CN1496590A - 发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发电装置，包括：含有球壳状碳分子衍生物的质子导体单元(6)，结合在质子导体单元(6)的一个表面上的氢电极(4)，结合在质子导体单元(6)的另一个面上的氧电极(5)，和将压力约0.2～约3.5个大气压的氢气供给氢电极(4)的氢气供给单元(2)。本发明的发电装置有效抑制氢气及氧气的传输，从而能够防止由于传输使氢气排入大气中，以及防止由于传输使氧气到达氢电极，从而可防止对发电无效的氢的消耗。

Description

发电装置
技术领域
本发明涉及发电装置，更具体地说，涉及有效抑制氢气及氧气的传输以提高发电效率的发电装置。
背景技术
到目前为止，汽油、轻油等矿物燃料不仅被广泛用作汽车能源，而且用作发电能源。通过该矿物燃料的应用，人类可以享受生活水平的大幅度提高及工业的迅猛发展等好处。但另一方面，地球受到环境破坏的严重威胁，另外，由于担心矿物燃料的枯竭，对其长期的稳定供给的前景产生疑问。
氢是含在水中的地球上贮藏量无限的物质。并且，氢中每单位质量所含的化学能大，同时在作为能源使用时，由于不排放有害气体或造成地球变暖的气体，氢作为清洁的、代替矿物燃料的无限能源，引起人们极大关注。
近几年来，能够从氢能取出电能的电能发生装置的开发研究盛行，人们期待着从大型发电到现场发电的自备发电，进而作为汽车用电源的应用。
用于从氢能取出电能的电能发生装置，即，燃料电池包括供给氢气的氢电极和供给氧气的氧电极。供给氢电极的氢，通过催化作用解离成质子和电子。用氢电极的集电体(current collector)聚集电子，另一方面，质子被传送至氧电极。在氢电极上聚集的电子通过负荷输送至氧电极。另一方面，供给氧电极的氧通过催化作用结合到通过质子导体膜从氢电极运送来的质子和电子上，生成水。以这种方式，在氢电极和氧电极之间产生电动力，使电流通过负荷(load)流动。
如果供给氢电极侧的氢直接到达氧电极与氧反应，或反之，供给氧电极侧的氧气直接到达氢电极与氢反应，由于通过这种反应产生的电力不经过负荷，发电效率降低。因此，为了提高发电效率，必需在氢电极和氧电极之间，设置质子导体膜，使氢气及氧气在其间的传输受到抑制，同时使质子能够有效地在其间传导。
作为这种质子导体膜(proton conduction film)，到目前为止已知有全氟磺酸树脂。
全氟磺酸树脂对于抑制氢气及氧气在其间传输的能力不合适，因此，如果采用全氟磺酸树脂作为质子导体膜时，难以充分提高发电效率。
发明内容
鉴于上述背景技术的状况，本发明的目的是提供一种有效抑制氢气及氧气传输从而提高发电效率的发电装置。
为了达到所述目的所提出的本发明的发电装置，包括：质子导体单元，该质子导体单元具有作为基质的以炭作为主成分且向其中导入质子解离性基团的碳质材料，结合在所述质子导体单元的一个面上的氢电极，结合在所述质子导体单元的另一个面上的氧电极，和将压力约0.2～约3.5个大气压的氢气供给所述氢电极的供给设备。
本发明的发电装置使用，以炭作为主要成分的碳质材料作为基质，往其中导入解离性基团所构成的材料，作为质子导体单元，另外，对氢电极供给压力为约0.2～约3.5个大气压的氢气，所以，可有效抑制氢气及氧气的传输。借此，几乎没有氢气通过传输而排放至大气中，或氧气传输到达氢电极未发电而消耗氢，使发电效率得到显著提高。
在本发明中，优选的是，质子导体单元含有球壳状碳分子(Fullerene)衍生物。
发电装置包括：氢吸藏材料(hydrogen occluding material)和封入该氢吸藏材料的密闭(hermetically sealable)容器。
在本发明中，氢吸藏材料的氢放出平衡压力达到约0.2～约3.5个大气压，即使不采用调节器调整氢气压力，也可以有效抑制氢气及氧气的传输。
本发明的发电装置，还具有调节器，用于把供给氢电极的氢气压力调整至约0.2～约3.5个大气压，借此，即使氢吸藏材料的氢放出平衡压力未达到约0.2～约3.5个大气压时也可以有效抑制氢气及氧气的传输。
如此设计本发明的发电装置，使得由质子导体单元、氢电极及氧电极构成的部分和供给单元是可拆卸的。该发电装置，特别适于用作手提设备的电源供应。
在本发明的发电装置中，氢吸藏材料采用氢吸藏合金，氢吸藏合金负载有LaNi5。
另外，氢吸藏材料可以采用炭质氢吸藏材料。炭质氢吸藏材料可选自下列材料中的至少一种：球壳状碳分子、炭纳米纤维、炭纳米管、炭烟灰(carbonsoot)、纳米被膜(nano-capsules)、Bucky洋葱和炭纤维。
另外，在氢吸藏材料中，可以采用碱金属氢化物或其水溶液或其凝胶。
在本发明中，质子导体单元含有C60-(OSO3H)x(OH)y，其中2≤x和y≤12。
本发明的发电装置进一步含有：氢槽和将从氢槽供给的氢气压力调至约0.2～3.5个大气压的调节器。
通过阅读本发明的实施方案，本发明的其它目的、特征和优点是显而易见的。
附图说明
图1是本发明的发电装置的结构的示意图。
图2A是表示密闭容器的压力和通过质子导体单元传输的氢气量的关系图，图2B是表示密闭容器的压力和通过质子导体单元传输的氧气量的关系图。
图3示出在发电装置的主体部分和氢气供给单元之间设置调节器的实施方案。
图4示出省略氢气供给单元的实施方案。
图5示出将发电装置的主体部分设计成可从氢气供给单元拆卸的实施方案。
具体实施方式
下面参照附图详细地解释本发明的发电装置。
如图1所示，本发明的发电装置包括：实际进行发电的发电装置的主体部分1，向发电装置的主体部分1供给氢气的氢气供给单元2，和设在发电装置的主体部分1和氢气供给单元2之间的阀门3。
发电装置的主体部分1包括：作为燃料电极的氢电极4，氧电极5，夹在氢电极4和氧电极5之间的由球壳状碳分子衍生物构成的质子导体单元6，覆盖在氢电极4上的密闭容器7，和阀门8。在本说明书中，把氢电极4、氧电极5及质子导体单元6构成的复合体有时也称为MEA(膜电极组合件)。
氢电极4是由碳质材料的电极基体9和在其上形成的催化剂层10形成的。类似地，氧电极5是由碳质材料的电极基体11及在其表面上形成的催化剂层12形成的。作为催化剂的种类，可以举出铂、铂合金、钯、镁、钛、锰、镧、钒、锆、镍-镧合金、钛-铁合金、铱、铑和金等，但优选的是铂及铂合金。另外，如图1所示，将从氧电极5的电极基体11导出的负极导线13和从氢电极4的电极基体9导出的正极导线14连接到未图示的负荷上。
质子导体单元6是在防止氢气透过的同时使质子传输的膜，对其材料未作特别限定，但以炭作为主成分的碳质材料作为基质且向其中导入质子解离基团所构成的材料是优选的。这里的所谓“质子解离性基团”，意指“通过电解可以从中解离出质子的官能团”。
可以采用任意的材料作为碳质材料，形成质子导体单元6的基质材料，只要其主要成分是炭即可。但在引入质子解离性基团后，材料的离子导电性必须比电子传导性大。这里，作为基质材料的碳质材料具体地可以举出作为炭原子聚集体的炭簇(carbon clusters)以及含炭管的碳质材料。
炭簇有种种，但球壳状碳分子，至少一部分球壳状碳分子结构具有开放端的具有球壳状碳分子结构的材料、和具有金刚石结构的材料是优选的。当然，炭簇不限于这些，可以是任何一种在导入质子解离性基团后离子导电性比电子传导性大的材料。
作为形成质子导体单元6的基质的碳质材料，优选使用球壳状碳分子。优选使用由球壳状碳分子组成的向其中导入质子解离性基团，例如-OH基、-OSO3H基、-COOH基、-SO3H基和-OPO(OH)2基的材料作为质子导体单元6的材料。
另外，密闭容器7通过关闭阀门3及阀门8而完全密闭。但是，通过打开阀门3，可以向容器中供应来自氢气供给单元2的氢气，通过打开阀门8，容器排放至大气中。
同时，如图1所示，氧电极5开放至大气中。
氢气供给单元2包括：密闭容器15、设置在密闭容器15内的氢吸藏材料16和阀门7。作为氢吸藏材料16的种类，可以采用氢吸藏合金或炭质氢吸藏材料。这种氢吸藏材料16通过供给具有规定(preset)压力(氢气放出平衡压)以上的压力的氢气，能够吸藏氢气，所述规定压力根据所用的材料种类不同而不同。当压力小于规定压力(氢气放出平衡压)时，放出吸藏的氢气。另外，作为氢吸藏材料16，可采用碱金属氢化物或其水溶液或其凝胶，采用钌催化剂或镍催化剂等放出氢气。
密闭容器15，通过关闭阀门3及阀门17而完全密闭。如果打开阀门3，可向发电装置主体部分1供给氢气，而如果打开阀门17，从氢气槽18通过调节器19将氢气供给密闭容器15。
首先，对这种构成的发电装置中的氢气供给单元2内的氢吸藏材料16中吸藏氢气的方法加以说明。
在氢吸藏材料16吸藏氢气时，关闭阀门3，并打开阀门17，同时，通过调节器19，把来自氢气槽18的氢气压力调到充分高于氢吸藏材料16的氢气放出平衡压。借此，氢气供给单元2的密闭容器15内，用压力充分高于氢吸藏材料16的氢放出平衡压的氢气充满，在氢吸藏材料16中吸藏氢气。在以这种方式将充分量的氢气吸藏在氢吸藏材料16中后，关闭阀门17完成一系列操作。
其次，对采用氢吸藏材料16中吸藏的氢气，使发电装置的主体部分1发电的方法加以说明。
在通过发电装置的主体部分1进行发电时，通过关闭阀门8而打开阀门3，使氢气充满密闭容器7内。在这种情况下，密闭容器7内的氢气压力基本上等于氢吸藏材料16的氢气放出平衡压。另外，为了提高密闭容器7内的氢气纯度，在阀门3打开后的规定时间内暂时开放阀门8也是充分的。
以这种方式供应到密闭容器7内的氢气，通过含炭材料的电极基体9，到达在其表面上形成的催化剂层10，通过催化作用，解离成质子和电子。其中，电子通过电极基体9移向正极导线14，供给未图示的负荷，而质子经由质子导体单元6移至氧电极5。另一方面，由于氧电极5向大气中开放，空气中所含的氧气通过含炭的电极基体11传输，到达其表面形成的催化剂层12，在催化作用下，从质子导体单元6供给的质子与通过负极导线13由负荷供给的电子结合成水。通过这种方法，产生所希望的电动力。
在这种情况下，氧电极5开放至大气中，而氢电极4基本上等于密闭容器7内的氢放出平衡压，所以，在质子导体单元6上施加了这种压力差。如果这种压力差处于规定的范围内，质子导体单元6能够防止氢气和氧气通过其传输。如果这种压力差超出规定的范围，则使氢气及/或氧气通过其传输。
图2A示出密闭容器7的压力和通过质子导体单元6传输的氢气量的关系图，而图2B表示密闭容器7的压力和通过质子导体单元6传输的氧气量的关系图。
在图2A及图2B中，作为质子导体单元6，采用球壳状碳分子衍生物：
C60-(OSO3H)x(OH)y：2≤x，y≤12
该球壳状碳分子衍生物和氯乙烯以THF作溶剂，以5∶1的比例混合后，采用刮刀法涂布在玻璃基板上，干燥后将所得的产品压制成厚度为25μm的薄膜。压制优选在0.05～10t/cm2下进行。
如图2A所示，如果密闭容器7中的压力在约3.5个大气压以下，氢气不能通过质子导体单元6传输，而当密闭容器7中的压力在约3.5个大气压以上时，氢气开始通过质子导体单元6传输，因此，密闭容器7中的压力愈高，其传输量愈大。所以，为了防止氢气朝向氧电极5传输从而提高发电效率，密闭容器7中的压力必须保持在约3.5个大气压之下。
另一方面，如图2B所示，如果密闭容器7中的压力不小于约0.2个大气压，氧气不能通过质子导体单元6传输，而如果密闭容器7中的压力低于约0.2个大气压时，氧气开始通过质子导体单元6传输，因此，密闭容器7中的压力愈低，传输量愈大。所以，为了防止氧气朝向氢电极4传输从而提高发电效率，密闭容器7中的压力必须保持在约0.2个大气压之上。
从以上分析可知，如果密闭容器7的压力在约0.2个大气压～约3.5个大气压的范围内，基本上没有氢气从氢电极4传输至氧电极5，或氧气从氧电极5传输至氢电极4的危险，发电效率得到提高。
如果，在本发明的实施方案中，为了把密闭容器7的压力保持在约0.2个大气压～约3.5个大气压，只要使用氢吸藏材料16的氢放出平衡压力在约0.2个大气压～约3.5个大气压的材料即可。作为氢吸藏材料16，可以举出LaNi5作为氢吸藏合金，以及球壳状碳分子、炭纳米纤维、炭纳米管、炭烟灰、纳米被膜、Bucky洋葱和炭纤维作为碳质氢吸藏材料。另外，作为氢吸藏材料16，可以采用碱金属氢化物或其水溶液或其凝胶，通过钌催化剂或镍催化剂使其放出氢气。
另外，在本实施方案中，为了将密闭容器7的压力保持在约0.2个大气压～约3.5个大气压，可以在发电装置本体1和氢气供给单元2之间设置调节器。
图3示出在发电装置的主体部分1和氢气供给单元2之间设置调节器的
实施方案。
在该实施方案中，从氢气供给单元2向发电装置的主体部分1供给的氢气压力，通过调节器20调至约0.2个大气压～约3.5个大气压，借此，将密闭容器7的压力保持在约0.2个大气压～约3.5个大气压。
另外，在本发明中，还可以省略氢气供给单元2，且可以通过调节器19将密闭容器7内的压力保持在约0.2个大气压～约3.5个大气压。
图4示出了省略氢气供给单元2的实施方案。
在该实施方案中，从氢气槽18将氢气直接供给发电装置的主体部分1，其供给的压力通过调节器19调至约0.2个大气压～约3.5个大气压。借此，将密闭容器7内的压力保持在约0.2个大气压～约3.5个大气压。
另外，在本实施方案中，发电装置的主体部分1可以可拆卸地安装到氢气供给单元2上。
图5示出发电装置本体1对氢气供给单元2可以拆卸的结构实例图。
在本实施方案中，在发电装置的主体部分1和氢气供给单元2之间，设置2个阀门3-1和3-2，在这2个阀门3-1和3-2之间设置安装/拆卸机构21。借此，关闭阀门3-1和3-2后，通过安装/拆卸机构21可将发电装置的主体部分1从氢气供给单元2分离。
因此，如果将发电装置的主体部分1设计成以这种方式从氢气供给单元2拆卸，则其用作手提设备的电源供应是特别适用的。
即，目前作为手提设备的电源供应，一般已知的是以碱性电池、锰电池为代表的一级电池(primary cell)以及，以镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池为代表的二级电池(secondary cell)，它们中的任何一种均是在密闭的空间内完成化学反应的化学电池，所以，构成这些电池的种种要素，例如负极材料、正极材料、隔膜(separator)、电解液、安全装置以及将它们密闭的密闭容器等，作为一个不可分割的整体进行设计。
然而，如果采用化学电池作为手提设备的电源供应时，当电池的容量用尽时必须更换电池本身，因为不可能仅更换电池的某一部分。因此，为了防止电池用尽，用户必须携带多个电池。
反之，如果采用燃料电池作为手提设备的电源供应时，作为燃料的氢和氧仅从外部供给，为使发电成为可能，将发电装置的主体部分1设置在手提仪器的侧面，用户通过随时向发电装置的主体部分补给氢气，而不必携带多个完整的燃料电池，而是只需携带1个发电装置的主体部分1即可。因此，用户非常方便。
下面对本发明的实施例及比较例加以说明。
实施例1
首先，将球壳状碳分子衍生物：
C60-(OSO3H)x(OH)y：2≤x，y≤12
和氯乙烯以THF作溶剂，以5∶1的比例混合后，采用刮刀法涂布在玻璃基板上，干燥后，将玻璃基板压制成厚度为25μm的薄膜，制成质子导体单元6。在6t/cm2压力下的进行压制。
把负载了铂的炭黑和全氟磺酸树脂的混合粉末撒布在炭片材上，以制成氢电极4及氧电极5。
将质子导体单元6夹在氢电极4及氧电极5之间，形成MEA。将MEA的平面形状设置成7cm2的圆形。将这种MEA用作示于图1的发电装置的主体部分1。
准备经过活化的3.5gLaNi5，将其用作图1所示的氢吸藏材料16，形成氢气供给单元2。在室温下，LaNi5的氢放出平衡压为约2.5个大气压。
打开阀门17，从氢气槽往密闭容器15内导入氢气，将氢气吸藏在作为氢吸藏材料16的LaNi5中。此时，将氢气供给压力通过调节器19设定在室温下为约3.0个大气压。
关闭阀门17，同时打开阀门3及阀门8，将密闭容器7中的氢气排出，然后关闭阀门8。借此，在负极导线13和正极导线14之间产生0.6V的电压，使得200mA的电流流过连接负极导线13和正极导线14的负荷。负极导线13和正极导线14之间的电压及流过负荷的电流，从发电开始保持所述值5.2小时，但随后由于氢气缺乏，负极导线13和正极导线14之间的电压急剧下降。
假定，在LaNi5中吸藏的氢全部因发电而消耗时，由于发电持续时间为5.4小时，因此可以算出，发电持续5.2小时表明LaNi5中吸藏的96％的氢用于发电。
从上述可知，LaNi5中吸藏的氢几乎因发电而消耗。因此，几乎没有由于传输而排至大气中的氢气，以及由于氧气传输而不用于发电所消耗的氢气。
实施例2
通过调节器19将氢气槽18直接连接到实施例1中使用的发电装置的主体部分1上，制成图4所示的发电装置。
其次，打开阀门3，从氢气槽18向密闭容器7内导入氢气。此时，通过调节器19将氢气的供给压力设定为室温下约1.8个大气压。另外，在阀门3的附近设置测定导入密闭容器7内的氢气流量的累积流量计(integratingflowmeter)(未图示)。
打开阀门8，将密闭容器7中的氢气排出，然后关闭阀门8。借此，在负极导线13和正极导线14之间产生0.6V的电压，在连接负极导线13和正极导线14的负荷中流过200mA的电流。负极导线13和正极导线14之间的电压及流过负荷的电流，从发电开始保持所述值5.3小时，然后，由于氢气缺乏，负极导线13和正极导线14之间的电压急剧下降。
累积流量计显示的氢量全部用于发电而消耗时，发电时间为5.4小时。因此，发电持续5.3小时的事实表明从氢气槽18供给的氢中98％的氢用于发电。
从上述可知，从氢气槽18供给的氢几乎全部因发电而消耗。因此，几乎没有由于传输而排至大气中的氢气，以及由于氧气传输不用于发电而消耗的氢气。
实施例3
除了将氢吸藏材料16变换为LmNi5以外，在与实施例1同样的条件下进行测定。
这里的Lm为La、Ce、Pr、Nd、Ni、Co、Mn和Al，其组成比分别为12.94重量％、5.02重量％、3.14重量％、11.91重量％、60.22重量％、2.81重量％、3.26重量％、0.70重量％。另外，室温下LmNi5的氢放出平衡压为约1～2个大气压。
在本实施方案中，在负极导线13和正极导线14之间产生0.6V的电压，在连接负极导线13和正极导线14的负荷中流过200mA的电流。负极导线13和正极导线14之间的电压及流过负荷的电流，从发电开始保持所述值4.9小时，但然后，由于氢气缺乏，负极导线13和正极导线14之间的电压急剧下降。
如果LmNi5中吸藏的氢全部用于发电时，发电持续时间为5.1小时。因此，发电持续4.9小时的事实表明LmNi5中吸藏的氢的96％用于发电。
从上述可知，在LmNi5中吸藏的氢几乎全部因发电而消耗。因此可以看出，几乎没有由于传输而排至大气中的氢气，以及由于氧气传输不用于发电而消耗的氢气。
比较例
除了用调节器19调节的氢气供给压力变更为5.0个大气压以外，在与实施例2同样的条件下进行测定。
在本比较例中，在负极导线13和正极导线14之间产生0.4V的电压，在连接负极导线13和正极导线14的负荷中流过200mA的电流。负极导线13和正极导线14之间的电压及流过负荷的电流，从发电开始保持所述值4.9小时，但从发电开始至2.2小时后，由于氢气缺乏，负极导线13和正极导线14之间的电压急剧下降。
当累积流量计显示的氢量全部用于发电时，发电持续时间为5.5小时。因此，发电持续2.2小时的事实表明从氢气槽18供给的氢中的40％用于发电。
从上述可知，从氢气槽18供给的氢中，多数由于传输而释放至大气中。
如上所述，采用本发明的发电装置，其中将约0.2～约3.5个大气压的氢气供应到发电装置的主体部分1上，其质子导体单元6采用球壳状碳分子衍生物，可以有效抑制氢气及氧气的传输。因此，几乎没有由于传输而将氢气排放至大气中，或由于传输而使氧气到达氢电极4未发电而消耗的氢，发电效率得到显著提高。
本发明不限于所述实施方案，在权利要求所定义的本发明的范围内可以作种种变更，当然，这些变更也包含在本发明的范围内。
例如，在所述实施方案中，不使用隔板而采用自立膜(self-sustaining film)作为质子导体膜。但是，可以将隔板与质子导体膜一起使用。具体的是，采用这样的质子导体膜，其是在由如聚丙烯等形成的具有多个贯穿孔(through-holes)的片材上，涂布由fullerenol及四氢呋喃溶液构成的混合液，使其干燥而制成的。在采用该质子导体膜时，可以得到所述实施方案得到的效果。
工业实用性
如上所述，利用本发明的发电装置，可以有效抑制氢气及氧气的传输，借此提高发电效率。

Claims (13)

1.一种发电装置，包含：质子导体单元，该质子导体单元具有作为基质的以炭作为主成分且向其中导入质子解离性基团的碳质材料，结合在所述质子导体单元的一个面上的氢电极，结合在所述质子导体单元的另一个面上的氧电极，和将压力约0.2～约3.5个大气压的氢气供给所述氢电极的供给设备。
2.根据权利要求1中所述的发电装置，其特征在于，所述质子导体单元含有球壳状碳分子衍生物。
3.根据权利要求1中所述的发电装置，其特征在于，所述供给设备包括氢吸藏材料和封入该氢吸藏材料的密闭容器。
4.根据权利要求3中所述的发电装置，其特征在于，所述氢吸藏材料的氢放出平衡压为约0.2～约3.5个大气压。
5.根据权利要求3中所述的发电装置，其特征在于，所述供给设备还包括调节器，用于将供给所述氢电极的氢气压力调节至约0.2～约3.5个大气压。
6.根据权利要求3中所述的发电装置，其特征在于，由所述质子导体单元、氢电极及氧电极构成的装置部分和所述供给单元设计成可拆卸的。
7.根据权利要求3中所述的发电装置，其特征在于，所述氢吸藏材料是吸藏氢的合金。
8.根据权利要求7中所述的发电装置，其特征在于，所述氢吸藏材料含有LaNi5。
9.根据权利要求3中所述的发电装置，其特征在于，所述氢吸藏材料是炭质氢吸藏材料。
10.根据权利要求9中所述的发电装置，其特征在于，所述炭质氢吸藏材料是从球壳状碳分子、炭纳米纤维、炭纳米管、炭烟灰、纳米被膜、Bucky洋葱和炭纤维中选择的至少一种材料。
11.根据权利要求3中所述的发电装置，其特征在于，所述氢吸藏材料为碱金属氢化物、其水溶液或其凝胶。
12.根据权利要求2中所述的发电装置，其特征在于，所述质子导体单元含有：C60-(OSO3H)x(OH)y：2≤x和y≤12。
13.根据权利要求1中所述的发电装置，其特征在于，所述供给设备包括：氢气槽和用于将从所述氢气槽供给的氢气压力调整至约0.2～约3.5个大气压的调节器。
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