專利名稱：電化學電源的設計和組件的制作方法
電化學電源的設計和組件本發(fā)明尤其是涉及燃料電池和其它電化學電源，包括燃料電池堆 組件，以及用于燃料電池的裝置。本發(fā)明還可以應用于其它電化學系統(tǒng)，例如可逆燃料電池和液流電池(flow battery)。圖1A中顯示了燃料電池堆組件FCS?；驹侨剂想姵?，其 由膜電極組件1、膜電極組件1 一側(cè)上的陰極室和其另一側(cè)上的陽極 室組成。這些室位于所示的密封件2內(nèi)。在這些燃料電池元件5之間 是雙極板3。雙極板電學連接燃料電池堆5。通常還結(jié)合另外的冷卻板 6來改善熱消散。在該圖中，在兩端由端板4封閉電池堆。在圖1B中 單獨顯示了燃料電池。膜電極組件典型地包括電解質(zhì)16(例如聚合物 電解質(zhì)膜或堿性電解質(zhì))和電極17及擴散層7。電極典型地包括負載 材料和催化劑，例如貴金屬、過渡金屬或者這些的合金。燃料電池中使用的離子傳導膜典型地在低于"'C的溫度下工作， 使用清潔的氬作為燃料。 一些膜用曱醇燃料工作，但是具有不令人滿 意的曱醇通過膜的滲透(甲醇穿透)，這會降低能量效率。因此，需要 新的對氫燃料電池在更高溫度(120-20(TC)下工作，或者對于直接甲醇 燃料電池曱醇穿透低的膜。本發(fā)明尤其是提供了用于解決這些問題的 離子傳導膜的設計。典型地使用負載催化劑的材料來負載催化劑顆粒，并且從催化劑 顆粒上將電子傳導給氣體擴散層，然后是雙極板，并且然后是電池堆 的下一個電池。通常使用炭黑作為負載材料，但是難以一致地加工炭 黑并且其電子電導不令人滿意。本發(fā)明尤其是提供了改善電學連接性 的催化劑負栽層的設計和加工方法。雙極板必須是導電的，但是不允許反應物從分開的燃料電池中遷 移。通常使用石墨板，但是這種板是昂貴的，并且它們的機械強度是 不太可取的。可以使用金屬，但是金屬板通常太容易腐蝕。金以及已
經(jīng)開發(fā)的更奇異的金屬材料具有更大的化學耐性，但是耐腐蝕金屬材 料的成本高。另外，雙極板的電流場和表面性質(zhì)對于燃料電池、液流
電池等的性能是重要的。本發(fā)明尤其是提供了(i)解決這些問題的雙 極板的設計和(ii)用于這種新雙極的氣體擴散層的設計。
擴散層應該具有多孔結(jié)構(gòu)并且是導電的。另外，應該使擴散層與 電極或雙極板之間的電接觸電阻最小化以降低內(nèi)部功率損耗。本發(fā)明 尤其是提供了具有低接觸電阻的擴散層。
為了在移動和便攜式設備，例如使用小汽車、卡車、拖拉機等， 或者收音機、移動電話、媒體播放機等中使用氫燃料電池，具有高燃 料密度的氫燃料源是有用的。本發(fā)明尤其是提供了提供高密度氫源的 設計和將氫源集成入完整燃料電池電源系統(tǒng)的設計。
相信所述設計能降低制造成本、增加燃料電池效率并且降低燃料 電池重量或體積。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施方案中提供了離子傳導膜組件，其包括多孔芯以及 將該多孔芯夾在中間的兩個離子傳導膜；其中所述多孔芯適于保持離 子傳導液體。這種離子傳導膜可以用于電化學電源中，例如在30°C -200°C，或者110°C-200x:下工作的電源。
在另一個實施方案中提供了多孔電極，其包括多孔導電基體；由 該多孔導電基體負載的碳納米管；以及沉積在碳納米管上的電極催化劑。
在另一個實施方案中提供了電化學電源堆組件，其包括兩個或 多個電化學電池；位于兩個電化學電池間的雙極板，(i)其包含金屬 層和一層或多層抵抗層，抵抗層包括通過該(一層或多層)抵抗層的導 電通路(vias),或者(ii)其基本由下面組成(1)包含抵抗層的芯， 抵抗層包括通過該抵抗層的導電通路，和(2)在該抵抗層兩個主要表 面上的金屬涂層。盡管舉例來說條目(1)包含其特征，但是"基本由…… 組成"指條目(1)和(2)。在它是表面層的情況中，"抵抗"層是足以
抵抗由于與相關(guān)電化學電池接觸引起的腐蝕的層，從而其將使(如果這 是唯一可變的)電化學電源堆具有合理的壽命。在內(nèi)部的情況中，"抵 抗"層是不具有充分電導的層，從而通路改善了作為電源的功能。這 種抵抗層可以由，但不一定由認為是介電性的材料組成。
在另一個實施方案中提供了電化學電源組件，其包括兩個或多 個電化學電池(power cell);位于兩個所述電化學電池之間的雙極板；
以及對于一個或多個所述電化學電池y位于所述電化學電池的離子傳導 膜和所述雙極板之間的擴散層，該擴散層包括多孔的碳墊層，其在至 少一個主要表面上包括導電能力大于所述碳墊層的導電區(qū)圖案，該區(qū) 域適合與所述雙極板電接觸。該雙極板包括適合與所述擴散層的導電
區(qū)域?qū)R并且接觸的電接觸。
在另一個實施方案中提供了固體氫源，其包括包含復合氫化物 和活性金屬的混合物、入口通道和出口通道的容器；以及加熱所述復 合氫化物/金屬混合物的電加熱器?？梢允褂眠@種固體氫源與在水源之 間具有一個或多個閥的導管在需要時產(chǎn)生氫。


圖1A和1B顯示了燃料電池堆的基本元件。
圖2和3表示了混合離子傳導膜的元件。
圖4和5表示了電極結(jié)構(gòu)。
圖6A和6B表示了雙極板。
圖7A、 7B、 7C、 8、 9和10表示雙極板。
圖1U和IIB表示了擴散層。
圖12表示了固體氫源。
具體實施例方式
圖2表示了具有將多孔芯112夾在中間的離子傳導膜111的混合 離子傳導膜組件100。當相信一個夾持的多孔芯在許多情況中是足夠的時，多個也是可以的。操作中，將多孔芯112浸泡在液體電解質(zhì)溶 液中，例如酸的水溶液中。離子傳導膜111例如可以是Nafion(可購 自Dupont)等。多孔材料例如可以是石英、玻璃、陶瓷或金屬。如果是玻璃或石 英，可以刻蝕它以提供孔，或者它可以是玻璃纖維墊、布和紙。多孔 芯的厚度例如是10-2000微米。在某些實施方案中，厚度可以是從下 面的下限之一(包括)或者從下面的上限之一(包括)。下限是IO、 20、 50、 100、 200、 400、 800、 1, 200、 1， 600和2， 000孩4:米。上限是20、 50、 100、 200、 400、 800、 1, 200、 1, 600、 2， 000和5， 000孩吏米。舉 例來說，厚度可以為50-200微米。在某些實施方案中，孔尺寸可以從 下面的下限之一(包括)或者從下面的上限之一(包括)。下限是5、 10、 20、 50、 100、 200、 400和800 nm以及l(fā)、 5、 10、 20、 30、 50和100 孩史米。上限是IO、 20、 50、 100、 200、 400和800 nm以及1、 5、 10、 20、 30、 50、 IOO和200孩i米。圖3表示了混合離子傳導膜組件實施方案的剖面的放大圖。圖2 中表示了放大表示的該部分(僅為了舉例說明假定在圖2所示的離子 傳導膜組件中使用該實施方案)。該實施方案具有主孔214和介孔215。 主孔和介孔可以構(gòu)成整個芯區(qū)，或者可以有結(jié)構(gòu)或填料組件213。在 某些實施方案中，介孔尺寸可以從下面的下限之一(包括)或者從下面 的上限之一(包括)。下限是5、 10、 20、 50、 100、 200、 300和400 nm。 上限是20、 50、 100、 200、 300、 400和500 nm。對于較大的孔(例如 主孔214)，在某些實施方案中，孔尺寸可以從下面的下限之一(包括) 或者從下面的上限之一(包括)。下限是IOO、 200、 400和800 nm以及1、 5、 10、 20和30孩i米。上限是200、 400和800 nm以及1、 5、 10、 20、 30、 50、 IOO和200孩￡米。在某些實施方案中，混合膜中聚合物層的厚度可以從下面的下限 之一(包括)或者從下面的上限之一(包括)。下限是O. 1、 0.2、 0.5、 1、2、 5和10微米。上限是O. 2、 0.5、 1、 2、 5、 10和20微米。舉例來 說，厚度可以是0. 5-2微米。在某些實施方案中，混合離子傳導膜組
件的總厚度可以從下面的下限之一(包括)或者從下面的上限之一(包
括)。下限是l、 5、 10、 20、 50、 100和200微米。上限是25、 50、 100、 200、 500和1， 000微米。舉例來說，該厚度可以是25-IOO微米。
因為液體電解質(zhì)比聚合物電解質(zhì)具有高得多的電導率，圖2和3 的混合離子傳導膜組件實施方案提供了高的電解質(zhì)電導。另外，薄膜 聚合物電解質(zhì)在多孔芯基底中與液體電解質(zhì)的直接接觸改善了水向聚 合物膜中的遷移，從而保持膜是潤濕的，簡化了水管理。因為可以使 膜聚合物變薄，所以降低了它的電阻，從而克服了為高溫操作設計的 膜的低電導問題。相似地，相信可以使曱醇或其它有機物低透過的， 傳統(tǒng)上具有低質(zhì)子傳導的膜變薄，從而維持有用的低的有機物透過， 但維持更有效的質(zhì)子傳導。
在某些實施方案中，混合離子傳導膜組件在相對高溫度下工作。 例如，溫度可以從下面的下限之一(包括)或者從下面的上限之一(包 括)。下限是10、 25、 50、 60、 70、 80、 90、 100、 110、 120、 130、 140和150。C。上限是90、 100、 110、 120、 130、 140、 150、 180和 200°C。舉例來說，溫度可以是110-180。C或者110-200°C。
在一個實施方案中，在可逆燃料電池中使用混合離子傳導膜組件， 可逆燃料電池例如氫-囟素電池。在混合膜中使用低囟素穿透速率的聚 合物膜來實現(xiàn)高的質(zhì)子傳導和低的鹵素穿透。
在一個實施方案中，在液流電池應用，例如多硫化鈉和釩氧化還 原液流電池中使用混合膜組件。在混合膜中使用具有電解質(zhì)溶液中組 分低穿透的，例如硫和溴離子，或者釩離子低穿透的聚合物膜來實現(xiàn) 高的活性離子(例如鈉離子或質(zhì)子)傳導和低的其它組分穿透。
為了改善電化學電源的電極性能，通過在固定到多孔負載基質(zhì)， 例如氣體擴散層171的表面上的碳納米管173上沉積電極催化劑來構(gòu) 造包含碳納米管的電極，如圖4所示。為了制造這種包含碳納米管的 電極，例如首先可以在負載基質(zhì)171上沉積形成碳納米管的催化劑。 然后，使用高溫和含碳氣氛，例如使用如US6， 692，717中所述的條件 在基質(zhì)上生長碳納米管173。然后，在碳納米管上沉積電極催化劑。 相信碳納米管的高表面積和高電子電導會顯著改善電極性能。形成碳納米管的催化劑例如是過渡金屬，例如Ni、 Co、 Fe、 Cr、 V、 Mn，或者貴金屬，例如Pt、 Gd、 Ag、 Ru、 Rh或者它們的合金。舉 例來說，可以通過真空沉積和其它物理方法，或者溶膠-凝膠和其它濕 化學方法來沉積催化劑。形成碳納米管的催化劑還可以是催化性的硅 (例如由Nature, 1998年10月29日，第395巻，第878-881頁)，或 者SiC顆粒。Si和SiC顆?？梢酝ㄟ^化學氣相沉積、或者通過在高溫 下使沉積的硅與負載基質(zhì)171中的石墨反應來沉積。在一些實施方案 中，在液流電池和可逆燃料電池中使用包含納米管的電極。在一些實施方案中，在液流電池或可逆燃料電池中使用包含納米 管的電極。特別在這些實施方案中，在基質(zhì)纖維217-1的負栽下，負 載了電極催化劑的納米管217-2可有利的源自負載基質(zhì)并在負載基質(zhì) 內(nèi)(如圖5所示的3維復合結(jié)構(gòu))。這種3-D復合電極結(jié)構(gòu)將提供高的規(guī)模輸送的大孔。、^、 '、 … ' 土在一個實施方案中，雙極板30具有金屬芯31、用于穿過雙極板 電學連接的導電通路32、以及抵抗層33 (圖6A)。金屬芯例如可以是 致密的、多孔的、或者具有多孔的表面和致密的芯。抵抗層可以提供 強度和/或保護金屬芯不受腐蝕。導電通路32的外端可選地涂有耐腐 蝕的金屬材料，例如金(未顯示)?；蛘?，同在圖6B的實施方案中一樣，可以用耐腐蝕的導電材料層 134均勻地涂布雙極板的表面以改善雙極板的表面電導率。耐腐蝕性 是在雙極板預期的工作環(huán)境中的耐性。耐腐蝕的導電材料例如可以是 鉑、金、適當?shù)暮辖?、?石墨)等等。金屬芯的厚度范圍(在表面氧化皮下)例如從下面的下限之一 (包 括)或者從下面的上限之一(包括)。下限是20、 50、 100、 200和500 孩i米(ju邁)。上限是200、 500、 1000、 2000和3000 ;敝米(pi m)。例如， 該厚度可以是100-300 ;敞米。導電通路32例如可以具有圓形、正方形或者其它橫截面形狀、具
有例如介于10-10, 000微米(inm)之間的橫截面尺寸(在更大的尺寸 中)。舉例來說，橫截面尺寸例如從下面的下限之一(包括)或者從下面 的上限之一(包括)。下限是IO、 25、 50、 100、 200、 500和1， 000賴: 米(iam)。上限是50、 100、 200、 500、 1， 000、 2,000、 3， 000和4， 000 微米(jjm)。例如，橫截面尺寸可以是25-500微米或者50-500微米或 者100-500微米。導電通路32的高度可以與抵抗層的厚度相同，或者 更高。在抵抗層的表面上方延伸的通路可以在電池堆中提供較低的電 學接觸電阻。通路可以在不同的段中使用不同的材料，例如在頂部(接 近便于外端)更耐腐蝕的材料，或者促進與金屬芯接觸的結(jié)合層。通路 的量由電池工作電流密度確定。在低的工作電流密度下，例如液流電池下，可以是在幾平方厘米有一個通路。在高的工作電流密度下，例 如高功率電化學電源下，可以是在每平方厘米有數(shù)百個通路。在某些實施方案中，通路是它們穿過的抵抗層體積的50°/ 或更低、 40%或更低、30%或更低、20%或更低、10%或更低、5%或更低、2%或更 低、1%或更低、0. 5%或更低。抵抗層厚度由抵抗涂層的施用方法確定。抵抗層厚度可以從下面 的下限之一(包括)或者從下面的上限之一(包括)。下限是O. 1、 1、 10 和50孩i米(jum)。上限是10、 20、 50、 100、 500和2000微米(ju m)。 例如，該厚度可以是5-50微米(iam)。雙極板總厚度的范圍例如從下面的下限之一 (包括)或者從下面的 上限之一(包括)。下限是10、 50、 100、 200和500 ;微米(jim)。上限 是200、 500、 1000、 2000和5000 ;微米(pm)。例如，該厚度可以是 100-300孩吏米?？梢酝ㄟ^金屬層在本領域公認的條件下的反應作為致密的薄膜表 面氧化皮形成抵抗層。形成適當?shù)闹旅鼙砻嫜趸さ慕饘倮绨ú?銹鋼或者鈦。在此情況下，可以在形成表面氧化皮涂層前通過點沉積 (spot-deposit ing)導電通路材料來形成導電通路。點沉積方法可以是 印刷、電鍍、噴射等。為了形成致密的表面氧化皮，例如可以在氧或 氮的存在下將金屬芯加熱到適當?shù)臏囟认拢?00°C-1300'C。
可選地，可以通過厚膜方法形成抵抗層。在這種方法中，形成抵 抗帶并且在帶上為導電通路打出小孔。然后，在金屬芯板上層疊抵抗 帶?？梢栽趯盈B之前或之后向抵抗帶上的孔中施用導電通路。施用導 電通路的方法可以是絲網(wǎng)印刷、填充等。抵抗材料例如可以是聚合物 或者陶瓷(包括玻璃陶瓷)。在陶瓷抵抗材料的情況中，可以作為生帶 層疊陶瓷層，然后與金屬芯一起在高溫下燒制使生帶致密化以獲得抵 抗層。
一種在金屬芯板上施用陶瓷抵抗層的方法是使用低溫共燒的金
屬上陶資技術(shù)(LTCC-M)，例如如美國專利US 5， 581， 876 、 US 5,725, 808、 US 5， 747， 931、 US 6， 140， 795中所述。
在一個實施方案中，金屬芯層是多孔的(包括具有致密內(nèi)芯的多孔 表面)并且抵抗層是薄膜。抵抗層可以涂布整個表面(包括多孔金屬層 的內(nèi)表面)來保護金屬不受腐蝕。
在一個實施方案中，雙極板可以有波紋。如圖7A所示，導電通路 432處于雙極板431的高點(或者下側(cè)的低點)處，從而便于與燃料電 池、電池等的電極或者擴散層接觸。有波紋的雙極板可以具有定形成 提供流體(包括燃料電池氣體和液流電池液體)傳輸?shù)牟y?？梢詾槿?料電池、液流電池等的最佳性能最優(yōu)化波紋的形狀和尺寸。
波紋的形狀可以是角狀(具有直的或彎的段)或者彎曲的或者島 (或者半島)形狀。在雙極板的給定側(cè)或者兩側(cè)上，在某些實施方案中 隆起(bump)到隆起的距離可以從下面的下限之一 (包括)或者從下面的 上限之一(包括)。下限是O. 02、 0.04、 0.06、 0.08、 0.1、 0.2、 0.4、 0.6、 0.8、 1.0、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 3.5、 4. 0和4. 5 mm。上限是 0.04、 0.06、 0.08、 0.1、 0.2、 0.4、 0.6、 0.8、 1.0、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 3'5、 4.0、 4. 5和5. 0 mm。例力口，該3巨離可以是0. 02-5 mm，或 者0. 1-2 mm。"波紋，，意指在適于用作雙極板的整體形狀上高點和低 點的任意圖案。
在一個實施方案中，可以在波紋區(qū)域表面上嵌入微通道或凹坑 437，如圖7A的插圖中所示。可以使微通道或凹坑437具有一定尺寸 并且適于鋪展在波紋上凝結(jié)的水。微通道或凹坑可以減少沿著波紋(例
如由波紋形成的通道)阻隔氣體的有效尺寸的水滴的形成。微通道或凹
坑437的形狀例如可以具有圓形、正方形或者其它橫截面形狀，具有 例如介于l-500微米(nm)之間的尺寸(在更大的尺寸)中。橫截面尺寸 (寬度)例如從下面的下限之一 (包括)或者從下面的上限之一 (包括)。 下限是l、 5、 50和100微米(iam)。上限是50、 100、 200和500微米 (jum)。例如，橫截面尺寸可以是25-100微米或者50-200微米。典型 地，這些微通道小于圖9中所示的通道。
在一個實施方案中，可以將兩片或者多片金屬薄板焊接或者結(jié)合 或者連接到一起以形成中空的芯739,如圖8所示?？梢允褂弥锌招?中的通道作為雙極板的熱交換通道。例如水的熱交換介質(zhì)可以流過該 中空芯來控制燃料電池、液流電池堆等的溫度。如圖8中所示的兩片 所示，形成金屬芯的結(jié)合的金屬子件可以是"金屬層"。
在使用厚膜抵抗表面涂層的一個實施方案中，雙極板可以包括抵 抗層233中的通道235來促進氣體或其它流體的傳輸(例如用作歧管)， 如圖9中所示(其包括擴散層270)。可以在將抵抗帶層疊到金屬芯層 之前或之后通過壓印等形成通道235。雖然沒有顯示，本實施方案的 雙極板的表面可以用導體覆蓋，與圖6B中所示的覆蓋相似，但是導體 表面遵循形成通道的輪廓。
在使用厚膜抵抗表面層的一個實施方案中，雙極板可以在抵抗層 231或535與金屬芯層331或534之間圍起熱交換通道336或536,如 圖10和7B所示。例如水的熱交換介質(zhì)可以流過這些圍起的通道來控 制燃料電池、液流電池堆等的溫度。
熱交換通道336例如可以通過在施用抵抗材料前成形金屬芯，然 后施用抵抗層，從而同時形成通道的方法來形成。熱交換通道536例 如可以通過金屬上抵抗帶535的受控層疊以保持導管536形成，或者 通過向?qū)Ч?36的位置施用例如石墨或聚合物粉末的可燃材料、層疊 抵抗帶535 (例如陶瓷帶)并且燒制疊層以清除出導管536的方法來形 成。
在一個實施方案中，如圖7C所示，雙極板具有抵抗層6W作為其
芯，在兩側(cè)上具有薄的金屬箔634和通過抵抗芯層633的導電通路 632，從而建立通過雙極板的電連接。表面金屬箔634可以是均勻的覆 蓋或者可以在表面上圖案化以連接各種導電通路632。雖然用有波紋 的雙極板舉例說明本實施方案，也可以如此設計平面雙極板。在某些 實施方案中，陶瓷芯633的厚度^圍以下面的下限之一(包括)或者從 下面的上限之一(包括)。下限是IO、 50、 100、 200、 500微米。上限 是50、 100、 200、 500、 1000微米。例如，該厚度可以是10-50微米， 或者100-500微米。表面金屬箔634是選擇來在特殊的電化學電源中 耐腐蝕的。這種金屬材料包括金、鉑、適當?shù)暮辖鸬?。金屬?34的 厚度與雙極板的其它組件組合足以分隔陰極和陽極室中的反應物和產(chǎn) 物。
圖IIA和IIB表示了由多孔碳基質(zhì)片71和接觸區(qū)72組成的擴散 層70。這些接觸區(qū)72比所述基質(zhì)片具有更高的電導。在燃料電池和 液流電池堆件中，這些接觸區(qū)可以與導電通路對齊以保證整個系統(tǒng)的 電學完整性。
接觸區(qū)72可以是具有圓形、正方形或者其它形狀的點。它還可以 是連續(xù)的線或帶(圖中未顯示)以匹配雙極板的整個接觸區(qū)。可以在燃 料電池、液流電池等中與傳統(tǒng)石墨基雙極板一起使用這種低接觸電阻 的擴散層。在某些實施方案中，由接觸區(qū)占據(jù)的擴散層表面的表面積 是50%或更低、40%或更低、40%或更低、20%或更低、10%或更低、或 者5%或更低。
擴散層的主要表面尺寸可以與相應電極和雙極板的尺寸相同。在 某些實施方案中，這些擴散層可以是與雙極板對齊并且附著在其上的 更小的帶。
這些接觸區(qū)72可以使用與基質(zhì)相同的材料但具有更致密(更低孔 隙率)的結(jié)構(gòu)，或者使用具有更好性能的不同材料，例如更高的電導率、 化學穩(wěn)定性、更強的粘附性等。這些導電區(qū)域例如可以通過施用導電 油墨并且加熱導電油墨以將其燒結(jié)成有效導體來形成。施用方法可以 是印刷、真空沉積、電鍍等。如果需要增加接觸區(qū)的質(zhì)量和高度，可
以按照需要多次重復施用。電極或雙極板可以具有或不具有完全匹配
的點，例如升高的點，以用于與接觸區(qū)72接觸。
氣態(tài)氫的低能量密度是其在移動裝置中使用的障礙。雖然處理液 態(tài)氫的復雜性是其使用的阻礙，但氫化物可以用作電化學電源氫的高 密度氫源。
在所有氫化物中，假定適當管理這些氫化物，復合氫化物作為密 集能源是最有希望的。舉例來說，這些復合氫化物包括硼氬化物和鋁 氫化物。這些氫化物包括M(BIU和M(A1H4)，其中M是Li、 Na、 K、 NH3 或NH4。
也許從氫化物中得到氫的最簡單的方法是通過熱解反應，如下所
示
2NaBH4 — 2NaH + 2B + 3H2 (I) 得到氫的另一種方法是通過其與水的反應，如下所示
NaBH4 + 2H20 — NaB02 + 4H2 (II) 反應II提供了更多的氫。在電化學電源系統(tǒng)中，水可以從電化學電源 操作中產(chǎn)生并且從廢氣中收集。但是，反應II的產(chǎn)物趨向于吸水形成 水合物，例如
NaB02 + 2H20 — NaB02 ' 2H20 (III) 該水合物將形成干擾反應的水合物殼，該殼可能停止氫化物的全部反 應。避免這個問題的有效方式是在高溫，例如120~ 200。C下進行反應。
圖12A和12B的固態(tài)氫源800提供了儲存和提取氫氣的有用的、 能量有效的方法。固態(tài)氫源由具有水供給通道881的容器、加熱元件 882 (由電學引線882-1提供動力)、產(chǎn)生氫氣的組合物883和氫釋放通 道884組成。產(chǎn)生氫氣的組合物可以是氫化物或者氫化物和反應性金 屬的混合物。反應性金屬例如包括Fe、 Ni、 Mn、 Co、 Zn、 Mg、 Na、 Li、 Ca和Mg。金屬可以以粉末形式存在。反應性金屬是可與水反應釋放氫 和熱量的金屬，如下所示
Mg + 2H20 — Mg(0H)2 +H2+熱量 (IV) 在由加熱元件882引發(fā)的反應后，反應性金屬可以提供主要的熱源，
保持電池在高溫下以避免形成水合物。可以由加熱元件882引發(fā)反應。 加熱元件可以用來點燃氫氣釋放反應或者加速反應。在氫化物電池880中發(fā)生的過程中可能消耗加熱元件。例如，加熱元件可以由反應性金屬形成。典型地，當氫化物電池包含反應性金屬時，只在釋放過程初期需要加熱元件。在一個實施方案中，從電源系統(tǒng)中的燃料電池堆提供反應II的水。另外，可以從廢氣中除去并且由反應III在耗盡的固態(tài)氫源的消耗氫化物中吸收在電池堆中產(chǎn)生的過量水。定義用于本申請的下面的術(shù)語具有如下所提出的各種意義。
電化學電源電化學電源是燃料電池、液流電池等。
離子傳導膜離子傳導膜對于傳導質(zhì)子或者金屬離子并排除電化學電源的一種 或多種反應物透過是具有足夠選擇性的，從而允許電化學電源工作。 實例包括質(zhì)子傳導膜和鈉離子傳導膜。
金屬涂層雙極板上的金屬涂層是在大多數(shù)相關(guān)表面上提供導體的涂層。 .峰波紋形狀的峰是與燃料電池堆下一層(例如擴散層、電極組件或熱 導體)最近的點。
通路通路是穿過抵抗層的導電通道，不論抵抗層的厚度如何。參考文獻通過引用將其全部引入，如同具體地且單獨地表明每個單獨 出版物或參考文獻都通過引用而引入，如同全部提出。本申請要求優(yōu) 引用引入本文。雖然已經(jīng)強調(diào)優(yōu)選實施方案說明了本發(fā)明，但本領域一般技術(shù)人員清楚可以使用優(yōu)選裝置和方法中的變化并且意味著除了如本文中 具體所述外，也可以實踐本發(fā)明。因此，本發(fā)明包括涵蓋在如下面權(quán) 利要求中定義的本發(fā)明主旨和范圍內(nèi)的所有修改。
權(quán)利要求
1. 一種離子傳導膜組件，其包括 多孔芯；以及將該多孔芯夾在中間的兩個離子傳導膜; 其中該多孔芯適于保持離子傳導液體。
2.權(quán)利要求1的離子傳導膜組件，其中該多孔芯包含平均直徑為 200微米或更小的大孔以及平均直徑為500 nm或更小的較小孔。
3. —種操作電化學電源的方法，其包括 提供包含權(quán)利要求1的離子傳導膜的電化學電源；及 在IOC-20(TC的溫度下操作該電化學電源。
4. 一種多孔電極，其包括 多孔導電基質(zhì)；由該多孔導電基質(zhì)負栽的碳納米管；以及 沉積在該碳納米管上的電極催化劑。
5.權(quán)利要求4的多孔電極，其中該碳納米管在多孔導電基質(zhì)的表 面上。
6.權(quán)利要求4的多孔電極，其中該碳納米管與該多孔導電基質(zhì)是 整體。
7. —種電化學電源，其包括 權(quán)利要求6的多孔電極；以及 與所述多孔電極相鄰的離子傳導膜。
8. —種電化學電源堆組件，其包括 兩個或多個電化學電池；以及位于兩個電化學電池間的雙極板，U)其包含金屬層和一層或多 層抵抗層，該抵抗層包括通過該(一層或多層)抵抗層的導電通路，或 者(H)其基本由(l)包含抵抗層的芯，該抵抗層包括通過該抵抗層 的導電通路，以及(2)抵抗層兩個主要表面上的金屬涂層組成。
9. 權(quán)利要求8的電化學電源堆組件，其中該通路使得該抵抗層體 積的50%或更少是導體。
10. 權(quán)利要求8的電化學電源堆組件，其中至少一個雙極板包括 夾在兩個所述包含通路的抵抗層之間的金屬層。
11. 權(quán)利要求10的電化學電源堆組件，其中該金屬層是多孔的， 或者具有多孔表面。
12. 權(quán)利要求8的電化學電源堆組件，其中至少一個雙極板包括 適于運載熱交換流體的內(nèi)部通道。
13. 權(quán)利要求12的電化學電源堆組件，其中該至少一個雙極板包 道在所述金屬層內(nèi)。、 、—、 J 、 -
14. 權(quán)利要求8的電化學電源堆組件，其中至少一個雙極板是有 波紋的。
15. 權(quán)利要求14的電化學電源堆組件，其中所述雙極板兩個主要 外表面的至少一個具有適于在該(一個或多個)主要外表面上鋪展凝結(jié) 水的微通道或者凹坑。
16. 權(quán)利要求8的電化學電源堆組件，其中成形至少一個雙極板 的外表面，以便為電化學電源反應物流提供通道。
17. —種在兩個電化學電池間使用的雙極板，(i)其包含金屬層 和一層或多層抵抗層，該抵抗層包括通過該(一層或多層)抵抗層的導 電通路，或者(ii)其基本由包含通過該抵抗層的導電通路的抵抗層， 以及涂覆抵抗層的兩個主要表面上的金屬涂層組成，其中適用下面的 一種或多種情況該雙極板包括夾在兩個所述包含通路的抵抗層之間的金屬層；或者該雙極板是根據(jù)(ii)的；或者該雙極板包括適于運載熱交換流體的內(nèi)部通道；或者該雙極板包括適于運載熱交換流體的內(nèi)部通道并且該內(nèi)部通道在 所述金屬層內(nèi)；或者該雙極板包括適于運載熱交換流體的內(nèi)部通道并且該內(nèi)部通道在 金屬層和抵抗層之間；或者該雙極板兩個主要外表面的至少一個具有適于在該(一個或多個) 主要外表面上鋪展凝結(jié)水的微通道或者凹坑；或者該雙極板是有波紋的；或者成形至少 一個雙極板的外表面以便為電化學電源反應物流提供通道。
18. —種電化學電源組件，其包括 兩個或多個電化學電池； 位于兩個所述電化學電池之間的雙極板；以及 對于一個或多個所述電化學電池，位于所述電化學電源電池的離子傳導膜和所述雙極板之間的擴散層，該擴散層包括多孔的碳墊層，其在至少一個主要表面上包括導電能力大于所述 碳墊層的導電區(qū)圖案，該區(qū)域適合與所述雙極板電接觸。
19. 一種固體氫源，其包括包含復合氫化物和活性金屬的混合物、入口通道和出口通道的容 器；以及用于加熱所述復合氫化物的電加熱器。
20. —種電源系統(tǒng)，其包括消耗氫和排放水的電化學電源；兩個或多個權(quán)利要求19的固態(tài)氫源；以及有效地使排放水選擇性地導向所述氫源的管道和閥。
21. —種操作權(quán)利要求27的電源系統(tǒng)的方法，其中通過消耗所述 氫源吸收從氬源產(chǎn)生氫所需量以上的過量排放水的至少一部分。
全文摘要
本發(fā)明尤其是提供了離子傳導膜組件，其包括多孔芯以及將該多孔芯夾在中間的兩個離子傳導膜；其中所述多孔芯適于保持離子傳導液體。
文檔編號H01M8/18GK101124691SQ200580020505
公開日2008年2月13日 申請日期2005年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者王叢樺 申請人:沙諾夫公司