CN1853005A - 电化学电池 - Google Patents

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Abstract

包含氢发生器和氢燃料电池的电化学电池。

Description

电化学电池
本发明涉及电化学电池。
电化学电池是能通过电化学反应，典型地在两种或多种反应物之间的电化学反应来提供电能的装置。一般来说，电化学电池包括称为阳极和阴极的两个电极，和置于电极之间的电解质。为了防止阳极的活性材料与阴极的活性材料直接反应，通过隔板彼此电隔离电极。
在有时称为氢燃料电池的一类电化学电池中，阳极反应物是氢气，和阴极反应物是氧气(例如来自空气的氧气)。在阳极处，氢的氧化产生质子和电子。质子从阳极经电解质流动到阴极。电子从阳极经外部电子导体流动到阴极，这可提供电能。在阴极处，质子和电子与氧气反应形成水。
在称为金属-空气电池的另一类电化学电池中，氧在阴极处被还原，和金属(例如锌)在阳极处被氧化。电子从阳极经外部电子导体流动到阴极，这可提供电能。氧气从电池外部的大气通过电池外壳内的一个或多个空气孔隙供应到阴极。与电极接触的电解质溶液(例如碱性电解质，如氢氧化钾溶液)含有流经在电极之间的隔板的离子，以维持整个电池在放电过程中的电荷平衡。
金属-空气电池可经历碳化，其中在阴极内的碱性电解质吸收二氧化碳，从而导致碳酸盐(如碳酸钾或碳酸钠)沉淀，这些盐可对电池具有有害的影响，例如阻塞阴极孔隙或在电池包层(envelope)的阴极侧上的空气通过的孔隙。结果可能是，阴极获得少于起作用所需的较少的氧气。
此外，金属-空气电池因环境的相对湿度和电池电解质的平衡蒸汽压之差导致可经历与其环境的水交换。当周围空气比电解质干燥(即具有较低的水蒸气分压)时，电池可损失水到环境中并干燥。另一方面，当周围空气比电解质湿润(即具有较高的水蒸气分压)时，电池可获得水，结果阴极最终充满电解质溶液。在任何一种情况下，结果是电池可损失其支持大电流的能力。例外，当阴极充满电解质溶液时，电解质溶液可最终泄漏出空气通过的孔隙。
一般来说，电化学电池包括与氢燃料电池相连的电化学氢发生器。氢发生器和燃料电池可电连接和/或机械连接。
一方面，电化学电池包括电化学氢发生器和氢燃料电池。电化学氢发生器具有生成氢气的第一阴极和与第一阴极相邻的第一阳极。氢燃料电池包括氧化氢气的第二阳极和与第二阳极相邻的第二阴极，第一阳极与第二阴极电连接，和第一阴极与第二阳极电连接。
另一方面，电化学电池包括与氢燃料电池串联电连接的电化学氢发生器。
在一些实施方案中，电化学氢发生器包括生成氢气的第一阴极和与第一阴极相邻的第一阳极。氢燃料电池包括氧化氢气的第二阳极和与第二阳极相邻的第二阴极。在一些情况下，第一阳极与第二阴极电连接，和第一阴极与第二阳极电连接。
在一些实施方案中，氢燃料电池包括氧化氢气的第二阳极和与第二阳极相邻的第二阴极。
在一些情况下，氢发生器包括气体出口，和氢燃料电池包括与气体出口流体互连的气体入口。氢发生器可具有第一外壳。氢燃料电池可包括第二外壳。在一些实施方案中，第一外壳可释放地啮合到第二外壳上。在一些情况下，氢燃料电池和氢发生器置于单一的外壳内。
氢发生器可包括氢生成阳极。氢生成阳极可以是金属(例如锌、铝、钛、锆和锡)。氢生成阳极可包括储氢组合物(例如金属氢化物或混合稀土金属合金)。
在一些情况下，氢燃料电池具有酸性聚合物膜电解质。
在一些实施方案中，电化学电池可进包括控制器。电化学电池可进一步包括传感器。传感器可以连接到控制器上。
另一方面，电化学电池包括电化学氢发生器和氢燃料电池。氢发生器具有生成氢气的第一阴极，和与第一阴极相对的第一阳极。氢燃料电池具有氧化氢气的第二阳极，和与第二阳极相对的第二阴极。在氢发生器和氢燃料电池之间存在联接器。联接器将第一阴极流体连接到第二阳极上。
在一些实施方案中，氢发生器进一步包括第一阳极和第一阴极置于其内的第一外壳。在一些情况下，氢燃料电池进一步包括其中第二阳极和第二阴极置于其内的第二外壳。第二外壳可释放地啮合到第一外壳上。
第一阳极可电连接到第二阴极上。
另一方面，生成电流的方法包括在电化学氢发生器的第一阳极和氢燃料电池的第二阴极之间形成电连接，和在电化学氢发生器的第一阴极和氢燃料电池的第二阳极之间形成电连接。
在一些情况下，第一阴极生成氢气，和第一阳极与第一阴极相邻。第二阳极可氧化氢气，和第二阴极可与第二阳极相邻。
另一方面，生成电流的方法包括由电化学氢发生器的氧化半电池生成第一电子，并将第一电子传输到氢燃料电池的还原半电池。
在一些实施方案中，该方法进一步包括将氢燃料电池的氧化半电池的第二电子传输到氢发生器的还原半电池。该方法进一步包括由氢发生器生成氢气并在燃料电池处氧化所生成的氢气。在一些情况下，该方法进一步包括将所生成的氢气经流体连接氢发生器和燃料电池的导管传输到燃料电池。
另一方面，电化学氢发生器包括具有氢气出口的外壳，含可氧化材料的在外壳内的阳极，含氢气生成催化剂的在外壳内的阴极，和在阳极与阴极之间的离子传导、电绝缘的隔板层。
在一些情况下，氢发生器进一步包括在外壳内的含水离子电解质。
可氧化材料可包括金属(例如第IIa族金属，第Ib族金属，第IIIa族金属，第IIb族金属，铁，锡，锰，钛，锆或其结合)。
隔板可包括非织造纤维聚合物织物(例如聚乙烯醇纤维)。在一些情况下，非织造纤维聚合物织物被层压为玻璃纸。
在一些实施方案中，阴极进一步包括含催化剂的粘合剂(例如高密度聚乙烯或聚四氟乙烯)。
氢气出口可包括防止液体从外壳中泄漏而布置的疏水膜。
可氧化材料可包括金属氢化物(例如氢化钛、氢化锆、镍或镧的可逆氢化物、或混合稀土金属合金)。在一些情况下，可氧化材料包括金属(例如锌、铝、钛、锆或锡)。
氢发生器可进一步包括布置在外壳内的碱性电解质(例如氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液)。
阳极和阴极可通过电子导体相连，和电子导体可包括开关。
氢发生器的实施方案可包括一种或多种下述优点。相对于其它氢源，氢发生器可具有竞争性体积和重量容量。在一些情况下，氢发生器可比基于液体氢、压缩氢气、金属氢化物储存合金或活性金属氢化物的氢源更安全。与其它氢源相比，氢发生器可减少氢气和/或电解质的泄漏。
在其中氢发生器的阳极层在其两侧暴露于阴极材料的实施方案中，氢发生器可比具有这一结构的相当的氢发生器产生更多的氢气。可根据氢气需求使氢发生器活化或者失活，其中所述氢气需求可通过闭合在发生器上的电路来调节。当使氢发生器失活时，发生器不显示出显著的内部氢压力。与其它氢源的组分相比，氢发生器的组分可相对便宜。
氢发生器可安全和可靠地且以可控的方式提供燃料电池燃料。氢发生器可以是经济、小型、便携式和/或可弃置的氢源。相对于使用可逆金属氢化物的合金，氢发生器可具有低的重量。在该氢发生器中所使用的材料可以是环境友好或者可具有最小的环境影响。例如，所使用的氢发生器可具有与所使用的碱性电池的那些基本上类似的产物。因此，可任意地废弃氢发生器，且不需要额外的注意。氢发生器可耐受在高温(例如71℃)下的暴露且不生成过量不想要的氢气或危险的内压。氢发生器可具有至少10年的寿命，以便可在起始使用之前和各次使用之间储存它，且没有丧失其活化或失活的能力。
含燃料电池和氢发生器的电化学电池的实施方案可包括一个或多个下述优点。相对于常规的金属-空气电池，电化学电池可经历还原碳化、干燥和/或漫溢。相对于常规的金属-空气电池，电化学电池因此可具有改进的活化寿命。在其中电化学电池包括水循环特征的实施方案中，电池可以较小和较轻，且相对于不具有水循环特征的电池来说，可具有增加的氢气体积容量。电化学电池可比常规的燃料电池产生较高的电压。
在以下的附图和说明中列出了本发明的一个或多个实施方案的细节。根据这些说明和附图，且根据权利要求，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
图1和1A是氢气生成电池的部分截面侧视图。
图2是电化学电池的截面侧视图。
图3是电化学电池的示意图。
参考图1，氢发生器10包括确定内部体积14的外壳12。含阴极催化剂材料的阴极16在氢发生器的内部体积内。阴极16在外壳12的中心处形成层15和在靠近外壳的外部周边处形成层17。外壳12进一步包括形成包层(envelope)20的隔板18。包层位于中心阴极层15和周边的阴极层17之间。包层20将含阳极活性材料的阳极22包封起来。阴极16和阳极22被浸渍在常见的电解质内。
在图1的氢发生器10中，阴极16与阳极22相分离，即阴极位于金属基底上，所述金属基底与阳极隔开且没有永久地连接到阳极上。
阳极22可由在碱性电池阳极中所使用的任何标准材料形成。例如，阳极22可以是含金属(例如金属颗粒)、胶凝剂和微量添加剂，如产气抑制剂的凝胶。
合适的阳极金属包括第IIa族金属、第Ib族金属，第IIIa族金属，第IIb族金属，铁，锡，锰，钛或锆。例如，阳极金属可包括锌。
阳极金属可以是颗粒形式的锌，例如在锌淤浆阳极中常规地使用的那些。阳极可包括例如60wt％至80wt％，65wt％至75wt％，或67wt％至71wt％的锌粒。锌粒可以是小的锌基颗粒，如锌微粒或锌粉。锌基颗粒可由锌或锌合金形成。锌基颗粒可通过包括气体雾化、离心雾化、熔纺和鼓风在内的制造工艺形成。
锌微粒是尺寸适合于在正常的筛分操作中穿过标准的200目筛网(即200目)的锌基颗粒，例如当用手摇动筛网时。锌粉含有尺寸适合于在正常的筛分操作中穿过标准325目筛网(即325目)的锌基颗粒。锌基颗粒可通常为球形或非球形。非球形颗粒可以是针状(即沿着主轴的长度是沿着副轴的长度的至少2倍)或薄片状(即厚度不大于最大线性尺寸的20％)。锌粒可具有介于200cm2/g至300cm2/g的表面积。
在一些实施方案中，阳极可包括储氢组合物，如金属氢化物(例如氢化钛、氢化锆、镍或镧的可逆氢化物，或混合稀土金属合金)。
阳极22可包括胶凝剂。胶凝剂的实例包括聚丙烯酸、接枝淀粉材料、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素或其结合。这种聚丙烯酸的实例是Carbopol 940和934(获自B.F.Goodrich)和Polygel4P(获自3V)，和接枝淀粉材料的实例是Waterlock A221(获自GrainProcessing Corporation，Muscatine，IA)。聚丙烯酸盐的实例是Alcosorb G1(获自Ciba Specialties)。
阳极22优选具有高的表面积，为的是支持阳极活性材料的快速溶解速度和电的产生，以及在催化阴极上高速度的氢气生成。例如，阳极22可具有介于50cm2/g至500cm2/g之间的表面积。
阴极16可包括贵金属催化剂，例如钯和/或钌催化材料。阴极催化材料可承载在碳上并涂布在微粒金属丝网或筛网，如获自ExmetCorp.(Naugatuck，CT)的镍EXMETTM上。例如，合适的阴极包括碳承载的钯和涂布(油漆)在镍EXMETTM上的碳承载的钌。阴极涂层可包括介于0.5wt％至2wt％的承载在活性炭上的1％钯(获自Alfa Aesar)，和介于2wt％至6wt％承载在活性炭上的5％的钌(获自Alfa Aesar)。
阴极涂层可包括粘合剂。粘合剂的实例包括聚乙烯粉末、聚丙烯、聚丁烯、尼龙、聚丙烯酰胺、丙烯酸树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基戊烯、卜特兰水泥和氟烃树脂，如聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯。聚乙烯粘合剂的实例是粉化的高密度聚乙烯(例如，获自Hoechst的Coathylene HA-1681)。阴极涂层可包括介于0.1至1wt％的粘合剂。
在一些情况下，阴极包括碳承载的钯和钌催化剂，和涂布在镍EXMETTM筛网上的疏水性低于聚四氟乙烯的粘合剂(如粉化的高密度聚乙烯)。
例如，如下所述制备含14％粉化高密度聚乙烯(Coathylene GradeHA-1681，获自Hoechst-Celanese Corp.)、50％正丙醇、1％在活性炭上的1％钯(获自Alfa Aesar)、4％在活性炭上的5％钌(获自AlfaAesar)和31％活性炭粉末(获自Alfa Aesar)的催化剂阴极。混合粉化高密度聚乙烯和正丙醇。之后，将碳承载的钯和碳承载的钌加入到该混合物中，从而生成淤浆。(在一些情况下，可将碳承载的催化剂材料以水悬浮液形式(例如50％固体和50％水)加入到混合物中。在这一情况下，在随后的步骤中将会蒸发的水量没有计算在配方内)。然后使用刮刀，通过刷涂或涂布，在镍EXMETTM筛网上涂布淤浆。在液体蒸发之后，在烘箱内，在190℃下加热涂布的筛网10分钟，烧结粘合剂和粉化的催化剂组分过筛。
阴极16可包括其它添加剂。例如，阴极可包括表面活性剂(例如Triton X-100，获自Sigma-Aldrich)。表面活性剂可辅助润湿阴极，从而防止粘合剂附聚和降低阴极材料的效率。
电解质24可以是碱性电解质(例如氢氧化钾或氢氧化钠)。在一些情况下，电解质含有铋、锡、铟、汞、铅、镉或铊的溶解的盐、氧化物或氢氧化物。电解质可包括金属阳极的溶解的阳离子或阴离子(例如，氧化铝、铝酸钠、铝酸钾、氧化锌、氢氧化锌或钙盐)。在一些实施方案中，电解质含有腐蚀抑制剂，如季铵盐或非离子、阴离子或阳离子表面活性剂。
包层20还将集电器26包封起来。集电器缠绕经过阳极活性材料。电子导体28连接到集电器26上且终止于电池外部。另一电子导体30连接到阴极16上且也终止于电池外部。当导体经过外壳的内部体积，之后离开外壳时，导体28例如通过塑料涂层绝缘。
当导体28和30接触时，电流开始流过其中。当电流开始流过其中时，锌在阳极被氧化，和水在阴极被还原，从而导致其中根据方程式(1)、(2)和(3)产生氢气的总反应：
     (1)
       (2)
             (3)
外壳12包括氢气出口34，通过所述出口34，氢气可流出外壳。
氢发生器的其它实施方案是可能的。参考图1A，氢发生器210具有与图1的氢发生器10相反的结构。氢发生器210包括确定内部体积214的外壳212。阴极216在外壳的中心处形成层218和在靠近外壳的外部周边处形成层220。阳极层218和220进一步包括集电器221和223。集电器221和223或者在外壳内部或者在外壳外部彼此相连。隔板222形成将阴极226包封起来的包层224。包层位于中心阳极层218和周边阳极层220之间。电子导体228连接到集电器221和223上，并延伸出电池外侧。另一电子导体230连接到阴极226上，且还延伸出电池外侧。当导体228和230接触时，电流开始流过其中。
隔板18可以是非织造织物和膜(例如获自Gillette Company的DURALUMTM)的层压材料。非织造层可以是纤维聚合物织物(例如聚乙烯醇纤维)。隔板可包括非织造织物的单层或多层。非织造纤维聚合物织物可层压到膜如玻璃纸上。在一些情况下，使隔板起皱，并因此便于当锌反应形成氧化锌时，锌膨胀。在采用这种结构的情况下，隔板可在没有撕裂的情况下膨胀。
外壳12可以是圆柱形外壳。外壳可具有介于2.5cm至30cm的长度，和介于1cm至20cm的宽度或直径。外壳可具有介于2cm3至9400cm3的体积。氢发生器可具有介于2.5g至25kg的质量。
外壳12可以是例如塑料或金属。合适的金属包括黄铜、铜、锡、钢、不锈钢、镍或其结合。外壳可包括内部金属壁和外部非导电的材料，如可热收缩的塑料。当外壳是金属时，它可充当集电器或者充当从集电器到达发生器外部的电馈入装置。
在其中阴极接近或接触外壳的图1的氢发生器10中，外壳的优选材料包括钢、不锈钢、镍或其结合。外壳也可在其内表面上用镍、钴、锡或碳导体涂层涂布或电镀，为的是降低外壳与阴极之间的界面处的电阻。
在其中阳极接近或接触外壳的图1A的氢发生器210中，外壳的优选材料是铜、黄铜、锡或其结合。外壳也可在其内表面上用铋、锡、铟、镉、铅或铊涂布或电镀，为的是最小化当发生器失活时从阳极直接形成氢气。
在外壳12内的氢气出口34可配有疏水、氢气可渗透的膜36(例如氟聚合物膜)。合适的膜可获自Pall Corp.(East Hills，NY)或W.L.Gore and Associates，Inc.(Dallas，TX)。膜可辅助限制或防止电解质从外壳中泄漏。尽管图1中的外壳12具有仅仅一个氢气出口，但在一些情况下，外壳具有大于一个氢气出口(例如，介于2至8个氢气出口)。
当氢发生器关闭时(即当导体28和30并不彼此接触时)，为了降低产气速度，阴极金属可以是具有产气抑制剂的合金，如铋、锡、铟、汞、铅、镉或铊。优选的合金化元素包括铋、锡和铟。例如，金属可以是含最多500ppm铟和最多500ppm铋的锌合金。也可添加痕量其它金属(例如，铝或钙)，为的是抑制在金属阳极的局部氢气生成，或者促进与阳极金属合金化的锡、铟或铋的任何有益作用。
电子导体28、30、228和230可包括铜或黄铜线材。线材可以用铟、锡或铅的薄层电镀或涂布。由于阳极和阴极反应位于在其间具有隔板材料的两个独立的电极上，因此在电极之间的电化学反应只有在电子导体彼此接触时才会发生。当导体接触时，电化学反应可能开始，从而导致产生氢气。在一些情况下，导体通过例如全氟烷氧基TEFLONTM(获自DuPont)的鞘层绝缘，以防止导体非所需地接触外壳内的其它材料。导体28可软焊、焊接或机械固定到集电器26上，和导体228可软焊、焊接或机械固定到集电器221和223上。导体30可软焊、焊接或机械固定到阴极16的阴极筛网上，和导体230可软焊、焊接或机械固定到阴极226的阴极筛网上。为了限制或防止腐蚀，可用例如沥青覆盖连接点。
如下所述制备氢发生器的实例。
通过钻探在容器表面上规则分布的约120个孔，对聚丙烯容器(直径约2.75cm和长度约4.75cm)进行穿孔，其中每一孔的直径约3mm。
用DURALAMTM电池隔板(获自Gillette Company)在其外表面上缠绕容器。使用在甲苯内的沥青溶液密封搭接的接缝和隔板端点。
将阴极放置在容器内。阴极包括用承载在炭黑上的1％钯、承载在炭黑上的5％钌的50/50混合物裱糊的织造镍筛网(3.75cm×10.75cm)，和氟聚合物(TEFLONTM DuPont产品类型30，获自DuPont)。每1.17ml Teflon乳液包括约3.34g催化炭黑。干燥涂层的总重量为2.34g(在40.3cm2的镍筛网上)。催化的阴极包括11.7mg钯和58.5mg钌。
将催化剂筛网软焊到聚氨酯泡沫体为鞘层的铜线上。线材穿过沥青密封的馈入装置到达外部容器的外部。用沥青覆盖与镍筛网的焊接接点。
将该组件共轴地布置在第二容器内。第二容器是直径约3.25cm和长度10cm的聚乙烯管道。
第二容器共轴地布置在第三容器内。第三容器是具有螺纹端帽的重壁氟聚合物管道。
用9N氢氧化钾溶液填充最内部的容器。
最内部的容器通过其一端互通到部分用9N氢氧化钾填充的第三、外部容器上。
用含64％锌的胶凝的碱性锌粉淤浆填充在(绕穿孔的内部容器缠绕的)隔板和第二、中间容器之间的环形空间。在这一环形隔室内还存在螺旋铜线，所述螺旋铜线接触锌淤浆。该线材穿过在外部容器内的沥青密封的馈入装置到达装置外部。
图1的氢发生器可例如在与以下参考图2所述的相类似的电化学电池中用作氢燃料电池的氢源。
参考图2，电化学电池110具有外壳111。在外壳111内是连接到氢燃料电池114上的氢发生器112。氢发生器包括确定内部体积118的外壳116。在内部体积内布置通过隔板124隔开的阳极120和阴极122。氢发生器还包括具有开关128的导体126。电解质渗透到氢发生器内的大多数孔隙空间内，从而填充在隔板124内的孔隙并接触阳极120和阴极122二者。
燃料电池114具有确定内部体积132的外壳130。在内部体积内是通过电解质138隔开的阳极134和阴极136。外壳也具有氧气或空气入口140、水出口142(氧气耗尽的空气也可通过所述水出口142逃逸)。在氢发生器外壳116内，氢气入口144藉助连接器146可拆卸地连接到氢气出口148上。在氢发生器和氢燃料电池之间的连接可提供氢气的导管。因此，通过氢发生器产生的氢气可行进到燃料电池，在此它被燃料电池的阴极134消耗。也可视需要闭合或打开在氢发生器和燃料电池之间的连接。
氢发生器可包括气体可渗透、液体不可渗透的膜145，如Gore，EXCELLERATORTM Gas Diffusion Membrane(4mil，获自W.L.GoreAssociates，Dallas，TX，部件号243042966)，以限制或防止非所需的渗透出入发生器。由于相同的原因，燃料电池可包括类似的气体可渗透、液体不可渗透的膜149。
图2示出了各自在其外壳内的电化学电池110、燃料电池114和氢发生器112。然而，在一些情况下，燃料电池和氢发生器二者均布置在单一的外壳内，且在燃料电池和发生器之间的整体偶联来传输氢气。燃料电池和氢发生器可以在单独的、可拆卸的外壳内，该外壳没有位于一个大的外壳内。在一些情况下，氢发生器可从燃料电池上拆卸、弃置并用新的氢发生器替换。
除了机械连接以外，氢发生器和氢燃料电池也可如图2所示彼此电连接。在图2中，导体150将氢发生器阳极120连接到燃料电池阴极136上。导体150可包括负载152。第二导体154将氢发生器阴极122连接到燃料电池阳极134上。导体154可具有开关156。当激活开关156时，燃料电池和氢发生器串联电连接。
当氢发生器和氢燃料电池按照这一方式彼此电连接时，通过氢发生器产生的电压(例如，最多0.4V)被加到通过燃料电池产生的电压(例如，约1.0V)上，产生例如最多1.4V的最终电压。
在一些情况下，氢发生器没有电连接到燃料电池上。在这种情况下，(图2所示的)开关128在氢发生器的阳极120和阴极122之间建立电连接。当闭合开关128时，氢发生器产生氢气。在这种情况下，优选电化学电池包括一个或多个控制器，所述控制器传感氢气的流量或压力，且可自动控制开关128的作用。可控制氢气生成的速度，使之与通过燃料电池消耗的氢气的速度平衡，以便为了达到平衡燃料电池的需求，维持适当恒定的流速和压力。
在串联电连接模式的图2中的电化学电池110的操作过程中，可在发生器和燃料电池部分之间发生氢气泄漏。结果，在燃料电池入口144处的氢气压力可下降。在这种情况下，只要压力下降到低于一定的最小阈值，开关128可临时闭合。作为对从例如互通到或者发生器的氢气出口148或者互通到燃料电池的氢气入口144的压力计或传感器的信号的应答，这一动作可自动发生。或者，可采用比例控制形式，以便在开关128处调节电流，从而维持平稳、恒定的氢气压力调节。当使用比例控制时，开关128不是简单地为on-off开关。相反，它以与实际压力偏离所需操作压力的程度成比例地调节氢气生成。若实际压力仅仅略低于所需压力，则允许小的电流流过开关128。若实际压力显著低于所需压力，则允许大的电流流过开关128。
在图2的电化学电池110内的氢发生器可以是例如参考图1所述的氢发生器10。当导体28和30接触时，在氢发生器内发生方程式(1)、(2)和(3)的反应。
在总反应中，通过氢发生器产生的氢气通过氢气出口148进入氢气入口144，在此它可被燃料电池114利用生成电流。在阳极120处产生的电子经导体150移动到燃料电池阴极136，在此电子可被在该位置处发生的还原反应利用。
在燃料电池114中，阳极134氧化氢气产生质子和电子。质子经电解质138移动到阴极136，在此质子与通过氧气或空气入口140提供的氧气结合，和电子经导体150行进产生水。水可经燃料电池出口142流出燃料电池。通过氧化产生的电子经导体154(若开关156闭合的话)移动到氢发生器阴极122，在此它们可被用于还原水。
参考图3，在一些情况下，经氢燃料电池114的水出口142流出的水可例如通过泵115循环到氢发生器112中。在氢发生器112中，水可被还原形成更多的氢气。
因此，在燃料电池中，在总反应中，根据方程式(4)、(5)和(6)产生水：
                      (4)
             (5)
                   (6)
因此，电化学电池110的总反应是方程式(7)的反应：
                      (7)
燃料电池的阳极134可由能与氢气相互作用形成质子和电子的材料形成。该材料可以是能催化氢气分解与氧化的任何材料。这种材料的实例包括例如铂、铂合金，如铂-钌，和分散在炭黑上的铂。
阴极136可由能催化氧气、电子和质子之间反应形成水的材料形成。这种材料的实例包括例如铂、铂合金、过渡金属、过渡金属氧化物和分散在炭黑上的贵金属。
电解质138能允许电子流经电解质同时还提供电子流动的很大阻力。在一些实施方案中，电解质138是固体聚合物(例如固体聚合物离子交换膜)。电解质138可以是固体聚合物质子交换膜。固体聚合物质子交换膜的实例是含磺酸基的固体聚合物。这种膜可以以商品名NAFION商购于E.I.DuPont de Nemours Company(Wilmington，DE)。或者，电解质138也可由获自W.L.Gore & Associates(Elkton，MD)的商用产品GORE-SELECT制备。在一些情况下，电解质138可以是聚膦嗪膜或bulk酸(如磷酸)。
在一些实施方案中，电解质138可以是离子传导液体电解质(例如氢氧化钾水溶液，氢氧化钠水溶液，硫酸水溶液或磷酸水溶液)。液体电解质可以是游离液体或可通过添加胶凝剂，如聚合物(例如聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸)或吸附剂(例如硅胶、煅制氧化硅或粘土)将它固定。
外壳130可以是在燃料电池中常用的任何常规的外壳。例如，外壳130可以是塑料、碳或金属容器，如钢、不锈钢、石墨、尼龙、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟烷氧基树脂或金属、碳和塑料的结合。塑料可例如用无机填料填充。或者，塑料可未被填充。
可底涂氢发生器112，以便当闭合开关156并激活电化学电池110时，氢气可立即到达燃料电池114。当闭合在氢发生器上的开关128时，氢发生器启动生成氢气。若闭合连接器146，则氢气可在氢气出口148处累积。一旦打开连接器146，则氢气可立即到达燃料电池114。
参考图3，在一些情况下，电化学电池110包括传感器310，传感器310将电信号输送到控制器312。控制器312然后根据信号激活氢发生器112或使之失活。控制器和传感器可通过电信号调节装置(例如，电子滤波器，它可固定传感器信号内的尖峰信号或磁倾角，如通过振动或者震动引起的那些)彼此相连。控制器可连接到导体上。作为对例如来自传感器的信号的应答，控制器可引起可变量的电流流经导体。在一些情况下，控制器可引起导体显示出可变的电阻。
传感器可以是压力传感器。如图3所示，传感器可以连接到在氢发生器112和氢燃料电池114之间的氢气导管314上。因此，传感器可感知因氢气累积导致的压力。若压力高，则传感器可输送信号到控制器，以降低氢气的生产量。若压力低，则传感器可输送信号到控制器以增加氢气的生产量。
传感器可以是电压传感器。在这一情况下，传感器可以感知氢燃料电池产生的电压。若电压太低，则电压传感器可输送信号到控制器，以增加氢气的生产量(并进而增加燃料电池产生的电压)。另一方面，脱电压太高，则电压传感器可输送信号到控制器，以降低氢气的生产量。
其它实施方案在下述权利要求的范围内。

Claims (45)

1.一种电化学电池，它包括：
电化学氢发生器，该电化学氢发生器包含：
生成氢气的第一阴极，和
与第一阴极相邻的第一阳极；和
氢燃料电池，该氢燃料电池包含：
氧化氢气的第二阳极，和
与第二阳极相邻的第二阴极，
其中第一阳极电连接到第二阴极上，和第一阴极电连接到第二阳极上。
2.一种电化学电池，它包括与氢燃料电池串联电连接的电化学氢发生器。
3.权利要求2的电池，其中电化学氢发生器包括产生氢气的第一阴极和与第一阴极相邻的第一阳极。
4.权利要求3的电池，其中氢燃料电池包括氧化氢气的第二阳极，和与第二阳极相邻的第二阴极。
5.权利要求4的电池，其中第一阳极电连接到第二阴极上，和其中第一阴极电连接到第二阳极上。
6.权利要求2的电池，其中氢燃料电池包括氧化氢气的第二阳极和与第二阳极相邻的第二阴极。
7.权利要求2的电池，其中氢发生器包括气体出口，和其中氢燃料电池包括与气体出口流体互通的气体入口。
8.权利要求2的电池，其中氢发生器包括第一外壳。
9.权利要求8的电池，其中氢燃料电池包括第二外壳。
10.权利要求9的电池，其中第一外壳与第二外壳可剥离地啮合。
11.权利要求2的电池，其中氢燃料电池和氢发生器布置在单一的外壳内。
12.权利要求2的电池，其中氢发生器包括氢生成阳极。
13.权利要求12的电池，其中氢生成阳极包括选自锌、铝、钛、锆和锡中的金属。
14.权利要求12的电池，其中氢生成阳极包括储氢组合物。
15.权利要求14的电池，其中储氢组合物是金属氢化物或混合稀土金属合金。
16.权利要求2的电池，其中氢燃料电池包括酸性聚合物膜电解质。
17.权利要求2的电池，进一步包括控制器。
18.权利要求17的电池，进一步包括传感器。
19.权利要求18的电池，其中传感器连接到控制器上。
20.一种电化学电池，它包括：
电化学氢发生器，该电化学氢发生器包含：
生成氢气的第一阴极，和
与第一阴极相对的第一阳极；和
氢燃料电池，该氢燃料电池包含：
氧化氢气的第二阳极，和
与第二阳极相对的第二阴极，和
在氢发生器与氢燃料电池之间的联接器，其中联接器将第一阴极流体连接到第二阳极。
21.权利要求20的电化学电池，其中氢发生器进一步包括第一阳极和第一阴极布置在其内的第一外壳。
22.权利要求21的电化学电池，其中氢燃料电池进一步包括第二阳极和第二阴极布置在其内的第二外壳，和其中第二外壳与第一外壳可剥离地啮合。
23.权利要求22的电化学电池，其中第一阳极电连接到第二阴极上。
24.产生电流的方法，该方法包括：
在电化学氢发生器的第一阳极和氢燃料电池的第二阴极之间形成电连接；和
在电化学氢发生器的第一阴极和氢燃料电池的第二阳极之间形成电连接。
25.权利要求24的方法，其中第一阴极产生氢气，和第一阳极与第一阴极相邻。
26.权利要求24的方法，其中第二阳极氧化氢气，和第二阴极与第二阳极相邻。
27.产生电流的方法，该方法包括：
由电化学氢发生器的氧化半电池产生第一电子；和
将第一电子传输到氢燃料电池的还原半电池中。
28.权利要求27的方法，进一步包括将第二电子从氢燃料电池的氧化半电池传输到氢发生器的还原半电池中。
29.权利要求28的方法，进一步包括由氢发生器产生氢和在燃料电池处氧化所产生的氢。
30.权利要求29的方法，进一步包括将所产生的氢通过流体连接氢发生器和燃料电池的导管传输到燃料电池。
31.一种电化学氢发生器，它包括：
外壳，该外壳包含氢气出口；
在外壳内的阳极，该阳极包含可氧化材料；
在外壳内的阴极，该阴极包含氢生成催化剂；
和
在阳极和阴极之间的离子传导、电绝缘的隔板层。
32.权利要求31的氢发生器，进一步包括在外壳内的含水离子电解质。
33.权利要求31的氢发生器，其中可氧化材料包括金属。
34.权利要求33的氢发生器，其中可氧化材料包括选自第IIa族金属，第Ib族金属，第IIIa族金属，第IIb族金属，铁，锡，锰，钛，锆及其结合中的金属。
35.权利要求31的氢发生器，其中隔板包括非织造纤维聚合物织物。
36.权利要求35的氢发生器，其中非织造纤维聚合物织物被层压到玻璃纸上。
37.权利要求36的氢发生器，其中非织造纤维聚合物织物包括聚乙烯醇纤维。
38.权利要求31的氢发生器，其中阴极进一步包括含有催化剂的粘合剂。
39.权利要求38的氢发生器，其中粘合剂包括选自高密度聚乙烯和聚四氟乙烯中的成分。
40.权利要求31的氢发生器，其中氢出口包含防止液体从外壳中泄漏而布置的疏水膜。
41.权利要求31的氢发生器，其中可氧化材料包括选自氢化钛、氢化锆、镍或镧的可逆氢化物和混合稀土金属合金中的金属氢化物。
42.权利要求31的氢发生器，其中可氧化材料包括选自锌、铝、钛、锆和锡中的金属。
43.权利要求31的氢发生器，进一步包括布置在外壳内的碱性电解质。
44.权利要求43的氢发生器，其中碱性电解质包括选自含水氢氧化钠和含水氢氧化钾中的成分。
45.权利要求31的氢发生器，其中阳极和阴极通过电子导体连接，和电子导体包括开关。
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