CN104221197A - 利用电容器从燃料和氧化剂生成电力的方法和设备 - Google Patents

利用电容器从燃料和氧化剂生成电力的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了利用电容器生成电力的器件和方法。所述电容器具有催化工作电极、电介质和对电极。通过以下步骤生成电力：令燃料(例如氢气)在工作电极上流动，对电容器充电(例如通过施加电压)，令氧化剂(例如氧气)在工作电极上流动，以及把电极连接到电阻性负载，从而允许电流流经电极之间的所述负载。相反的器件(即首先是氧化剂随后是燃料)按照类似方式运作。

Description

利用电容器从燃料和氧化剂生成电力的方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年2月3日提交的美国专利申请No.61/594,839的权益，其公开内容被全文合并在此以作参考。
背景技术
燃料电池(FC)是多用途的能量转换技术。其可以把许多高能量密度的燃料直接转换成电力，而无需首先将化学能转换成热能，从而绕过了传统热机(heat engine)的Carnot效率限制。所有传统的燃料电池由燃料在该处被氧化的阳极以及氧化剂(通常是氧气)在该处被还原的阴极构成。阳极和阴极通过离子转运隔膜分开，并且经由外部电路连接，正如图1A中所示出的那样。图1B示出了被用来表示物理过程以及利用所施加的电压或源测量(source-measure)单元来测试FC的等效电路图。反应的自由能驱动DC电流流经外部电路中的负载，同时离子(通常是H+、OH-、CO3 2-或O2-)流经隔膜。除了其在高效率方面的潜力之外，燃料电池可以利用例如氢(作为仅有的排放物产生水)之类的清洁燃料或者为碳中性(不产生净CO2)的可持续生物燃料来操作。燃料电池具有许多不同的多样性和广阔的潜在应用范围。对于静止电力通常考虑高温燃料电池(固体氧化物燃料电池SOFC)，并且对于运输或便携式电力通常考虑低温燃料电池(质子交换隔膜燃料电池或PEMFC)。FC产生高功率密度(特别在与例如太阳能之类的技术相比时尤其如此)。但是由于高成本和可靠性问题，PEMFC和SOFC的市场渗透率仍然较低。商用PEMFC的典型功率密度是大约600mW/cm2，而SOFC的典型功率密度则是大约300mW/cm2。在2009年，美国能源部将燃料电池成本和使用寿命目标设定为对于静止电力是$750/kW和40000小时的操作，对于运输领域则是$30/kW和5000小时的操作。
SOFC技术似乎足够成熟并且已经为商业成功做好了准备，特别对于静止电力应用尤其是如此，其中可以利用有价值的热量并且提高了净效率。现在对于SOFC似乎成为可能的更高市场渗透率实际上对于其他燃料电池同样是正面的发展。一些技术对于例如运输或便携式电力之类的应用具有固有的优点，但是进一步的发展则受到关于FC是成问题的认知的阻碍。对于汽车和便携式电力应用而言，快速响应时间和低操作温度是关键。对于这些应用特别关注了PEMFC。但是PEMFC的发展和商业化存在许多障碍。在改进氧还原反应(ORR)催化剂、防止氢氧化反应(HOR)催化剂中毒以及开发更高温度质子传导隔膜方面仍然存在科学挑战。此外还有需要解决的更加实际的问题，比如用以保持隔膜湿度而不发生洪泛的活性水管理、改进设备可靠性以及降低系统成本。此外，大多数先进的PEMFC使用氢作为燃料，这可以被视作缺点或者很大的优点。下面我们将审视关于传统PEMFC的一些问题，并且审视一些新颖的燃料电池设计理念，其试图绕过例如单腔室和无隔膜设计之类的传统设备的限制。
传统的质子交换隔膜燃料电池(PEMFC)
产生水的氢的氧化由下面的熟悉的反应给出：
Δ G o = 237 kJ mol ΔEo＝1.23V Δ H rxn o = 286 kJ mol
这一简单且清洁的反应对于使用氢作为能量载体具有巨大的吸引力，特别在与可再生的(太阳或风力生成的)氢相组合时尤其是如此。但是打消人们对于所述燃料的热情的美中不足之处在于氢难以存储和配送。此外，将其转换成电力的低温燃料电池技术(PEMFC)存在几方面的问题，从而对其成本效率并且因此对其广泛采用构成了妨碍。下面给出关于其中一些最重要的问题的概述。
用于氧还原反应的催化剂：高活化过电位
氧化还原反应(ORR)的费解之处在于，其是最早被获知的电化学反应之一，但也仍然是被理解最少的电化学反应之一。针对铂上的ORR已经提出了许多机制，但是最为广泛接受的机制是缔合吸附(associative adsorption)机制：
决定速率的步骤被认为是前面的反应rxn2，但是关于机制和速率限制步骤的辩论仍然没有结论。通过提高其反应速率可以大大改进燃料电池性能。关于ORR的研究主要集中在新催化剂的开发方面。虽然通过简单地把温度提高到PEMFC通常所操作的80℃以上也可以提高总体速率，但是这样会导致其他问题，特别对于后面所讨论的离子转运隔膜尤其是如此。
用于氢氧化反应的催化剂：中毒
一氧化碳、硫以及其他物质可能会使得HOR催化剂(通常是铂)中毒。这种现象是众所周知的，并且近来对其进行了审视。由于CO是从中产生大多数氢的重整过程(reforming process)的副产品(图2)，因此其对PEMFC技术的发展构成严重阻碍。CO通过强化学吸附到表面并且阻断活性反应位置而使得铂催化剂中毒。克服CO中毒问题的最简单的方式是提到操作温度。对于CO的耐受性与温度直接相关。通过把温度提高到低至130℃会大大改进有CO存在的情况下的PEMFC性能。但是随着温度提高，PEM干涸，并且串联电阻增大，从而导致效率降低。传统的方法是开发针对用在当前技术中的Nafion聚合物的替代物，或者开发对于CO的存在耐受性更高的催化剂。但是也提出了其他令人感兴趣的想法。举例来说，已经提出将氧或过氧化氢注入到燃料流中，以便在CO到达催化剂之前将其氧化。但是所述中毒问题仍然是有害的并且仍未得到解决。
ORR和HOR催化剂：质量降低
传统PEMFC催化剂所存在的另一个问题是质量降低。铂颗粒溶解和集块以及碳支持反应是质量降低的主要机制，并且都受到水的存在的促进。如果消除了碳支持和液体水，则许多质量降低问题将得到缓解。
隔膜润湿：更高温度下的反应动力学(kinetics)更好，但是隔 膜会干涸
PEMFC的一个主要优点是其在低温下操作。但是通过提高温度，可以大大改进燃料电池性能。这主要是由于交换电流密度方面的改进，但是由于更好的热量和水管理，在效率方面也观察到性能改进。但是典型的PEMFC中的隔膜需要被润湿以便于离子转运。这是因为Nafion(标准PEMFC隔膜材料)的质子传导率随着隔膜变干而降低，从而导致欧姆损耗的增加，并且最终导致设备故障。为了规避这一问题，必须具有外部润湿器以便在更高温度下运行PEMFC。此外，由于其具有含水隔膜，因此PEMFC在低于冰点的环境条件下还可能遭遇灾难性故障。规避这些限制需要开发新的隔膜材料，这是高度活跃的研究领域。但是当前还不存在既具有高性能又具有高温下的鲁棒操作的替代隔膜技术。质子交换隔膜所存在的这一问题促进了几种非传统的燃料电池设计的发展。
非传统的燃料电池设计
为了避免前面所讨论的问题，已经提出了全新的设备架构。这些设备架构包括所谓的“单腔室”设计和“无隔膜”设计。下面给出关于这些设备当中的少数几种的概述。
单腔室燃料电池概念(图3A和3B)早在1950年代后期就已被考虑到。但是在1990年，单腔室设计通常产生了兴趣和争议。所述设备按照类似于传统PEMFC的方式运作，但是主要的不同之处在于，氢和氧被混合并且被馈送到设备的同一侧。其操作机制已被讨论过，但是所述设备能够实现大约1伏特和1到5mW/cm2的功率密度。所述设计的优点在于，其不需要密封并且可以简单地制作。但是由于氢也存在于外部电极处，因此在氢和氧之间存在显著的化学(而非电化学)反应速率，从而代表显著的效率损失。令人感兴趣的是还注意到，高湿度和低压力会减少这一不合期望的副反应。其他人后来开发出具有选择性催化剂的两侧设计(图3B)，其操作方式更类似于SOFC。后面的这一种设备也产生了大量兴趣并且引发了几方面的研究努力。
另一种非传统的设计使用质量转运限制来使得燃料远离阴极并且使得氧化剂远离阳极。这些“无隔膜”设计不具有隔膜，但是其仍然需要离子的DC转运——这通常是经过微流体通道中的层流场的扩散。燃料和氧化剂流在低Reynolds数(Re<10)下的y汇合处被合并。随着流体向下流经通道，燃料和氧化剂物质开始经过所述通道扩散，从而产生按照与传统燃料电池中的隔膜相当类似的方式运作的扩散区。这种设计的一个优点在于其简单性和紧凑的尺寸，但是其产生非常低的功率密度，燃料效率非常差，并且需要连续的液体流动(并且可能还需要再循环)。
简而言之，这两种非传统的燃料电池设计都有一些独有的特征，但是都没有在不产生更严重问题(比如低法拉第效率)的情况下解决低温燃料电池技术所存在的关键问题。铂和Nafion的高成本、低温HOR中毒、ORR和HOR催化剂质量降低、液体水的存在以及主动管理水的困难合在一起构成了阻碍PEMFC技术的重大的技术和可靠性障碍。
能够避免这些问题的一种解决方案将是显著改变和增强低温燃料电池技术的前景的突破。
发明内容
提供本概要是为了以简化形式介绍将在后面的具体实施方式部分中进一步描述的一部分概念。本概要不意图标识出所要求保护的主题内容的关键特征，也不意图帮助确定所要求保护的主题内容的范围。
在一个方面中，提供一种从燃料和氧化剂生成电力的方法。在一个实施例中，所述方法包括以下步骤：
(a)通过以下步骤将燃料固定在电容器的工作电极上：
将工作电极暴露于燃料，其中工作电极包括用于燃料与氧化剂之间的电化学反应的催化剂；以及
通过将工作电极偏置成带正电并且将电容器的对电极偏置成带负电而对电容器充电，其中电容器的电介质将对电极与工作电极分开，并且对电容器充电是在将工作电极暴露于燃料之前或之后而实施的；
(b)在已将燃料固定在工作电极上之后将工作电极暴露于氧化剂；以及
(c)通过在工作电极与对电极之间连接电负载而生成电力。
在另一方面中，提供另一种从燃料和氧化剂生成电力的方法。在一个实施例中，所述方法包括以下步骤：
(a)通过以下步骤将氧化剂固定在电容器的工作电极上：
将工作电极暴露于氧化剂，其中工作电极包括用于燃料与氧化剂之间的电化学反应的催化剂；以及
通过将工作电极偏置成带负电并且将电容器的对电极偏置成带正电而对电容器充电，其中电容器的电介质将对电极与工作电极分开，并且对电容器充电是在将工作电极暴露于燃料之前或之后而实施的；
(b)在已将氧化剂固定在工作电极上之后将工作电极暴露于燃料；以及
(c)通过在工作电极与对电极之间连接电负载而生成电力。
附图说明
参照后面结合附图做出的详细描述，本发明的前述各个方面和许多伴随的优点将变得更加显而易见并且得到更好的理解，其中：
图1A是PEMFC的示意图，图1B是被用来表示其物理过程以及利用所施加的电压或源测量单元对FC进行测试的等效电路图。这里的电容器是由于非法拉第电化学双层充电而导致的，Ra和Rc是由于ORR和HOR导致的法拉第电荷转移电阻。Rm于是由于经过隔膜的质子转运而导致的串联电阻。
图2是对应于多种FC类型的燃料重整。
图3A和3B是单腔室混合气体燃料电池设计。图3A是具有非选择性电极的单侧气体暴露。图3B是具有选择性电极的两侧气体暴露。
图4是无隔膜层流燃料电池的设计。
图5A是对应于金属-绝缘体-金属(MIM)燃料电池的主要操作步骤：(1)吸附——在设备保持开路条件时，稀释在N2中的H2流入反应腔室、吸附以及解离。(2)HOR/充电——电路闭合，并且从外部电力供应装置向金属-绝缘体-金属(MIM)设备施加电压。所吸附的氢原子被氧化。由所述电力供应装置支付的能量被储存在围绕所吸附的H+的表面处和极化的电介质中的电场中。CMIM是设备的电容，RHOR是电荷转移电阻。(3)改变气相——电路被断开，并且在设备上存在电压的同时利用惰性气体从腔室中清除氢气。空气或氧随后被流入到腔室中。随着氧与Hads +相互作用，设备上的电压随后将升高VORR，从而增加使得电子流回到工作电极的附加驱动力。(4)ORR/放电——电路随后被闭合，从而提供使得电子流经负载的路径。O2和2Hads +与2e-组合。对于理想的系统(没有欧姆损耗、没有经过电介质的泄漏并且没有寄生反应)，离开设备的能量将等于表面质子和氧反应形成水的能量减去用以剥离电子的能量。
图5B示出了类似于图5A的方法和设备，但是没有被施加来偏置该设备的外部电压。相反，所述设备通过将工作电极暴露于燃料达到使得该设备被极化的程度而被充电。
图6是对应于5A中示出的4步循环的理论响应与时间关系。其中描绘出电压、电流和功率与时间的关系并且为其加了标记以表明其所对应的步骤。
图7是在盘上具有两个MIM层叠的旋转盘设计的示意图。在右侧示出了圆柱状设备的顶视图，在左侧示出了对应于两个不同时间的两个剖面图。应当提到的是，所述盘在顶部图和底部图之间旋转了180°。所流动的电流是AC，并且具有在后面的图8中示出的波形。此外，MIM上方的多孔层可以被用来防止分隔物上的密封对MIM造成破坏。
图8是来自图7中所示的设备的预期AC波形，其可以被调节到具有转换效率Ce的标准60Hz正弦波，其中0≤Ce<1并且V0是经过预处理的信号的最大幅度。
图9是对应于气流方法的实验设置。
图10是金属-绝缘体-金属设备和样本固定器的细节。
图11示出了根据这里所提供的实施例的用于提供燃料和氧化剂以便利用电容器生成电力的代表性方法。
图12示出了利用连接到燃料和氧化剂递送系统的电容器的“填充床(packed bed)”配置生成电力的示例性系统。
图13A和13B示出了包括两个旋转工作电极和静止气相的示例性旋转设备系统。图13A是透视图，图13B是俯视图。
图14A示出了三腔室旋转盘设备，其中燃料腔室、氧化剂腔室和排放物腔室被分开布置在旋转盘上方。图14B是图14A的设备的经过修改的形式，其中燃料腔室大于氧化剂和排放物腔室。
图15A示出了“传送带”风格的设备，其中多个电容器被安放在皮带上，其在燃料区段与氧化剂区段(分别是氢和空气)之间移动电容器。图15B示出了可以与图15A的传送带系统一同使用的替换的“两侧”MIM设备。
图16A和16B示出了双侧盘设备，其中使用机械支持件来支持被安放到所述支持件的顶侧和底侧的电容器。
图17A和17B示出了具有增大面积(enhanced-area)工作电极的示例性设备配置。在图17A中示出了俯视图，在图17B中示出了剖面图。
图18A和18B示出了用于旋转盘设备的方案，其中使用多个工作电极(图18A)并且使用多个气体腔室(图18B)来提高由所述设备生成的电力的频率。
图19A和19B示出了圆柱状电极设计，其中各个电容器被安放到在燃料区段与氧化剂区段之间的旋转的圆柱体上。图19B是图19A的安放MIM的圆柱体的细节。
图20提供了“三角轴杆”设计，其中三角轴杆具有安放在所述三角轴杆的全部三个表面上的电容器。
图21示出了Wankel类型系统，其中使用非对称的三表面轴杆来控制旋转轴杆系统中的摄入、压缩和排放。
具体实施方式
这里公开了一种新颖的无隔膜燃料电池(其在这里也被称作“电容器”)设计，其可以被用来直接生成交流(AC)电力或脉冲DC电力。所述电容器不需要离子转运、不需要液体水、不需要碳，并且在操作温度方面没有限制。
在一个方面中，提供一种从燃料和氧化剂生成电力的方法。在一个实施例中，所述方法包括以下步骤：
(a)通过以下步骤将燃料固定在电容器的工作电极上：
将工作电极暴露于燃料，其中工作电极包括用于燃料与氧化剂之间的电化学反应的催化剂；以及
通过将工作电极偏置成带正电并且将电容器的对电极偏置成带负电而对电容器充电，其中电容器的电介质将对电极与工作电极分开，并且对电容器充电是在将工作电极暴露于燃料之前或之后而实施的；
(b)在已将燃料固定在工作电极上之后将工作电极暴露于氧化剂；以及
(c)通过在工作电极与对电极之间连接电负载而生成电力。
传统的燃料电池具有两个电极：专用阴极和专用阳极。其在电子移动经过外部电路并且同时稳定的质子流移动经过分开所述两个电极的内部隔膜时产生DC电力。与这一方案不同，在所公开的实施例中，相同的物理电极表面在阴极反应与阳极反应的位置之间交替，从而在电极暴露于不同的气相环境时，质子保留在电极上。气体可以由于以下原因发生改变：流入不同的气体，将电极平移到不同的环境中，或者将电极旋转到不同的环境中。通过在催化剂下方添加一个电介质层(用以帮助电极支持更高表面电荷密度)和开关电路，所述设备产生具有净电力输出的脉冲DC或AC电流。
所公开的设备由平面状金属-绝缘体-金属(MIM)(“电容器”)架构构成。顶部金属电极(工作电极，WE)被选择为对于HOR和ORR都具有催化活性，底部金属电极(对电极，CE)仅出于其电导率、粘附和便利性而被选择。对于示例性的设备，对于WE使用铂，并且对于CE使用铝或金。电介质层的选择非常重要，并且将在后面更加详细地讨论。设备通过图5A中示出的四个步骤按照循环方式操作。在最终步骤中的ORR之后，可以重复所述循环以产生脉冲DC电力，或者可以组合两个设备以产生AC电力。
应当提到的是，对于图5A中所示出的示例性设备，HOR需要向该设备输入电力。其目标是使得ORR期间的电力输出多于HOR期间的电力输入。在图6中绘制出对应于图5A中所示的一个完整循环的预期电压、电流和功率与时间的关系。图5B中所示出的示例性设备不需要向该设备输入外部电力(即不需要偏置)。相反，所述设备通过燃料与工作电极的相互作用被充电，其将该设备充分地极化(例如通过调节WE的费米能级)，从而提供促进所述过程的余下步骤的已充电状态。
在步骤1期间，H2(燃料)流入反应腔室，其吸附在Pt表面上并且在该处自发解离。所吸附的数量将由铂当量(loading)、弥散、H2的分压、任何竞争性被吸附物的存在以及催化剂表面的条件确定。在这一步骤期间没有显著的电流流动，并且设备上的电压几乎没有改变。
在步骤2期间，施加电压，HOR继续产生Hads +，电子流出WE(电流流入WE)，并且设备充电。由于是简单RC串联电路的充电，因此电流成指数地减小，并且电压在所施加的电压的数值下达到平稳。功率输入简单地是电流乘以电压。
应当认识到，步骤1和2的排序可以反转，这是因为电容器可以在暴露于燃料之前被充电。但是不管顺序如何，步骤1和2的最终结果是相同的，即提供被固定(例如被吸附)的燃料(或者在首先是氧化剂的过程中是氧化剂)。
在步骤3期间，利用惰性气体将氢从腔室中冲出(以避免H2与O2的爆炸性混合的任何可能性)，并且氧(氧化剂)被流入。由于电路仍然断开，因此不会有电流流动，Hads +保留在表面上，但是电压由于氧的存在而升高。在理想情况下，电压的改变应当是1.23V。
在步骤4(电力输出步骤)期间，电路被闭合并且ORR开始消耗Hads +。WE放电，从而拉动电子经过负载。凭借由于氧的存在而生成的额外驱动力(ORR的自由能)，在放电步骤期间存在提取出多于充电步骤的电力。对于恢复这一工作最为有利的条件是使得ORR缓慢地继续。具体来说，不应当处于在反应动力学方面受到限制的放电规则(discharge regime)中。这可以通过使得负载电阻较大来实现，从而实际上使得放电步骤表现出能斯特行为(Nernstian)。
增大该电路中的负载电阻的量值类似于在计时安培分析法或循环伏安法中增大质量转运电阻。通过使得反应转运受到限制，可以为反应的缓慢反应动力学给出其所需的时间。因此，WE总是与电极上的浓度处于平衡。其结果是，电压衰减的形状由能斯特方程决定，其随着表面浓度的降低成对数地减小。参照图6，由于电荷守恒，理论上在步骤2期间处于I(t)上方的面积应当等于步骤4期间处于I(t)下方的面积。此外，由于增大的电压，步骤4中的电力输出大于步骤2中的电力输入(参见图6)。简单的MIM设备由处于封装内部的不会比图5A的中间列中所示的结构复杂太多的结构构成，以便控制气相环境、温度等等。后面将对此做出更加详细的描述。
在一个实施例中，对电容器充电的步骤是通过在没有施加附加偏压的情况下将工作电极暴露于燃料而导致的。如前所述，图5B不需要向设备输入外部电力(即不需要偏置)。应当认识到，虽然在这里所提供的许多示例性设备是在由外部电源充电的设备的情境中进行描述的(例如图5A)，但是任何此类设备也可以在没有外部电力的情况下实施，只要引入到工作电极的燃料(或氧化剂)足以对该设备充电即可。也就是说，在没有外部电力的情况下的充电可以通过选择燃料、WE、催化剂、CE和电介质来实现，从而使得电容器在暴露于燃料(或者在首先是氧化剂的过程的情况下是氧化剂)时被极化和充电。在图5B的情境中，这意味着步骤1和2实质上是单一步骤，这是因为将WE暴露于燃料(或者在首先是氧化剂的过程中是氧化剂)也会对电容器充电。
在一个实施例中，对电容器充电的步骤包括在工作电极与对电极之间施加电压，正如图5A中所示出的那样。
在一个实施例中，通过施加电压对电容器充电的步骤是在将工作电极暴露于燃料的步骤之前实施的。
在一个实施例中，在将工作电极暴露于氧化剂的步骤之前，所述方法还包括断开在工作电极与对电极之间施加的电压的步骤。
在一个实施例中，通过将工作电极暴露于燃料提供了工作电极上的吸附燃料。
在一个实施例中，通过对电容器充电提供了工作电极上的被氧化或部分氧化的燃料以及对电极中的所储存的电子。
在一个实施例中，通过在工作电极与对电极之间连接电负载而生成电力的步骤是通过以下步骤生成电力：将对电极中的所储存的电子提供到工作电极上的吸附燃料，从而允许工作电极上的吸附燃料与氧化剂反应以产生氧化剂-燃料产物。
在前面的方面和实施例中描述了“首先是燃料”的设备。但是应当认识到其中首先将氧化剂应用于工作电极并且随后应用燃料以生成电力的设备。
相应地，在一个方面中，提供一种“首先是氧化剂”的方法。所使用的电容器设备可以与“首先是燃料”的设备相同或不同，但是其结构基本上相同：
工作电极，其中工作电极包括用于氧化剂与燃料之间的电化学反应的催化剂；
对电极；以及
将工作电极与对电极分开的电介质。
在一个实施例中，所述“首先是氧化剂”的方法包括以下步骤：
(a)通过以下步骤将氧化剂固定在电容器的工作电极上：
将工作电极暴露于氧化剂，其中工作电极包括用于燃料与氧化剂之间的电化学反应的催化剂；以及
通过将工作电极偏置成带负电并且将电容器的对电极偏置成带正电而对电容器充电，其中电容器的电介质将对电极与工作电极分开，并且对电容器充电是在将工作电极暴露于燃料之前或之后而实施的；
(b)在已将氧化剂固定在工作电极上之后将工作电极暴露于燃料；以及
(c)通过在工作电极与对电极之间连接电负载而生成电力。
应当认识到，虽然在这里主要描述了首先是燃料的设备，但是通过将所述方法调节成具有能够吸附氧化剂的工作电极并且在燃料之前将氧化剂应用到设备上，任何此类设备也可以被实施在首先是氧化剂的配置中。
在一个实施例中，对电容器充电的步骤是通过在没有施加附加偏置的情况下将工作电极暴露于氧化剂而导致的。
在一个实施例中，对电容器充电的步骤包括在工作电极与对电极之间施加电压。
在一个实施例中，通过施加电压对电容器充电的步骤是在将工作电极暴露于氧化剂的步骤之前实施的。
在一个实施例中，在将工作电极暴露于燃料的步骤之前，所述方法还包括断开在工作电极与对电极之间施加的电压的步骤。
在一个实施例中，通过将工作电极暴露于氧化剂提供了工作电极上的吸附氧化剂。
在一个实施例中，通过对电容器充电提供了工作电极上的被还原或部分还原的氧化剂以及对电极中的所储存的正电荷。
在一个实施例中，通过在工作电极与对电极之间连接电负载而生成电力的步骤是通过以下步骤生成电力：将对电极中的所储存的正电荷提供到工作电极上的吸附氧化剂，从而允许工作电极上的吸附氧化剂与燃料反应以产生氧化剂-燃料产物。
燃料、氧化剂和电容器的构成
现在将描述燃料、氧化剂和电容器的一般构成。
燃料是电子的来源。典型的燃料是氢，但是本发明不限于使用氢燃料。但是利用氢作为燃料描述和/或示出了几个示例性实施例。应当认识到，在提到氢时仅仅是示例性的，在这样的实施例中可以用任何燃料来替代氢。
在一个实施例中，所述燃料是以下各项当中的一项或多项的中性或离子形式：氢(H2或H)；CO；N2；NO；NO2；硫；SO2；合成气；硫化氢；过氧化氢；低烷烃(例如甲烷、乙烷等等)；所有烷烃(包括线性、分支和环状种类，比如正十二烷、异戊烷和环己烷等等)；所有烯烃(乙烯、丙烯等等)；所有炔烃；所有芳烃(苯、甲苯、对二甲苯等等)；低烷烃醇(例如甲醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇等等)；部分氧化、羟化或磺化的烷烃、烯烃、炔烃和芳烃；传统的发动机燃料(例如汽油、煤油、柴油、JP12和原油)；生物燃料(例如乙醇、纤维素、糖、来自藻类的生物油等等)；低胺(例如氨、联氨、甲胺等等)；硼烷(例如硼烷、氨硼烷、乙硼烷等等)；酸(例如HCl等等)；卤素(Cl2、Br2等等)；溶剂化金属阳离子(例如V+2、Mn+2、Cr+3以及所有其他氧化态)；溶剂化金属和含金属化合物(氧化物、硫化物、氢氧化物、氢化物、羟基等等)；颗粒性金属和含金属化合物(氧化物、硫化物、氢氧化物、氢化物、羟基等等)；任何前述各项的纳米粒子；可以被电化学氧化的任何化学物质；任何前述各项的混合；前述各项与溶剂(例如水、二甲亚矾、乙腈、己烷、甲苯等等，其用以形成例如二甲亚矾中的甲醇之类的燃料)或气体(例如氮、氩、二氧化碳等等，其用以形成例如氮中的氢之类的燃料)的稀释；以及任何前述各项的润湿形式(例如与利用水蒸气润湿的氮气稀释的氢气)。
氧化剂是电子的受体。典型的氧化剂是氧(例如作为空气的成分)。但是本发明不限于使用氧作为氧化剂。但是利用氧作为氧化剂描述和/或示出了几个示例性实施例。应当认识到，在提到氧或空气时仅仅是示例性的，在这样的实施例中可以用任何氧化剂来替代氧或空气。
在一个实施例中，所述氧化剂是空气或者以下各项当中的一项或多项的中性或离子形式：氧，臭氧，过氧化氢，所有过氧化物，氟，氯，溴，碘，无机酸(例如硝酸、硫酸、盐酸、蚁酸)，有机酸(例如乙酸、柠檬酸等等)，次氯酸盐，氯酸盐，水，溶剂化金属阳离子(例如V+5、Mn+7、Cr+6以及所有其他氧化态)，溶剂化金属和含金属化合物(氧化物、硫化物、氢氧化物、氢化物、羟基等等)，颗粒性金属和含金属化合物(氧化物、硫化物、氢氧化物、氢化物、羟基等等)，任何前述各项的纳米粒子，可以被还原的任何化学物质，任何前述各项的混合，前述各项与溶剂(例如水、二甲亚矾、乙腈、己烷、甲苯等等，其用以形成例如水中的过氧化氢之类的氧化剂)或气体(例如氮、氩、二氧化碳等等，其用以形成例如氮中的氯之类的氧化剂)的稀释，以及任何前述各项的润湿形式(例如与利用水蒸气润湿的氩气稀释的氧气)。
在一个实施例中，工作电极催化剂是从由以下各项构成的一组当中选择的：Pt，Pd，所有贵金属，Ni，Co，Cu，所有过渡金属，前述各项的合金，氧化物(例如二氧化铈、氧化锆、氧化钇、YSZ、LSY、氧化钐、氧化镍等等)，所支持的催化剂(例如散布在氧化物上的金属、碳或者例如Pt之类的其他金属)，以及其各种组合。
在一个实施例中，对电极是从由以下各项构成的一组当中选择的：Al，Cu，Ni，Zn，钢，不锈钢，Pt，任何金属，透明导体(例如ITO、FTO等等)，导电聚合物(例如TCNQ、PEDOT:PSS等等)，碳材料(例如纳米管、石墨烯、石墨和导电碳)，掺杂硅(n-Si或p-Si)，重掺杂硅(n+-Si或p+-Si)，任何掺杂或重掺杂半导体，前述各项的纳米线或纳米粒子，以及其各种组合。
在一个实施例中，电介质层是从由以下各项构成的一组当中选择的：SiO2，HfO2，ZrO2，ZrSiO4，SiHfO2，Al2O3，所有氧化物，ZnS，CdS，所有硫化物，ZnSe，CdSe，所有硒化物，SiN，BN，GaN，所有氮化物，钻石，硅，SiC，所有碳化物，SrTiO3，钛酸锶钡，所有铁电质，聚酰亚胺，聚酯薄膜，所有聚合物，所有嵌段共聚物，所有离子液体，离子凝胶，空气，真空，水，任何电介质材料，以及任何前述各项的各种组合或层。
在一个实施例中，所述电容器还包括覆盖工作电极的多孔层，所述多孔层允许燃料或氧化剂从工作电极上方的空间扩散、转运或垂直通过到工作电极，但是减少燃料或氧化剂的扩散、转运或水平通过(与多孔层表面平行)。
在一个实施例中，所述方法还包括工作电极上的增强型电介质涂层，所述增强型电介质涂层具有高于工作电极的介电常数。在一个实施例中，所述增强型电介质层是从由以下各项构成的一组当中选择的：多孔高介电常数膜(例如HfO2、ZrO2等等)，高介电常数液体(例如水、DMSO等等)，或者其某种组合(例如具有高介电常数多孔膜并且利用高介电常数液体填充各个孔的涂层)。
电负载的特性
在一个实施例中，所述电负载较大，从而使得放电的动态不会超出工作电极反应(例如对于其中氢最初被吸附到工作电极表面的情况是ORR)的动态。
在一个实施例中，所述电负载是完全电阻性的。
在一个实施例中，所述电负载具有电容性或电感性组件。
在一个实施例中，所述电负载的量值被增大或减小以便提高电力生成的效率。
过程控制
在一个实施例中，所述方法还包括控制工作电极上方的压力以便控制燃料和/或氧化剂的覆盖或吸附。任何给定系统(即工作电极、燃料和氧化剂)将具有对应于燃料和氧化剂的最优压力。这些压力是从针对利用燃料和氧化剂快速覆盖工作电极的表面的需求而得到的，但是过多的表面覆盖可能会导致效率损失。
在一个实施例中，所述方法还包括控制燃料或氧化剂阶段(phase)的构成以便控制覆盖或吸附。燃料的分压被设定成使得仅有对于反应是必要的数量被吸附到工作电极上。任何附加的吸附将被寄生过程(例如泄漏电流)消耗，并且将代表系统中的效率低下。
在一个实施例中，所述方法还包括控制工作电极的温度以便控制工作电极处的覆盖、吸附、吸收或反应动力学。
用于连续操作和AC电力的示例性方案
通过增大工作电极的表面积以及/或者频繁地(例如每秒多次)循环设备，可以增大由单一电容器生成的电力的数量。下面描述用于循环的方案。
参照图7，该图提供了一个实施例，其中被标记为1和2的两个分开的MIM设备被安放在一块平板上。其上方的气相被分隔物和密封保持分开。在某一初始时间，MIM 2被暴露于腔室2中的氧，并且在连接到负载的一侧的同时开始其ORR(放电，如图5A和6、步骤4中所示)。在同一时刻，MIM 1暴露于腔室1中的氢，并且在连接到负载的另一侧的同时开始其HOR(充电，如图5A和6、步骤2中所示)。MIM2将把电子从MIM 1的工作电极拉动经过负载。在电压衰减之后，所述平板被旋转，从而使得MIM 2处于腔室1中并且使得MIM 1处于腔室2中。反应可以再次运行，但是这一次其将在相反的方向上拉动电流。气体保持静止，但是平板旋转，从而在旋转频率下产生AC电力。该AC信号将不具有传统AC电力的正弦形式，但是可以很容易被调节成正弦波(图8)。电刷接触允许平板的旋转并且同时仍然与平板电接触。
在一个实施例中，所述电容器是用于第二电容器的电负载。举例来说，在首先是燃料或首先是氧化剂的方法的步骤(b)期间施加到一个电容器设备的电压由操作在单独的电容器设备上的类似方法的步骤(d)供应。
脉冲气体系统
在某些实施例中提供了脉冲气体系统，其中电容器设备实质上是静止的，并且令燃料和氧化剂在工作电极上方逐相经过，以便实施所述电力生成方法的各个步骤。
在图9和10中示意性地示出了一般的实验性设备和MIM设备。制作一个较小腔室来容纳MIM设备。其具有用于电馈通(按钉(push-pin)接触)的端口、用于压力、温度和氢浓度测量的端口。后者对于确保在电池中不会有爆炸性混合非常重要。所述腔室具有较小体积并且相对平坦，从而减少了冲出其中一种气体所花费的时间。
在图10中示出了示例性MIM设备，其是逐层地构造的。首先，通过热蒸发将一个铝层(200nm)沉积到清洁过的基板上，从而形成对电极。在铝层上形成电介质，比如Kapton、二氧化硅或者高k电介质材料。可以利用溶胶-凝胶(sol gel)旋涂方法或者本领域技术人员所知的其他方法准备和施加所测试的电介质。最后，通过蒸发或者利用Pt纳米粒子或纳米线涂覆电介质层来沉积铂工作电极，以便提供Pt与电介质之间的更大界面面积。
图11示出了根据这里所提供的实施例的用于提供燃料和氧化剂以便利用电容器生成电力的一种代表性方法。参照图11，令燃料(H2)和氧化剂(O2)在电容器的工作电极上方经过。在所示出的实施例中，在燃料和氧化剂之间提供惰性气体(N2)以便防止二者发生混合。在所示出的实施例中，提供两个工作电极，每一个工作电极在任何给定时间与燃料和氧化剂当中的不同的一项接触，从而按照交流方式向负载驱动电流。举例来说，当燃料与工作电极接触时，将电子从该工作电极经过负载驱动到与氧化剂接触的工作电极。当氧化剂和燃料被切换时，电子的流动改变方向，但是仍然有电流流经负载。
通过允许电容器保持静止，可以令燃料、氧化剂和可选的惰性气体以脉冲方式经过工作电极，其由气体或液体泵浦递送以便通过分离编组的方式递送所述化合物。举例来说，图9的实验性设置可以被用来提供燃料和氧化剂的此类振荡构成。通过在工作电极上方快速地振荡所述构成，可以实现交变电流的特定频率。举例来说，如果在递送氧化剂和燃料时使得两个设备的工作电极上方的所述构成每秒改变60次，则所得到的电流将具有60Hz振荡交变电流。
参照图9和11描述的脉冲气体系统可以被扩展到如图12中所示的大规模系统。图12示出了利用连接到燃料和氧化剂递送系统的电容器的“填充床”配置生成电力的示例性系统。在图12所示的示例性实施例中，分别以气体形式提供氧和氢以作为氧化剂和燃料，其可控地连接到填充有采取高密度配置的多个电容器的两个“填充床”。举例来说，图12中的每一个方框可以包含100个或更多个电容器。所述电容器电连接到共同的负载，并且两个填充床分别连接到所述共同负载从而使得电流流经该负载，这是因为其中一个填充床暴露于氧，另一个则暴露于氢。随后切换燃料和氧化剂，从而使得流经所述填充床的气体被切换，因此生成交变电流。应当认识到，还可以使用惰性气体来清除燃料和氧化剂之间的填充床。由于其在高设备密度方面的潜力，图12中所示的示例性系统对于生成大量电力将特别有用。所生成的电力可能将不处在典型的AC频率下，因此可以对输出进行切换，从而使得负载看到直流而不是交流。但是应当认识到，本领域技术人员可以操纵这样的高密度系统提供所期望的任何交流或直流。
在一个实施例中，将工作电极暴露于燃料和氧化剂的步骤包括令氧化剂和燃料单独在工作电极上流动。
在一个实施例中，在工作电极上令燃料和氧化剂流动的中间实施清除步骤，所述清除步骤包括令不与工作电极反应的气体或液体在工作电极上流动。
移动设备系统
前面关于图7描述了旋转设备。现在将讨论附加的细节和设备设计。
用于将工作电极暴露于交替的燃料和氧化剂环境的任何可设想的装置都可以被使用。虽然特别公开了旋转和传送系统，但是本发明不限于这样的实施例。
在一个实施例中，所述电容器被配置成交替移动经过燃料区段和氧化剂区段，其中燃料和氧化剂区段通过屏障分开从而防止燃料与氧化剂气体或液体的混合。
在一个实施例中，所述方法还包括随着工作电极在燃料和氧化剂区段之间移动时处于燃料和氧化剂区段中间并且从燃料和氧化剂区段密封的排放物区段。
在一个实施例中，多个电容器被安放在固体表面上并且在各个区段之间移动，所述多个电容器可以被独立地电连接、通过串联或并联方式电连接在一起、按照前述方式的任意组合电连接或者随着时间以不同方式电连接。
在某些实施例中，可以使用旋转支持件在燃料和氧化剂之间移动工作电极。
在一个实施例中，所述电容器被配置成在旋转平面中旋转，所述旋转平面包括被配置成将工作电极暴露于燃料的燃料区段以及被配置成将工作电极暴露于氧化剂的氧化剂区段；并且其中所述方法还包括在燃料区段与氧化剂区段之间旋转电容器的步骤，以便分别实施将工作电极暴露于燃料和氧化剂的步骤。
在一个实施例中，所述方法还包括在所述旋转平面中处于燃料区段和氧化剂区段中间并且从燃料区段和氧化剂区段密封的排放物区段，其中生成电力的步骤是在工作电极处于排放物区段中时实施的。
在一个实施例中，多个电容器被安装在旋转平面上并且在各个区段之间旋转，其中所述多个电容器可以被独立地电连接、通过串联或并联方式电连接在一起、按照前述方式的任意组合电连接或者随着时间以不同方式电连接。
可以在燃料和氧化剂区段之间移动多个工作电极。
在一个实施例中，移动多个电容器的步骤包括移动各个电容器从而使得第一电容器处于燃料区段中，同时使得第二电容器处于氧化剂区段中。
在一个实施例中，所述多个电容器全部被安放在基板的同侧。
在一个实施例中，所述多个电容器当中的至少一个被安放在基板的相对侧。
图13A和13B示出了包括具有静止气相的两个旋转催化剂电极的示例性旋转设备系统。具体来说，两个工作电极被暴露于旋转盘的顶表面。旋转盘在燃料区段与氧化剂区段之间旋转，从而有可能使得整个第一工作电极处于燃料区段中，同时使得整个第二工作电极处于氧化剂区段中。通过旋转所述盘，工作电极按照振荡方式被暴露于燃料和氧化剂，正如这里提供的方法所要求的那样。工作电极和对电极按照对电容器进行充电和放电以产生电力所必须的方式连接。应当认识到，在这样的旋转盘方法中可以使用许多不同的设计方案。如图13中的第二幅图所示，工作电极可以采取许多形状，并且可以将任意数目的工作电极布置在旋转盘上。也就是说，所述设备不受限于使得每次仅有一个工作电极可以处在燃料或氧化剂区段的其中之一内。
通过包括多个工作电极，本领域技术人员将认识到，各个设备可以被连接从而提高脉冲频率(例如所生成的AC电力)，这是因为配对的工作电极将在等于盘的旋转速度乘以工作电极对的数目的速率下产生交变电流。
在一个实施例中，所述多个电容器处于电子连通中，从而使得各个工作电极被连接到相同电负载的相对端子。
在一个实施例中，所述多个电容器被电连接以提供所期望的电压、电流、脉冲电压、脉冲电流或交变电流频率。
在一个实施例中，所述多个电容器具有布置在多个燃料腔室、氧化剂腔室和排放物腔室内的工作电极。
应当认识到，这里所示出的旋转盘设备可以包括包含燃料、氧化剂的三个或更多单独腔室以及提供惰性气体或排放物端口的可选腔室。图14A示出了三腔室旋转盘设备，其中燃料腔室、氧化剂腔室和排放物腔室都被分开布置在旋转盘上方。在所示出的示例性实施例中，燃料是氢，氧化剂是氧，所述方法的产物是水，并且排放物腔室被列出为H2O排放物。但是应当认识到，当燃料和/或氧化剂的构成不同时，排放物腔室将被配置成排放(去除)在电力生成循环之后仍然存在于工作电极上的任何反应产物。图14B示出了图14A的设备的经过修改的形式，其中氧化剂腔室大于燃料和排放物腔室。这样的修改示出了可以被用来控制压力、浓度等等的一种可能的设计修改，并且示出了等比例腔室划分(例如图14A)并非必要。
还可以将双侧设备与旋转盘或其他设备配置一同使用。在图16A和16B中示出了双侧设备，其中使用机械支持件来支持安放到所述支持件的顶侧和底侧的电容器。支持件的顶侧和底侧按照驱动电流流经负载所必要的方式被暴露于燃料和氧化剂。通过使用双侧旋转盘，设备的容量实质上被加倍。所述支持件可以是CE(例如图16A)或者可以与CE分开(例如图16B)。
传送带系统
除了这里所描述的旋转盘设备之外，还提供了用于在燃料和氧化剂区段之间机械地移动电容器的其他装置。举例来说，图15A和15B示出了“传送带”风格设备，其中多个电容器被安放在皮带上，所述皮带在燃料区段和氧化剂区段(分别是氢和空气)之间机械地移动所述电容器。通过适当地连接电容器，电子流经负载从而生成电流。如图15B中所示，还设想到双层皮带从而使得设备的容量加倍。
在一个实施例中，所述电容器被安放到在燃料区段与氧化剂区段之间移动工作电极的传送带上。
在一个实施例中，所述方法还包括沿着所述传送带的路径处于燃料区段和氧化剂区段中间并且从燃料区段和氧化剂区段密封的排放物区段，其中生成电力的步骤是在工作电极处于排放物区段中时实施的。
在一个实施例中，多个电容器被安放在传送带上并且在各个区段之间移动，所述多个电容器可以被独立地电连接、通过串联或并联方式电连接在一起、按照前述方式的任意组合电连接或者随着时间以不同方式电连接。
增强表面积设备
图17A和17B示出了具有增强面积工作电极的示例性设备配置。图17A是俯视图。图17B是剖面图。虽然示出了从设备的表面突出的正方形立柱，但是应当认识到可以设想到任何其他形状，比如圆柱体或其他三位多边形。还应当认识到，所述突出不需要如图所示精确地垂直于设备表面延伸，但是传统的制作方法(例如光刻和薄膜沉积)使得这样的垂直突出是优选的。应当提到的是，在图17B的剖面图中，对电极形成所述立柱的核心，并且电介质和工作电极被共形地涂敷在立柱上，从而使得电介质和工作电极的厚度是一致的，而不管是处在设备的水平还是垂直表面上(就基于所述制作方法可能达到的程度而言)。
在一个实施例中，所述电容器具有高表面积配置，其包括从电容器的工作电极表面突出的多个柱状物或脊状物。
在另一个实施例中，所述多个柱状物或脊状物分别具有核心，所述核心包括对电极、涂覆对电极的电介质以及涂覆电介质的工作电极。
在一个实施例中，所述电容器由充当对电极的多条纳米线构成，每一条纳米线涂覆有电介质层并且电介质层涂覆有工作电极层，从而形成核心/外壳/外壳线结构(例如Ag金属纳米线核心对电极/ZrO2电介质外壳/Pt纳米粒子工作电极或者n+-Si纳米线核心对电极/SiO2电介质外壳/Pt浸渍碳纳米粒子层工作电极)。
设备变型
参照图18A和18B，其中示出了对应于旋转盘设备的示意图，其中使用多个工作电极(图18A)并且使用多个气体腔室(图18B)来提高由所述设备生成的电力的频率。参照图18A，恰好在燃料和氧化剂腔室之间的接口之前提供电刷接触，从而允许将工作电极引入到燃料或氧化剂当中的任一项与该工作电极的放电之间的时间。通过提供这一时间(“感应”时间)，允许使得电离和放电之间的燃料吸附和解离发生的一个时间段。
在图18B中，在盘的相同旋转速度下通过提供多个燃料和氧化剂腔室以及相应地配置工作电极可以实现更高频率的电力。举例来说，与具有单一燃料和氧化剂腔室的设备相比，在图13A中示出的设备将具有双倍的电力频率。
参照图19A，该图提供了圆柱状电极设计，其中电容器被安放在圆柱体上，所述圆柱体在燃料区段与氧化剂区段之间旋转。在图19A的示例性实施例中，氢和空气(氧)分别是燃料和氧化剂。多个电容器被安放在圆柱体上，其在被密封从而保持分开的氧化剂和燃料区段之间旋转。图19B提供了安放在所述圆柱体上的MIM的细节。
参照图20，该图提供了“三角轴杆”设计，其中三角轴杆具有安放在该三角轴杆的所有三个表面上的电容器。三角形的顶点与被配置成容纳燃料和氧化剂的圆形腔室的内壁密封配合，并且随着电容器根据这里所描述的方法转一整周以产生电力而排出排放物。图20的三角轴杆设计实质上是图14中所示的三腔室旋转盘设计的一种变型。但是应当认识到，与如图14A的盘系统所将提供的平而宽的系统相比，某些情形可能优选的是如所述三角轴杆所将提供的长而窄的电力生成系统方面的潜力。
在图20所示的三角轴杆设计的一种变型中，可选地可以采用“Wankel”轴杆设计。参照图21，该图示出了Wankel轴杆系统，其中使用非对称的三表面轴杆来控制旋转轴杆系统中的摄入、压缩和排放。类似于Wankel引擎，通过使用将电容器安放在其上的扁圆转子，可以控制被引入到腔室中的气体的压缩特性。可以使用压缩来增强燃料和/或氧化剂的吸附。类似地，由系统产生的真空可以被用来帮助排出反应产物(例如水)。
如前面描述的设备所示，可以采用来根据这里所提供的方法将电容器旋转经过燃料区段和氧化剂区段从而产生电力的方式近乎有无限多。应当认识到，任何此类设备都与本发明的范围相符，并且本发明不限于这里所提供的实施例。
虽然前面示出并描述了说明性实施例，但是应当认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以做出许多改变。

Claims (51)

  1. 要求保护排他特性或权益的本发明的实施例限定如下：
    1.一种从燃料和氧化剂生成电力的方法，所述方法包括以下步骤：
    (a)通过以下步骤将燃料固定在电容器的工作电极上：
    将工作电极暴露于燃料，其中工作电极包括用于燃料与氧化剂之间的电化学反应的催化剂；以及
    通过将工作电极偏置成带正电并且将电容器的对电极偏置成带负电而对电容器充电，其中电容器的电介质将对电极与工作电极分开，并且对电容器充电是在将工作电极暴露于燃料之前或之后实施的；
    (b)在已将燃料固定在工作电极上之后将工作电极暴露于氧化剂；以及
    (c)通过在工作电极与对电极之间连接电负载而生成电力。
  2. 2.权利要求1的方法，其中，对电容器充电的步骤是通过在没有施加附加偏压的情况下将工作电极暴露于燃料而导致的。
  3. 3.权利要求1的方法，其中，对电容器充电的步骤包括在工作电极与对电极之间施加电压。
  4. 4.权利要求3的方法，其中，通过施加电压对电容器充电的步骤是在将工作电极暴露于燃料的步骤之前实施的。
  5. 5.权利要求3的方法，其在将工作电极暴露于氧化剂的步骤之前还包括断开在工作电极与对电极之间施加的电压的步骤。
  6. 6.权利要求1的方法，其中，将工作电极暴露于燃料提供了工作电极上的吸附燃料。
  7. 7.权利要求6的方法，其中，对电容器充电提供了工作电极上的被氧化或部分氧化的燃料以及对电极中的所储存的电子。
  8. 8.权利要求7的方法，其中，通过在工作电极与对电极之间连接电负载而生成电力的步骤是通过以下步骤生成电力：将对电极中的所储存的电子提供到工作电极上的吸附燃料，从而允许工作电极上的吸附燃料与氧化剂反应以产生氧化剂-燃料产物。
  9. 9.一种从燃料和氧化剂生成电力的方法，所述方法包括以下步骤：
    (a)通过以下步骤将氧化剂固定在电容器的工作电极上：
    将工作电极暴露于氧化剂，其中工作电极包括用于燃料与氧化剂之间的电化学反应的催化剂；以及
    通过将工作电极偏置成带负电并且将电容器的对电极偏置成带正电而对电容器充电，其中电容器的电介质将对电极与工作电极分开，并且对电容器充电是在将工作电极暴露于燃料之前或之后而实施的；
    (b)在已将氧化剂固定在工作电极上之后将工作电极暴露于燃料；以及
    (c)通过在工作电极与对电极之间连接电负载而生成电力。
  10. 10.权利要求9的方法，其中，对电容器充电的步骤是通过在没有施加附加偏置的情况下将工作电极暴露于氧化剂而导致的。
  11. 11.权利要求9的方法，其中，对电容器充电的步骤包括在工作电极与对电极之间施加电压。
  12. 12.权利要求11的方法，其中，通过施加电压对电容器充电的步骤是在将工作电极暴露于氧化剂的步骤之前实施的。
  13. 13.权利要求11的方法，其在将工作电极暴露于燃料的步骤之前还包括断开在工作电极与对电极之间施加的电压的步骤。
  14. 14.权利要求9的方法，其中，将工作电极暴露于氧化剂提供了工作电极上的吸附氧化剂。
  15. 15.权利要求14的方法，其中，对电容器充电提供了工作电极上的被还原或部分还原的氧化剂以及对电极中的所储存的正电荷。
  16. 16.权利要求15的方法，其中，通过在工作电极与对电极之间连接电负载而生成电力的步骤通过以下步骤生成电力：将对电极中的所储存的正电荷提供到工作电极上的吸附氧化剂，从而允许工作电极上的吸附氧化剂与燃料反应以产生氧化剂-燃料产物。
  17. 17.权利要求1或权利要求9的方法，其中，所述燃料是以下各项当中的一项或多项的中性或离子形式：氢；CO；N2；NO；NO2；硫；SO2；合成气；硫化氢；过氧化氢；低烷烃；所有烷烃，包括线性、分支和环状种类；所有烯烃；所有炔烃；所有芳烃；低烷烃醇；部分氧化、羟化或磺化的烷烃、烯烃、炔烃和芳烃；传统的发动机燃料；生物燃料；低胺；硼烷；酸；卤素；溶剂化金属阳离子；溶剂化金属和含金属化合物；颗粒性金属和含金属化合物；任何前述各项的纳米粒子；可以被电化学氧化的任何化学物种；任何前述各项的混合；前述各项与溶剂或气体的稀释；以及任何前述各项的润湿形式。
  18. 18.权利要求1或权利要求9的方法，其中，所述氧化剂是空气或者以下各项当中的一项或多项的中性或离子形式：氧，臭氧，过氧化氢，所有过氧化物，氟，氯，溴，碘，无机酸，有机酸，次氯酸盐，氯酸盐，水，溶剂化金属阳离子，溶剂化金属和含金属化合物，颗粒性金属和含金属化合物，任何前述各项的纳米粒子，可以被还原的任何化学物种，任何前述各项的混合，前述各项与溶剂或气体的稀释，以及任何前述各项的润湿形式。
  19. 19.权利要求1或权利要求9的方法，其中，工作电极催化剂是从由以下各项构成的组当中选择的：Pt，Pd，所有贵金属，Ni，Co，Cu，所有过渡金属，前述各项的合金，氧化物，所支持的催化剂，以及其各种组合。
  20. 20.权利要求1或权利要求9的方法，其中，对电极是从由以下各项构成的组当中选择的：Al，Cu，Ni，Zn，钢，不锈钢，Pt，任何金属，透明导体，导电聚合物，碳材料，掺杂硅，重掺杂硅，任何掺杂或重掺杂半导体，前述各项的纳米线或纳米粒子，以及其各种组合。
  21. 21.权利要求1或权利要求9的方法，其中，电介质层是从由以下各项构成的组当中选择的：SiO2，HfO2，ZrO2，ZrSiO4，SiHfO2，Al2O3，所有氧化物，ZnS，CdS，所有硫化物，ZnSe，CdSe，所有硒化物，SiN，BN，GaN，所有氮化物，钻石，硅，SiC，所有碳化物，SrTiO3，钛酸锶钡，所有铁电质，聚酰亚胺，聚酯薄膜，所有聚合物，所有嵌段共聚物，所有离子液体，离子凝胶，空气，真空，水，任何电介质材料，以及任何前述各项的各种组合或层。
  22. 22.权利要求1或权利要求9的方法，其中，所述电容器还包括覆盖工作电极的多孔层，所述多孔层允许燃料或氧化剂从工作电极上方的空间扩散、转运或垂直通过到工作电极，但是减少燃料或氧化剂的扩散、转运或水平通过。
  23. 23.权利要求1或权利要求9的方法，其中，所述电容器具有高表面积配置，其包括从电容器的工作电极表面突出的多个柱状物或脊状物。
  24. 24.权利要求23的方法，其中，所述多个柱状物或脊状物分别具有核心，所述核心包括对电极、涂覆对电极的电介质以及涂覆电介质的工作电极。
  25. 25.权利要求1或权利要求9的方法，其中，所述电容器由充当对电极的多条纳米线构成，每一条纳米线涂覆有电介质层并且电介质层涂覆有工作电极层，从而形成核心/外壳/外壳线结构。
  26. 26.权利要求1或权利要求9的方法，其还包括工作电极上的增强型电介质涂层，所述增强型电介质涂层具有高于工作电极的介电常数。
  27. 27.权利要求26的方法，其中，所述增强型电介质层是从由以下各项构成的组当中选择的：多孔高介电常数膜，高介电常数液体，或者其组合。
  28. 28.权利要求1或权利要求9的方法，其中，所述电负载是完全电阻性的。
  29. 29.权利要求1或权利要求9的方法，其中，所述电负载具有电容性或电感性组件。
  30. 30.权利要求1或权利要求9的方法，其中，所述电负载的量值被增大或减小以便提高电力生成的效率。
  31. 31.权利要求1或权利要求9的方法，其还包括控制工作电极上方的压力以便控制燃料和/或氧化剂的覆盖或吸附。
  32. 32.权利要求1或权利要求9的方法，其还包括控制燃料或氧化剂的构成以便控制覆盖或吸附。
  33. 33.权利要求1或权利要求9的方法，其还包括控制工作电极的温度以便控制工作电极处的覆盖、吸附、吸收或反应动力学。
  34. 34.权利要求1或权利要求7的方法，其中，所述电容器是对应于第二电容器的电负载。
  35. 35.权利要求1-34中任一项的方法，其中，将工作电极暴露于燃料和氧化剂的步骤包括令氧化剂和燃料单独在工作电极上流动。
  36. 36.权利要求35的方法，其中，令燃料和氧化剂在工作电极上流动的中间实施清除步骤，所述清除步骤包括令不与工作电极反应的气体或液体在工作电极上流动。
  37. 37.权利要求1-34中任一项的方法，其中，所述电容器被配置成交替移动经过燃料区段和氧化剂区段，其中燃料和氧化剂区段通过屏障分开从而防止燃料与氧化剂混合。
  38. 38.权利要求37的方法，其还包括随着工作电极在燃料和氧化剂区段之间移动时处于燃料和氧化剂区段中间并且从燃料和氧化剂区段密封的排放物区段。
  39. 39.权利要求37的方法，其中，多个电容器被安放在固体表面上并且在各个区段之间移动，所述多个电容器能够被独立地电连接、通过串联或并联方式电连接在一起或者随着时间以不同方式电连接。
  40. 40.权利要求39的方法，其中，移动多个电容器的步骤包括移动各个电容器从而使得第一电容器处于燃料区段中，同时使得第二电容器处于氧化剂区段中。
  41. 41.权利要求39的方法，其中，所述多个电容器全部被安放在基板的同侧。
  42. 42.权利要求39的方法，其中，所述多个电容器当中的至少一个被安放在基板的相对侧。
  43. 43.权利要求39的方法，其中，所述多个电容器处于电子连通中，从而使得各个工作电极被连接到相同电负载的相对端子。
  44. 44.权利要求39的方法，其中，所述多个电容器被电连接以提供所期望的电压、电流、脉冲电压、脉冲电流或交变电流频率。
  45. 45.权利要求39的方法，其中，所述多个电容器具有布置在多个燃料腔室、氧化剂腔室和排放物腔室中的工作电极。
  46. 46.权利要求37的方法，其中，所述电容器被配置成在旋转平面中旋转，所述旋转平面包括被配置成将工作电极暴露于燃料的燃料区段以及被配置成将工作电极暴露于氧化剂的氧化剂区段；并且
    其中，所述方法还包括在燃料区段与氧化剂区段之间旋转电容器的步骤，以便分别实施将工作电极暴露于燃料和氧化剂的步骤。
  47. 47.权利要求46的方法，其还包括在所述旋转平面中处于燃料区段和氧化剂区段中间并且从燃料区段和氧化剂区段密封的排放物区段，其中生成电力的步骤是在工作电极处于排放物区段中时实施的。
  48. 48.权利要求37的方法，其中，所述电容器被安放到在燃料区段与氧化剂区段之间移动工作电极的传送带上。
  49. 49.权利要求48的方法，其还包括沿着所述传送带的路径处于燃料区段和氧化剂区段中间并且从燃料区段和氧化剂区段密封的排放物区段，其中生成电力的步骤是在工作电极处于排放物区段中时实施的。
  50. 50.权利要求48的方法，其中，多个电容器被安放在所述传送带上并且在燃料区段与氧化剂区段之间移动，所述多个电容器能够被独立地电连接、通过串联或并联方式电连接在一起或者随着时间以不同方式电连接。
  51. 51.权利要求1-34中任一项的方法，其中，所述电容器被合并到微流体设备中，所述微流体设备包括被配置成向工作电极递送燃料和氧化剂的一条或多条微流体通道。
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