專利名稱：電化學裝置和氣體存儲裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及減壓裝置、電化學裝置、減壓增壓裝置、氣體存儲裝置、氣體存儲輔助系統(tǒng)以及驅動這些裝置的方法。
本申請要求基于2002年1月18日提交的日本專利申請2002-009456和2002年12月25日提交的日本專利申請2002-373798的優(yōu)先權，在此引入其全部內容作為參考。
背景技術：
作為將高壓氣體轉化為低壓氣體的手段，迄今為止廣泛地使用機械氣體調節(jié)器(gas regulator)。通常的氣體調節(jié)器是例如日本專利申請公開H04-244506中披露的機械裝置。
現在，根據日本專利申請公開H04-244506披露的內容，在下面說明通常的氣體調節(jié)器。
如

圖1所示形成通常的氣體調節(jié)器。即，在主體殼體86進口側的一端，裝有進氣管87。在另一端，形成有出氣口88。在主體殼體86頂面形成的開口部分86a上，固定有封蓋89。在主體殼體86和封蓋89之間，固定隔板90的外緣(peripheral edge)。隔板90不透氣地劃分出封蓋89側的大氣壓室91和外殼86內的減壓室92。
在隔板90的中間，操縱桿93垂直地穿過。隔板90夾在并固定在軸環(huán)部(collar part)93a和螺母94之間，其中軸環(huán)部93a布置在操作桿93內，螺母94旋擰在操縱桿93的上端。彈簧95在隔板90與封蓋89之間插入，持續(xù)地壓迫隔板。操縱杠桿(operation level)96的操縱端交聯在操縱桿93的下半部，以便進行滑動。操縱杠桿96通過支撐軸97由外殼86支撐，以便進行旋轉。操縱杠桿96的操縱端借助于操縱銷99與閥體98嚙合，該閥體98正對著進氣管87的末端管口部分87a。在封蓋89內，形成有與大氣一側相通的通氣孔89a。
在上述結構的通常氣體調節(jié)器中，當減少燃燒設備(省略了其說明)消耗的氣體量，以增大減壓室92內壓力時，隔板90就克服彈簧95的推力而偏移至氣壓室91側，從而提升操縱桿93，并在支撐軸97上逆時針方向旋轉操縱杠桿96。使閥體98接近管口端87a。從而，進入的氣體量就減少，由此降低減壓室92內的氣壓。這樣，減壓室92內的氣壓就被保持在對應于彈簧95推力的基本穩(wěn)定的值。
因此，當從進氣管87側供給高壓氣體(氣態(tài)材料)時，在出氣口88側能得到規(guī)定低壓的氣體。
從構造的角度看，上述機械系統(tǒng)的通常氣體調節(jié)器具有龐大的外形。而且，由于上述氣體調節(jié)器還具有可移動部分，因此就會產生由摩擦引起的磨損，從而縮短機器壽命。同時，在操作過程中還會產生不希望的噪音。
另外，這種通常的氣體調節(jié)器僅僅設計用來降低氣體的壓力，且僅配備有減壓機構。因此，除減壓機構外還需單獨地布置增壓機構來加壓。
發(fā)明的公開本發(fā)明的一個目的是提供新型的減壓裝置、電化學裝置、減壓增壓裝置、氣體存儲裝置和氣體存儲輔助系統(tǒng)，以及驅動這些裝置的方法，這些裝置能夠解決如上所述通常提出的用于將高壓氣體轉化成低壓氣體的裝置所存在的問題。
本發(fā)明的另一個目的是提供緊湊、耐用而又無聲的減壓裝置，電化學裝置，減壓增壓裝置，氣體存儲裝置和氣體存儲輔助系統(tǒng)，以及驅動這些裝置的方法。
本發(fā)明涉及的氣壓調節(jié)器包括電化學電池，其包含將氣體分解為離子的第一電極，將所述第一電極處產生的離子再次轉化為所述氣體的第二電極，以及夾在所述兩個電極之間的離子導體；和配備在所述電化學電池側的高壓容器。
本發(fā)明涉及的氣壓調節(jié)方法包括在第一電極處將氣體分解成離子的分解步驟；將分解的離子通過離子導體傳導(conduct)至第二電極的傳導步驟，該離子導體夾在所述第一電極和第二電極之間；和在所述第二電極處將被傳導的離子再次轉化成所述氣體的轉化步驟。
在本發(fā)明的氣壓調節(jié)器和氣壓調節(jié)方法中，由于包括有分解步驟、傳導步驟和轉化步驟，而且在該裝置中沒有配備機械可移動部分，因此就能夠實現緊湊、耐用而又無聲的氣壓調節(jié)器。
此時，例如，當驅動本發(fā)明的氣壓調節(jié)器時，電化學電池就可以起作用來降低高壓容器內的壓力。
電化學電池起作用，以降低或增加高壓容器內的壓力，從而本發(fā)明的氣壓調節(jié)器可以作為減壓增壓裝置來操作。
在這些情形中，由于在本發(fā)明的氣壓調節(jié)器中沒有配備機械可移動的部分，因此就能夠得到緊湊、耐用而又無聲的裝置。依照本發(fā)明，由于形成這樣裝置以便于具有減壓機構和施壓機構，因此就可以實現比通常的氣壓調節(jié)器更加緊湊的裝置。
在本發(fā)明中，氣體理想的是處于常溫和常壓狀態(tài)下的氣體。具體地，氣體優(yōu)選是氫氣或氧氣。
離子導體優(yōu)選是由能夠透過電離氣體的電解質材料制成的膜。另外，第一電極和第二電極優(yōu)選是電極膜，在電極膜上承載(carry)有能夠離子平衡氣體的催化劑諸如鉑。
電極優(yōu)選具有一定的耐熱性和盡可能大的表面。每個電極優(yōu)選能夠在整個表面借助于表面上承載的催化劑，與離子導體緊密接觸。電極優(yōu)選具有一定程度的柔韌性，以便緊密接觸離子導體。另外，電極優(yōu)選是活化的電極(actived electrode)。
相應地，第一電極和第二電極優(yōu)選是多孔或網孔形狀。例如，第一電極和第二電極可以以這種方式形成，即碳纖維或多孔碳形成片狀，而且在與由片狀電極材料制成的離子導體緊密接觸的一側上承載有活性催化劑。對于這種片狀電極材料，可以插入或粘結芯部材料，例如由編織金屬線形成的網狀芯部材料。這種金屬芯部材料插入或粘結在電極上，使得能夠提高電極本身的電導性，而且能夠獲得在整個表面上均勻的電流分布。
催化劑理想的是例如鉑、氧化釕、氧化銥等的細粒。但任何其它的電極材料如銀也是可以使用的，借助該材料進行作為本發(fā)明一個目的的反應。
催化劑可以用通常的方法承載在電極上。例如，可以采用一種方法，即使催化劑材料或其前體承載在碳粉末的表面上，經受諸如加熱的處理來形成催化顆粒，并將這些催化顆粒與電極表面上的氟樹脂一起烘烤。另外，預先形成其上沒有承載催化材料的電極體。接著，將催化材料的前體，例如氯化鉑和氯化釕的混合水溶液或丁醇溶液作為涂布液體，涂覆在電極的表面，并在200℃至350℃下，在含有氫的還原氣氛中進行燒結。這樣，在電極的表面上就形成鉑和釕的合金。
依照本發(fā)明的裝置優(yōu)選在電化學容器的另一側具有一個低壓容器。該電化學電池優(yōu)選充當氣體隔墻的作用。當在電化學電池兩側處產生壓力差時，優(yōu)選地設置通過控制兩個電極間的電勢來調節(jié)壓力的手段。另外，由壓力差生成的電動勢優(yōu)選地用繼電器等來短路，或者優(yōu)選地用可變電阻器來調節(jié)壓力。
通常，當在電化學電池兩側生成壓力差時，由壓力差產生電動勢。這就是通常所說的能斯脫公式，其包含下式中示出的壓力項。
E＝E0+(RT/2F)ln(P1/P2) (1)在式(1)中，E0表示氣體的電離能(ionized potential)，R代表示氣體常數，T表示溫度，F表示法拉第常數，P1和P2表示氣壓。
實際上，當作為氣體隔墻的電化學電池兩側的氣壓相同時，并不產生電勢差。然而，當一側的氣壓升高時，就產生由式(1)中l(wèi)n(P1/P2)項引起的電動勢。
例如，當氣體是氫氣時，在于催化劑之中存在下式(2)示出的平衡，如電極上加載的鉑。
(2)當氣壓上升時，這種電化學平衡發(fā)生偏移，減緩壓力。這種反應平衡使體積發(fā)生變化，從而具有非常重要的意義。也就是說，當氣壓上升時，該平衡向右偏移，以減緩它。因此，許多電子流進電極中來提高電勢。與此同時，許多質子(H+)注入高壓容器側的離子導體中，使質子易于擴散到低壓容器側。
當擴散到低壓容器一側的質子不與電子再次結合時，這些質子就不能還原成氫氣。相應地，當產生電學短路時，其中兩個電極間的電勢差恒定，質子在低壓容器側與電子再次結合。從而，很顯然，氫氣流向低壓容器一側。
在這一過程中，需要離子導體的氣體阻斷(gas interrupting)特性。如下所述，例如，當氫氣用作這種氣體時，包含富勒烯或類似物作為基體(base)的質子導體可用于離子導體。
基本上，由于僅特定氣體的離子才能穿過離子導體，因此這種電化學電池也具有氣體精制過濾器(gas refining filter)的功能。相應地，當氫氣用作這種氣體時，電化學電池最適合用作調節(jié)器用于向處于規(guī)定壓力下的電化學裝置如燃料電池供應氫氣。
如上所述，本發(fā)明的本質在于基于壓力的能斯脫公式，即上述式(1)。當在兩個電極間產生壓力差時，該兩個電極的電勢可以用繼電器等來短路，或者該兩個電極的電勢可以用可變電阻器來控制，以調節(jié)壓力。
充當氣體隔墻的電化學電池的兩側都具有封閉的容器。當一側用作高壓氣體罐，另一側連接在氣體消耗系統(tǒng)上時，在另一側的封閉容器內布置壓力傳感器。該壓力傳感器可以與連接在電化學電池兩個電極間的繼電器開關聯動(interlock)，而起作用以補償氣體的消耗。
由參看附圖的下述實施方式的描述，本發(fā)明其它的目的和具體優(yōu)點將變得更加清楚明白。
附圖簡述圖1是示出通常氣體調節(jié)器示例的截面示意圖；圖2是示出本發(fā)明的減壓裝置的截面示意圖；圖3是示出本發(fā)明的減壓裝置高壓容器側壓力變化的曲線圖；圖4A和4B是多羥基化富勒烯的結構圖，示出可用于本發(fā)明的富勒烯衍生物的一個實例；圖5A和5B是示出富勒烯衍生物各個實例的示意圖；圖6A至6M是示出碳簇的各個實例的示意圖，該碳簇作為質子導體的核；圖7A至7D是分別示出碳簇(部分富勒烯結構)其它實例的示意圖；圖8A至8G是分別示出碳簇其它實例(金剛石結構)的示意圖；圖9A至9H是分別示出碳簇其它實例(各個簇鍵合在一起)的示意圖；圖10A和10B示出作為質子導體的核的碳納米管，圖10C是示出碳纖維的示意圖；圖11是示出本發(fā)明電化學裝置的截面示意圖；圖12是示出本發(fā)明的氣體存儲裝置的截面示意圖；圖13是連接在本發(fā)明氣體存儲裝置上的出口和進口壓力探測手段的截面示意圖；圖14是示出本發(fā)明的氣體存儲裝置和連接在其上的氣體存儲輔助系統(tǒng)的截面示意圖；
圖15是本發(fā)明氣體存儲裝置另一個實例的截面示意圖；圖16是本發(fā)明氣體存儲裝置又一個人實施方式的截面示意圖；圖17是示出氣體存儲裝置的結構示意圖，其中電化學電池以多級(multistage)結構方式形成；圖18是示出氣體存儲裝置的另一個實例的結構示意圖，其中電化學電池以多級結構方式形成。
實施本發(fā)明的最佳方式現在，參看附圖來說明本發(fā)明的各種實施方式。
如圖2所示，依照本發(fā)明的減壓裝置包括作為隔墻的電化學電池4，電化學電池4具有分別形成第一和第二電極的第一和第二催化電極1和2，在這些電極上承載有催化劑例如鉑，夾在催化電極1和2之間的質子導體3；配備在電化學電池4兩側的高壓容器5和低壓容器6。真空泵8通過真空管道7連接在高壓容器5和低壓容器6上。此外，H2儲罐9和氣體流量計10連接在高壓容器5和低壓容器6上。引線導入端11和12連接在每個容器5和6上。用氫氣作為燃料的電能產生裝置(其說明被省略)連接在氣體流量計的末端。
首先，關閉閥13、14和17，打開閥15和16，用真空泵8在高壓容器5和低壓容器6內獲得真空。接著，關閉閥15和16，打開閥13和14，由H2儲罐9向每個容器5和6引入10個大氣壓的氫氣。然后，關閉閥13和14。此后，打開閥17，使低壓容器6僅為1大氣壓。
此時，測量連接在電化學電池4兩端上的引線導入端11和12之間的電壓差，該電壓差大約是100mV。
接著，將電化學電池4的電極1和2兩者都短路，來測量高壓容器5內壓力的變化。圖3表示高壓容器5的壓力隨時間的變化圖。如圖3所示，可以看出，高壓容器5內的壓力隨著時間t的流逝而降低，通過繼電器(relay)來進行電極1和2之間的短路。
質子導體3理想地包括衍生物，該衍生物以這種方式形成，即通過制備作為主要成分的由至少一種選自富勒烯分子、碳作為主要成分的簇和管狀或線狀碳結構體的材料制成的材料，且向形成該材料的碳原子引入質子離解基團而形成。下面描述的其它發(fā)明與上面的相同。
此處，質子離解基團指其中質子可以根據電離進行分離的功能團。質子的離解指質子根據電離從功能團分離出來。
作為質子離解基團所引入的目標的核(nucleus)，富勒烯分子可以是沒有特別限定的任何球殼型簇分子Cm(m是使Cm可以形成球殼結構的自然數。)。通常，優(yōu)選采用選自C36，C60，C70，C76，C78，C80，C82，C84，C86，C88，C90，C92，C94，C96等或者其中兩種或多種材料的混合物的富勒烯分子的單一材料(single material)。
這些富勒烯分子是在1985年，通過激光燒蝕，在碳的簇束(cluster beamof carbons)的質譜光譜中發(fā)現的(Kroto，H.W，；Heath，J.R；O’Brien，S.C.；Curl，R.F.；Smalley，R.E.Nature 1985.318，162)。實際上，五年后才建立其制造方法。1990年，發(fā)現了用弧光放電法來制造碳電極的方法。其后，富勒烯作為碳質半導體材料等一直引起人們的關注。
如圖4A和4B所示，作為通過向富勒烯分子添加多個羥基而形成的結構的富勒烯醇(fullerenol)，其合成的例子最先在1992年由Chiang等人報道(Chiang，L.Y，；Swirczewski，J.W.；Hsu，C.S.；Chowdhury，S.K.；Cameron，S.；Creegan，K.，J.Chem.Soc，Chem.Commun.1992，1791)。
本發(fā)明的發(fā)明人首次發(fā)現，如果富勒醇用作圖5A所示的聚集體(aggregate)來在富勒醇分子的羥基之間產生相互作用時(在圖中，o表示富勒烯分子)，其中富勒醇分子彼此相互間緊密接觸，該聚集體作為宏觀聚集體表現出高質子導電性，即，聚集體表現出H+從富勒醇分子的酚羥基解離的性能。
根據本發(fā)明，具有例如除富勒醇外多個-OSO3H基團的富勒烯聚集體可以用作離子導體。圖5B所示其中OH基被OSO3H基取代的多羥基化富勒烯，即硫酸氫鹽酯化富勒醇也由Chiang等人在1994年報道(Chiang，L.Y.；Wang，L.Y.；Swirczewski，J.W.；Soled，S.；Cameron，S.，J.Org.Cem.1994，59，3960)。在硫酸氫鹽酯化富勒醇里，一個分子可以僅包括OSO3H基或可以分別包括多個OSO3H基和羥基。
當許多上述的富勒醇和硫酸氫鹽酯化富勒醇聚集時，作為整體(bulk)顯示出的質子導電性直接與質子的運動相聯系，該質子衍生于初始包含在分子內的大量羥基或OSO3H基。因此，即使是在很低濕度的氣氛中也可以不斷地使用富勒醇和硫酸氫鹽酯化富勒醇。
構成這些分子的基體(base)的富勒烯特別地具有親電性，該親電性被認為不僅極大地有助于加速高酸度OSO3H基內氫離子的電離，還有助于加速在羥基內氫離子的電離，并顯示出優(yōu)良的質子導電性。由于相對大量的羥基和OSO3H基可以被引入一個富勒烯分子，因此每單位體積與傳導相連系的質子導體的密度變得非常高。從而，就實現穩(wěn)定的傳導性。
大部分的富勒醇和硫酸氫鹽酯化富勒醇是由富勒烯碳原子構成，它們重量很輕，較少變質，而且不包含任何的污染物。從而，富勒烯的生產成本正在迅速降低。因此，從資源、環(huán)境以及經濟的觀點看，基本上認為富勒烯是比其它材料更理想的碳材料。
而且，質子離解基團并不必限于上述的羥基或OSO3H基。
即，用式-XH表示質子離解基團。其中X可以是具有二價鍵的任意的原子或原子團。此外，也可用式-OH或-YOH表示質子離解基團，其中Y可以是具有二價鍵的任意的原子或原子團。
具體地，作為質子離解基團，除-OH和-OSO3H外，優(yōu)選-COOH、-SO3H、-OPO(OH)2和-C6H4-SO3H的任一種。
例如，為了合成在本發(fā)明中使用的富勒醇，已知的方法像酸化法或水解法適合組合起來運用至富勒烯粉末，以使所需的基團可以引入到形成富勒烯分子的碳原子上。
接著，用涂覆或沉積的方法將獲得的富勒烯衍生物形成膜結構，用作電化學電池4的質子導體3。
該質子導體3可以基本上僅由富勒烯衍生物構成，或者可以由用粘合劑粘合的富勒烯衍生物構成。
當質子導體3基本上僅由富勒烯衍生物構成時，可以使用在壓力下通過模塑富勒烯衍生物而形成的薄膜狀質子導體3。當用粘合劑粘合的富勒烯衍生物作為質子導體3時，可以用粘合劑來形成具有足夠強度的質子導體。
作為用作粘合劑的聚合物材料，采用一種或兩種或者多種具有已知成膜特性的聚合物。具有這種結構的質子導體能夠顯示出與僅由富勒烯衍生物構成的質子導體相同的質子導電性。
此外，由聚合物材料得到的成膜特性使該質子導體不同于僅由富勒烯衍生物構成的質子導體。因此，用粘合劑粘合富勒烯衍生物而形成的質子導體可以用作柔性質子導體3，該質子導體3的強度高于富勒烯衍生物粉末壓塑的產品，且該質子導體3具有防透氣功能。此時使用的質子導體薄膜具有300微米或更小的厚度。
作為聚合物材料，盡可能地不阻礙質子的導電性(因為與富勒烯衍生物的反應)且具有成膜特性的任何材料都是可用的，沒有特別限制。通常，使用沒有電子導電性且具有良好穩(wěn)定性的材料。關于具體的例子，可以例舉出聚氟乙烯、聚偏1，1二氟乙烯、聚乙烯醇等?；谙旅婷枋龅脑?，這些材料是優(yōu)選的聚合物材料。
首先，由于聚四氟乙烯可以比其它聚合物材料更容易地形成具有較高強度、較少混合量的薄膜，因此聚四氟乙烯是優(yōu)選的。在這種情形下，混合的量是3重量％或更少，優(yōu)選地，混合的量是0.5至1.5重量％這么小。薄膜的厚度通常可以減少到100微米至1微米。
聚偏1，1二氟乙烯和聚乙烯醇是優(yōu)選的，因為它們能夠獲得具有優(yōu)良防透氣功能的質子導電薄膜。在這種情形下，混合的量優(yōu)選介于5至15重量％的范圍。
當聚氟乙烯、聚偏1，1二氟乙烯或聚乙烯醇各自混合的量低于上述范圍的下限值時，就會給成膜帶來不良的影響。
為了用粘合劑分別粘合富勒烯衍生物來獲得質子導體薄膜，可以采用已知的成膜方法，像加壓模塑或擠塑法。
在依照本發(fā)明的裝置中，從處理和致密角度看，電極1、2和作為質子導體3的富勒烯衍生物優(yōu)選成形為具有足夠物理強度的柔軟片形。
由于電化學電池4在大氣中，即使是當操作期間溫度或濕度并不進行調節(jié)時也可以有效地起作用，因此就有效地降低氫氣的壓力。
由向形成富勒烯分子例如富勒醇的碳原子引入質子離解基團而形成的富勒烯衍生物被用作形成質子導體3的材料。因此，電化學電池4能在大氣中低濕度的狀態(tài)下起作用，即使沒有加濕器，這不同于使用作為H3O+離子導體的高氟化樹脂(Nafion)的情形。
也即，由于可以在大氣中低濕度的狀態(tài)下降低氫氣的壓力，因此就可以加速降低氫氣壓力的初始操作，而不再需要一段時間直至穩(wěn)定工作。例如，可以配備加濕器，以類似地在有水的情形下降低氫的壓力。但是，本發(fā)明并不一定需要上述的條件。
當使用作為H3O+離子導體的高氟化樹脂時，氫被壓縮，同時產生水，因此就需要除濕器。與其相比，在本發(fā)明的這種實施方式中，即使不提供除濕器，氫氣的壓力也可以降低。
而且，即使不提供加濕器，也可以有效地實現電化學壓力的降低操作。從而，壓力被降低的氫氣中水的含量很低。相應地，就不需要作為后續(xù)工藝(post process)的除濕過程。
因此，電化學電池4可以有效地降低氫氣的壓力。這樣，本發(fā)明的裝置更緊湊且高度通用。
在本發(fā)明中，作為質子導體，例如可以用簇衍生物來替代富勒烯衍生物，該簇衍生物可以以這種方式得到，即用碳電極的弧光放電法來得到由碳粉末制成的簇，并使碳粉末酸化，且將質子(H+)離解基團引入碳粉末。
此處，簇一般指的是幾個至幾百個原子粘合或聚集在一起而形成的聚集體。該聚集體能使質子導電性得到提高，且能保持化學特性以具有足夠的膜強度，以及能很容易地形成層。這種簇表明該聚集體包括作為主要成分的碳，且是通過粘合幾個至幾百個碳原子而無論碳-碳鍵的類型來形成的。然而，該簇并不必僅包括100％的碳，其它的原子也可以混合進去。包括上述情形的許多碳原子占據的這種簇，稱作碳簇。
由于上述的質子導體包括作為主要成分的、由向作為核(nucleus)的碳簇引入質子離解基團而獲得的材料，因此在干燥狀態(tài)下質子可以很容易地離解。從而，可以實現類似于上述質子導體的效應以及質子導電性。由于多種下述的含碳材料包括在上述碳簇的范疇(category)內，因此實際上可選擇含碳材料的范圍很寬。
在這種情形下，碳簇被用作核，因為需要引入大量的質子離解基團以獲得良好的質子導電性，而且用碳簇來實現上述的情況。從而，固態(tài)質子導體的酸度極高。然而，碳簇與其它普通的含碳材料不同，它很難被氧化變質，同時它的耐久性也很出色，且成分原子被緊密地鍵合在一起。因此，即使當酸度很高時，原子間的鍵合也不會破裂，即碳簇很難被化學地改變，從而能夠保持膜結構。
具有這種結構的質子導體在干燥狀態(tài)下也能顯示出很高的質子導電性。如圖6至9所示，示出有各種類型的碳簇。因此，作為質子導體的材料，選擇范圍就變得很寬。
首先，在圖6A至6M中示出各種類型的碳簇，包括許多聚集的碳原子，具有球形或長球形結構(long spherical structure)或者類似的閉合面(closedsurface)結構。在這種情形中，示出的富勒烯分子相互結合在一起。另一方面，在圖7A至7D中示出各種類型的碳簇實例，其中球形結構都是部分缺失的。這里示出的碳簇的特點在于開口端配備在這些結構內。大多數的結構都是在用弧光放電法制備富勒烯的過程中作為副產品來制得的。當碳簇的多數碳原子以SP3鍵合時，就制造出如圖8A至8G中所示具有金剛石結構的各種簇。在圖7C和7D中，涂黑部分表示五員環(huán)或七員環(huán)。
碳原子大體以SP2鍵合的簇具有石墨的平面結構，或者具有富勒烯或納米管的全部或部分結構。由于具有石墨結構的簇基本上具有電子導電性，因此這些簇并不優(yōu)選作為質子導體的核。
另一方面，由于具有富勒烯或納米管的SP2鍵合的簇部分地包括SP3鍵合的因素(factor)，因此它們的大多數并沒有電子導電性，從而具有SP2鍵合的這些簇優(yōu)選作為質子導體的核。
圖9A至9G示出簇鍵合在一起的各種情形。這些結構可以應用于本發(fā)明。在圖9A和9B中，～表示鍵合鏈，像(CH2)n，(CF2)n等。此外，在圖9E至9G中，涂黑部分表示五員環(huán)或七員環(huán)。
在本發(fā)明中，需要將上述的質子離解基團引入形成碳簇的碳原子。作為引入質子離解基團的手段，優(yōu)選下面描述的制造方法。
也即，首先用碳電極的弧光放電來生成由碳粉末制成的碳簇。隨后，酸化碳簇，或者進一步進行例如水解的處理或進一步進行磺化，或者適宜地形成磷酸鹽酯化。這樣，就可以很容易地獲得作為理想產品的碳簇衍生物。在上述酸化過程中，使用硫酸等。
碳簇可以在壓力下不使用粘合劑而直接成型為膜狀、丸狀或其它類似形狀。在本發(fā)明中，作為核的碳簇的主軸長度優(yōu)選100納米或更短，特別優(yōu)選100?；蚋?，而且引入基團的數目優(yōu)選為2或更多。
關于碳簇，富勒烯等籠型結構，或者在其至少一部分內具有開口端的結構是優(yōu)選的。具有這種缺失結構(defect structure)的富勒烯具有富勒烯的反應性。同時，缺失部分，即，開口部分額外地具有較高的反應性。因此，通過酸化處理促進酸(質子)離解取代基團的引入，來獲得較高的取代引入率和高質子導電性。另外，大量具有上述結構的富勒烯能比普通的富勒烯更好地合成，而且能以極低的成本進行生產。
另一方面，作為本發(fā)明質子導體的核，優(yōu)選使用管狀或線性的碳結構。作為管狀碳結構，優(yōu)選使用例如管形的碳納米管。作為線性碳結構，優(yōu)選使用例如纖維形的碳纖維。
碳納米管或碳纖維往往由于其結構而很容易放出電子，從而極大地增加其表面積。因此，碳納米管或碳纖維能夠進一步地提高質子的傳播效率。
在此，該優(yōu)選使用的碳納米管或碳纖維可以采用弧光放電法或化學氣相沉積法(熱CVD法)來制造。
在弧光放電法中，通過使用弧光放電腔，使用金屬催化劑如FeS，Ni，Co等，并在例如150托的He氣氛下合成碳納米管或碳纖維。根據弧光放電，碳納米管材料粘在腔的內表面上，形成布(cloth)狀。從而，例如就得到碳納米管。在此，若催化劑共同存在，則可以得到具有小直徑的碳納米管。當弧光放電是在無催化劑的條件下進行時，可以得到具有多層的厚碳納米管。
如上所述，碳納米管可以例如在無催化劑的條件下進行弧光放電來生成。作為高品質碳納米管，圖10A中示出的多層碳納米管101和圖10B中示出具有石墨(graphene)結構(圓柱結構)的多層碳納米管201是已知的，它沒有任何缺陷且作為電子放電(electron discharging)材料具有很高的性能。
質子離解基團可以以一種與上述相同的處理方式而引入上述用弧光放電法得到的碳納米管。從而，更可以獲得即使在干燥狀態(tài)中也具有優(yōu)良的質子導電性的質子導體。
化學氣相沉積法是一種通過使過渡金屬的細粒與乙炔、苯、乙烯的烴或CO等進行反應，合成碳納米管或碳纖維的方法。使過渡金屬基材或涂覆基材與烴或CO氣體反應，將碳納米管或碳纖維301聚集在基材300上，如圖10C所示。
例如，可以通過將Ni基材300配備在一個加熱至700℃的氧化鋁管內，并使之與甲苯/H2氣體(例如，100sccm)反應，而合成具有圖10C所示結構的碳纖維301。
此處，碳納米管的直徑長度比(aspect ratio)優(yōu)選在1∶1000至1∶10的范圍。另外，碳纖維的長度直徑比優(yōu)選在1∶5000至1∶10的范圍。管狀或線性碳結構的直徑優(yōu)選在0.001至0.5微米的范圍。其長度優(yōu)選是1至5微米。
在依照本發(fā)明的裝置中，可以僅僅布置單個電化學電池作為壓力隔墻。然而，多個電化學電池可以沿氣體流動方向平行地布置，而且可以具有多級結構。特別地，當布置在電化學電池兩側的容器的壓力差很大時，就需要使用數個電化學電池。
本發(fā)明涉及電化學裝置。這種電化學裝置包括減壓部分和氣體消耗部分；該減壓部分包括電化學電池和高壓容器；該電化學電池具有用于將氫氣分解成質子的第一電極、用于將第一電極處產生的質子再次轉化成氫氣的第二電極、夾在兩個電極之間的質子導體，該電化學電池用來降低高壓容器內的壓力，高壓容器布置在電化學電池第一電極側，以容納包括氫氣的氣態(tài)材料；該氣體消耗部分包括氫氣存儲部分、第三電極、用于將在第三電極處產生的質子轉化成水的第四電極、以及夾在這兩個電極之間的質子導體，在第四電極處被轉化成水的質子將第三電極與第四電極之間的電化學能導出(take out)，布置該氫氣存儲部分與減壓部分內第二電極側接觸，布置該第三電極與該氫氣存儲部分接觸，用于將來自氫氣儲存部分的氫氣分解成質子。
作為一種驅動本發(fā)明電化學裝置的方法，例如，當驅動減壓部分時，電化學電池起作用，減少高壓容器內的壓力，而且布置氫氣存儲部分與減壓部分內第二電極側接觸。理想地布置氣體消耗部分與氫氣存儲部分接觸，以在第四電極處將質子轉化成水并導出第三電極與第四電極之間的電化學能。氣體消耗部分含有第三電極，該第三電極將來自氫氣存儲部分的氫氣分解成質子；將在第三電極處生成的質子轉化成水的第四電極；和夾在該兩個電極之間的質子導體。
在依照本發(fā)明的電化學裝置中，由于可以機械移動的部分，像上述本發(fā)明的氣壓調節(jié)器，并不布置在該電化學裝置中，因此就能夠實現緊湊、耐用而又無聲的裝置。
在圖11中示出依照本發(fā)明的電化學裝置的具體結構。
如圖11所示，減壓部分18包括電化學電池4和用于容納包括氫氣的氣態(tài)材料的高壓容器5，該電化學電池4具有用于將氫氣分解成質子的第一電極1、用于將在第一電極1處生成的質子再次轉化成氫氣的第二電極2、和夾在兩個電極1與2之間的質子導體3，布置高壓容器5在電化學電池4第一電極1側。電化學電池4起作用來減小高壓容器5內的壓力。布置氫氣存儲部分19與減壓部分18的第二電極2側接觸。布置氣體消耗部分20與氫氣存儲部分19接觸，且氣體消耗部分20包括第三電極21，布置該第三電極21與氫氣存儲部分19接觸，且用于將由氫氣存儲部分19供給的氫氣分解成質子；和用于將在第三電極21處生成的質子轉化成水的第四電極22；以及夾在兩個電極21與22之間的質子導體23。在第四電極22處質子可以被轉化成水，且第三電極21與第四電極22之間的電化學能被導出來用作燃料電池部分。在不與質子導體23接觸的第四電極22的表面?zhèn)?，供給O2或含有O2的氣體。
壓力傳感器24布置在氫氣存儲部分19內，用來與連接在引線導入端11和12之間的繼電器開關11a聯動，來補償氣體的消耗，其中引線導入端11和12連接在電化學電池4的第一電極1和第二電極2之間。
高壓容器5通過閥25a連接到H2供應罐25上。當高壓容器5內的壓力達到規(guī)定值或更小時，閥25a打開，從而由H2供應罐25供給氫氣。該H2供應罐25可以填充氫氣存儲合金(storing alloy)、氫氣存儲碳材料(storingcarbon material)、金屬鹵化物等。作為氫氣存儲合金，可以使用LaNi6、CaNi5、TiCo0.5Mn0.5、TiCo0.5Fe0.5、TiFe0.8Ni0.15V0.05等。作為氫氣存儲材料，可以使用碳材料、碳納米管、碳纖維、活性碳等。作為金屬鹵化物，可以使用NaAlH4、LiAlH4等。高壓容器5也可以填充氫氣存儲合金、氫氣存儲碳材料、金屬鹵化物等。
在這種情形中，由于質子導體3和23的氣體阻斷性質必須很高，因此質子導體3和23就需要具有電離氣體可以透過而氣體本身不能透過的性質。為了獲得上述性質，質子導體3和23理想地包含以這樣的方式形成的衍生物，即作為主要成分包括至少一種選自富勒烯分子、碳作為主要成分的簇和管狀或線性碳結構的材料，而且質子離解基團被以上述相同的方式引入到形成這種材料的碳原子上。
本發(fā)明涉及氣體存儲裝置，包括用于引入或排出氣體的氣體進口和出口部分；用于存儲氣體的氣體存儲部分；配備在氣體存儲部分內的電化學電池，該電池包含用于將氣體分解成離子的第一電極、用來將在第一電極處生成的離子再次轉化成氣體的第二電極、和夾在兩個電極之間的離子導體；減壓增壓部分，其中依照電化學電池的作用，通過氣體進口和出口部分，氣體供給到氣體存儲部分或從氣體存儲部分排出，來降低或增加氣體存儲部分內的壓力。
作為驅動本發(fā)明氣體存儲裝置的方法，例如，在當驅動氣體存儲裝置時，理想的是根據電化學電池的作用情況，通過氣體進口和出口部分，氣體供給到氣體存儲部分或從氣體存儲部分排出，來降低或增加氣體存儲部分內的壓力。
在本發(fā)明的氣體存儲裝置中，由于機械移動部分并未配備在氣體存儲裝置內，例如上述的氣壓調節(jié)器或本發(fā)明的電化學裝置，因此就可以實現緊湊和耐用的氣體存儲裝置。
依照本發(fā)明的氣體存儲裝置26具有圖12所示的結構。設置在該氣體存儲裝置26中的氣體進口和出口部分27具有用于輸入和輸出氣體的開口和一個足以暫時地將氣體保持在相等壓力下的微空間(micro space)。
配備進口和出口壓力探測手段28用來探測微空間內的壓力，而且例如是一個采用隔板的壓力傳感器。作為這種壓力傳感器的一個實例，例如，采用如圖13所示具有隔板29、封閉空間(closed space)30和微型開關31的壓力傳感器，其中在封閉空間30內密封有規(guī)定量的氣體。
隔板29的一個表面?zhèn)人哂械膲毫εc氣體進口和出口部分27的相同。從而，隔板29移動直到封閉空間30與氣體進口和出口部分27之間的壓力差和隔板29的彈力相平衡。當氣體進口和出口部分27的壓力達到規(guī)定壓力時，微型開關31就從ON(連接狀態(tài))切換為OFF(不連接狀態(tài))。
壓力璧32是用來承受高壓例如10到300個大氣壓的壓力承受璧(pressure resistant wall)，它具有氣體流動孔，就像在氣體進口和出口部分27與壓力璧32的邊界處有很多非常小面積的開口。壓力璧32并不特別限于特定的形式，而是只要均勻地分散壓力即可，圓柱形或球形是更優(yōu)選的。圖12示出當壓力璧32呈圓柱體形時沿包括圓柱體中心的平面所取的截面圖。
氣體流動孔保持第一電極1、離子導體3和第二電極2逆著氣體存儲部分33的壓力，與此同時，氣體流動孔使氣體從氣體存儲部分33向氣體進口和出口部分27移動。包括第一電極1、離子導體3和第二電極2的電化學電池是作為獨立部分進行操作的減壓增壓部分，電化學電池的整個部分位于氣體存儲部分33內。
引線34和35是電導體，其各自的一端分別連接在第二電極2和第一電極1上，其另一端連接在第二電極端38和第一電極端39上，同時與壓力璧32保持絕緣。連接線36和37又分別將第二電極端38和第一電極端39的觸點與微型開關31連接在一起。
依照本發(fā)明的氣體存儲裝置26包括一個氣體存儲輔助系統(tǒng)。該氣體存儲輔助系統(tǒng)理想地包括氣體通道，用于向配備在氣體存儲裝置26內的氣體進口和出口部分27供應氣體；壓力探測手段，用于探測氣體通道41內的氣壓；電壓探測手段，用于探測第一電極1和第二電極2之間產生的壓力；計算手段，用于基于氣壓和電壓來計算控制電流信號；電流供應部分，用于產生控制電流；切換手段，用于在第一電極1與第二電極2之間供給控制電流和探測電壓直到電壓達到預定值這兩個狀態(tài)間交替切換。
具有本發(fā)明氣體存儲輔助系統(tǒng)40的氣體存儲裝置26示出在圖14中。在圖14中用虛線示出的部分表示氣體存儲裝置26，用實線示出的部分表示氣體存儲輔助系統(tǒng)40。
通道41具有連接氣體進口和出口部分27的開口部分上的結構，以使氣體不會泄漏，氣體進口和出口部分27配備在氣體存儲裝置26內。氣體由罐47向通道41供應。
壓力探測機構42是用來探測通道41內氣體壓力值的手段，而且，例如，它將隔板相對于阻力值的位移變成類似(analog)的壓力值P1。布置壓力探測機構42，用于探測氣體存儲裝置26中氣體進口和出口部分27的壓力，也即，探測從氣體進口和出口部分27一側施加在第二電極2上的壓力。由于通道41連接到氣體進口和出口部分27，因此它們具有基本上相同的壓力。該壓力探測機構42配備在通道41附近，從而可以實現這一目的。
第一接線端48和第二接線端49與氣體存儲裝置26的第一電極端39和第二電極端38保持電接觸。
切換部分46是借助于電導線連接到第一接線端48和第二接線端49上的切換手段。
觸點S0與S1，以及觸點S3與S4同時接通。當切換信號C1改變時，觸點S0與S2，以及觸點S3與S5同時接通。切換信號C1由計算手段44發(fā)出。當切換開關的切換元件43a和44a與觸點S1和S4相連時，壓力電壓探測部分43探測第一電極1和第二電極2之間產生的電壓。當切換元件43a和44a與觸點S2和S5相連時，預定電流就從電流供應部分45向第一接線端48和第二接線端49供給。
電流的方向和大小取決于電流控制信號C2，這些值由計算部分44計算。
如下所述，排出氣體存儲裝置26內氣體的操作以與本發(fā)明的減壓裝置相同的方式來進行。
在氣體存儲裝置26的第一電極端39與第二電極端38之間，產生對應于存儲部分33與氣體進口和出口部分27之間壓力差的電壓，并借助于連接線36和連接線37將該電壓導向微型開關31的各個觸點。當氣體進口和出口部分27的壓力降低至規(guī)定值或更小時，微型開關31的觸點連通(ON)。這樣，基于產生的電壓，電流就提供給第二電極2和第一電極1，離子提供給離子導體3。結果，氣體存儲部分33內的氣體壓力被降低，而且壓力降低的氣體被提供給氣體進口和出口部分27。當氣體進口和出口部分27填充有足夠量的氣體時，微型開關31的觸點關閉(OFF)，中斷第二電極2和第一電極1的電流。相應地，離子的傳導也中斷，從而停止氣體存儲部分33內的氣體進入氣體進口和出口部分27。
作為微型開關31的接觸形式，當使用磁滯(hysteresist)特性類型(即不同的壓力會使開關切換為每個狀態(tài)ON/OFF)的開關時，開關的ON/OFF操作可以緩慢地在規(guī)定壓力變化范圍內重復。從而，開關觸點的壽命就能被有效地延長。
這樣，由于氣體進口和出口部分27充有規(guī)定壓力的氣體，因此該規(guī)定壓力的氣體就能夠從開口部分排出。在這一操作的過程中，不需要外部電能，由此就能夠得到高可靠性且便于維護的氣體存儲裝置。
現在，參看上述圖12至14，說明氣體存儲裝置26內存儲氣體的操作。
當存儲氣體時，氣體存儲裝置26連接到氣體存儲輔助系統(tǒng)40，以存儲氣體。
暫時地移走氣體存儲裝置26的連接線36和連接線37，或者其中一個連接線用配備在中途(halfway)的開關(未示出)斷開。接著，通道41連接到氣體進口和出口部分27的開口部分上，第一接線端48和第二接線端49連接到第一電極端39和第二電極端38上。
用切換信號C1將切換部分46切換至壓力探測操作側，并用壓力電壓探測部分43探測壓力電壓。此處，第二電極2處的壓力被探測作為來自壓力探測機構42的輸出P1。相應地，通過用于替代上述式(1)的獲得值，來得到氣體存儲部分33處的氣體壓力，作為P2。
當壓力P2低于氣體存儲部分33的壓力璧32的耐壓時，即使氣體存儲部分再填充氣體，壓力璧32也不會破裂。從而，氣體存儲部分可以進一步地填充氣體。為了使氣體流向氣體存儲部分33，用切換信號C1切換該切換部分46來提供電流，而且向第二電極2和第一電極1施加規(guī)定電流，其方向與氣體排出所施加電流方向相反。
當電流強度進一步增加時，氣體的流動量也進一步增大，從而氣體存儲部分可以快速地填充氣體。但是，當供給過量電流時，離子導體3可能會破裂。因此，電流需要處在一定限制的范圍內。
作為規(guī)定的電流，可以在填充氣體的所有時間內提供恒定的電流，或者可以根據填充氣體的過程來任意地控制電流量。
切換部分46的切換交替地進行，以交替地用氣體填充存儲部分33和監(jiān)控存儲部分33的壓力。這樣，存儲部分33內氣體的壓力就不停地升高，直到最終得到規(guī)定的壓力。
從而，在監(jiān)控存儲部分33的壓力同時，而在存儲部分33內不配置壓力傳感器時，存儲部分33可以安全地填充氣體。因此，存儲部分33的結構就可以有效地簡單化。另外，在氣體存儲輔助系統(tǒng)40側，由于并不存在有處于高壓下的部分，因此氣體存儲輔助系統(tǒng)40本身非常廉價，而且同時可以安全地用在普通的家庭中。
圖15示出在圖12的氣體存儲裝置26中配備其它電化學電池的實例。因為與圖12中用相同標號表示的部分具有相同的操作功能，所以省略了其詳細的說明。
布置第三電極21與氣體進口和出口部分27的開口部分接觸。第二質子導體23布置在第三電極21和第四電極22之間。第三接線端50電連接至第三電極21。第四接線端51連接至第四電極22。52所示的箭頭標志表示向第四電極22提供液態(tài)材料或者氣態(tài)材料。
現在，說明圖15所示這種氣體存儲裝置的操作。
當向第三電極21和第四電極22供應特定的材料時，依據第三電極21、質子導體23和第四電極22的作用，圖15所示本發(fā)明的氣體存儲裝置可以充當燃料電池。此時，依據分別提供給電極膜的材料，第三電極21充當陽極或陰極，第四電極22充當陰極或陽極。例如，當向第三電極21供給氫氣，向第四電極22供給空氣(含有氧的氣體)或氧氣時，第三電極21充當陽極，第四電極22充當陰極。從而，能夠從第三接線端50得到負電壓，從第四接線端51得到正電壓。
直至氣體進口和出口部分27內獲得規(guī)定壓力氣體的操作與上面描述的相同。
當向第四接線端51施加正電壓，向第三接線端50施加負電壓，而且向第四電極22供給純水或水蒸氣時，在氣體進口和出口部分27內就能得到氫氣。對氣體進口和出口部分27內的氫氣增壓，以將氣體存儲在氣體存儲部分33內的操作與上面描述的相同。
這種裝置是能夠生成氣體例如氫氣并能夠產生能量的緊湊、便攜式裝置。因此，這種裝置適合于室外使用電能的情形，并適合用作緊急情況下的電源。
圖16示出帶有顯示部分53的氣體存儲裝置126，該顯示部分53顯示氣體存儲裝置26的狀態(tài)。上述的狀態(tài)例如指的是氣體存儲部分33內的壓力，氣體存儲部分33內氣體的填充狀態(tài)，氣體的剩余量，或者電化學電池是否正常工作等，該電化學電池具有第一電極1和第二電極2，且上述電極具有催化劑來促進離子鍵合或離子離解。
當由上述式(1)表示的能斯脫公式來推定氣體進口和出口部分27的壓力時，就能夠識別出氣體存儲部分33的壓力。在氣體存儲裝置26工作時，依據壓力探測手段28的工作，氣體進口和出口部分27保持在規(guī)定的壓力下。這樣，就能夠掌握氣體存儲部分33的壓力。
同時，氣體存儲部分33的壓力也顯示出氣體存儲部分33內氣體的填充狀態(tài)。由于氣體存儲部分33內壓力的降低意味著填充氣體數量的減少，因此借此就能夠識別氣體的填充狀態(tài)或剩余量。
當在該裝置工作的同時電化學電池正常工作時，配備在壓力探測手段28內的微型開關31重復ON/OFF操作。因此，當探測這些操作時，就可以確定電化學電池的操作是否正常。
顯示部分53包括例如電壓表或發(fā)光元件如LED。連接線54連接在第二電極2上，連接線55連接在第一電極1上。連接開關56連接在這些連接線上。僅當使用顯示部分53時，才按壓按鈕57連通電路。通常，顯示部分53與電極膜斷開。
當顯示部分53是電壓表時，該電壓表的指針依據微型開關31的ON/OFF操作進行擺動。在ON時，由于第一電極1和第二電極2是短路連接，因此電壓表的指針指零。在OFF時，產生電壓，即，產生對應于壓力差的電壓。
盡管電壓表的內阻很高，但是仍然會在兩個電極之間經常不斷地提供很小的電流。這樣，就有非常少量的氣體從氣體存儲部分33流出。因此，當不需要顯示時，理想地是顯示部分53與電路斷開。顯示部分53可以是視覺可識別的探測手段像LED，或者可以是依據聽覺的手段像蜂鳴器?？梢酝ㄟ^利用阻抗劃分(resistance division)來調節(jié)LED的發(fā)光起始電壓和氣體存儲部分33的壓力，或者設定蜂鳴器繞組的規(guī)格來任意地布置操作點。
因此，就可以顯示氣體存儲裝置26的狀態(tài)，而不需要外部電源。而且，可以有效地估算再充滿時間，探測氣體的剩余量，以及方便地識別氣體存儲裝置26的正常操作。
圖17示出多個電化學電池配備置在氣體存儲裝置26中形成多級結構的實例。
向高壓一側58供給高壓氣體。從低壓氣體側59排出要使用的氣體。電化學電池60至65以這樣的方式進行配置，即各個空室66至70分別布置在兩個電化學電池之間。每個電化學電池都具有夾在兩個氣體擴散電極之間的質子導體。氣體擴散電極接觸質子導體的表面承載有催化劑。
每個電化學電池中每個電極的控制方法與前面所述實施方式中的相同，因此在此省略了其說明。
根據本發(fā)明的裝置，設定每個電化學電池兩側處的差壓(differentialpressure)等于一個規(guī)定的常數，以順序進行減壓操作，從而施加在每個電化學電池單體(single body)上的差壓就可以減小。例如，當配備六個電化學電池時，假定施加在一個電化學電池上的差壓是20個大氣壓，施加在低壓側59的差壓是一個大氣壓，則高壓側58的壓力是121個大氣壓。無論壓力差多大，例如120個大氣壓，電化學電池的耐壓力都可以承受20個大氣壓。因此，該裝置的設計就有利地簡單化。
在圖17示出的這種裝置中，空室分別配備在兩個電化學電池之間。然而，當不需要具有探測空室壓力的功能時，這些空室就不再需要。圖18示出在兩兩電化學電池之間沒有配置空室這樣一種裝置的截面示意圖。
電化學電池71至76的基本結構與圖17中示出的相同。但是，氣體擴散電極通?？梢砸韵录墯怏w擴散電極的方式使用。相應地，氣體擴散電極的數目就減少，而且在兩個電化學電池間沒有配備空室。
現在，在下面說明這種裝置的操作。
在氣體擴散電極77表面上承載的催化劑78的作用下，供應的氫氣電學地離解為電子和質子。由于質子導體79的作用，這些電學離解的質子在整個質子導體內移動。同時，在氣體擴散電極80表面上承載的催化劑81的作用下，這些質子與這些電子鍵合，再次變成氫氣。從而，氫氣就在具有很多氣體可以穿過的孔的氣體擴散電極80內進行擴散。
氫氣依照濃度分布透過氣體擴散電極80，并在氣體擴散電極80另一表面上承載的催化劑82的作用下再次離解為質子和電子。由于質子導體83的作用，這些電學離解的質子移動，并到達氣體擴散電極84。在氣體擴散電極84表面上承載的催化劑85的作用下，這些質子再次在氣體擴散電極84處還原成氫氣。
重復上述過程，順序地降低壓力。此時，如上所述，探測氣體擴散電極80和氣體擴散電極84之間的電壓。相應地，例如，當依照產生的電壓相互導通此兩極，以向氣體擴散電極80和氣體擴散電極84供應電流時，氣體擴散電極80和氣體擴散電極84之間的壓力差就可以保持為規(guī)定值。可以使這些氣體擴散電極和這些質子導體的耐壓性基本上相等。
在本實施方式中，描述了氫氣用作氣體的實例。然而，也可以使用氧氣。在那種情形中，作為離子導體，優(yōu)選采用氧化鋯。
本發(fā)明并不限于上面所述參看附圖的各種實施方式。很顯然，對于本領域的普通技術人員，可以在不脫離本發(fā)明所附權利要求及其要旨的范圍內，對本發(fā)明作出各種修改、替代及替換。
工業(yè)實用性依照本發(fā)明，由于機械可移動的部分并不設在這種裝置中，因此就可以得到緊湊、耐用而又無聲的減壓裝置、電化學裝置、減壓增壓裝置、氣體存儲裝置和氣體存儲輔助系統(tǒng)，以及驅動這些裝置的方法。
可以利用本發(fā)明使該裝置緊湊而又便攜。因此，例如，就能夠得到可以單個地攜帶而且可以容易地操作用氣體如氫氣驅動的各種器件的電化學裝置。
權利要求
1.一種氣壓調節(jié)器，包括電化學電池，其包含將氣體分解為離子的第一電極，將所述第一電極處產生的離子再次轉化為所述氣體的第二電極，以及夾在所述兩個電極之間的離子導體；布置在所述電化學電池一側的高壓容器。
2.依照權利要求1的氣壓調節(jié)器，還包括用于向所述第一電極和第二電極的兩端都提供控制電流的手段，其中控制所述控制電流的量來控制流經所述兩個電極的氣體的流量。
3.依照權利要求1的氣壓調節(jié)器，其中所述氣體是氫氣或氧氣。
4.依照權利要求1的氣壓調節(jié)器，其中所述離子導體是由能夠透過電離氣體的電解質材料制成的膜。
5.依照權利要求1的氣壓調節(jié)器，其中所述第一電極和第二電極是電極膜，該電極膜上承載有能夠離子平衡所述氣體的催化劑。
6.依照權利要求1的氣壓調節(jié)器，其中低壓容器布置在所述電化學電池的另一側，所述電化學電池充當氣體隔墻的作用，而且具有用于當在所述電化學電池兩側間產生壓力差時，通過控制所述兩個電極間的電勢來調節(jié)壓力的手段。
7.依照權利要求6的氣壓調節(jié)器，其中由所述壓力差生成的電動勢是被短路的，或者所述壓力由可變電阻器來調節(jié)。
8.依照權利要求1的氣壓調節(jié)器，其中多個電化學電池沿氣體流動方向平行地布置，而且具有多級結構。
9.依照權利要求1的氣壓調節(jié)器，其中當所述充當氣體隔墻的電化學電池的兩側都具有封閉的容器，且當一側充當高壓氣體罐，另一側連接到氣體消耗系統(tǒng)上時，壓力傳感器布置在所述另一側的封閉容器內，而且所述壓力傳感器與連接在所述電化學電池兩個電極間的繼電器開關聯動，而起作用以補償氣體的消耗。
10.依照權利要求1的氣壓調節(jié)器，其中所述電化學電池充當氣體精制過濾器。
11.依照權利要求1的氣壓調節(jié)器，其中所述離子導體是質子導體，該質子導體用衍生物通過向形成物質的碳原子引入質子離解基團來形成，該物質具有作為主要成分的至少一種選自富勒烯分子、碳作為主要成分的簇、和具有管狀或線性碳的結構體的材料，而且在所述第一電極處生成的質子通過所述質子導體移向所述第二電極。
12.依照權利要求11的氣壓調節(jié)器，其中所述質子離解基團是-XH(X表示具有二價鍵的任意的原子或原子團，H表示氫原子)。
13.依照權利要求12的氣壓調節(jié)器，其中所述質子離解基團是-OH或-YOH(Y表示具有二價鍵的任意的原子或原子團)。
14.依照權利要求13的氣壓調節(jié)器，其中所述質子離解基團是選自-OH，-OSO3H，-COOH，-SO3H，-OPO(OH)2和-C6H4-SO3H中任一個的基團。
15.依照權利要求11的氣壓調節(jié)器，其中所述富勒烯分子是球殼型碳簇分子Cm(m表示使Cm形成球殼結構的自然數)。
16.一種電化學裝置，包括電化學電池，其包含將氫氣分解為質子的第一電極、將在所述第一電極處產生的質子再次轉化為所述氫氣的第二電極、以及夾在所述兩個電極間的質子導體；布置在所述電化學電池第一電極側的高壓容器，以容納包含所述氫氣的氣態(tài)材料；和氣體消耗部分，其包含減壓部分，其中所述電化學電池起作用來降低所述高壓容器內的壓力；氫氣存儲部分，其與在所述減壓部分內的第二電極側相接觸而布置；第三電極，其與所述氫氣存儲部分相接觸而布置，以將從所述氫氣存儲部分供給的氫氣分解為質子；將在所述第三電極處生成的質子轉化成水的第四電極；和夾在所述兩個電極之間的質子導體；在所述第四電極處質子轉化成水，以導出所述第三電極和第四電極之間的電化學能。
17.依照權利要求16的電化學裝置，其中向不與所述質子導體接觸的所述第四電極的表面供應氧氣或含有氧的氣體，以與經過所述質子導體的質子反應，并將質子轉化成水，而且導出在所述第三電極和所述第四電極之間的電化學能。
18.一種氣體存儲裝置，包括用于引入或排出氣體的氣體進口和出口部分；用于存儲氣體的氣體存儲部分；和布置在所述氣體存儲部分內的電化學電池，所述電化學電池包括將所述氣體分解為離子的第一電極、將在所述第一電極處產生的離子再次轉化成所述氣體的第二電極、和夾在所述兩個電極間的離子導體；其中依照所述電化學電池的功能，通過所述氣體進口和出口部分，所述氣體供給到所述氣體存儲部分或從所述氣體存儲部分排出，以降低或增加所述氣體存儲部分內的壓力。
19.依照權利要求18的氣體存儲裝置，還包括氣體存儲輔助系統(tǒng)，該氣體存儲輔助系統(tǒng)包括用于向所述氣體存儲裝置內的氣體進口和出口部分供給氣體的氣體通道；用于探測所述氣體通道內氣壓的壓力探測手段；探測所述第一電極和第二電極間所產生的壓力的壓力探測手段；基于所述氣壓和電壓用于計算控制電流信號的計算手段；用于產生控制電流的電流供應手段；和用于在所述第一電極與第二電極間供應所述控制電流的狀態(tài)與探測所述電壓直到所述電壓達到預定值的狀態(tài)之間交替切換的切換手段。
20.一種氣壓調節(jié)方法，包括在第一電極處將氣體分解成離子的分解步驟；將分解的離子通過離子導體傳導至第二電極側的傳導步驟，該離子導體夾在所述第一電極和第二電極之間；和在所述第二電極處將被傳導的離子再次轉化成所述氣體的轉化步驟。
21.依照權利要求20的氣壓調節(jié)方法，其中向所述第一電極和第二電極的兩端提供控制電流，控制所述控制電流的量來控制流過所述兩個電極的氣體的流量。
22.依照權利要求20的氣壓調節(jié)方法，其中包含所述第一電極、第二電極和離子導體的電化學電池充當氣體隔墻，而且當在所述電化學電池兩側產生壓力差時，控制所述兩個電極間的電勢來調節(jié)壓力。
23.依照權利要求22的氣壓調節(jié)方法，其中從所述壓力差生成的電動勢被短路，或者所述壓力由可變電阻器來調節(jié)。
24.依照權利要求22的氣壓調節(jié)方法，其中當高壓氣體儲罐布置在所述用作氣體隔墻的電化學電池一側，且連接到氣體消耗系統(tǒng)的封閉容器布置在另一側時，壓力傳感器布置在所述另一側的封閉容器內，而且該壓力傳感器與連接在所述電化學電池兩個電極間的繼電器開關聯動，起作用以補償氣體的消耗。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣壓調節(jié)裝置，包括電化學電池(4)，包含將氣體分解為離子的第一電極(1)，將所述第一電極(1)處產生的離子再次轉化為所述氣體的第二電極(2)，以及夾在所述兩個電極(1)和(2)之間的離子導體(3)；和配備在所述電化學電池(4)一側的高壓容器(5)。在這種裝置中，氣體在第一電極(1)處分解成離子。使分解的離子穿過夾在第一電極(1)和第二電極(2)之間的離子導體(3)，并被傳導至第二電極(2)一側。在第二電極(2)處，被傳導的離子再次轉化成氣體。
文檔編號B01D53/32GK1620576SQ0380244
公開日2005年5月25日 申請日期2003年1月17日 優(yōu)先權日2002年1月18日
發(fā)明者和智滋明, 丸山竜一郎, 阿多誠文 申請人:索尼株式會社