TWI840087B - 氫電共生的燃料電池及其系統 - Google Patents
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Abstract
本揭露提供一種氫電共生的燃料電池包含金屬空氣電池、氫燃料電池以及導管。金屬空氣電池包含陽極結構、陰極結構、電解液以及陰離子交換膜。陰極結構包含兩個空氣電極設置在陽極結構的相對兩側。電解液位於陽極結構內和陽極結構與陰極結構之間。陰離子交換膜設置在陽極結構與各空氣電極之間。導管連接金屬空氣電池以及氫燃料電池。本揭露另提供一種氫電共生的燃料電池系統。
Description
本發明是有關一種燃料電池，特別是一種氫電共生的燃料電池及其系統。
隨著科技不斷的創新進步，人類要求生活品質提高，能源的需求也就日益增加，各種不同能源紛紛的被開發並被使用，而其中以石油、天然氣、煤等石化能源被開發的比例最多，因此造就了石化工業的蓬勃發展。但是大量的使用石油、天然氣、煤等化石能源，卻也造成了石化能源枯竭、空氣污染與全球溫室效應等嚴重問題，這些嚴重問題甚至會危害人類之後代子孫，不可不加以重視。為了減緩地球上有限能源之耗竭，並改善嚴重的氣候劇烈變遷問題，許多國家無不竭盡所能研發綠色新能源，期能留下一個優質環境以供後代子孫生長，而在各個國家所研發的新能源之中，最閃亮的新能源就是燃料電池(Fuel Cell)了，燃料電池所具備之高效率及低污染之特性，不僅是最符合時代之所需，也是最具有發展潛力之綠色能源裝置，在未來具有舉足輕重的地位。
燃料電池是一種主要透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉換成電能的發電裝置。最常見的燃料為氫，其他燃料來源來自於任何能分解出氫氣的碳氫化合物，例如天然氣、醇、和甲烷等。燃料電池有別於原電池，優點在於透過穩定供應氧和燃料來源，即可持續不間斷的提供穩定電力，直至燃料耗盡，不像一般非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續充電，也因此透過電堆串連後，甚至成為發電量百萬瓦級的發電廠。現今生活中存在多種燃料電池，它們運作原理基本上大致相同，必定包含一個陽極，一個陰極以及讓離子通過電池兩極的電解質。電子由陽極傳至陰極產生直流電，形成完整的電路。各種燃料電池是基於使用不同的電解質以及電池大小而分類的，因此電池種類變得更多元化，用途亦更廣泛。
在不同類型的燃料電池中，質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)又稱作氫燃料電池(Hydrogen Fuel Cell)，是一種以氫氣燃料與空氣作用產生電力與熱力的燃料電池，無需加壓或減壓，以高分子質子交換膜為傳導媒介，沒有任何化學液體，發電後產生純水和熱。氫燃料電池相對低溫與常壓的特性，加上對人體無化學危險、對環境無害，是一種最環保的綠色能源。但氫氣的製備技術目前還不夠成熟，雖然電解水最為環保，但是耗電量較大，而電池催化劑金屬鉑及氫氣儲氫罐的高成本相對較高，無法量產，因此目前尚未能完全普及到日常生活用具之中。
介於一次電池和燃料電池之間的金屬空氣燃料電池(Metal-Air Fuel Battery)，不但兼具燃料電池的優勢，並且也克服了燃料電池在某些技術層上的瓶頸，是目前預期未來能夠商業化的能源之一。金屬空氣燃料電池是以空氣中的氧氣作為電池中的氧化物，並且使用金屬物質作為陽極，這樣的結構在各種電池中是屬於具有高能量密度、長期保存性及低成本特性的高性能電池。但是，這個技術仍處於起步階段，金屬空氣電池的缺點在於放電速率比較緩慢，需要採用熱管理系統來防止電池工作時的過熱，同時在放電過程中，陽極金屬表面會產生氫氧化物的堆積，使得電池體系內電阻加大，另外陽極金屬本身也會發生腐蝕逸氫現象，造成空氣無法進入空氣電極供應氧氣，因此金屬空氣電池仍需要適當的改進後，才可以找到市場的競爭性。
本發明之一態樣是提供一種氫電共生的燃料電池，其包含金屬空氣電池、氫燃料電池以及導管。金屬空氣電池包含陽極結構、陰極結構、電解液以及陰離子交換膜。陰極結構包含兩個空氣電極設置在陽極結構的相對兩側。電解液位於陽極結構內和陽極結構與陰極結構之間。陰離子交換膜設置在陽極結構與各空氣電極之間。導管連接金屬空氣電池以及氫燃料電池。
根據本發明之某些實施方式，電解液為有機酸溶液或無機酸溶液電解液。
根據本發明之某些實施方式，陽極結構包含兩個活性金屬電極以及多個活性金屬顆粒分布在這些活性金屬電極之間，且這些活性金屬電極和這些活性金屬顆粒的材料相同。
根據本發明之某些實施方式，電解液位於這些活性金屬電極之間，且這些活性金屬顆粒浸泡在電解液中。
根據本發明之某些實施方式，陰離子交換膜緊鄰陽極結構。
本發明之另一態樣是提供一種氫電共生的燃料電池系統，其包含金屬空氣電池、氫燃料電池以及導管。金屬空氣電池包含有機酸溶液或無機酸溶液電解液、空氣電極、活性金屬電極以及陰離子交換膜。空氣電極在放電反應中產生氫氧根離子。活性金屬電極在放電反應中與有機酸溶液或無機酸溶液電解液反應後產生第一氫氣。陰離子交換膜設置在空氣電極與活性金屬電極之間，用以讓氫氧根離子通過後與活性金屬電極反應產生金屬氧化物，且金屬氧化物在放電過程中與有機酸溶液或無機酸溶液電解液反應後產生第二氫氣。導管連接金屬空氣電池以及氫燃料電池。金屬空氣電池所產生的第一氫氣和第二氫氣藉由導管輸送至氫燃料電池的陽極。
根據本發明之某些實施方式，導管包含第一電磁閥，氫燃料電池包含第二電磁閥，當氫燃料電池的電壓小於電壓閾值時，開啟第一電磁閥並關閉第二電磁閥，促使氫燃料電池的陽極進行放電反應。
根據本發明之某些實施方式，當氫燃料電池的電壓大於電壓閾值時，關閉第一電磁閥並開啟第二電磁閥，用以排出水。
根據本發明之某些實施方式，金屬空氣電池更包含第三電磁閥，當金屬空氣電池的電壓小於電壓閾值時，開啟第三電磁閥用以排出廢液，並啟動有機酸溶液或無機酸溶液電解液補充泵用以補充金屬空氣電池內的有機酸溶液或無機酸溶液電解液。
根據本發明之某些實施方式，當金屬空氣電池的電壓大於電壓閾值時，關閉第三電磁閥並停止運作有機酸溶液或無機酸溶液電解液補充泵。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。以下所揭露的各實施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實施例中附加其他的實施例，而無須進一步的記載或說明。
為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施方式，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。
關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致約』一般通常係指數值之誤差或範圍約百分之二十以內，較好地是約百分之十以內，而更佳地則是約百分五之以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如『約』、『大約』或『大致約』所表示的誤差或範圍。
除非內容中有其他清楚的指稱，本文所使用的單數詞包含複數的指稱對象。透過參考「一實施方式」這樣特定的指稱，在至少其中之一的本案發明的實施方式中，表示一種特定的特徵、結構或特色，因此在各處的「在一實施方式」，這樣的片語透過特別的指稱出現時，並不需要參考相同的實施方式，更進一步，在一或多實施方式中，這些特別的特徵、結構、或特色可以依合適的情況相互組合。
本發明之一態樣係提供一種氫電共生的燃料電池，其不但可以有效解決金屬空氣電池在放電過程中陽極金屬氫氧化物堆積的問題，還可以將金屬空氣電池所產生的氫氣作為氫燃料電池的燃料，進而循環再利用，因此，相較於一般一次性傳統電池，本揭露的氫電共生的燃料電池具有更大的能量密度。第1圖繪示根據本發明多個實施方式之氫電共生的燃料電池10的示意圖。氫電共生的燃料電池10包含金屬空氣電池110、氫燃料電池120以及導管130。
如第1圖所示，金屬空氣電池110包含陽極結構111、陰極結構113、電解液115以及陰離子交換膜117。具體的說，陰極結構113包含兩個空氣電極1131設置在陽極結構111的相對兩側。更詳細的說，空氣電極1131是一種具有孔隙率和高比表面積，並且能形成高度穩定氣-液-固三相反應界面系統的電極。舉例來說，空氣電極1131可以為多孔性導電碳。在一些實施例中，陽極結構111包含兩個活性金屬電極1112以及多個活性金屬顆粒1114分布在這些活性金屬電極1112之間，且這些活性金屬電極1112和這些活性金屬顆粒1114的材料相同。舉例來說，活性金屬電極1112和活性金屬顆粒1114的材料可以為鎂、鋅、鋁、鈉、鋰、或其他活性大的金屬。這些活性金屬顆粒1114用以增加反應面積，並增加陽極的反應速率。可以理解的是，金屬空氣電池110在放電過程中，其陽極處會產生氫氣(H
2)，且陰極處會產生氫氧根離子(OH
-)。
電解液115位於陽極結構111內和陽極結構111與陰極結構113之間。在一些實施例中，電解液115為有機酸溶液或無機酸溶液電解液。值得注意的是，電解液115係僅由有機酸溶液或無機酸溶液所組成且不含其他種類的電解液或添加物。在一些實施例中，有機酸溶液為可以是解離出氫離子的有機化合物溶液。舉例來說，有機酸溶液包含檸檬酸溶液、蘋果酸溶液、水楊酸溶液、抗壞血酸溶液、酒石酸溶液、草酸溶液、甲酸溶液或醋酸溶液。在一些實施例中，有機酸溶液電解液的濃度範圍為1×10
-6M至1×10M。在一些實施例中，無機酸溶液可以是解離出氫離子的無機化合物溶液。舉例來說，無機酸溶液包含鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、硼酸、碳酸、氫氟酸、氫溴酸或含氯酸溶液。在一些實施例中，無機酸溶液電解液的濃度範圍為1×10
-6M至1×10M。根據多個實施例，當有機酸溶液電解液或無機酸溶液電解液的濃度大於某一數值，例如1×10M，則會導致金屬鎂的消耗過大且產生氫氣的速率太快。反之，當有機酸溶液電解液或無機酸溶液電解液的濃度小於某一數值，例如1×10
-6M，則會導致反應無法進行。在一些實施例中，電解液115位於這些活性金屬電極1112之間，且這些活性金屬顆粒1114浸泡在電解液115中。值得注意的是，本揭露選擇有機酸溶液或無機酸溶液電解液作為金屬空氣電池110的電解液115，主要在於有機酸溶液或無機酸溶液可以溶解剝落陽極表面堆積的氫氧化物，使得陽極的活性金屬電極1112和活性金屬顆粒1114得以保持著原子態金屬進行氧化反應，進而大幅增加金屬空氣電池110的放電速率，亦即增大金屬空氣電池110的放電電流。
陰離子交換膜117設置在陽極結構111與各空氣電極1131之間。在一些實施例中，陰離子交換膜117緊鄰陽極結構111。舉例來說，陰離子交換膜117包含鹼性官能基團的高分子聚合物膜，例如可以為全氟磺酸類陰離子交換膜、全氟羧酸類陰離子交換膜、苯乙烯乙烯基苯類陰離子交換膜、季銨類陰離子交換膜或其他種類合適的陰離子交換膜。可以理解的是，陰離子交換膜117具有對陰離子的選擇透過性，用以讓陰極產生的氫氧根離子(OH
-)通過並隔絕氫氣。
以金屬(鎂)空氣電池110為例，在放電過程中，陽極處(鎂金屬)發生氧化反應而產生鎂離子(Mg
2+)，陰極處(氧氣)發生還原反應而產生氫氧根離子(OH
-)，且此氫氧根離子(OH
-)穿透陰離子交換膜117至陽極處與鎂離子(Mg
2+)結合產生氫氧化鎂(Mg(OH)
2)沉澱物。由於電解液為有機酸溶液或無機酸溶液電解液，活性大的金屬鎂會與有機酸溶液或無機酸溶液電解液發生產生反應而產生氫氣，且氫氧化鎂(Mg(OH)
2)沉澱物也會與有機酸溶液或無機酸溶液電解液發生產生反應而產生氫氣。詳細金屬(鎂)空氣電池的反應方程式如下:
在一些實施例中，氫燃料電池120包含陽極121、陰極123、電解質125以及質子交換膜127。在一些實施例中，陽極121可以為觸媒催化電極，陰極123可以為觸媒催化空氣電極。質子交換膜127位於陽極121與陰極123之間。電解質125充滿剩餘空間。在一些實施例中，質子交換膜127可包含全氟磺酸的含氟聚合物(PFSA)。金屬空氣電池110所生成的氫氣會成為氫燃料電池120之陽極121的燃料。藉由催化劑的作用，使得陽極121的氫分子分解成兩個氫質子(proton)與兩個電子(electron)，其中質子被氧吸引到質子交換膜127的另一邊，電子則經由外電路形成電流後，到達陰極123。在陰極觸媒催化之作用下，氫質子、氧及電子，發生反應形成水分子，因此水可說是氫燃料電池120唯一的排放物。
如第1圖所示，導管130連接金屬空氣電池110以及氫燃料電池120。具體的說，導管130用以將金屬空氣電池110所生成的氫氣輸送至氫燃料電池120的陽極121。在一些實施例中，導管130可以為硬質導管或軟質導管，但不以此為限。
本揭露之氫電共生的燃料電池10主要為兩個電池(金屬空氣電池110與氫燃料電池120)串聯連接，且金屬空氣電池110陽極所生成的產物可以直接作為氫燃料電池120陽極的燃料，進而避免金屬空氣電池110內部壓力過大導致外部空氣無法為空氣電極持續供應氧氣。另外，氫電共生的燃料電池10中的金屬空氣電池110採用可以溶解剝落陽極表面堆積氫氧化物的電解液，進而增大金屬空氣電池110的放電電流。此外，金屬空氣電池110中還在陽極結構111的兩側設置了陰離子交換膜117，用以讓陰極產生的氫氧根離子(OH-)通過並隔絕氫氣。因此，本揭露之氫電共生的燃料電池10不但為綠色環保能源，還具有高能量密度、低成本、安全無毒和實用性的優勢。
本發明之一另態樣係提供一種氫電共生的燃料電池系統20。第2圖繪示根據本發明多個實施方式之氫電共生的燃料電池系統20的示意圖。第3圖繪示根據本發明多個實施方式之金屬空氣電池與氫燃料電池之間的訊號回饋關係圖。為了簡化說明，在下文之各實施例中使用相同的符號標注相同的元件，而不再對重覆部分進行贅述。氫電共生的燃料電池系統20包含金屬空氣電池220、氫燃料電池120以及導管130。
請同時參照第1圖及第2圖，如前文所述，金屬空氣電池110包含有機酸溶液或無機酸溶液電解液115、空氣電極113、活性金屬電極1112和1114以及陰離子交換膜117。具體的說，空氣電極113在放電反應中產生氫氧根離子，且活性金屬電極1112和1114在放電反應中與有機酸溶液或無機酸溶液電解液115反應後產生第一氫氣。陰離子交換膜117設置在空氣電極113與活性金屬
電極1112和1114之間，用以讓氫氧根離子通過後與活性金屬電極1112和1114反應產生金屬氧化物，且金屬氧化物在放電過程中與有機酸溶液或無機酸溶液電解液115反應後產生第二氫氣。
請同時參照第1圖及第2圖，導管130連接金屬空氣電池110以及氫燃料電池120。具體的說，金屬空氣電池110所產生的第一氫氣和第二氫氣藉由導管130輸送至氫燃料電池120的陽極。由於金屬空氣電池110的陽極結構111兩側皆被陰離子交換膜117密封，因此產生的第一氫氣和第二氫氣只能順著導管130進入氫燃料電池120。
請同時參照第2圖及第3圖，在一些實施例中，氫電共生的燃料電池系統20還包含有機酸溶液或無機酸溶液電解液補充泵240，其用以補充金屬空氣電池110內的有機酸溶液或無機酸溶液電解液。在一些實施例中，氫電共生的燃料電池系統20還包含儲電裝置250，其可用以儲存金屬空氣電池110和氫燃料電池120所產生的電。
請同時參照第2圖及第3圖，在一些實施例中，導管130包含第一電磁閥231，氫燃料電池120包含第二電磁閥221。在第一氫氣和第二氫氣進入氫燃料電池120後所產生的電壓將可視為控制電磁閥的第一訊號回饋sg1。當氫燃料電池120的電壓小於電壓閾值時，開啟第一電磁閥231並關閉第二電磁閥221，促使氫燃料電池120的陽極進行放電反應，亦即，產生質子和電子。反之，當氫燃料電池120的電壓大於電壓閾值時，關閉第一電磁閥231並開啟第二電磁閥221，讓氫燃料電池120排出唯一的產物(水)。
請同時參照第2圖及第3圖，在一些實施例中，金屬空氣電池110更包含第三電磁閥211。金屬空氣電池110產生的電壓亦可視為控制電磁閥的第二訊號回饋sg2。當金屬空氣電池110的電壓小於電壓閾值時，開啟第三電磁閥211用以排出廢液，並啟動有機酸溶液或無機酸溶液電解液補充泵240用以補充金屬空氣電池110內的有機酸溶液或無機酸溶液電解液。反之，當金屬空氣電池110的電壓大於電壓閾值時，關閉第三電磁閥211並停止運作有機酸溶液或無機酸溶液電解液補充泵240。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，以上所述僅為本發明之較佳實施方式，並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:氫電共生的燃料電池
110:金屬空氣電池
111:陽極結構
1112:活性金屬電極
1114:活性金屬顆粒
113:陰極結構
1131:空氣電極
115:電解液
117:陰離子交換膜
120:氫燃料電池
121:陽極
123:陰極
125:電解質
127:質子交換膜
130:導管
20:氫電共生的燃料電池系統
211:第三電磁閥
221:第二電磁閥
231:第一電磁閥
240:有機酸溶液或無機酸溶液電解液補充泵
250:儲電裝置
sg1:第一訊號回饋
sg2:第二訊號回饋
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施方式能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下:
第1圖繪示根據本發明多個實施方式之氫電共生的燃料電池的示意圖。
第2圖繪示根據本發明多個實施方式之氫電共生的燃料電池系統的示意圖。
第3圖繪示根據本發明多個實施方式之金屬空氣電池與氫燃料電池之間的訊號回饋關係圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
10:氫電共生的燃料電池
110:金屬空氣電池
111:陽極結構
1112:活性金屬電極
1114:活性金屬顆粒
113:陰極結構
1131:空氣電極
115:電解液
117:陰離子交換膜
120:氫燃料電池
121:陽極
123:陰極
125:電解質
127:質子交換膜
130:導管
Claims (9)
- 一種氫電共生的燃料電池，包含：一金屬空氣電池，包含：一陽極結構；一陰極結構，包含兩個空氣電極設置在該陽極結構的相對兩側；一電解液，位於該陽極結構內和該陽極結構與該陰極結構之間，其中該電解液為一有機酸溶液電解液或一無機酸溶液電解液；以及一陰離子交換膜，設置在該陽極結構與各該空氣電極之間；一氫燃料電池；以及一導管，連接該金屬空氣電池以及該氫燃料電池。
- 如請求項1所述之氫電共生的燃料電池，其中該陽極結構包含兩個活性金屬電極以及多個活性金屬顆粒分布在該些活性金屬電極之間，且該些活性金屬電極和該些活性金屬顆粒的材料相同。
- 如請求項2所述之氫電共生的燃料電池，其中該電解液位於該些活性金屬電極之間，且該些活性金屬顆粒浸泡在該電解液中。
- 如請求項1所述之氫電共生的燃料電池，其 中該陰離子交換膜緊鄰該陽極結構。
- 一種氫電共生的燃料電池系統，包含：一金屬空氣電池，包含：一有機酸溶液或無機酸溶液電解液；一陽極結構，包含一活性金屬電極在放電反應中與該有機酸溶液或無機酸溶液電解液反應後產生一第一氫氣；一陰極結構，包含兩個空氣電極設置在該陽極結構的相對兩側，且該些空氣電極在放電反應中產生氫氧根離子；以及一陰離子交換膜，設置在各該空氣電極與該活性金屬電極之間，用以讓該氫氧根離子通過後與該活性金屬電極反應產生一金屬氧化物，且該金屬氧化物在放電過程中與該有機酸溶液或無機酸溶液電解液反應後產生一第二氫氣；一氫燃料電池；以及一導管，連接該金屬空氣電池以及該氫燃料電池，其中該金屬空氣電池所產生的該第一氫氣和該第二氫氣藉由該導管輸送至該氫燃料電池的一陽極。
- 如請求項5所述之氫電共生的燃料電池系統，其中該導管包含一第一電磁閥，該氫燃料電池包含一第二電磁閥，當該氫燃料電池的一電壓小於一電壓閾值時，開 啟該第一電磁閥並關閉該第二電磁閥，促使該氫燃料電池的該陽極進行放電反應。
- 如請求項6所述之氫電共生的燃料電池系統，其中當該氫燃料電池的該電壓大於該電壓閾值時，關閉該第一電磁閥並開啟該第二電磁閥，用以排出水。
- 如請求項6所述之氫電共生的燃料電池系統，其中該金屬空氣電池更包含一第三電磁閥，當該金屬空氣電池的一電壓小於該電壓閾值時，開啟該第三電磁閥用以排出一廢液，並啟動一有機酸電解液或無機酸溶液電解液補充泵用以補充該金屬空氣電池內的該有機酸溶液或無機酸溶液電解液。
- 如請求項8所述之氫電共生的燃料電池系統，其中當該金屬空氣電池的該電壓大於該電壓閾值時，關閉該第三電磁閥並停止運作該有機酸電解液或無機酸溶液電解液補充泵。
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|---|---|---|---|
| TW112101099A TWI840087B (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 氫電共生的燃料電池及其系統 |
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|---|---|
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ID=91618810
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN1479404A (zh) * | 2003-06-18 | 2004-03-03 | 北京双威富能科技有限公司 | 快速启动金属空气电池 |
| US20070141431A1 (en) * | 2005-12-21 | 2007-06-21 | General Electric Company | Fuel cell closed structure |
| CN102906925A (zh) * | 2010-03-18 | 2013-01-30 | 布莱克光电有限公司 | 电化学氢催化剂动力系统 |
| CN110661062A (zh) * | 2018-06-28 | 2020-01-07 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 金属-水-空气电池 |
-
2023
- 2023-01-10 TW TW112101099A patent/TWI840087B/zh active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1479404A (zh) * | 2003-06-18 | 2004-03-03 | 北京双威富能科技有限公司 | 快速启动金属空气电池 |
| US20070141431A1 (en) * | 2005-12-21 | 2007-06-21 | General Electric Company | Fuel cell closed structure |
| CN102906925A (zh) * | 2010-03-18 | 2013-01-30 | 布莱克光电有限公司 | 电化学氢催化剂动力系统 |
| CN110661062A (zh) * | 2018-06-28 | 2020-01-07 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 金属-水-空气电池 |
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