CN1711378A - 气体贮存介质、容器和使用该介质的电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种呈织物(124，504，704)形式的经改进的氢贮存介质，所述织物包含含有碳纳米纤维或碳纳米管(302，404)及弹性体纤维(304，402)的纱线(300，400)。该织物(124，504，704)具备有体积效率的碳纳米纤维和/或碳纳米管(302，404)排列，因而具有可作为高密度能量贮存介质的特征。根据优选的实施方案，氢贮存装置(100)包含含有织物(124)的柔性容器(104)。容器(104)的柔性加上织物(124)的柔性使得氢贮存装置(100)可适应于不规则形状的空间。本发明的实施方案提供一种用织物(704)作为氢贮存阳极的电池(700)。

Description

气体贮存介质、容器和使用该介质的电池

技术领域

本发明总体上涉及气体的高密度贮存。本发明适用于燃料电池用氢的高密度贮存。

背景技术

近来人们越来越注意到可再生能源。随之而来的是对燃料电池关注的增加。氢燃料电池尤其被视为一种非常有前途的技术。氢燃料电池将氢与氧化剂反应所产生的化学能转换为电能。

由于氧容易从大气中获得，因而必须被贮存起来用于陆基氢型燃料电池的唯一反应物就是氢。可适用于任何能量贮存技术的一个指标值是能量贮存技术中可获得的能量密度。能量密度可以以单位体积贮存的能量及单位质量贮存的能量为单位进行测定。理想的是两个数值都高。

因为氢在标准温度和压力下为气体，可以将其以压缩状态贮存在高压气瓶中。但是，用于贮存特定压力氢气的气瓶所需的必要壁厚使得充满氢气的气瓶具有较低的能量密度(或以质量计或以体积计)的特征。

一种尝试过的提高氢贮存容器的能量贮存密度的方法是将氢贮存在充满金属氢化物形成材料的容器中。不幸的是，在反复充、放气后，金属氢化物形成材料易于碎裂成为较不能渗透氢的粉末，结果随着不断的使用该容器的贮存容量发生急剧下降。

新近已经提出了采用碳纳米纤维和碳纳米管作为氢贮存介质。已有报导说碳纳米纤维和碳纳米管能够容纳高密度的氢。据信在这种结构中贮存的氢存在于碳素晶格的空隙中，或存在于纳米管的空心处。

尽管离散的碳纳米管和碳纳米纤维在原子尺度上是高度有序的，但生长状态的碳纳米管和碳纳米纤维并不是有规则地排列的。相反，它们在一定程度上是随机排列的。并且，在其整个长度上，碳纳米管和碳纳米纤维倾向于进行随机地卷绕。这种无序排列易于降低纳米管和纳米纤维的体积密度，留下大量的未利用空间。小体积密度倾向于降低这种体积密度，而具有这种体积密度时氢才能贮存在大量的碳纳米管或纳米纤维中，同时也相应地降低了与碳纳米管或纳米纤维所贮存氢有关的能量密度。

附图说明

本文将通过例示性的实施方案对本发明进行说明，但不是进行限定，用附图对所述实施方案进行图解，附图中相同的符号表示相同的元件，其中：

图1为根据本发明的优选实施方案的氢贮存装置的第一局部剖面透视图。

图2为图1所示的氢贮存装置的第二局部剖面透视图。

图3为根据本发明的优选实施方案，用于图1，2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的加捻混纺纱的截面透视图。

图4为根据本发明的第一替代实施方案，用于图1，2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的包芯纱的截面透视图。

图5为根据本发明的第二替代实施方案，用于图1，2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的长丝500的截面透视图。

图6为根据本发明的第三替代实施方案，用于图1，2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的长丝600的截面透视图。

图7为本发明的第四替代实施方案的氢贮存装置的局部剖面透视图。

图8为本发明的第五替代实施方案的氢贮存装置的局部剖面透视图。

图9为根据本发明的第六实施方案，用于图1，2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的氢贮存介质900的截面透视图。

图10为本发明的第七替代实施方案的氢化物电池的横断而视图。和

图11为根据本发明的优选实施方案，用于图1，2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的织物的制备方法流程图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施方案；但是，应该认识到的是所公开的实施方案仅仅是本发明的示例，其可以体现为多种形式。因此，本文中公开的具体结构和功能性细节不应被理解为进行限定，而仅仅是作为权利要求的基础和作为代表性基准以教导本领域技术人员以不同的方式将本发明用于实际上的任何适当的机构中。进而言之，本文中使用的术语和措词并不是为了进行限定，而是为了提供一种对发明的理解性说明。

本文中使用的术语“a”或“an”定义为一或一以上。本文中使用的术语“多数”定义为两个或两个以上。本文中使用的术语“另外的”定义为第二个或其它的。本文中使用的术语“包括”和/或“具有”定义为包含(即，开放式术语)。本文中使用的术语“联结”定义为连接，尽管不一定是直接地和不一定是机械地。

本说明书中使用的术语“氢”包括氢的所有同位素。

图1为本发明的优选实施方案的氢贮存装置100的第一局部剖面透视图。氢贮存装置100包含由聚酯薄膜片104构成的容器102。聚酯薄膜片104包含上半部分126和下半部分128。将聚酯薄膜片104进行对折并沿三条边106，108，110密封，折叠时薄膜片104在该三条边处结合在一起。三条边106，108，110可以通过胶粘剂、通过加热、加压或使用超声波能量或上述几种方式的组合进行密封。作为替代，容器102还可以由周边密封在一起的两个单独的片材制成。

聚酯薄膜片104的外表面112优选为经过镀铝的。在外表面112上镀铝起到了降低容器102对氢气渗透性的作用。

气体联接管嘴114被安装成与聚酯薄膜片104上的孔(未显示)贯通。气体联接管嘴114包含法兰116和螺纹轴118。法兰116设置在容器102的内侧。橡胶密封垫(未显示)设置于法兰116和聚酯薄膜片104之间。在螺纹轴118上拧有螺母122，将垫圈120压在聚酯薄膜片104上。聚酯薄膜片104被螺母122紧压在法兰116上的密封垫与垫圈120之间。作为替代，还可以通过粘结或其它方法将气体联接管嘴114连接在容器102上。气体联接管嘴114可以包含例如Schraeder阀。

呈折叠织物124形式的氢贮存介质被封闭于容器102中。织物124包含碳纳米管或碳纳米纤维。优选该织物124包含纱线302(图3)、404(图4)，所述纱线包括碳纳米管和/或碳纳米纤维。通过组织织物中的碳纳米纤维和/或碳纳米管，可使碳纳米纤维和/或碳纳米管按比较有体积效率的方式进行排列。也就是说，提供了高密度的碳纳米管或碳纳米纤维。编织和针织织物均提供了密度特别高的碳纳米纤维或碳纳米管排列，并因此而提供了高(能量/体积)密度的能量贮存介质。作为替代，织物中可以包含长丝500(图5)、600(图6)，所述长丝在柔性聚合物材料基体中包括氢吸收材料。

通过使用柔性聚酯薄膜容器102，使得织物124可以在用氢对织物124进行充气及从织物124中排放氢气的过程中发生扩张和收缩。另外，由于聚酯薄膜容器102是柔性的，织物24的柔性使得氢贮存装置100整体上是柔性的并适应于预定要设置氢贮存装置100的耗能设备内的不规则空间。例如，在便携式电子装置中，为了最大化对空间的利用，可能期望为能量贮存装置提供不规则形状的空间。在后者的情况下，氢贮存装置100由于其柔性而能适应于和更充分地利用所提供的不规则空间。织物124的平直性也使得氢贮存装置可以进行变形而适合于非常窄的空间。

聚酯薄膜片104的下半部分128包括翼片部分130，其沿周边延伸并超出上半部分126。导电轨136的第一接线头132和第二接线头134位于聚酯薄膜片104的延伸翼片部分130上。导电轨136的作用是作为电阻加热元件用于加热织物124。在织物124充入氢后对其进行加热导致了织物中的碳纳管或碳纳米纤维释放出氢。

支撑背板138粘结在翼片部分130上。背板138有助于使翼片部分130上的接线头132、134连接在用于向导电轨136提供电流的电气连接器(未显示)上。

图2为图1所示的氢贮存装置100的第二局部剖面透视图。在图2所绘内容中，略去了织物124和气体联接管嘴114，使得容器102中导电轨136的走向可以被看到。优选导电轨136被电绝缘的导热膜或导热材料，例如涂层(未显示)所覆盖。

图3为根据本发明的优选实施方案，用于图1，2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的加捻混纺纱300的截面透视图。织物124优选由混纺纱300编织或针织而成。作为替代，织物124可以包括其它类型的纱线。参照图3，混纺纱包含选自碳纳米纤维和碳纳米管的第一组分和作为弹性体纤维304的第二组分。

弹性体纤维304的存在增强了混纺纱300适应碳纳米纤维和/或碳纳米管302在吸收和释放氢气时的发生膨胀和收缩的能力，并减小了有可能在混纺纱300中产生的不希望有的内应力。

混纺纱300是通过工艺800(图8)来制备的，所述工艺包含对纳米纤维和/或纳米管进行梳理以使其排列成直线的步骤。为了使纳米纤维和/或纳米管302和弹性体纤维304进行混杂，优选将纳米纤维和纳米管302与弹性体纤维304一起进行梳理。可以使用一对表面结构尺度与纳米纤维或纳米管302尺寸相配的梳刷来进行小批量生产。微刻适用于制备表面结构尺度适应于梳理纳米纤维和/或纳米管302的梳刷。为了进行更大的批量生产，优选使用电动转鼓型梳理机。并且，在后者的情况下，梳理机的表面结构尺度与所梳理材料302、304的尺寸相适应。进行梳理后，经梳理的混杂纳米纤维或纳米管302及弹性体纤维304被纺成纱线300，然后纱线300被织成织物124。

图4为根据本发明的第一替代实施方案，用于图1-2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的包芯纱400的截面透视图。包芯纱400包含有芯纱，所述芯纱包含被纤维404包围的一个或多个(示出的是一个)弹性体纤维402，纤维404选自碳纳米纤维和碳纳米管。包芯纱的优点在于碳纳米纤维和/或碳纳米管402位于包芯纱400的靠外侧，因而是处于释放和吸收氢的较好位置。

根据本发明的替代实施方案，混纺纱300和包芯纱400包括诸如有机硅、聚四氟乙烯或聚丙烯的有机粘结剂。可以通过使混纺纱300或包芯纱400通过充满所涂敷粘结剂的涂料杯来施加有机粘结剂。

根据本发明的另一个替代实施方案，在织物124中不包括弹性体纤维。

图5为根据本发明的第二替代实施方案，用于图1，2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的长丝500的截面透视图。第二替代实施方案的长丝500包括埋置在聚合物基体504中的碳纳米纤维和/或碳纳米管502。聚合物基体504优选包含高度渗氢的聚合物。特别地，聚合物基体504优选包含有机硅。有机硅具有以下附加优点：具有柔顺性并因而适合于制备柔性织物类氢贮存介质。柔顺性也使得基体504可以适应碳纳米纤维和/或纳米管在吸收和释放氢气时发生的尺寸变动。长丝500适于通过干纺或湿纺而形成，所述湿纺中使用碳纳米纤维和/或碳纳米管与用于形成基体的聚合物溶液构成的悬浮液。在干纺或湿纺中，优选对长丝500进行拉伸以减小其直径。

作为替代，长丝可以通过静电纺纱由其中分散有碳纳米纤维和/或碳纳米管502的聚合物材料制成。这种聚合物材料可以通过使聚合物熔融、添加碳纳米纤维和/或碳纳米管502、混合得到的混合物、然后使其固化的方法来制备。

图6为根据本发明的第三替代实施方案，用于图1，2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的长丝600的截面透视图。第三替代实施方案的长丝600包括包含在聚合物基体604中的金属氢化物颗粒和/或金属氢化物形成的金属颗粒602。适合于用作颗粒602的金属氢化物的实例包括镧-五镍氢化物、氢化钒、镁-镍氢化物和铁-钛氢化物。

第三替代实施方案的长丝600优选通过静电纺纱由其中分散有颗粒602的可渗透氢的聚合物(其形成基质604)材料形成。

可替代的是织物124，704(图7)，1104(图11)包含图5和图6所示的长丝。

图7为本发明的第四替代实施方案的氢贮存装置700的局部剖面透视图。第四替代实施方案的氢贮存装置700包含气瓶702，气瓶中设置了织物704的卷材。织物704优选包含有纱线，该纱线包括碳纳米纤维和/或碳纳米管，例如混纺纱300和/或包芯纱400。由于碳纳米纤维和碳纳米管的吸收氢能力，气瓶702的氢贮存能力通过含有织物704的卷材而得到了提高。织物704提供了一种可支撑织物704中所含碳纳米纤维和/或碳纳米管的稳定机械构造。因而与充满随着使用而发生降解的氢化物形成材料的气瓶不同，第四替代实施方案的氢贮存装置可以反复使用而基本上不发生降解。气瓶702进一步包含阀门706和用于将气瓶与外部系统(未显示)进行联接的有螺纹的联接装置708。

图8为本发明的第五替代实施方案的氢贮存装置800的局部剖面透视图。第五替代实施方案的氢贮存装置800也包含呈叠合片形式的气瓶802，所述叠合片由涂铝的聚酯薄膜804构成。织物124被封闭在容器802中。第一延伸电触点806卷绕在织物124的第一边缘808上。同样，第二延伸电触点810卷绕在织物124的第二边缘812上，该边缘与第一边缘808相对。第一导线引线814具有卷曲进第一延伸电触点806中的第一末端816。第一导线引线通过贯穿聚酯薄膜804的第一通孔818从容器802中穿出。第一接线柱820卷曲进行第一导线引线814的第二末端822中。同样，第二导线引线824具有卷曲进第二延伸电触点810中的第一末端826，其穿过第二通孔828并包括第二末端830，在第二末端830上卷入了第二接线柱832。作为替代，可以将两个导线引线814，824引出和连接到同一个连接器上。导线引线814，824和延伸电触点806，810被用来传输流经织物124的电流并从而加热织物124，以便诱使织物124中的碳纳米纤维或碳纳米管施放出氢气。上述用来对织物124进行加热的配置利用了织物124中碳纳米纤维和碳纳米管的固有导电性(尽管有一定的电阻)。

图9为根据本发明的第六实施方案，用于图1，2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的氢贮存介质900的截面透视图。第六实施方案的氢贮存介质900的包含一块延伸的碳纳米纤维和/或碳纳米管，该材料已经被压缩成比较扁平的结构，即由碳纳米纤维和/或碳纳米管组成的毡。厚度尺寸Th远小于横断尺寸T1，T2。碳纳米纤维和/或碳纳米管毡900可以进行折叠和卷起，并被用于图1，2，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中作为织物124，704，1004的替代物。

图10为本发明的第七替代实施方案的电池1000的横断面视图。电池1000包含圆筒形容器1002，该容器将缠绕在芯1012上的多元层1004，1006，1008，1010封闭起来。该多元层包括优选由图3所示的混纺纱300制成的织物1004。作为替代，织物1004可包含图4所示的包芯纱400、图5所示的长丝500和/或图6所示的长丝600。织物1004用作电池1000的阳极。在后一种情况下，织物1004暂时地贮存在电池1000放电过程中施放的氢气。从而，织物1004起到了代替常规金属氢化物电池中所使用的金属氢化物阳极的作用。多元层进一步包括第一隔离层1006，阴极箔1008和第二隔离层1010。第一隔离层1006和第二隔离层1010是电化学联接阴极箔1008和织物1004的电介质层。阴极箔1008优选包含镍。

阳极罩1014封闭了圆筒形容器1002。阳极罩1014通过绝缘密封环1016与圆筒形容器1002绝缘。阳极接线柱1018将阳极罩1014连接在织物1004上。阴极箔1008被电气连接至容器1002上。

在对电池1000进行充电时，将电压施加在容器1002和阳极罩1014之间，并使织物1004相对于阴极箔1008呈负偏压。在这种偏压下，水分解成氢和羟基离子。生成的氢被织物1004吸收，羟基离于在阴极箔1008上将氢化镍氧化成氢氧化镍。在对电池1000放电时，贮存在织物1004中的氢施放出电子并与羟基离子反应形成水。在阴极箔上，通过容器1002从阳极罩1014上接收的自由电子重新将氢氧化镍还原成氢化镍。如果使用的阴极箔1008包括镍以外的其它材料，也会发生类似的反应。

图11为根据本发明的优选实施方案，用于图1，21，7，8所示的氢贮存装置和图10所示的电池中的织物124，704，1004的制备方法流程图1100。在步骤1102中，对碳纳米管1和/或碳纳米纤维进行梳理以使其相互间进行更加平行地排列。在步骤1104中，将碳纳米管和/或碳纳米纤维与弹性体纤维进行混合。上述两步骤的顺序可以进行替代性互换。在步骤1106中，碳纳米管和/或碳纳米纤维及弹性体纤维被纺成纱线。图3所示的加捻混纺纱300或图4所示的包芯纱400可以通过步骤1106来制备。在步骤1108中，由前述步骤1106获得的纱线被编织或针织成织物。

根据本发明的替代方案，可以将碳纳米纤维和/或碳纳米管首先进行梳理并纺成碳纳米纤维和/或碳纳米管丝，然后将其与弹性体纤维纺成纱线。

尽管已经对优选的和其它的实施方案进行了图解和说明，应该清楚的是本发明并不受其限定。本领域的普通技术人员将能够在不偏离由所附权利要求定义的本发明主旨和范围的情况下进行各种改进、变换、变更、替代及使用等效物。

Claims (10)

1.一种氢贮存介质，其包含：

织物，该织物包括纱线，所述纱线含有选自碳纤维和碳纳米管的一种或更多种成分。

2.一种氢贮存介质，其包含：

纱线，该纱线包括：

弹性体纤维；和

选自碳纤维和碳纳米管的一种或更多种成分。

3.如权利要求2的氢贮存介质，其中所述的纱线包含有机粘结剂。

4.一种氢贮存装置，其包含：

可折叠容器；

容纳在该容器中的贮存介质，该贮存介质包括：

纱线，该纱线包括：

弹性体纤维；和

选自碳纤维和碳纳米管的一种或更多种成分。

5.如权利要求4的氢贮存装置，其中所述的可折叠容器包含：

一个或更多个聚酯薄膜片；和

一个或更多个聚酯薄膜上的铝涂层。

6.一种氢贮存装置，其包含：

容器；

设置在该容器中的织物卷材，其中所述的织物包括：

选自碳纤维和碳纳米管的一种或更多种成分。

7.一种氢贮存装置，其包含：

容器；

包含选自碳纳米纤维和碳纳米管的一种或更多种成分、密封于该容器中的毡。

8.一种氢贮存介质，其包含：

包含埋置于可渗透氢的聚合物基体中的氢吸收材料的一种或更多种长丝。

9.一种氢化物电池，其包含：

阴极；

用于贮存和释放氢气的阳极，该阳极包括：

包括氢吸收材料的织物；和

电气连接阳极和阴极的电解质。

10.一种制备氢贮存介质的方法，其包含以下步骤：

获得选自碳纤维和碳纳米管的一种或更多种起始材料；

获得弹性体纤维；和

将一种或更多种起始材料与弹性体纤维纺成纱线。

Images