專利名稱：氣體貯存介質、容器和使用該介質的電池的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及氣體的高密度貯存。本發明適用于燃料電池用氫的高密度貯存。
背景技術：
近來人們越來越注意到可再生能源。隨之而來的是對燃料電池關注的增加。氫燃料電池尤其被視為一種非常有前途的技術。氫燃料電池將氫與氧化劑反應所產生的化學能轉換為電能。
由于氧容易從大氣中獲得，因而必須被貯存起來用于陸基氫型燃料電池的唯一反應物就是氫。可適用于任何能量貯存技術的一個指標值是能量貯存技術中可獲得的能量密度。能量密度可以以單位體積貯存的能量及單位質量貯存的能量為單位進行測定。理想的是兩個數值都高。
因為氫在標準溫度和壓力下為氣體，可以將其以壓縮狀態貯存在高壓氣瓶中。但是，用于貯存特定壓力氫氣的氣瓶所需的必要壁厚使得充滿氫氣的氣瓶具有較低的能量密度(或以質量計或以體積計)的特征。
一種嘗試過的提高氫貯存容器的能量貯存密度的方法是將氫貯存在充滿金屬氫化物形成材料的容器中。不幸的是，在反復充、放氣后，金屬氫化物形成材料易于碎裂成為較不能滲透氫的粉末，結果隨著不斷的使用該容器的貯存容量發生急劇下降。
新近已經提出了采用碳納米纖維和碳納米管作為氫貯存介質。已有報導說碳納米纖維和碳納米管能夠容納高密度的氫。據信在這種結構中貯存的氫存在于碳素晶格的空隙中，或存在于納米管的空心處。
盡管離散的碳納米管和碳納米纖維在原子尺度上是高度有序的，但生長狀態的碳納米管和碳納米纖維并不是有規則地排列的。相反，它們在一定程度上是隨機排列的。并且，在其整個長度上，碳納米管和碳納米纖維傾向于進行隨機地卷繞。這種無序排列易于降低納米管和納米纖維的體積密度，留下大量的未利用空間。小體積密度傾向于降低這種體積密度，而具有這種體積密度時氫才能貯存在大量的碳納米管或納米纖維中，同時也相應地降低了與碳納米管或納米纖維所貯存氫有關的能量密度。
本文將通過例示性的實施方案對本發明進行說明，但不是進行限定，用附圖對所述實施方案進行圖解，附圖中相同的符號表示相同的元件，其中圖1為根據本發明的優選實施方案的氫貯存裝置的第一局部剖面透視圖。
圖2為圖1所示的氫貯存裝置的第二局部剖面透視圖。
圖3為根據本發明的優選實施方案，用于圖1，2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的加捻混紡紗的截面透視圖。
圖4為根據本發明的第一替代實施方案，用于圖1，2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的包芯紗的截面透視圖。
圖5為根據本發明的第二替代實施方案，用于圖1，2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的長絲500的截面透視圖。
圖6為根據本發明的第三替代實施方案，用于圖1，2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的長絲600的截面透視圖。
圖7為本發明的第四替代實施方案的氫貯存裝置的局部剖面透視圖。
圖8為本發明的第五替代實施方案的氫貯存裝置的局部剖面透視圖。
圖9為根據本發明的第六實施方案，用于圖1，2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的氫貯存介質900的截面透視圖。
圖10為本發明的第七替代實施方案的氫化物電池的橫斷而視圖。和圖11為根據本發明的優選實施方案，用于圖1，2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的織物的制備方法流程圖。
具體實施例方式
根據需要，在此公開本發明的詳細實施方案；但是，應該認識到的是所公開的實施方案僅僅是本發明的示例，其可以體現為多種形式。因此，本文中公開的具體結構和功能性細節不應被理解為進行限定，而僅僅是作為權利要求的基礎和作為代表性基準以教導本領域技術人員以不同的方式將本發明用于實際上的任何適當的機構中。進而言之，本文中使用的術語和措詞并不是為了進行限定，而是為了提供一種對發明的理解性說明。
本文中使用的術語“a”或“an”定義為一或一以上。本文中使用的術語“多數”定義為兩個或兩個以上。本文中使用的術語“另外的”定義為第二個或其它的。本文中使用的術語“包括”和/或“具有”定義為包含(即，開放式術語)。本文中使用的術語“聯結”定義為連接，盡管不一定是直接地和不一定是機械地。
本說明書中使用的術語“氫”包括氫的所有同位素。
圖1為本發明的優選實施方案的氫貯存裝置100的第一局部剖面透視圖。氫貯存裝置100包含由聚酯薄膜片104構成的容器102。聚酯薄膜片104包含上半部分126和下半部分128。將聚酯薄膜片104進行對折并沿三條邊106，108，110密封，折疊時薄膜片104在該三條邊處結合在一起。三條邊106，108，110可以通過膠粘劑、通過加熱、加壓或使用超聲波能量或上述幾種方式的組合進行密封。作為替代，容器102還可以由周邊密封在一起的兩個單獨的片材制成。
聚酯薄膜片104的外表面112優選為經過鍍鋁的。在外表面112上鍍鋁起到了降低容器102對氫氣滲透性的作用。
氣體聯接管嘴114被安裝成與聚酯薄膜片104上的孔(未顯示)貫通。氣體聯接管嘴114包含法蘭116和螺紋軸118。法蘭116設置在容器102的內側。橡膠密封墊(未顯示)設置于法蘭116和聚酯薄膜片104之間。在螺紋軸118上擰有螺母122，將墊圈120壓在聚酯薄膜片104上。聚酯薄膜片104被螺母122緊壓在法蘭116上的密封墊與墊圈120之間。作為替代，還可以通過粘結或其它方法將氣體聯接管嘴114連接在容器102上。氣體聯接管嘴114可以包含例如Schraeder閥。
呈折疊織物124形式的氫貯存介質被封閉于容器102中。織物124包含碳納米管或碳納米纖維。優選該織物124包含紗線302(圖3)、404(圖4)，所述紗線包括碳納米管和/或碳納米纖維。通過組織織物中的碳納米纖維和/或碳納米管，可使碳納米纖維和/或碳納米管按比較有體積效率的方式進行排列。也就是說，提供了高密度的碳納米管或碳納米纖維。編織和針織織物均提供了密度特別高的碳納米纖維或碳納米管排列，并因此而提供了高(能量/體積)密度的能量貯存介質。作為替代，織物中可以包含長絲500(圖5)、600(圖6)，所述長絲在柔性聚合物材料基體中包括氫吸收材料。
通過使用柔性聚酯薄膜容器102，使得織物124可以在用氫對織物124進行充氣及從織物124中排放氫氣的過程中發生擴張和收縮。另外，由于聚酯薄膜容器102是柔性的，織物24的柔性使得氫貯存裝置100整體上是柔性的并適應于預定要設置氫貯存裝置100的耗能設備內的不規則空間。例如，在便攜式電子裝置中，為了最大化對空間的利用，可能期望為能量貯存裝置提供不規則形狀的空間。在后者的情況下，氫貯存裝置100由于其柔性而能適應于和更充分地利用所提供的不規則空間。織物124的平直性也使得氫貯存裝置可以進行變形而適合于非常窄的空間。
聚酯薄膜片104的下半部分128包括翼片部分130，其沿周邊延伸并超出上半部分126。導電軌136的第一接線頭132和第二接線頭134位于聚酯薄膜片104的延伸翼片部分130上。導電軌136的作用是作為電阻加熱元件用于加熱織物124。在織物124充入氫后對其進行加熱導致了織物中的碳納管或碳納米纖維釋放出氫。
支撐背板138粘結在翼片部分130上。背板138有助于使翼片部分130上的接線頭132、134連接在用于向導電軌136提供電流的電氣連接器(未顯示)上。
圖2為圖1所示的氫貯存裝置100的第二局部剖面透視圖。在圖2所繪內容中，略去了織物124和氣體聯接管嘴114，使得容器102中導電軌136的走向可以被看到。優選導電軌136被電絕緣的導熱膜或導熱材料，例如涂層(未顯示)所覆蓋。
圖3為根據本發明的優選實施方案，用于圖1，2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的加捻混紡紗300的截面透視圖。織物124優選由混紡紗300編織或針織而成。作為替代，織物124可以包括其它類型的紗線。參照圖3，混紡紗包含選自碳納米纖維和碳納米管的第一組分和作為彈性體纖維304的第二組分。
彈性體纖維304的存在增強了混紡紗300適應碳納米纖維和/或碳納米管302在吸收和釋放氫氣時的發生膨脹和收縮的能力，并減小了有可能在混紡紗300中產生的不希望有的內應力。
混紡紗300是通過工藝800(圖8)來制備的，所述工藝包含對納米纖維和/或納米管進行梳理以使其排列成直線的步驟。為了使納米纖維和/或納米管302和彈性體纖維304進行混雜，優選將納米纖維和納米管302與彈性體纖維304一起進行梳理。可以使用一對表面結構尺度與納米纖維或納米管302尺寸相配的梳刷來進行小批量生產。微刻適用于制備表面結構尺度適應于梳理納米纖維和/或納米管302的梳刷。為了進行更大的批量生產，優選使用電動轉鼓型梳理機。并且，在后者的情況下，梳理機的表面結構尺度與所梳理材料302、304的尺寸相適應。進行梳理后，經梳理的混雜納米纖維或納米管302及彈性體纖維304被紡成紗線300，然后紗線300被織成織物124。
圖4為根據本發明的第一替代實施方案，用于圖1-2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的包芯紗400的截面透視圖。包芯紗400包含有芯紗，所述芯紗包含被纖維404包圍的一個或多個(示出的是一個)彈性體纖維402，纖維404選自碳納米纖維和碳納米管。包芯紗的優點在于碳納米纖維和/或碳納米管402位于包芯紗400的靠外側，因而是處于釋放和吸收氫的較好位置。
根據本發明的替代實施方案，混紡紗300和包芯紗400包括諸如有機硅、聚四氟乙烯或聚丙烯的有機粘結劑。可以通過使混紡紗300或包芯紗400通過充滿所涂敷粘結劑的涂料杯來施加有機粘結劑。
根據本發明的另一個替代實施方案，在織物124中不包括彈性體纖維。
圖5為根據本發明的第二替代實施方案，用于圖1，2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的長絲500的截面透視圖。第二替代實施方案的長絲500包括埋置在聚合物基體504中的碳納米纖維和/或碳納米管502。聚合物基體504優選包含高度滲氫的聚合物。特別地，聚合物基體504優選包含有機硅。有機硅具有以下附加優點具有柔順性并因而適合于制備柔性織物類氫貯存介質。柔順性也使得基體504可以適應碳納米纖維和/或納米管在吸收和釋放氫氣時發生的尺寸變動。長絲500適于通過干紡或濕紡而形成，所述濕紡中使用碳納米纖維和/或碳納米管與用于形成基體的聚合物溶液構成的懸浮液。在干紡或濕紡中，優選對長絲500進行拉伸以減小其直徑。
作為替代，長絲可以通過靜電紡紗由其中分散有碳納米纖維和/或碳納米管502的聚合物材料制成。這種聚合物材料可以通過使聚合物熔融、添加碳納米纖維和/或碳納米管502、混合得到的混合物、然后使其固化的方法來制備。
圖6為根據本發明的第三替代實施方案，用于圖1，2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的長絲600的截面透視圖。第三替代實施方案的長絲600包括包含在聚合物基體604中的金屬氫化物顆粒和/或金屬氫化物形成的金屬顆粒602。適合于用作顆粒602的金屬氫化物的實例包括鑭-五鎳氫化物、氫化釩、鎂-鎳氫化物和鐵-鈦氫化物。
第三替代實施方案的長絲600優選通過靜電紡紗由其中分散有顆粒602的可滲透氫的聚合物(其形成基質604)材料形成。
可替代的是織物124，704(圖7)，1104(圖11)包含圖5和圖6所示的長絲。
圖7為本發明的第四替代實施方案的氫貯存裝置700的局部剖面透視圖。第四替代實施方案的氫貯存裝置700包含氣瓶702，氣瓶中設置了織物704的卷材。織物704優選包含有紗線，該紗線包括碳納米纖維和/或碳納米管，例如混紡紗300和/或包芯紗400。由于碳納米纖維和碳納米管的吸收氫能力，氣瓶702的氫貯存能力通過含有織物704的卷材而得到了提高。織物704提供了一種可支撐織物704中所含碳納米纖維和/或碳納米管的穩定機械構造。因而與充滿隨著使用而發生降解的氫化物形成材料的氣瓶不同，第四替代實施方案的氫貯存裝置可以反復使用而基本上不發生降解。氣瓶702進一步包含閥門706和用于將氣瓶與外部系統(未顯示)進行聯接的有螺紋的聯接裝置708。
圖8為本發明的第五替代實施方案的氫貯存裝置800的局部剖面透視圖。第五替代實施方案的氫貯存裝置800也包含呈疊合片形式的氣瓶802，所述疊合片由涂鋁的聚酯薄膜804構成。織物124被封閉在容器802中。第一延伸電觸點806卷繞在織物124的第一邊緣808上。同樣，第二延伸電觸點810卷繞在織物124的第二邊緣812上，該邊緣與第一邊緣808相對。第一導線引線814具有卷曲進第一延伸電觸點806中的第一末端816。第一導線引線通過貫穿聚酯薄膜804的第一通孔818從容器802中穿出。第一接線柱820卷曲進行第一導線引線814的第二末端822中。同樣，第二導線引線824具有卷曲進第二延伸電觸點810中的第一末端826，其穿過第二通孔828并包括第二末端830，在第二末端830上卷入了第二接線柱832。作為替代，可以將兩個導線引線814，824引出和連接到同一個連接器上。導線引線814，824和延伸電觸點806，810被用來傳輸流經織物124的電流并從而加熱織物124，以便誘使織物124中的碳納米纖維或碳納米管施放出氫氣。上述用來對織物124進行加熱的配置利用了織物124中碳納米纖維和碳納米管的固有導電性(盡管有一定的電阻)。
圖9為根據本發明的第六實施方案，用于圖1，2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的氫貯存介質900的截面透視圖。第六實施方案的氫貯存介質900的包含一塊延伸的碳納米纖維和/或碳納米管，該材料已經被壓縮成比較扁平的結構，即由碳納米纖維和/或碳納米管組成的氈。厚度尺寸Th遠小于橫斷尺寸T1，T2。碳納米纖維和/或碳納米管氈900可以進行折疊和卷起，并被用于圖1，2，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中作為織物124，704，1004的替代物。
圖10為本發明的第七替代實施方案的電池1000的橫斷面視圖。電池1000包含圓筒形容器1002，該容器將纏繞在芯1012上的多元層1004，1006，1008，1010封閉起來。該多元層包括優選由圖3所示的混紡紗300制成的織物1004。作為替代，織物1004可包含圖4所示的包芯紗400、圖5所示的長絲500和/或圖6所示的長絲600。織物1004用作電池1000的陽極。在后一種情況下，織物1004暫時地貯存在電池1000放電過程中施放的氫氣。從而，織物1004起到了代替常規金屬氫化物電池中所使用的金屬氫化物陽極的作用。多元層進一步包括第一隔離層1006，陰極箔1008和第二隔離層1010。第一隔離層1006和第二隔離層1010是電化學聯接陰極箔1008和織物1004的電介質層。陰極箔1008優選包含鎳。
陽極罩1014封閉了圓筒形容器1002。陽極罩1014通過絕緣密封環1016與圓筒形容器1002絕緣。陽極接線柱1018將陽極罩1014連接在織物1004上。陰極箔1008被電氣連接至容器1002上。
在對電池1000進行充電時，將電壓施加在容器1002和陽極罩1014之間，并使織物1004相對于陰極箔1008呈負偏壓。在這種偏壓下，水分解成氫和羥基離子。生成的氫被織物1004吸收，羥基離于在陰極箔1008上將氫化鎳氧化成氫氧化鎳。在對電池1000放電時，貯存在織物1004中的氫施放出電子并與羥基離子反應形成水。在陰極箔上，通過容器1002從陽極罩1014上接收的自由電子重新將氫氧化鎳還原成氫化鎳。如果使用的陰極箔1008包括鎳以外的其它材料，也會發生類似的反應。
圖11為根據本發明的優選實施方案，用于圖1，21，7，8所示的氫貯存裝置和圖10所示的電池中的織物124，704，1004的制備方法流程圖1100。在步驟1102中，對碳納米管1和/或碳納米纖維進行梳理以使其相互間進行更加平行地排列。在步驟1104中，將碳納米管和/或碳納米纖維與彈性體纖維進行混合。上述兩步驟的順序可以進行替代性互換。在步驟1106中，碳納米管和/或碳納米纖維及彈性體纖維被紡成紗線。圖3所示的加捻混紡紗300或圖4所示的包芯紗400可以通過步驟1106來制備。在步驟1108中，由前述步驟1106獲得的紗線被編織或針織成織物。
根據本發明的替代方案，可以將碳納米纖維和/或碳納米管首先進行梳理并紡成碳納米纖維和/或碳納米管絲，然后將其與彈性體纖維紡成紗線。
盡管已經對優選的和其它的實施方案進行了圖解和說明，應該清楚的是本發明并不受其限定。本領域的普通技術人員將能夠在不偏離由所附權利要求定義的本發明主旨和范圍的情況下進行各種改進、變換、變更、替代及使用等效物。
權利要求
1.一種氫貯存介質，其包含織物，該織物包括紗線，所述紗線含有選自碳纖維和碳納米管的一種或更多種成分。
2.一種氫貯存介質，其包含紗線，該紗線包括彈性體纖維；和選自碳纖維和碳納米管的一種或更多種成分。
3.如權利要求2的氫貯存介質，其中所述的紗線包含有機粘結劑。
4.一種氫貯存裝置，其包含可折疊容器；容納在該容器中的貯存介質，該貯存介質包括紗線，該紗線包括彈性體纖維；和選自碳纖維和碳納米管的一種或更多種成分。
5.如權利要求4的氫貯存裝置，其中所述的可折疊容器包含一個或更多個聚酯薄膜片；和一個或更多個聚酯薄膜上的鋁涂層。
6.一種氫貯存裝置，其包含容器；設置在該容器中的織物卷材，其中所述的織物包括選自碳纖維和碳納米管的一種或更多種成分。
7.一種氫貯存裝置，其包含容器；包含選自碳納米纖維和碳納米管的一種或更多種成分、密封于該容器中的氈。
8.一種氫貯存介質，其包含包含埋置于可滲透氫的聚合物基體中的氫吸收材料的一種或更多種長絲。
9.一種氫化物電池，其包含陰極；用于貯存和釋放氫氣的陽極，該陽極包括包括氫吸收材料的織物；和電氣連接陽極和陰極的電解質。
10.一種制備氫貯存介質的方法，其包含以下步驟獲得選自碳纖維和碳納米管的一種或更多種起始材料；獲得彈性體纖維；和將一種或更多種起始材料與彈性體纖維紡成紗線。
全文摘要
本發明涉及一種呈織物(124，504，704)形式的經改進的氫貯存介質，所述織物包含含有碳納米纖維或碳納米管(302，404)及彈性體纖維(304，402)的紗線(300，400)。該織物(124，504，704)具備有體積效率的碳納米纖維和/或碳納米管(302，404)排列，因而具有可作為高密度能量貯存介質的特征。根據優選的實施方案，氫貯存裝置(100)包含含有織物(124)的柔性容器(104)。容器(104)的柔性加上織物(124)的柔性使得氫貯存裝置(100)可適應于不規則形狀的空間。本發明的實施方案提供一種用織物(704)作為氫貯存陽極的電池(700)。
文檔編號H01M4/24GK1711378SQ200380103415
公開日2005年12月21日 申請日期2003年11月6日 優先權日2002年11月15日
發明者羅納德·詹姆斯·凱利, 史蒂文·杜安·普拉特, 西瓦庫瑪·穆蘇斯瓦米, 羅伯特·W·彭尼西 申請人:摩托羅拉公司(在特拉華州注冊的公司)