專利名稱：用于生產(chǎn)氫的裝置、電化學(xué)設(shè)備、用于生產(chǎn)氫的方法和用于產(chǎn)生電化學(xué)能量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)氫的方法，一種電化學(xué)設(shè)備，一種用于生產(chǎn)氫的方法，和一種用于產(chǎn)生電化學(xué)能量的方法。
背景技術(shù)：
近年來，新能量的研究致力于解決能量問題。尤其是，氫能量具有諸如無窮盡的供給，無污染，和高熱效率之類的特點(diǎn)，且許多研究人員已探究用于未來新能量的各種主導(dǎo)性替代品。
生產(chǎn)氫的方法劃分為兩種。一種方法是使用電功率，日光，核熱，或類似物將水分解產(chǎn)生氫和氧，而另一方法是使用天然氣作為原料通過熱重整(thermal reforming)來提取氫。在用于生產(chǎn)氫的后一方法中，存在使用化石燃料和類似物的生產(chǎn)過程中排放二氧化碳的問題，而采用電功率，日光，核熱，或類似物通過水電解來生產(chǎn)氫的前一方法則是構(gòu)建清潔能量體系所必需的。
傳統(tǒng)上，使用低溫固體電解質(zhì)膜如全氟磺酸樹脂，通過水電解來生產(chǎn)氫。全氟磺酸樹脂可包括例如來自DuPont的Nafion 117(以下簡(jiǎn)單地稱作Nafion)。
圖16是一個(gè)截面圖，給出了生產(chǎn)氫的常規(guī)裝置的輪廓。在該裝置中，Nafion 103位于在相對(duì)方向上放置的陽極101和陰極102之間，并分別在陽極101和陰極102上發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)。
陽極陰極即，水在陽極101上電解得到H3O+離子，H3O+離子由陽極101通過Nafion103傳導(dǎo)至陰極102，并在陰極102上由H3O+離子產(chǎn)生氫。
在這種用于生產(chǎn)氫的裝置中存在以下問題。
首先，Nafion 103是H3O+離子導(dǎo)體，且導(dǎo)電率在低濕度氣氛下不能保持。相反，它在大量水的存在下起作用。因此，它必需在其中產(chǎn)生H3O+離子的陽極101的那側(cè)配備增濕器，這樣Nafion 103可充分地包括水分。
另外，需要長(zhǎng)時(shí)間才能開始穩(wěn)定地操作，因?yàn)殡娊獾钠鹗茧A段需要供給足以使Nafion 103起作用的水蒸氣。
另外，以上用于生產(chǎn)氫的方法與氫一起產(chǎn)生水。為此，減濕器在陰極102側(cè)不可或缺。
本發(fā)明已能夠解決以上問題。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在低濕度氣氛下有效地生產(chǎn)氫而無需增濕器或減濕器的用于生產(chǎn)氫的裝置和用于生產(chǎn)氫的方法、以及一種通過使用氫的氧化-還原反應(yīng)來產(chǎn)生電化學(xué)能量的電化學(xué)設(shè)備和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的用于生產(chǎn)氫的裝置包括位于陽極和陰極之間的質(zhì)子導(dǎo)體并具有一種包含碳材料的結(jié)構(gòu)，該碳材料是選自富勒烯(fullerenes)，碳簇，和線性碳結(jié)構(gòu)的至少一種，其中質(zhì)子(H+)離解基團(tuán)被引入至少一部分碳原子中。
另外，本發(fā)明的用于生產(chǎn)氫的方法是使用本發(fā)明的用于生產(chǎn)氫的裝置由陽極的至少一個(gè)表面供給氣態(tài)或蒸汽態(tài)的水，在陽極將水電解產(chǎn)生質(zhì)子(H+)，通過質(zhì)子導(dǎo)體將質(zhì)子(H+)由陽極傳導(dǎo)至陰極，并在陰極將質(zhì)子(H+)轉(zhuǎn)化成氫。
另外，本發(fā)明的電化學(xué)設(shè)備包括位于陽極和陰極之間的質(zhì)子導(dǎo)體并具有一種包含碳材料的結(jié)構(gòu)，該碳材料是選自富勒烯，碳簇，和線性碳結(jié)構(gòu)的至少一種，其中質(zhì)子(H+)離解基團(tuán)被引入至少一部分碳原子中。
另外，本發(fā)明的一種用于產(chǎn)生電化學(xué)能量的方法包括以下步驟使用本發(fā)明的用于生產(chǎn)氫的裝置由陽極的至少一個(gè)表面供給氣態(tài)或蒸汽態(tài)的水，在陽極將水電解產(chǎn)生質(zhì)子(H+)，通過質(zhì)子導(dǎo)體將質(zhì)子(H+)由陽極傳導(dǎo)至陰極，并在陰極由質(zhì)子(H+)產(chǎn)生氫；然后在陰極將氫分解產(chǎn)生質(zhì)子(H+)，通過質(zhì)子導(dǎo)體將質(zhì)子(H+)由陰極傳導(dǎo)至陽極，并在陽極由質(zhì)子(H+)產(chǎn)生水。
本發(fā)明中的“質(zhì)子(H+)離解基團(tuán)”是指一種可通過電離而釋放質(zhì)子的官能團(tuán)，且“質(zhì)子(H+)離解”是指質(zhì)子通過電離從該基團(tuán)中分離。
根據(jù)本發(fā)明的用于生產(chǎn)氫的裝置和用于生產(chǎn)氫的方法，具有碳材料的質(zhì)子導(dǎo)體作為電解質(zhì)位于兩極之間，且氫(H2)由質(zhì)子(H+)產(chǎn)生，其中后者通過這種甚至在低濕度氣氛下也起作用的質(zhì)子導(dǎo)體由陽極傳導(dǎo)至陰極，其中所述碳材料是選自富勒烯，碳簇，和線性碳結(jié)構(gòu)的至少一種，其中質(zhì)子(H+)離解基團(tuán)被引入至少某些碳原子中。
根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)設(shè)備和用于產(chǎn)生電化學(xué)能量的方法，具有含有碳材料的結(jié)構(gòu)的質(zhì)子導(dǎo)體作為電解質(zhì)位于兩極之間，氫(H2)由質(zhì)子(H+)產(chǎn)生，其中后者通過這種甚至在低濕度氣氛下也起作用的質(zhì)子導(dǎo)體由陽極傳導(dǎo)至陰極，且水(H2O)由質(zhì)子(H+)產(chǎn)生，其中后者由陰極傳導(dǎo)至陽極，其中所述碳材料是選自富勒烯，碳簇(carbon clusters)，和線性碳結(jié)構(gòu)(linear carbon structure)的至少一種，其中質(zhì)子(H+)離解基團(tuán)被引入到至少某些碳原子中。
本發(fā)明的這些和其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)更完整地在以下描述中顯現(xiàn)。


圖1是一個(gè)截面圖，示出了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的用于生產(chǎn)氫的裝置。
圖2是圖1所示的用于生產(chǎn)氫的裝置的透視圖。
圖3是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的電化學(xué)設(shè)備的截面圖。
圖4A和4B是多羥基富勒烯的結(jié)構(gòu)圖，它是用于按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的質(zhì)子導(dǎo)體的富勒烯衍生物之一。
圖5A和5B是模型圖，示出了用于按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的質(zhì)子導(dǎo)體的富勒烯衍生物的一種存在形式、圖6示出了在圖3所示的電化學(xué)設(shè)備中，供給水的分壓與電流密度輸出之間的關(guān)系。
圖7示出了在圖3所示的電化學(xué)設(shè)備中，操作溫度與電流密度輸出之間的關(guān)系。
圖8給出了在圖1所示的用于生產(chǎn)氫的裝置中，質(zhì)子導(dǎo)體的離子導(dǎo)電率與操作溫度之間的關(guān)系。
圖9A-9C是模型圖，示出了包含在按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的質(zhì)子導(dǎo)體中的碳簇的例子。
圖10A-10D是模型圖，示出了作為碳簇而包含在按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的質(zhì)子導(dǎo)體中的部分富勒烯結(jié)構(gòu)的例子。
圖11A-11G是模型圖，示出了作為碳簇而包含在按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的質(zhì)子導(dǎo)體中的金剛石結(jié)構(gòu)的例子。
圖12A-12G是模型圖，示出了作為碳簇而包含在按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的質(zhì)子導(dǎo)體中的簇組合的例子。
圖13A-13C是用作按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的質(zhì)子導(dǎo)體的基本部分的碳納管(納管)和碳纖維的示意圖。
圖14示出了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的富勒醇(fullereneol)相對(duì)濕度的電流性能。
圖15示出了使用富勒醇作為質(zhì)子導(dǎo)體的電池的氫產(chǎn)生和電功率產(chǎn)生。
圖16是一個(gè)截面圖，示出了用于生產(chǎn)氫的常規(guī)裝置的輪廓結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
以下根據(jù)實(shí)施方案更詳細(xì)描述本發(fā)明。
圖1是一個(gè)構(gòu)造圖，示出了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的用于生產(chǎn)氫的裝置的斷面結(jié)構(gòu)，且圖2是其總視圖。用于生產(chǎn)氫的裝置10具有一種其中質(zhì)子導(dǎo)體3位于在相對(duì)方向上放置的陽極1和陰極2之間的結(jié)構(gòu)，且通過在陽極1和陰極2之間施加電壓的情況下由陽極1的遠(yuǎn)離質(zhì)子導(dǎo)體3的表面供給氣態(tài)或蒸汽態(tài)的水，水在陽極1上電解產(chǎn)生質(zhì)子(H+)，所產(chǎn)生的質(zhì)子(H+)通過質(zhì)子導(dǎo)體3傳導(dǎo)至陰極2，然后氫在陰極2上由質(zhì)子(H+)產(chǎn)生。
這些元件，即，陽極1，質(zhì)子導(dǎo)體3，和陰極2按此順序多層化并形成一種MEA(膜電組件)。因此，電極1和2以及質(zhì)子導(dǎo)體3都優(yōu)選整合或接觸放置，并具有柔性片材的形狀，但從使用或放大的角度看具有足夠的強(qiáng)度。
為了得到低電解質(zhì)電壓，這些元件中的陽極1和陰極2優(yōu)選為具有足夠低的氫產(chǎn)生電勢(shì)的活性電極。另外，它們優(yōu)選具有可塑性和足以接觸質(zhì)子導(dǎo)體3的表面積，以及耐熱性能，例如，它們由諸如多孔或網(wǎng)孔形的電極材料制成。
另外，陽極1或陰極2和質(zhì)子導(dǎo)體3中的至少一個(gè)優(yōu)選設(shè)置成夾入催化劑層，且在此，電極1和2以及質(zhì)子導(dǎo)體3都分別設(shè)置成夾入催化劑層4。這樣，可提高水電解的效率并可進(jìn)一步提高氫產(chǎn)生的效率。
具體地，電極1和2和催化劑層4通過制備片材狀碳纖維，多孔碳，或類似物并將活性催化劑施用到其表面上以接觸質(zhì)子導(dǎo)體3而形成。
作為催化劑層4的材料，例如，鉑，釕，或銥氧化物的顆粒是理想的，且其它的電極物質(zhì)如銀可以是優(yōu)選的，只要能促進(jìn)在以上電極1和2上的反應(yīng)。
催化劑層4在每個(gè)電極1和2的至少一個(gè)表面上的形成可通過常規(guī)方法進(jìn)行。例如，它可這樣進(jìn)行將催化劑或其前體施用到碳粉末的表面上，通過熱處理或類似方法處理該粉末以形成催化劑顆粒，然后烘烤并將顆粒和氟樹脂施用到每個(gè)電極1和2的表面上。另外，例如由鉑和釕的合金制成的催化劑層4可如下在電極1和2的表面上分別形成將催化劑的前體，例如，氯鉑酸和氯釕酸的混合水溶液，或丁基醇溶液施用到每個(gè)電極1和2的表面上，并隨后將它們?cè)诎瑲涞倪€原氣氛下在200℃-350℃的溫度下烘烤。
另外，通過編織金屬線而制成的金屬網(wǎng)元件(metal net member)可作為芯材料插入片材狀電極1和2中或施用到其上。在這種情況下，電極本身的導(dǎo)電率得到提高且可在整個(gè)表面上預(yù)期一種均勻的電流分布。
質(zhì)子導(dǎo)體3是質(zhì)子(H+)的傳導(dǎo)介質(zhì)并具有一種包含衍生物的結(jié)構(gòu)，其中基本部分是選自富勒烯，碳簇，和線性碳結(jié)構(gòu)的至少一種且質(zhì)子(H+)離解基團(tuán)被引入其碳原子中。
首先描述具有一種包含富勒烯衍生物的結(jié)構(gòu)的質(zhì)子導(dǎo)體3的情形。
在此，盡管用作該衍生物的基本部分的富勒烯并不具體限定為球-殼狀簇，但一般優(yōu)選使用選自C36，C60，C70，C76，C78，C80，C82，C84，或其中兩種或多種的混合物的簡(jiǎn)單物質(zhì)富勒烯。
這些富勒烯在1985年在使用含碳激光燒蝕(laser ablation)的簇束的質(zhì)量分析光譜中發(fā)現(xiàn)(Kroto，H.W.；Heath，J.R；O’Brien，S.C.；Curl，R.F.；Smalley，和R.E.Nature 1985.318，162.)。5年之后才實(shí)際建立其制造方法，并在1990年發(fā)現(xiàn)利用碳電極弧放電工藝的制造方法，且富勒烯從此之后已作為碳半導(dǎo)體材料或類似物引起關(guān)注。
圖4A和4B示出了通過將多個(gè)羥基基團(tuán)(OH基團(tuán))引入富勒烯而得到的富勒醇的結(jié)構(gòu)。至于富勒醇，其合成的例子首先由Chiang等人記錄于1992年(Chiang，L.Y.；Swirczewski，J.W.；Hsu，C.S.；Chowdhury，S.K.；Cameron，S.；Creegan，K.，J.Chem.Soc，Chem.Commun.1992，1791)。
申請(qǐng)人已首次發(fā)現(xiàn)，如果富勒醇如圖5A所示形成為聚集體(其中圖中所示的環(huán)表示富勒烯)并與靠近富勒醇的羥基基團(tuán)相互作用，該聚集體作為宏觀聚集體而表現(xiàn)出高質(zhì)子導(dǎo)電率(換句話說，酚羥基基團(tuán)的H+離解能力)。
可以相同機(jī)理表現(xiàn)出質(zhì)子導(dǎo)電率的富勒烯衍生物可包括其中OSO3H基團(tuán)而不是OH基團(tuán)被引入多羥基富勒烯的富勒烯衍生物，即，如圖5B所示的硫酸酯富勒醇，它也由Chiang等人報(bào)道于1994年(Chiang.L.Y.；Wang，L.Y.；Swirczewski，J.W.；Soled，S.；Cameron，S.，和J.Org.Chem.1994，59，3960)。硫酸酯富勒醇包括在一個(gè)分子中僅包含OSO3H基團(tuán)的那些和同時(shí)包含OSO3H和OH基團(tuán)的那些。
應(yīng)該注意，可表現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電率的任何富勒烯衍生物可以是質(zhì)子導(dǎo)體3的構(gòu)成材料，且所引入的基團(tuán)不特別僅限于OH基團(tuán)和OSO3H基團(tuán)。
即，被引入富勒烯的離解基團(tuán)表示為-XH，且X可表示任何具有二價(jià)化合價(jià)數(shù)的原子或原子團(tuán)。另外，這些基團(tuán)表示為-OH或-YOH，且Y可表示任何具有二價(jià)化合價(jià)數(shù)的原子或原子團(tuán)。
具體地，除了上述的-OH和OSO3H外，-COOH，-SO3H，或-OPO(OH)2是優(yōu)選的。
在由這些富勒醇和硫酸酯富勒醇代表的富勒烯衍生物中，相當(dāng)多的官能團(tuán)如OH基團(tuán)和OSO3H基團(tuán)可引入到作為基本部分的富勒烯的一個(gè)分子中，這樣，當(dāng)其大量聚集時(shí)，單位體積的氫離子密度明顯增加，并表現(xiàn)出有效的導(dǎo)電率。
另外，在這些富勒烯衍生物中，可連續(xù)保持良好的質(zhì)子導(dǎo)電率，即使它處于低濕度氣氛下，這是由于來自O(shè)H基團(tuán)，OSO3H基團(tuán)，和類似物的氫離子(H+)直接影響質(zhì)子傳導(dǎo)。
另外，富勒烯本身具有親電性，因此認(rèn)為，氫離子的電離不僅在具有高酸度的OSO3H基團(tuán)中而且在其衍生物的OH基團(tuán)中也得到促進(jìn)，因此質(zhì)子導(dǎo)電率仍然較高。
這些富勒烯衍生物重量輕，較少變質(zhì)，且不含污染物，因?yàn)樗鼈兇蟛糠钟筛焕障┑奶荚咏M成。富勒烯的制造成本也正在迅速下降。因此可以說，富勒烯不僅具有優(yōu)異的材料性能，而且是理想的電解質(zhì)材料，即使從資源、經(jīng)濟(jì)、和環(huán)境角度看也優(yōu)于任何其它的材料。
可用于實(shí)施方案的這些富勒烯衍生物這樣合成使用熟知的處理的合適組合如酸處理和水解來處理富勒烯的粉末，向富勒烯的碳原子中引入所需的官能團(tuán)。另外，質(zhì)子導(dǎo)體3是通過將富勒烯衍生物涂布或沉積成型為膜形狀而得到。在此，質(zhì)子導(dǎo)體3接觸多孔分離板5的兩面。
另外，質(zhì)子導(dǎo)體3可通過僅壓制富勒烯衍生物而成型為膜形狀。另外，它可通過將粘結(jié)劑加入富勒烯衍生物并進(jìn)行壓制、擠出模塑、或類似操作而成型為膜。
可用作粘結(jié)劑的聚合物材料不限于能產(chǎn)生盡可能小的質(zhì)子導(dǎo)電率(因?yàn)榕c富勒烯衍生物的反應(yīng))抑制作用并能夠用于成膜的那些。通常使用沒有電子導(dǎo)電率且穩(wěn)定性良好的那些，例如，使用一種或兩種或多種能夠用于成膜的熟知的聚合物。具體例子包括聚四氟乙烯，聚偏二氟乙烯，聚乙烯醇，而且這些因?yàn)橐韵陆忉尩脑蚨歉鼉?yōu)選的聚合物材料。
首先，聚四氟乙烯是優(yōu)選的，由于它與其它聚合物材料相比，較少混合量就容易形成具有較高強(qiáng)度的較大薄膜。在這種情況下，混合量可變低，該值是3％重量或更低，優(yōu)選0.5-1.5％重量，且薄膜的厚度通?？山档筒?00-1μm。
另外，聚偏二氟乙烯和聚乙烯基醇是優(yōu)選的，這是由于可得到具有質(zhì)子導(dǎo)電率和優(yōu)異的防止氣體滲透的能力的薄膜。此時(shí)的混合量?jī)?yōu)選為5-15％重量。
因此，與富勒烯衍生物粉末的壓制物體相比，其中加入有粘結(jié)劑的質(zhì)子導(dǎo)體3不僅可具有與僅使用富勒烯衍生物時(shí)類似的質(zhì)子導(dǎo)電率，而且具有更薄(約300μm或更低)和更柔性的結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度并能夠防止氣體滲透。
以下描述具有包含碳簇衍生物的結(jié)構(gòu)的質(zhì)子導(dǎo)體3的情形。
一般，碳簇是通過鍵接或聚集幾個(gè)至幾百個(gè)原子而形成的聚集體，且其聚集(集合)可改善質(zhì)子導(dǎo)電率方面的性能。原子之間的鍵可給碳簇的膜提供高強(qiáng)度并使層容易形成。另外，這些簇包含碳作為主要組分，且為通過任何種類的碳-碳鍵將幾個(gè)至幾百個(gè)碳原子鍵接形成的聚集體。應(yīng)該注意，其組成無需僅限定為100％碳簇，而且也可以是包含其它的原子的混合物。在此，具有大量碳原子的聚集體(也包括這種情形)稱作碳簇。
碳簇用作基本部分，因?yàn)樾枰朐S多質(zhì)子離解基團(tuán)以提供優(yōu)異的質(zhì)子導(dǎo)電率，而且可通過碳簇而實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，固體狀質(zhì)子導(dǎo)體的酸度變得明顯高，但碳簇與其它的碳結(jié)構(gòu)不同的是較少受氧化變質(zhì)，并具有優(yōu)異的耐久性，且構(gòu)成原子相互緊密鍵接，因此原子之間的鍵即使在高酸度時(shí)也不會(huì)斷裂(即，難以化學(xué)改變)，并因此可保持該膜結(jié)構(gòu)。
圖9A-12G示出了分別用作質(zhì)子導(dǎo)體3的原料的碳簇的例子。圖9A-9C給出具有球，扁長(zhǎng)球狀體，或閉合表面結(jié)構(gòu)的碳簇組，類似于其中許多碳原子聚集的這些結(jié)構(gòu)(另外，還示出了分子狀富勒烯)。另一方面，圖10A-10D給出了具有這樣一種結(jié)構(gòu)的碳簇組，其中缺少圖9A-9C所示簇的一部分球形殼(圖10C和10D中的黑色部分表示5元環(huán)或7元環(huán))。在這些情況下，該結(jié)構(gòu)具有特征的開口邊緣，而且這種結(jié)構(gòu)可在許多情況下作為使用弧放電制造富勒烯的工藝的副產(chǎn)物而出現(xiàn)。
另外，圖11A-11G示出了具有金剛石結(jié)構(gòu)的碳簇，其中大多數(shù)碳原子形成SP3鍵。
應(yīng)該注意，其中大多數(shù)碳原子形成SP2鍵的簇具有石墨的結(jié)構(gòu)、或富勒烯或納管的全部或部分結(jié)構(gòu)。其中，具有石墨結(jié)構(gòu)的許多簇具有電子導(dǎo)電率，并因此不是質(zhì)子導(dǎo)體的優(yōu)選的基本部分。
相反，富勒烯和納管的SP2鍵部分包含SP3鍵的成分，因此其中許多沒有電子導(dǎo)電率，因此它們優(yōu)選為質(zhì)子導(dǎo)體3的基本部分。
圖12A-12G示出了相互鍵接的簇的情形(在圖12A的簇之間畫出的細(xì)線表示鍵接鏈如-(CH2)n-和-(CF2)n-，且圖12D-12G中的黑色部分表示5元環(huán)或7元環(huán))。這種結(jié)構(gòu)也是適用的。
在此，作為基本部分的碳簇具有100nm或更低，尤其和優(yōu)選10nm或更低的長(zhǎng)軸，且最好將兩個(gè)或多個(gè)官能團(tuán)引入這些簇中。
另外，碳簇優(yōu)選為籃狀結(jié)構(gòu)或至少部分具有開口邊緣的結(jié)構(gòu)。具有缺失結(jié)構(gòu)的富勒烯例如具有富勒烯的反應(yīng)性，另外且同時(shí)，其缺失部分，即，開口部分具有明顯較高的反應(yīng)性。因此，通過酸處理或類似處理，促進(jìn)了酸(質(zhì)子)離解基團(tuán)的引入，得到較高的官能團(tuán)引入速率，并獲得高質(zhì)子導(dǎo)電率。另外，其較大規(guī)模的合成與富勒烯相比變得可能，而且有可能非常便宜地生產(chǎn)。
作為一種將前述質(zhì)子離解基團(tuán)引入以上碳簇中的方式，以下制造方法是優(yōu)選的。
即，首先，利用碳電極的弧放電生產(chǎn)由碳粉末制成的碳簇。然后，碳簇通過選自使用硫酸或類似物的酸處理、水解或類似處理，以及磺化或磷酸酯酯化的所需步驟進(jìn)行適當(dāng)處理。這樣，可容易得到所需的碳簇衍生物。該碳簇衍生物可通過壓制而直接成型為膜，粒料，或類似形狀，無需粘合劑。
包含這種碳簇衍生物作為主要組分的質(zhì)子導(dǎo)體3具有作為基本部分的碳簇，因此質(zhì)子即使在干燥環(huán)境中也容易離解，并表現(xiàn)出包括質(zhì)子導(dǎo)電率的優(yōu)異的效果，如同使用富勒烯作為基本部分的情形。另外，按照所示的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，該基本部分的材料有較寬的選擇范圍。
以下描述具有一種包含線性碳結(jié)構(gòu)衍生物的結(jié)構(gòu)的質(zhì)子導(dǎo)體3的情形。
線性碳結(jié)構(gòu)優(yōu)選為管形狀或纖維形狀，且例如，碳納管或碳纖維是優(yōu)選的。
碳納管或碳纖維往往由于其結(jié)構(gòu)而發(fā)出電子，且可具有非常大的表面積，這可有助于進(jìn)一步提高質(zhì)子傳播效率。
這些物質(zhì)可通過弧放電方法或化學(xué)蒸氣沉積(熱CVD)而制造。
例如，對(duì)于弧放電方法，碳納管可這樣得到在具有弧放電腔和金屬催化劑如FeS，Ni，或Co的氦氣氣氛下(例如，在20kPa下)進(jìn)行合成，然后利用弧放電在該腔的內(nèi)壁上沉積為布狀。在此，如果以上催化劑共同存在，可得到具有小孔的以上碳納管，而如果弧放電在非催化劑的條件下進(jìn)行，可得到由具有大孔的多層構(gòu)成的以上碳納管。
圖13A和13B示出了多層碳納管的graphene片材的圓柱狀結(jié)構(gòu)，它可如上所述使用弧放電在非催化劑條件下制成，它是一種沒有缺陷的高品質(zhì)碳納管，而且已知它作為電子發(fā)射材料具有非常高的效率。
質(zhì)子離解基團(tuán)可以一種類似于以上碳簇的處理方式而引入通過弧放電方法得到的碳納管中，并得到一種在干燥環(huán)境中也具有優(yōu)異的質(zhì)子導(dǎo)電率的質(zhì)子導(dǎo)體3。
化學(xué)蒸氣沉積是用于合成碳納管或碳纖維的技術(shù)，其中將過渡金屬顆粒與烴如乙炔，苯，和乙烯，或CO進(jìn)行反應(yīng)。具體地，將過渡金屬基材或涂覆基材與烴或CO氣體反應(yīng)，將碳納管或碳纖維沉積到基材上。
例如，具有圖13C透視圖所示的結(jié)構(gòu)的碳纖維可通過將Ni基材定位在一個(gè)受熱至700℃的礬土管中，并將它與甲苯/H2氣體(例如，100sccm)反應(yīng)而合成。
另外，碳納管的縱橫比優(yōu)選為1∶1000-1∶10，和碳纖維的縱橫比優(yōu)選為1∶5000-1∶10。另外，這些線性碳結(jié)構(gòu)的孔優(yōu)選為0.001-0.5μm，且其長(zhǎng)度優(yōu)選為1-5μm。
根據(jù)實(shí)施方案，質(zhì)子導(dǎo)體3具有一種包含至少一種上述碳材料的結(jié)構(gòu)。另外，它優(yōu)選至少接觸多孔分離板5如聚乙烯(PE)的一面，且更優(yōu)選如該實(shí)施方案而接觸其兩面。這樣防止除了存在于陽極1面上的質(zhì)子，水，在陽極1上產(chǎn)生的氧和類似物之外的其它物質(zhì)轉(zhuǎn)移至陰極2側(cè)，并同時(shí)保持質(zhì)子導(dǎo)體3的形狀。另外，多孔分離板5的孔可填充有質(zhì)子導(dǎo)體3，這使得在陽極1上產(chǎn)生的質(zhì)子有效地傳導(dǎo)至陰極2。
質(zhì)子導(dǎo)體3通過催化劑層4插入陽極1和陰極2之間，且其構(gòu)成使得上述層可分別相互接觸的主要部件部分容納在由SUS或類似物制成的外框架7A內(nèi)。一個(gè)用于供給水蒸汽或含水蒸汽的空氣的孔位于陽極1側(cè)的外框架7A中。
另外，用于容納或儲(chǔ)存所產(chǎn)生的氫的H2儲(chǔ)存罐6位于該主要部件部分的陰極2側(cè)。H2儲(chǔ)存罐6具有用于供給作為惰性氣體的氮(N2)的N2加料開口8，和用于提取儲(chǔ)存在內(nèi)部的氫并排出氮(N2)的N2出口9。另外，H2儲(chǔ)存罐6可由玻璃，金屬，塑料，或類似物制成，或也可以是在填充氫時(shí)可交換的盒型(cartridge-type)。另外，可將吸氫合金(hydrogen occluding alloy)連接到內(nèi)部，這樣氫可被吸附并儲(chǔ)存在其中。
另外，盡管并不特別限定用于電極1和2的供電裝置，但優(yōu)選使用具有耐熱性和耐腐蝕性的金屬，例如，可合適地使用由涂覆在鈦網(wǎng)表面上的具有穩(wěn)定的導(dǎo)電率的導(dǎo)電氧化物如氧化釕構(gòu)成的那些。
以下電極反應(yīng)發(fā)生在按照上述方式構(gòu)成的用于生產(chǎn)氫10的裝置的陽極1和陰極2上。
陽極1陰極2即，如果在陽極1和陰極2之間供給能量，并通過外框架7A的孔將水以氣態(tài)或蒸汽態(tài)供給陽極1的一側(cè)，水在陽極1上電解，并產(chǎn)生質(zhì)子(H+)。這些質(zhì)子(H+)通過質(zhì)子導(dǎo)體3由陽極1傳導(dǎo)至陰極2，且質(zhì)子(H+)在陰極2上轉(zhuǎn)化成氫。關(guān)于此，這種情況下的理論電解質(zhì)電壓是1.22V。實(shí)際上，電極過電壓，電阻，和類似物被加入該值且電解質(zhì)電壓變?yōu)榧s1.5V-2V。
另外，水電解時(shí)的溫度是水作為氣體存在的任何溫度優(yōu)選-50-300℃，和更優(yōu)選-40-160℃。原因在于，低于以上范圍的溫度降低質(zhì)子導(dǎo)體3的導(dǎo)電率，造成效率下降，而較高的溫度容易造成質(zhì)子導(dǎo)體3本身的分解。
另外，供給陽極1的水(蒸汽)的分壓優(yōu)選為267Pa-267kPa。原因在于，低于以上范圍的分壓可阻礙得到足夠的分解氫，而較高的壓力容易因水的露點(diǎn)冷凝而發(fā)生的電池性能的下降。
在此，如此產(chǎn)生的氫儲(chǔ)存在直接連接到陰極2的一側(cè)的H2儲(chǔ)存罐6中。例如，如果燃料電池通過一個(gè)球如N2出口9結(jié)合到H2儲(chǔ)存罐6上，氫可供給燃料電池。如果使用吸氫合金儲(chǔ)存氫，所吸收的氫可通過加熱吸氫合金而放出。在任何方法中，可以使用儲(chǔ)存氫作為燃料電池的原料。
另外，如果用于生產(chǎn)氫10的裝置與太陽能電池或風(fēng)功率結(jié)合使用，可通過將自然能轉(zhuǎn)化成電能并隨后由這種用于生產(chǎn)氫10的裝置將所轉(zhuǎn)化的電能轉(zhuǎn)化成氫而進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存。
因此，在該實(shí)施方案中，本身具有質(zhì)子導(dǎo)電率的質(zhì)子導(dǎo)體3用作陽極1和陰極2之間的固體電解質(zhì)層，這樣可在低濕度狀態(tài)的空氣中產(chǎn)生氫。因此，操作僅在空氣中進(jìn)行，無需增濕至高濕度，不同于使用Nafion的常規(guī)例子，這樣氫制造的起始操作可早些開始，而且無需增濕器。另外，無需調(diào)節(jié)溫度，濕度，壓力，和類似物，這樣可簡(jiǎn)單并有效地產(chǎn)生氫。應(yīng)該注意，可以安裝增濕器以增濕用于生產(chǎn)氫的裝置中的質(zhì)子導(dǎo)體3。
圖8示出了與利用Nafion而不是質(zhì)子導(dǎo)體3相比，在利用富勒烯衍生物如富勒醇作為質(zhì)子導(dǎo)體3時(shí)的溫度和導(dǎo)電率之間的關(guān)系。結(jié)果表明，Nafion的使用阻礙了離子傳導(dǎo)，除非處于增濕或溢流狀態(tài)(flooded state)，且其操作溫度范圍也窄，但富勒烯衍生物的使用即使在無增濕情況下也可提供比Nafion高10-100mS/cm的離子導(dǎo)電率。
另外，因?yàn)橥瑫r(shí)產(chǎn)生水常規(guī)氫制造需要減濕器，由于Nafion傳導(dǎo)H3O+離子。另一方面，根據(jù)實(shí)施方案，僅可產(chǎn)生氫且無需減濕器(dehumidifier)，由于質(zhì)子導(dǎo)體3能夠傳導(dǎo)質(zhì)子(H+)并將它們轉(zhuǎn)化成氫。
如上所述，用于生產(chǎn)氫10的裝置可以是一種更緊湊和高度多用的裝置，且氫可通過使用該裝置更有效和簡(jiǎn)單地生產(chǎn)。
另外，根據(jù)該實(shí)施方案，用于生產(chǎn)氫10的裝置不僅可產(chǎn)生氫，而且向燃料電池和類似物供給氫，并相反地將電能轉(zhuǎn)化成氫以儲(chǔ)存能量。
圖3是一個(gè)截面圖，示出了按照該實(shí)施方案的電化學(xué)設(shè)備的結(jié)構(gòu)。該電化學(xué)設(shè)備20的主要部分按照與用于生產(chǎn)氫10的裝置的相同方式而構(gòu)成，且其結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行兩種操作如同用于生產(chǎn)氫10的裝置利用以上的電極反應(yīng)通過電解水而產(chǎn)生氫、和利用其逆反應(yīng)由氫產(chǎn)生水。因此，與用于生產(chǎn)氫10的裝置相同的元件由相同的符號(hào)表示，并因此省略其描述。
在電化學(xué)設(shè)備20中，例如，安裝有外框架7且氧供應(yīng)開口21和H2O出口22通向外框架7，在外框架的結(jié)構(gòu)中，外框架7B應(yīng)用到外框架7A上。氧由氧加料開口21供給至在外框架7側(cè)的陽極1表面上。另外，在陽極1產(chǎn)生的水通過H2O出口22排出。
在電化學(xué)設(shè)備20中，不僅氫由水產(chǎn)生并儲(chǔ)存在H2儲(chǔ)存罐6中，與用于生產(chǎn)氫10的裝置相同，而且所產(chǎn)生和儲(chǔ)存的氫在陰極2上分解成質(zhì)子(H+)，且質(zhì)子(H+)通過質(zhì)子導(dǎo)體3傳導(dǎo)至陽極1，然后質(zhì)子(H+)在陽極1上轉(zhuǎn)化成水。此時(shí)這兩個(gè)電極的反應(yīng)為陽極1陰極2在反應(yīng)過程中，電化學(xué)能量在陰極2和陽極1之間得到。即，電化學(xué)設(shè)備20可用作燃料電池。
另外，也可將在氫生產(chǎn)過程中在陽極1上產(chǎn)生的氫儲(chǔ)存，且也可通過將電化學(xué)能量產(chǎn)生過程中的儲(chǔ)存氧供給陽極1而使氧再循環(huán)。
圖6示出了與使用Nafion而不是質(zhì)子導(dǎo)體3相比，在使用硫酸酯富勒醇作為電化學(xué)設(shè)備20的質(zhì)子導(dǎo)體3時(shí)，供給水的分壓與作為設(shè)備20的輸出而得到的電流密度之間的關(guān)系。在水分壓低于5kPa(40托)的低濕度氣氛下，如果使用采用富勒烯衍生物的電化學(xué)設(shè)備20，可有利地得到電流輸出，但電流密度在使用Nafion時(shí)幾乎為0mA/cm2。另外發(fā)現(xiàn)，在電化學(xué)設(shè)備20中，電流的量與水的分壓成比例，而且操作溫度越高，所得電流越大。
另外，圖7示出了在使用富勒烯衍生物作為質(zhì)子導(dǎo)體3時(shí)的溫度和電流密度之間的關(guān)系。該圖表明，裝置的設(shè)定溫度越高和水的分壓越高，所得電流密度越高。
如上所述，電化學(xué)設(shè)備20具有與用于生產(chǎn)氫10的裝置相同的組成，并因此可表現(xiàn)出與用于生產(chǎn)氫10的裝置相同的效果，因此可有效地操作。
以下根據(jù)實(shí)施例具體描述本發(fā)明。
(實(shí)施例1)制造出圖1所示的用于生產(chǎn)氫的裝置。首先生產(chǎn)質(zhì)子導(dǎo)體3將通過將富勒醇(C60(OH)n)粉末和THF(四氫呋喃)液體以1∶2重量比混合而得到的混合物通過刮刀法施用到膜厚度為9μm的多孔聚乙烯膜(30％的孔隙率)5的雙面上，然后在室溫和室內(nèi)空氣中干燥15分鐘。
然后生產(chǎn)陽極1和陰極2將Pt作為陽極1和陰極2支撐在碳片材的不接觸質(zhì)子導(dǎo)體3的每個(gè)表面上以擴(kuò)大與質(zhì)子導(dǎo)體3接觸的面積，將以上得到的富勒醇和THF的混合物也施用到碳片材的Pt支撐表面上，在與生產(chǎn)質(zhì)子導(dǎo)體3時(shí)的相同條件下干燥。
將施用有富勒醇的陰極2和陽極1經(jīng)過以上得到的質(zhì)子導(dǎo)體3的兩面，這樣催化劑載體表面可接觸質(zhì)子導(dǎo)體3，且其形狀通過壓制而形成。該壓力為500kg/cm2。這樣形成表觀厚度為500μm的MEA膜。
以下，為了測(cè)定所產(chǎn)生的氫的量，制備測(cè)量桶(tub)固定SUS板與陰極2的表面間隔2mm，然后將外周密封以得到與陰極2相鄰的空間，然后固定MEA膜，這樣用于產(chǎn)生氫的陰極2可通向內(nèi)部且與空氣接觸的陽極1通向外部。氮加料開口8和出口9位于測(cè)量桶中，并循環(huán)20sccm的干燥氮?dú)?。將用于測(cè)定氮中的氫的氫濃度分析儀連接到出口9上。將測(cè)量桶放入恒定溫度和濕度的室中，水在蒸汽態(tài)或氣體態(tài)下電解，同時(shí)將空氣送達(dá)陽極1側(cè)。施加電壓之前的氫濃度為0，即，低于測(cè)量限度。
在此，將該恒定溫度和濕度的室的溫度設(shè)定為25℃，濕度通過使用干燥劑或類似物而設(shè)定為20％，電解質(zhì)電壓以速率1mV/sec由0V增加至1.5V，施加1.5V的狀態(tài)持續(xù)10分鐘，并隨后將濕度由20％增加至60％。因此，發(fā)現(xiàn)電流密度明顯增加，如圖14所示。原因在于，空氣中的H2O在MEA膜的陽極催化劑層的表面上分解成氧和質(zhì)子且質(zhì)子轉(zhuǎn)移至陰極側(cè)。
(實(shí)施例2)將由實(shí)施例1所得MEA膜制成的用于生產(chǎn)氫的裝置的恒定溫度和濕度的室設(shè)定為25℃和60％濕度，電解質(zhì)電壓以速率1mV/sec由0V增加至1.5V，并保持施加1.5V的狀態(tài)，10分鐘之后，發(fā)現(xiàn)在測(cè)量桶的氮?dú)庵行纬杉s1000ppm的H2。另外，在所產(chǎn)生的氫中發(fā)現(xiàn)非常微量進(jìn)入的O2。因此認(rèn)為，通過密封而與大氣的隔離或用作質(zhì)子傳導(dǎo)膜的富勒醇是不合適的。另外，在陰極2側(cè)所產(chǎn)生的氫中，O2和H2O分別為1ppm或更低，且所得純度與在常規(guī)水電解中所獲得的氫處于相同的水平。
(實(shí)施例3)將由實(shí)施例1所得MEA膜制成的用于生產(chǎn)氫的裝置的恒定溫度和濕度的室設(shè)定為25℃和90％濕度，電解質(zhì)電壓以速率1mV/sec由0V增加至1.5V，并保持施加1.5V的狀態(tài)，10分鐘之后，發(fā)現(xiàn)在測(cè)量桶的氮?dú)庵行纬杉s10000ppm的H2。另外，在所產(chǎn)生的氫中發(fā)現(xiàn)非常微量進(jìn)入的O2。因此認(rèn)為，通過密封而與大氣的隔離或用作質(zhì)子導(dǎo)電膜的富勒醇是不合適的。另外，在陰極2側(cè)所產(chǎn)生的氫中，O2和H2O分別為1ppm或更低，且所得純度與在常規(guī)水電解中所獲得的氫處于相同的水平。
(對(duì)比例1)在實(shí)施例2的恒定溫度和濕度的室的條件下進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)，其中使用由DuPont制造的Nafion415，而不是其中多孔膜(分離板)6支撐富勒醇的質(zhì)子導(dǎo)體3。當(dāng)電解質(zhì)電壓以速率1mV/sec由0V增加至1.5V并保持施加1.5V的狀態(tài)時(shí)，電流密度是0.01mA/cm2或更低，且測(cè)量桶中的氮?dú)獾臍錆舛仁?ppm(測(cè)量限度)或更低。
(對(duì)比例2)在實(shí)施例3的恒定溫度和濕度的室的相同條件下進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)，其中使用由DuPont制造的Nafion415，而不是其中多孔膜(分離板)6支撐富勒醇的質(zhì)子導(dǎo)體3。當(dāng)電解質(zhì)電壓以速率1mV/sec由0V增加至1.5V并保持施加1.5V的狀態(tài)時(shí)，在10分鐘之后，在測(cè)量桶中的氮?dú)獾闹行纬杉s100ppm的H2，且在20分鐘之后，在測(cè)量桶中的氮?dú)庵行纬杉s1000ppm的H2。另外，在產(chǎn)生H2的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在氮?dú)庵行纬杉s2000ppm的H2O。
(對(duì)比例3)在對(duì)比例2的條件下使用Nafion膜進(jìn)行氫生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)2小時(shí)，最終所產(chǎn)生的氫濃度降至約50ppm。所給出的原因在于，在陰極2側(cè)所產(chǎn)生的H2O沉積在電極表面上。
由實(shí)施例1，2，和3和對(duì)比例1，2，和3顯然看出，使用Nafion膜作為質(zhì)子導(dǎo)體在例如60％濕度的氣氛下不會(huì)產(chǎn)生氫，并在90％濕度的氣氛下產(chǎn)生氫但同時(shí)產(chǎn)生水，因此不能預(yù)期氫的連續(xù)生產(chǎn)。另一方面，在按照本發(fā)明的用于生產(chǎn)氫的方法和裝置中，富勒烯衍生物如富勒醇用作質(zhì)子導(dǎo)體，因此它即使在低濕度狀態(tài)的空氣中也能夠起作用，即使無需增濕器或減濕器，也可有效地生產(chǎn)氫。
(實(shí)施例4)將測(cè)量桶的氮供應(yīng)開口8和出口9密封，將恒定溫度和濕度的室設(shè)定為25℃和60％濕度，將0-1.6V電壓在1mA/cm2恒定電流模式下施用到使用富勒醇作為質(zhì)子導(dǎo)體的電池上，進(jìn)行電解，然后儲(chǔ)存所產(chǎn)生的氫。因此，如圖15所示，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于1.3mAh/cm2電流量的氫并儲(chǔ)存在測(cè)量桶的內(nèi)部。
(實(shí)施例5)如實(shí)施例4一樣密封測(cè)量桶，將恒定溫度和濕度的室設(shè)定為25℃和65％濕度，將0-1.6V電壓在1mA/cm2恒定電流模式下施用到使用富勒醇作為質(zhì)子導(dǎo)體的電池上，進(jìn)行電解，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于1.3mAh/cm2電流量的氫并儲(chǔ)存在測(cè)量桶的內(nèi)部。當(dāng)在10mA/cm2恒定電流模式的條件下使用儲(chǔ)存氫提取電功率時(shí)，用作燃料電池時(shí)的起始電壓為1.4V，最后如圖15所示得到1.2mAh/電池的電流量。另外，如果以10mA/cm2電流密度提取電流，電動(dòng)力開始因?yàn)闃O化現(xiàn)象而下降，并在0.7V附近保持大致恒定。因此，為了在10mA/cm2下在電池中產(chǎn)生功率，操作電壓合適地為0.7V。需要高電壓的設(shè)備可通過將電池串聯(lián)而操作。
由實(shí)施例4和5顯然看出，在按照本發(fā)明的用于生產(chǎn)氫的方法和裝置中，富勒烯衍生物如富勒醇用作質(zhì)子導(dǎo)體，這樣即使在低濕度狀態(tài)的空氣中也可有效地生產(chǎn)氫而無需增濕器或減濕器，并使用所產(chǎn)生的氫產(chǎn)生電功率。
由上述內(nèi)容顯然看出，根據(jù)本發(fā)明的用于生產(chǎn)氫的裝置和用于生產(chǎn)氫的方法，具有包含碳材料的結(jié)構(gòu)的質(zhì)子導(dǎo)體位于陽極和陰極之間，其中所述碳材料是選自富勒烯，碳簇，和線性碳結(jié)構(gòu)的至少一種，其中質(zhì)子(H+)離解基團(tuán)被引入至少一部分碳原子中，這樣質(zhì)子導(dǎo)體即使在低濕度氣氛下也起作用，并因此無需增濕器，且在生產(chǎn)氫時(shí)的早期起始操作是可能的，無需長(zhǎng)時(shí)間啟動(dòng)穩(wěn)定的操作。另外，僅氫(H2)由質(zhì)子(H+)產(chǎn)生，其中所述質(zhì)子通過質(zhì)子導(dǎo)體由陽極傳導(dǎo)至陰極，因此無需減濕器且僅可得到氫。因此，該裝置本身可變得緊湊并有效地生產(chǎn)氫。
另外，根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)設(shè)備和用于產(chǎn)生電化學(xué)能量的方法，其構(gòu)成如同本發(fā)明用于生產(chǎn)氫的裝置，因此在低濕度氣氛下操作是可能的。因此，無需增濕器或減濕器，可有效地生產(chǎn)氫和產(chǎn)生電化學(xué)能量。
顯然，本發(fā)明可根據(jù)以上描述進(jìn)行許多改型和變化。因此可以理解，在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以具體描述之外的其它方式而實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)氫的裝置，包括在相對(duì)方向上放置的陽極和陰極；和位于陽極和陰極之間的質(zhì)子導(dǎo)體并具有一種包含碳材料的結(jié)構(gòu)，所述碳材料是選自富勒烯，碳簇，和線性碳結(jié)構(gòu)的至少一種，其中質(zhì)子(H+)離解基團(tuán)被引入至少一部分碳原子中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于生產(chǎn)氫的裝置，其中陽極具有一個(gè)遠(yuǎn)離陰極的表面，它與水蒸汽或含水蒸汽的空氣接觸放置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用于生產(chǎn)氫的裝置，其中在陰極產(chǎn)生的氫在密封情況下保持或儲(chǔ)存。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的用于生產(chǎn)氫的裝置，其中陰極是多孔或網(wǎng)孔形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的用于生產(chǎn)氫的裝置，其中催化劑層位于質(zhì)子導(dǎo)體和至少一個(gè)陽極或陰極之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的用于生產(chǎn)氫的裝置，其中多孔分離板位于質(zhì)子導(dǎo)體和至少一個(gè)陽極或陰極之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的用于生產(chǎn)氫的裝置，其中供給陽極的蒸汽或氣體態(tài)的水具有設(shè)定為267Pa-267kPa的分壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的用于生產(chǎn)氫的裝置，其中用于電解的溫度設(shè)定為-50-300℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的用于生產(chǎn)氫的裝置，其中質(zhì)子離解基團(tuán)是-XH(X是任何具有二價(jià)化合價(jià)數(shù)的原子或原子團(tuán)且H是氫原子)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的用于生產(chǎn)氫的裝置，其中質(zhì)子離解基團(tuán)是-OH或-YOH(Y是任何具有二價(jià)化合價(jià)數(shù)的原子或原子團(tuán))。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的用于生產(chǎn)氫的裝置，其中質(zhì)子離解基團(tuán)選自-OH，-OSO3H，-COOH，-SO3H，和-OPO(OH)2。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的用于生產(chǎn)氫的裝置，其中富勒烯是球-殼狀碳簇Cm(m是自然數(shù)，表示用以形成球-殼結(jié)構(gòu)的碳原子數(shù))。
13.一種利用分解和生成水和氫的可逆反應(yīng)的電化學(xué)設(shè)備，包括在相對(duì)方向上放置的陽極和陰極；位于陽極和陰極之間的質(zhì)子導(dǎo)體并具有一種包含碳材料的結(jié)構(gòu)，所述碳材料是選自富勒烯，碳簇，和線性碳結(jié)構(gòu)的至少一種，其中質(zhì)子(H+)離解基團(tuán)被引入至少一部分碳原子中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)設(shè)備，其中所述設(shè)備是燃料電池。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)設(shè)備，其中陽極具有一個(gè)遠(yuǎn)離陰極的表面，它與水蒸汽或含水蒸汽的空氣接觸放置。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)設(shè)備，其中在陰極產(chǎn)生的氫在密封情況下保持或儲(chǔ)存。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)設(shè)備，其中陰極是多孔或網(wǎng)孔形。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)設(shè)備，其中催化劑層位于質(zhì)子導(dǎo)體和至少一個(gè)陽極或陰極之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)設(shè)備，其中多孔分離板位于質(zhì)子導(dǎo)體和至少一個(gè)陽極或陰極之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)設(shè)備，其中供給陽極的蒸汽或氣體態(tài)的水具有設(shè)定為267Pa-267kPa的分壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)設(shè)備，其中用于電解的溫度設(shè)定為-50-300℃。
22.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)設(shè)備，其中質(zhì)子離解基團(tuán)是-XH(X是任何具有二價(jià)化合價(jià)數(shù)的原子或原子團(tuán)且H是氫原子)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的電化學(xué)設(shè)備，其中質(zhì)子離解基團(tuán)是-OH或-YOH(Y是任何具有二價(jià)化合價(jià)數(shù)的原子或原子團(tuán))。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的電化學(xué)設(shè)備，其中質(zhì)子離解基團(tuán)選自-OH，-OSO3H，-COOH，-SO3H，和-OPO(OH)2。
25.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)設(shè)備，其中富勒烯是球-殼狀碳簇Cm(m是自然數(shù)，表示用以形成球-殼結(jié)構(gòu)的碳原子數(shù))。
26.一種用于生產(chǎn)氫的方法，其中使用一種用于生產(chǎn)氫的裝置，包括在相對(duì)方向上放置的陽極和陰極、和位于陽極和陰極之間的質(zhì)子導(dǎo)體并具有一種包含碳材料的結(jié)構(gòu)，所述碳材料是選自富勒烯，碳簇，和線性碳結(jié)構(gòu)的至少一種，該方法包括以下步驟由陽極的至少一個(gè)表面供給氣態(tài)或蒸汽態(tài)的水，在陽極將水電解產(chǎn)生質(zhì)子(H+)，通過質(zhì)子導(dǎo)體將質(zhì)子(H+)由陽極傳導(dǎo)至陰極，并在陰極將質(zhì)子(H+)轉(zhuǎn)化成氫。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的用于生產(chǎn)氫的方法，其中陽極的一個(gè)遠(yuǎn)離陰極的表面與水蒸汽或含水蒸汽的空氣接觸。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的用于生產(chǎn)氫的方法，其中在陰極產(chǎn)生的氫在密封情況下保持或儲(chǔ)存。
29.根據(jù)權(quán)利要求26的用于生產(chǎn)氫的方法，其中供給陽極的蒸汽或氣體態(tài)的水的分壓為267Pa-267kPa。
30.根據(jù)權(quán)利要求26的用于生產(chǎn)氫的方法，其中電解在-50-300℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
31.一種用于生產(chǎn)電化學(xué)能量的方法，其中使用一種電化學(xué)設(shè)備，包括在相對(duì)方向上放置的陽極和陰極、和位于陽極和陰極之間的質(zhì)子導(dǎo)體并具有一種包含碳材料的結(jié)構(gòu)，所述碳材料是選自富勒烯，碳簇，和線性碳結(jié)構(gòu)的至少一種，其中質(zhì)子(H+)離解基團(tuán)被引入至少一部分碳原子中，該方法包括以下步驟由陽極的至少一個(gè)表面供給氣態(tài)或蒸汽態(tài)的水，在陽極將水電解產(chǎn)生質(zhì)子(H+)，通過質(zhì)子導(dǎo)體將質(zhì)子(H+)由陽極傳導(dǎo)至陰極，并在陰極上由質(zhì)子(H+)產(chǎn)生氫；和在陰極將氫分解產(chǎn)生質(zhì)子(H+)，質(zhì)子(H+)通過質(zhì)子導(dǎo)體由陰極傳導(dǎo)至陽極，并在陽極由質(zhì)子(H+)產(chǎn)生水。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的用于產(chǎn)生電化學(xué)能量的方法，其中陽極的一個(gè)遠(yuǎn)離陰極的表面與水蒸汽或含水蒸汽的空氣接觸。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的用于產(chǎn)生電化學(xué)能量的方法，其中在陰極產(chǎn)生的氫在密封情況下保持或儲(chǔ)存。
34.根據(jù)權(quán)利要求31的用于產(chǎn)生電化學(xué)能量的方法，其中供給陽極的蒸汽或氣體態(tài)的水的分壓為267Pa-267kPa。
35.根據(jù)權(quán)利要求31的用于產(chǎn)生電化學(xué)能量的方法，其中電解在-50-300℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在低濕度氣氛下有效地生產(chǎn)氫而無需增濕器或減濕器的用于生產(chǎn)氫的裝置和用于生產(chǎn)氫的方法、以及一種通過使用氫的氧化－還原反應(yīng)來產(chǎn)生電化學(xué)能量的電化學(xué)設(shè)備和方法。其中質(zhì)子(H
文檔編號(hào)H01M8/18GK1401016SQ01805090
公開日2003年3月5日 申請(qǐng)日期2001年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月20日
發(fā)明者丸山竜一郎, 宮澤弘, 奧井洋文, 日隈弘一郎 申請(qǐng)人:索尼公司