí)施方案中在正極和在再一實(shí)施方案中同時(shí)在負(fù)極和正極釋放氫。逆轉(zhuǎn)外加電壓的極性和向電池供應(yīng)氫具有重構(gòu)原始儲(chǔ)氫組合物的潛力。
由于許多合適的化合物是不導(dǎo)電的,必須用導(dǎo)電成分和特征(features)制造電極以確保施加的電勢(shì)有效施加至氫化物。這樣的電極通常是多孔的并包含儲(chǔ)氫化合物與粉末或泡沫形式的導(dǎo)電介質(zhì)，如金屬或金屬合金，例如N1、Cu或Al或它們的合金的密切粉末混合物。粉狀石墨、碳、碳納米管和石墨烯也合適。
電極還可含有部分或完全脫氫形式的金屬性、導(dǎo)電的形成氫化物的合金以傳送電子和便于氫傳輸。示例性的形成氫化物的合金可包括Mg、Mg2Ni, TiFe, ZrNi, ZrMn2, LaNi5和LaNi5_xSnx。導(dǎo)電粉末通常僅以適合確保至儲(chǔ)氫化合物的電流路徑的量存在?？梢宰畹拖薅忍砑诱澈蟿?，例如苯乙烯-丁二烯橡膠或聚偏二氟乙烯以確保電極的完整性。催化促進(jìn)劑(對(duì)氫而言)，如碳載的Pd、Pt或Ni也可以單獨(dú)或作為混合物或合金并入電極中。
可以通過機(jī)械研磨導(dǎo)電和氫化物粉末的混合物以使粉末混合和實(shí)現(xiàn)通常I微米至100微米的所需粒度來(lái)制造電極。優(yōu)選選擇所得粉末的尺寸(合適地為5微米至10微米)以確保在壓實(shí)成電極時(shí)，形成尺寸和密度適合傳輸氫的孔隙。這樣的孔隙意在促進(jìn)和增強(qiáng)電極內(nèi)部和電極外部之間的氫傳輸。
為了增強(qiáng)電極內(nèi)聚力，可以使顆粒懸浮在溶解在合適溶劑中的粘合劑，如苯乙烯-丁二烯橡膠或聚偏二氟乙烯(PVDF)的極稀(1%至3%)溶液中。對(duì)許多氫化物而言，丙酮是合適的溶劑，但丙酮已知與至少NaAlH4反應(yīng)以導(dǎo)致氫釋放。為避免與這個(gè)和其它類似反應(yīng)的氫化物反應(yīng)，可以使用其它溶劑，如四氫呋喃(THF)或二乙醚。在壓實(shí)和溶劑蒸發(fā)后，粘合劑有效地進(jìn)一步確保顆粒相互結(jié)合。
電極可以通過導(dǎo)電載體(如中空框架、絲網(wǎng)或薄箔)負(fù)載并連接到外電路上。電極可具有通過使電極嵌入電極粉末中而并入電極內(nèi)的載體，以致在壓實(shí)時(shí)電極與載體可以機(jī)械聯(lián)鎖。如果載體具有開口特征以截留粉末，這種方法最有效，因此最適合開放框架或絲網(wǎng)載體等?；蛘?，如果使用溶劑溶解的粘合劑法，可以通過噴涂或使用刮刀或其它類似方法將粉末/粘合劑/溶劑衆(zhòng)料或糊料施加到載體上。這對(duì)較無(wú)特征(featureless)的載體,如薄箔而言是優(yōu)選方法，但適合所有載體幾何。也可以通過在載體周圍壓實(shí)“接近干的”粉末/粘合劑/溶劑混合物并蒸發(fā)殘留溶劑以使粘合劑和機(jī)械聯(lián)鎖聯(lián)合確保電極固定到起載體上來(lái)合并這些方法。適用于載體的材料包括由例如N1、Cu或Al制成的金屬網(wǎng)或泡沫。碳泡沫也合適。
電解質(zhì)可以是與負(fù)極和正極化學(xué)相容并離子傳導(dǎo)金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物中的金屬陽(yáng)離子的任何溶劑和溶質(zhì)組合?？捎糜贚i+陽(yáng)離子的典型的非水電解質(zhì)是溶解在1:1碳酸亞乙酯/碳酸二甲酯中的I摩爾LiPF6。也對(duì)Mg++而言，碳酸亞乙酯/碳酸二甲酯的I: I混合物可充當(dāng)合適的鎂鹽的溶劑。
用于實(shí)施本發(fā)明的合適的裝置示意性顯示在圖1中。如所示的該裝置的操作特征是在反應(yīng)物和反應(yīng)為反應(yīng)I的那些時(shí)得出的那些，即:2LiH — 2Li + H2 (12.7 %)。
值得注意的是，如果熱驅(qū)動(dòng)，由于該反應(yīng)的高的正吉布斯自由能(AG = 137 kj/mol-H2)、大熵變(AS = 148 J/K-mol_H2)和高反應(yīng)焓(Λ H = 181 kJ/mol_H2)，需要 940°C的溫度產(chǎn)生在大約I巴壓 力下的氫，但僅施加0.71伏特就可以實(shí)現(xiàn)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)。
在這種反應(yīng)中，負(fù)極中的含有氫根形式的氫的金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物是LiH，金屬陽(yáng)離子是Li+，并從負(fù)極釋放氫?？偡磻?yīng)來(lái)自兩個(gè)半電池反應(yīng)， 2LiH — 2Li+ + H2 + 2w.la.在負(fù)極,和 2Li+ + 2e_ — 2L1.............Ib 在正極。
參照?qǐng)D1，電化學(xué)電池10包含電解質(zhì)12和裝在容器14內(nèi)的電極16，18，其中電極經(jīng)由引線20，22連向外部電路。電池10可進(jìn)一步包括氫傳感器24?？赏ㄟ^將電極引線20，22連至電源30來(lái)完成電路。要認(rèn)識(shí)到，這一圖示僅是示意性的，電池元件，包括但不限于，容器14、電極16，18和電解質(zhì)12各自在特定實(shí)施方案中可呈不同形狀和構(gòu)造。
電極16可包含LiH，電極18可包含鋰金屬。在電池10的電極引線20，22連接至電源30后，在電極16處發(fā)生半電池反應(yīng)la，以使電子電流以箭頭28的方向流動(dòng)，Li+離子的離子電流以箭頭26的方向經(jīng)由電解質(zhì)12遷移至電極18，并釋放氫氣32。鋰離子在到達(dá)電極18時(shí)可隨后如反應(yīng)Ib所示還原成鋰金屬。由于其不化學(xué)參與鋰離子還原成金屬，電極18可以由不與電解質(zhì)反應(yīng)或與鋰金屬形成合金的任何方便的電導(dǎo)體制造。
考慮下列實(shí)施例可進(jìn)一步理解本發(fā)明，其類似地涉及通過反應(yīng)I的全過程和反應(yīng)Ia.和Ib.的半電池反應(yīng)電化學(xué)加工LiH以釋放H2: 通過在Fritsch P6行星式磨機(jī)中在400 rpm下機(jī)械研磨10重量％ (0.12克)LiH與90重量％ (1.08克)LaNi5的混合物I小時(shí)，制造負(fù)極。這種程序預(yù)計(jì)產(chǎn)生尺寸為I至10微米的顆粒附聚物，各附聚物包含較小的單獨(dú)微晶。LaNi5用于提供電導(dǎo)性、機(jī)械穩(wěn)定性和促進(jìn)氫傳輸。研磨的混合物通過用螺旋壓機(jī)壓到Ni格柵上并施加大約300英寸-磅的扭矩大約10秒來(lái)成形成大約10毫米直徑的圓盤電極。典型電極，包括其載體網(wǎng)，重量為大約0.1克。在如圖1中所示具有Li箔正極和保持在氬氣氛下的由溶解在碳酸亞乙酯和碳酸二甲酯的1:1混合物中的I摩爾LiPF6構(gòu)成的電解質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室電化學(xué)電池中使用負(fù)極。這種實(shí)驗(yàn)室電池中的外部接頭(未顯不在圖1中)用彈黃夾制成。通過Solartron 1287恒電位儀施加3伏特的電勢(shì)。這相對(duì)于0.71伏特的平衡電勢(shì)相當(dāng)于超電勢(shì)，并選擇用于驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。根據(jù)上列反應(yīng)I發(fā)生氫釋放并使用來(lái)SH2Scan的Model 700氫傳感器監(jiān)測(cè)。
對(duì)兩種負(fù)極組合物而言，用圖1的裝置和反應(yīng)物在大致環(huán)境溫度下獲得的一些結(jié)果顯示在圖2中。含有LiH的一種電極組合物通過上述方法制造。在分開的試驗(yàn)中，類似地加工在該組合物中省略LiH的另一電極。曲線40顯示來(lái)自含LiH的電極的結(jié)果，在曲線50顯示來(lái)自無(wú)LiH的電極的結(jié)果。在這兩種情況下，通過氫傳感器24 (圖1)測(cè)得的在容器14的開放容積內(nèi)的氫濃度都作為時(shí)間的函數(shù)顯示。
圖2也顯示施加和不施加3伏特電勢(shì)的影響。對(duì)含LiH的電極而言經(jīng)方框42包含的大約4500至6500秒的時(shí)窗(time window)施加電勢(shì)；對(duì)不用LiH制備的電極而言,經(jīng)從大約1500秒延伸至大約5200秒的時(shí)期施加電勢(shì)并包含在(虛線)框52中。
在這兩種情況下，在早期，甚至在不存在外加電勢(shì)的情況下都指示氫的一定適度釋放。據(jù)信，這可歸因于經(jīng)該試驗(yàn)的長(zhǎng)時(shí)限的儀器漂移的組合，和在含LiH的電極的情況下反映一定的氧化，在電解質(zhì)中可能含有一些H2O作為雜質(zhì)。重要地，在對(duì)照電極或假電極的情況下，電勢(shì)的施加不影響表觀析氫速率。方框52所含的曲線50的部分是施加3伏特電勢(shì)的時(shí)期:清楚地，該數(shù)據(jù)由一條平滑連續(xù)的曲線表示，無(wú)論是否施加電勢(shì)。
但是，如代表含LiH的電極的曲線40所示，在施加3伏特電勢(shì)時(shí)(即在方框42所含的曲線部分中)發(fā)生析氫的顯著增加。如果外加電壓沒有影響，氫生成會(huì)繼續(xù)追隨如曲線40’所示的曲線早期部分的簡(jiǎn)單外推?；谶@種外推，在試驗(yàn)終點(diǎn)或大約8700秒左右后，記錄大約0.13%的氫濃度，而實(shí)際上記錄大約0.41%的大得多的氫濃度。當(dāng)電勢(shì)提高時(shí)——相當(dāng)于方框42的邊緣44，氫濃度隨時(shí)間的變化速率開始提高并在不久達(dá)到比初始速率大多于10倍的極限值。當(dāng)移除電勢(shì)時(shí)一相當(dāng)于方框42的邊緣46，觀察到的析氫速率漸近下降至其大致初始速率。
這些試驗(yàn)證實(shí)，如果在電極處存在含氫化合物，其可以電化學(xué)反應(yīng)以釋放氫。由于該反應(yīng)可逆，在氫氣氛下用該電池施加相反電勢(shì)能在遠(yuǎn)低于熱驅(qū)動(dòng)反應(yīng)所需溫度的溫度下可逆儲(chǔ)存和釋放氫。要認(rèn)識(shí)到，根據(jù)例如反應(yīng)物的數(shù)量、規(guī)模和分布，一些反應(yīng)的逆轉(zhuǎn)可能比其它反應(yīng)更容易或更完全發(fā)生。
如所示，也可以電化學(xué)促進(jìn)其它化合物和反應(yīng)。下面提供這些之前規(guī)定的反應(yīng)2.-14.的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。在各總反應(yīng)后在括號(hào)中列出其用于儲(chǔ)氫的重量效率(％)和平衡電化學(xué)勢(shì)(伏特，V)2.LiBH4 — B + Li + 2H2 (18.5 %) (E = 0.33 V) 在這種反應(yīng)中，負(fù)極中的含有氫根形式的氫的金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物是LiBH4，金屬陽(yáng)離子是Li+并從負(fù)極釋放氫。
半電池反應(yīng)是: 在負(fù)極 LiBH4 — Li+ + B + 2H2 + 2e，和 在正極 Li+ + 2e — Li。
3.2LiBH4 + 3A1 — AlB2 + 2LiAl + 4H2 (6.5 %) (E = 0.01 V) 在這種反應(yīng)中，負(fù)極中的含有氫根形式的氫的金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物是LiBH4，金屬陽(yáng)離子是Li+并從負(fù)極釋放氫。在負(fù)極和正極中都包括鋁以通過穩(wěn)定脫氫產(chǎn)物B (在負(fù)極中為AlB2)和和Li (在正極中為L(zhǎng)iAl)來(lái)使LiBH4失穩(wěn)定。
半電池反應(yīng)是: 在負(fù)極 2LiBH4 + Al — 2Li+ + AlB2 + 4H2 + 2e、和 在正極 2Li+ + 2A1 + 2e_ — 2LiAl。
4.2LiBH4 + MgH2 — MgB2 + 2Li + 5H2 (14.4%) (E = 0.21 V) 在這種反應(yīng)中，負(fù)極中的含有氫根形式的氫的金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物是LiBH4，金屬陽(yáng)離子是Li+并從負(fù)極釋放氫。通過在負(fù)極中包含MgH2,使LiBH4失穩(wěn)定。
半電池反應(yīng)是: 在負(fù)極 2LiBH4 + MgH2 — 2Li+ + MgB2 + 5H2 + 2e、和 在正極2Li+ + 2丨一2Li。
5.2LiBH4 + MgH2 + 2A1 — MgB2 + 2LiAl + 5H2 (8.1%) (E = 0.11 V) 在這種反應(yīng)中，負(fù)極中的含有氫根形式的氫的金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物是LiBH4，金屬陽(yáng)離子是Li+并從負(fù)極釋放氫。通過在負(fù)極中包含MgH2和在正極中包含Al，使LiBH4失穩(wěn)定。
在此半電池反應(yīng)是: 在負(fù)極 2LiBH4 + MgH2 — 2Li+ + MgB2 + 5H2 + 2e、和 在正極 2Li+ + 2A 1 + 2e_ — 2LiAl。
7.2Li + 2Li0H — 2Li20 + H2 (3.2 %) (E = -1.23 V) 在這種反應(yīng)中，正極中的含有質(zhì)子形式的氫的金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物是LiOH，金屬陽(yáng)離子是Li+并從正極釋放氫。在這種情況下-注意外加電勢(shì)符號(hào)的變化-該反應(yīng)是放熱的，因此理想地，外加電勢(shì)不是釋放氫所必須的。但是，在實(shí)踐中，一定的外加電勢(shì)仍是克服超電勢(shì)和實(shí)現(xiàn)所需速率所必須的。
半電池反應(yīng)是: 在負(fù)極2Li — 2Li+ + 2e ,和 在正極 2Li+ + 2Li0H + 2e_ — 2Li20 + H2。
8.2LiH + 2Li0H — 2Li20 + 2H2 (6.2 %) (E = -0.26 V) 在這種反應(yīng)中，金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物在負(fù)極中是LiH和在正極中是LiOH，金屬陽(yáng)離子是Li+，并從這兩個(gè)電極都釋放氫。
在此半電池反應(yīng)是:
在負(fù)極 2LiH — 2Li+ + H2 + 2e，和 在正極 2Li+ + 2Li0H + 2e_ — 2Li20 + H2。9.4Li + 2LiNH2 —2Li + 2Li2NH + H2 (2.7%) — 3LisN + 2H2 (5.4%)
在這種反應(yīng)中，正極中的含有質(zhì)子形式的氫的金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物是LiNH2，金屬
陽(yáng)離子是Li+并在兩個(gè)反應(yīng)步驟中從正極釋放氫。10.2LiH + LiNH2 — LiH + Li2NH + H2 (4.3%) — Li3N + 2H2 (8.6 %)
在這種反應(yīng)中，金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物在負(fù)極中是LiH和在正極中是LiNH2，金屬陽(yáng)
離子是Li+并在兩個(gè)步驟中從這兩個(gè)電極都釋放氫。11.2LiBH4 + LiNH2 — 2B + Li3N + 5H2 (14.9 %)
在這種反應(yīng)中，金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物在負(fù)極中是LiBH4和在正極中是LiNH2，金屬陽(yáng)離子是Li+并從這兩個(gè)電極都釋放氫。12.2LiBH4 + MgH2 + LiNH2 — MgB2 + Li3N + 6H2 (12.9 %)
在這種反應(yīng)中，金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物在負(fù)極中是LiBH4和在正極中是LiNH2，金屬陽(yáng)離子是Li+并從這兩個(gè)電極都釋放氫。通過包含MgH2,使負(fù)極中的LiBH4失穩(wěn)。13.2LiH + Mg (NH2) 2 — Li2Mg(NH)2 + 2H2 (10.5 %)
在這種反應(yīng)中，金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物在負(fù)極中是LiH和在正極中是Mg (NH2) 2，金屬陽(yáng)離子是Li+并從這兩個(gè)電極都釋放氫。14.MgH2 — Mg + H2 (7.6 %) (E = 0.19 V)
在這種反應(yīng)中，金屬陽(yáng)離子基儲(chǔ)氫化合物在負(fù)極中是MgH2，金屬陽(yáng)離子是Mg2+并從負(fù)極釋放氫。上列反應(yīng)名單是示例性而非限制性的。其它合適的氫化物包括低原子量的輕金屬簡(jiǎn)單氫化物，例如LiH或MgH2,或配位氫化物，如鋁氫化物(A1H40、氨基化合物(MT)或硼氫化物(BH4—)。這樣的配位氫化物可包括輕金屬陽(yáng)離子，如Li+、Mg+、Na+、K+和Ca++。要認(rèn)識(shí)到，圖1中所示的電池構(gòu)造例示電池的元件，但可以使用電池元件的其它構(gòu)造和布置。例如，為了電池效率，電池優(yōu)選在它們之間用多孔的非導(dǎo)電隔板緊密隔開，即隔開20-30微米。這種隔板允許離子從一個(gè)電極通往另一電極和允許氫從電極遷移，同時(shí)防止電極與電極接觸和短路。電池的輸出將隨氫化物質(zhì)量和因此隨電極面積改變規(guī)模。因此，對(duì)高輸出電池而言，電極應(yīng)該大。優(yōu)選利用電極的整個(gè)面積，但為促進(jìn)反應(yīng)而必須施加的電勢(shì)差取決于生成的氫的壓力。因此，如果在電極上在氫不容易通往電極邊緣(在此可收集和/或取出氫)的位置快速生成氫，氫的壓力會(huì)穩(wěn)定提高，從而降低反應(yīng)速率。在氫大量截留的極端情況下，提高的壓力可能顯著地完全阻止反應(yīng)。顯然，如果唯一除氫途徑是在電極邊緣，許多電極面積被濫用，除非電極小，即大約100平方毫米或大約10毫米XlO大約毫米，至大約1000平方毫米。如果要使用較大面積的電極，它們可改造或包裝以降低氫必須傳輸?shù)木嚯x。這通常產(chǎn)生更緊湊的電極構(gòu)造，例如螺旋盤繞電池或Z-折疊或W-折疊幾何(具有符號(hào)相反且程度有限的交錯(cuò)電極)。對(duì)這些構(gòu)造而言，優(yōu)選作為箔上的薄沉積物形成電極，任選穿孔以提高電極材料與載體之間的機(jī)械干擾，從而提高電極保留(electrode retention)。也可以適當(dāng)準(zhǔn)備以更容易從電極輸出在電極中心生成的氫。可能的構(gòu)造顯示在圖3中，其中通過以箭頭68的方向行進(jìn)以使在任一面上帶有多孔隔片62的電極組64插入折疊第二電極60的折褶(fold) 70中，組裝電池。為清楚起見，僅顯示一個(gè)這樣的組。電極60和64以及隔片62各自具有基本等尺寸的開口 66，在將電極和隔片組裝在一起時(shí)，這些開口對(duì)齊以形成經(jīng)過該折疊電池的連續(xù)氫收集通道。用于將電極連接至外部電源73的接頭裝置圖示為接線片(tabs) 63和71。另一實(shí)施方案——其代表性實(shí)例顯示在圖4中——使用類似的交錯(cuò)電極元件60’和64’和插入折褶70中的隔片62’。但在這種實(shí)施方案中，在電極之間插入用于收集氫的連續(xù)通道72。通道72是管，在此顯示為具有圓截面，以側(cè)向輸送氫，并在壁76中具有開口74以允許氫從電池的正極或負(fù)極進(jìn)入。如所示偏移通道72能實(shí)現(xiàn)更緊湊構(gòu)造并可以使用橢圓管(其長(zhǎng)軸大致平行于電極的工作面取向)使該構(gòu)造更緊湊。如前一實(shí)施方案中那樣，用于將電極連接至外部電源73的接頭裝置在此顯示為接線片63’和71’。已就氫釋放描述圖3和4中所示的電池構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)。但如果電池再生，所示實(shí)施方案任一可在向電池內(nèi)部供氫中提供類似益處以最好地利用總可得電極面積。優(yōu)選相對(duì)于大氣壓在適中壓力下運(yùn)行電池。合適地，為了與常在升高的壓力下運(yùn)行的燃料電池系統(tǒng)相容，氫壓應(yīng)為至少大約5巴，但為了對(duì)照，如下文進(jìn)一步論述，可以有利地在最多20巴的壓力下運(yùn)行電池。在所有氫釋放反應(yīng)1.- 14.中，氫壓的提高通過LeChatelier’ s原理利于反應(yīng)物而非反應(yīng)產(chǎn)物，因此限制析氫。但這可通過提高電池電勢(shì)克服。在穩(wěn)定條件下，可以通過控制外加電勢(shì)來(lái)控制析出的氫氣的壓力。這可用于控制壓力以使該方法可以僅依賴外加電勢(shì)基本開環(huán)運(yùn)行以確保在合適的壓力下析出氫。在實(shí)踐中，動(dòng)力學(xué)和環(huán)境考慮因素，如電池的耗損水平和電池溫度，可能造成在恒定電勢(shì)下更可變的氫壓，并需要更復(fù)雜的控制算法。這可能需要在電池中安裝氫壓傳感器和任選(氫)流量傳感器并使用氫壓和由氫流速估算的氫需求量通過開-關(guān)或比例控制控制外加電池電勢(shì)。更簡(jiǎn)單方法是開環(huán)但在任何變量的預(yù)期范圍內(nèi)確保適合燃料電池或其它預(yù)期用途的至少最低氫壓(例如5巴左右)的電勢(shì)下運(yùn)行電池。當(dāng)條件超過最低值時(shí)，在較高壓力下會(huì)生成氫，但可以使用安裝在電池與任何耗氫裝置之間的氫線路中的壓力調(diào)節(jié)器確保該耗氫裝置與任何較高氫氣壓隔離開。優(yōu)選在電池與調(diào)節(jié)器之間安裝小儲(chǔ)罐以緩沖輸出的任何激增或短暫的高需求期。盡管已通過實(shí)施例和就優(yōu)選實(shí)施方案描述本發(fā)明，但要理解的是，本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施方案。相反，其旨在涵蓋本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的各種修改和類似布置。因此，對(duì)所需權(quán)利要求的范圍應(yīng)給予最廣義的解釋以包含所有這樣的修改和類似布置。
權(quán)利要求
1.由至少金屬陽(yáng)離子基氫化物或氫氧化物釋放氫的電化學(xué)方法，所述方法包括: 以間隔開的面對(duì)面關(guān)系放置兩個(gè)導(dǎo)電電極并與適合離子傳導(dǎo)至少所述金屬陽(yáng)離子的電解質(zhì)接觸，至少一個(gè)所述電極包含至少含有與導(dǎo)電材料密切混合的金屬陽(yáng)離子基氫化物或氫氧化物的壓實(shí)粉末混合物；和 在所述電極之間施加合適的電勢(shì)差以促進(jìn)至少一個(gè)所述電極處的釋氫反應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1中所述的釋氫方法,其中所述導(dǎo)電材料是N1、Cu、Al、Mg、Mg2N1、TiFe、ZrNi> ZrMn2> LaNi5和LaNi5_xSnx、石墨和碳中的一種或多種。
3.如權(quán)利要求2中所述的釋氫方法，其中第二電極的導(dǎo)電壓實(shí)粉末進(jìn)一步包含鉬和鈀的一種或多種。
4.如權(quán)利要求1中所述的釋氫方法，其中所述離子是Li+、Mg++、Na+、K+和Ca++中的一種或多種。
5.如權(quán)利要求1中所述的釋氫方法，其中第一電極在比第二電極更負(fù)的電勢(shì)下，且第一電極包含含氫化物的壓實(shí)粉末電極并在所述壓實(shí)粉末電極處析出氫。
6.如權(quán)利要求1中所述的釋氫方法，其中在比第一電極更正的電勢(shì)下的第二電極包含含氫化物或含氫氧化物的壓實(shí)粉末電極并在所述壓實(shí)粉末電極處析出氫。
7.如權(quán)利要求1中所述的釋氫方法，其中第一和第二電極都包含含氫化物或含氫氧化物的壓實(shí)粉末電極并在第一和第二電極處都析出氫。
8.如權(quán)利要求7中所述的釋氫方法，其中所述含氫化物或含氫氧化物的壓實(shí)粉末電極包含LiH、LiBH4^MgH2, LiOH和LiNH2中的一種或多種。
9.儲(chǔ)氫方法，所述方法包括在呈面對(duì)面關(guān)系的間隔開的第一和第二電極之間施加合適的電勢(shì)差，其中至少一個(gè)電極包含形成氫化物的組合物，第一和第二電極各自與適合離子導(dǎo)電的電解質(zhì)接觸，所述電極和電解質(zhì)在氫氣氛下。
10.釋放和儲(chǔ)存氫的電池，所述電池包含兩個(gè)隔開的面對(duì)的電極，所述電極適于連接至適于在所述電極之間建立電勢(shì)差的外部電源，所述電極被多孔的非導(dǎo)電隔片隔開，各電極與適于傳送所選離子物類的流體非水離子導(dǎo)體接觸， 且至少一個(gè)所述電極包含氫化物或氫氧化物。
全文摘要
形成氫化物的組合物與氫反應(yīng)以形成氫化物和這樣的氫化物分解以釋放氫都可以電化學(xué)促進(jìn)。這些反應(yīng)可逆進(jìn)行，且如果在合適的電池中進(jìn)行，該電池充當(dāng)氫儲(chǔ)存和釋放裝置。
文檔編號(hào)H01M8/10GK103107349SQ20121044935
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者J.J.瓦霍, W.李, P.劉, F.E.平克頓 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司