專利名稱：：用于水溶性電解質化學電池及燃料電池的氫活材料及消耗控制材料的制作方法
技術領域：
：本發明關于一種能活化氫以改善氫反應性的氫活化材料。本發明亦關于一種用于水溶性電解質化學電池且能改善水溶性電解質化學電池的消耗控制效能的消耗控制材料。其進一步關于一種用于燃料電池且能改善燃料電池的消耗控制效能的消耗控制材料。
背景技術：
：一種由鐵和硅構成的合金，亦即硅-鐵，已在各種用途中，例如馬達核心和磁屏蔽(專利文件l:JP-A8-275413和專利文件2:JP-A6-37479)中廣泛地作為金屬性軟磁材料之用，以及在鋼鐵工業中作為脫氧劑之用。除了硅以外，尚有其它可與鐵形成合金的不同半導體，例如鍺和硒。
發明內容包含鐵和半導體成分如硅的合金具有尚未被闡明的性質，而可能用于各種不同的用途中。因此，本發明的目標為尋找鐵-半導體合金，例如硅-鐵，的新用途。為了達成以上目標，本發明者在重復的熱切研究后發現包含鐵和硅的鐵-半導體合金具有能活化氫且改善其反應性的特質。因此，本發明提供一種氫活化材料、一種氫活化劑、或一種氫活化組成物，其包括一種作為主要成分的包含鐵和半導體成分的鐵-半導體合金。本發明者亦發現，包含鐵和硅的鐵-半導體合金具有改善水溶性電解質化學電池，例如錳干電池、堿性干電池、氫氧干電池、可充電鎳氫電池和鎳干電池的消耗控制效能的能力。因此，本發明提供一種用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料、消耗控制劑或消耗控制組成物，其包括一種作為主要成分的包含鐵和半導體的鐵-半導體合金，用以改善水溶性電解質化學電池的消耗控制效能。本發明者亦發現，包含鐵和硅的鐵-半導體合金具有改善燃料電池的消耗控制效能的能力。因此，本發明提供一種用于燃料電池的消耗控制材料、消耗控制劑或消耗控制組成物，其包括一種作為主要成分的包含鐵和半導體的鐵-半導體合金，用以改善燃料電池的消耗控制效能。如上所述，根據本發明的發現，鐵-半導體合金例如硅-鐵的新用途可用于氫活化，以及用于水溶性電解質化學電池和燃料電池或其類似物的消耗控制。圖1為說明在一堿性干電池中有無設置本發明提供的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料的情況下，其電壓隨時間的變化圖。圖2為說明在一氫氧干電池中有無設置本發明提供的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料的情況下，其電壓隨時間的變化圖。圖3為說明在一鎳氫電池中有無設置本發明提供的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料的情況下，其電壓隨時間的變化圖。圖4為說明在一錳干電池中有無設置本發明提供的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料的情況下，其電壓隨時間的變化圖。圖5為說明在一鎳干電池中有無設置本發明提供的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料的情況下，其電壓隨時間的變化圖。圖6為說明在一燃料電池中有無設置本發明提供的用于燃料電池的消耗控制材料的情況下，其電壓隨時間的變化圖。圖7為說明在一鋰-二氧化錳電池中有無設置本發明提供的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料的情況下，其電壓隨時間的變化圖。具體實施例方式在本發明提供的用于水溶性電解質化學電池和燃料電池或其類似物的氫活化材料和消耗控制材料中，半導體可包括元素半導體，例如硅(SO、鍺(Ge)、錫(Sn)、硒(Se)、和碲(Te)。其亦可包括化合物半導體，例如GaAs、GaP、GaSb、A1N、A1P、AlAs、AlSb、InP、InAs、InSb、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、AlGaAs、GalnAs、AlInAs和AlGalnAs。其進一步亦可包括氧化物半導體，例如Sn02、ZnO、Fe203、V205、Ti02、NiO、Cr203、Cu20、Mn02和MnO。尤其，較佳的為硅。根據本發明，用于水溶性電解質化學電池和燃料電池或其類似物的氫活化材料和消耗控制材料可包含除鐵和半導體外的其它成分，例如鎳(Ni)、鋁(Al)、錳(Mn)、碳(C)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鴿(W)、釩(V)、鈷(Co)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉅(Ta)、鈹(Be)、11族元素(IB)(金、銀、銅、鍮)、石墨、氟化物、以及遠紅外光輻射材料，例如陶瓷。在本發明中，消耗控制效能是指抑制電池消耗的效能以及能抑制電池消耗并延長電池壽命的有效放電。尤其，根據本發明的用于水溶性電解質化學電池和燃料電池的消耗控制材料的特征在于有效的放電保留了高電壓，同時抑制了電池的消耗。在本發明提供的用于水溶性電解質化學電池和燃料電池或其類似物的氫活化材料和消耗控制材料中，半導體的含量較佳為1-20重量％，更佳為1-10重量％。在此情況下，鐵的含量較佳為78-98重量％,更佳為86-96重本發明提供的氫活化材料或其類似物使鄰近氫活化可由可充電鎳氫電池經由如反應式1中氫的固相反應而放電，而具有改善的消耗控制效能的現象得知MH+NiOOHM+Ni(OH)2在根據本發明的氫活化材料中，不同類型的原子在鐵和半導體晶體間造成電化學電位。電化學電位施加逆向壓電效應于半導體上，因而使其產生機械應變。此種應變重復發生后將使半導體振動，輻射出振動電磁波至外界。在鐵-半導體合金中的半導體具有各種不同形狀和大小，可造成不同的電化學電位，因而可輻射出不同頻率的振動電磁波。此種電磁波攻擊具有磁矩的氫原子，激發氫原子，并使其活化。尤其，由氫活化材料產生的電磁波可被視為特別攻擊位于該材料鄰近處的氫原子，而進行化學反應及促成化學反應等。根據本發明，輻射至氫活化材料的電磁波使半導體產生劇烈振動，增強振動電磁波，進而活化鄰近的氫原子。因此，本發明提供一種氫活化的方法，其包括輻射電磁波至一種包含鐵和半導體成分的鐵-半導體合金中，用以使位于該合金鄰近處的氫活化。本發明亦提供一種方法，其包括輻射電磁波至一種包含鐵和半導體成分的鐵-半導體合金中，用以改善水溶性電解質化學電池和燃料電池的消耗控制效能。本發明進一步提供一種氫活化材料，其包括一種作為主要成分的包含鐵和半導體成分的鐵-半導體合金，其可通過輻射電磁波至鄰近的氫而增進其活化。此外，本發明提供一種消耗控制材料，其包括一種作為主要成分的含鐵和半導體成分的鐵-半導體合金，其可改善水溶性電解質化學電池和燃料電池的消耗控制效能。輻射出的電磁波包括由一白熾燈放射出的光(電磁波)。光在鄰近處傳遞，且傳播、傳遞至線鉗如燈泡插座、燈泡反射器(鏡、板)和電線處。當架設于載具等之上時，其甚至可在氫活化材料或其類似物并不直接置于輻射下，由各種光例如前燈、燈和儀表、引擎、馬達和電池處接收電磁波。甚至當該消耗控制材料處于避光狀態時，其可受到由燈泡等處輻射出的電磁波的影響。在本發明提供的氫活化材料或其類似物中，輻射至合金處的電磁波包括波長由lnm至lmm的電磁波，較佳的電磁波范圍為具有380nm至lmm波長的可見光至遠紅外光。輻射出的電磁波包括日光和白光。受到本發明提供的用于水溶性電解質化學電池和燃料電池的氫活化材料和消耗控制材料影響的氫活化范圍是根據鐵-半導體合金的含量、溫度條件、濕度、以及輻射出的電磁波的波長、振幅、波形和強度。受到本發明提供的用于水溶性電解質化學電池和燃料電池等的氫活化材料和消耗控制材料影響的氫可具有不特定限制的形式，但較佳地可制成板狀(板或薄片)或箔狀。本發明所使用的鐵-半導體合金可經由在熔鐵中添加半導體如硅的制鋼過程中制得。在制鋼完成后，將熔鐵注射至模具中使其形成鑄錠。將該鑄錠在約1250。C加熱，然后確立該合金的性質以制得一平板。接著，將該平板加熱高至IOOO'C或更高，然后在軋制寬度約2噸/mm的負載下經由熱軋而使其逐漸薄化至數mm的厚度以制得鐵-半導體合金。本發明提供的用于水溶性電解質化學電池和燃料電池的氫活化材料和消耗控制材料是設置于個別的標的對象附近以發揮個別的功能。因此，當其作為用于水溶性電解質化學電池中的消耗控制材料時，可將其安裝在電池箱中。因此，本發明提供一種用于改善水溶性電解質化學電池和燃料電池的消耗控制效能的方法，其包括在該電池鄰近處設置一包含鐵和半導體的鐵-半導體合金。在本發明提供的用于水溶性電解質化學電池和燃料電池的水溶性電解質化學電池和消耗控制材料中，水溶性電解液的實例包括離子性水溶液，例如氫氧化鉀水溶液、氯化鋅水溶液、氫氧化鈉水溶液和氫氧化鋰水溶液，且不含任何有機溶劑或類似物。舉例而言，根據本發明的消耗控制材料無法改善使用有機溶液系統的電池如鋰-二氧化錳電池的消耗控制效能。第一實例對本發明提供的氫活化材料的實例進行說明如下。首先，制作一硅-鐵薄板(包含90.5重量％或更多的鐵、3.0重量°/。或更少的硅、以及其它例如0.5重量％或更少的碳、1.5重量°/。或更少的錳、2.0重量°/。或更少的鋁、2.5重量％或更少的鎳等)作為根據第一實例的氫活化材料(水溶性電解消耗控制材料、燃料電池消耗控制材料)。將根據本實例的氫活化材料(水溶性電解消耗控制材料、燃料電池消耗控制材料)裁切出以制備50mm長xl3mm寬x0.05mm厚的試樣。在此片上壓迭上一層厚度為O.lmm的透明聚酯薄膜。第二實例類似地，制作一硅-鐵薄板(含87重量°/。或更多的鐵、6.5重量％或更少的硅、以及其它例如0.5重量％或更少的碳、1.5重量°/。或更少的錳、2.0重量％或更少的鋁、2.5重量°/。或更少的鎳等)作為根據第二實例的氫活化材料(水溶性電解消耗控制材料、燃料電池消耗控制材料)。將根據本實例的氫活化材料(水溶性電解消耗控制材料、燃料電池消耗控制材料)裁切出以制備50mm長xl3mm寬x0.05mm厚的試樣。將根據第一和第二實例的氫活化材料(水溶性電解消耗控制材料、燃料電池消耗控制材料)設置在一電池箱的底部，在其上一一設置個別的干電池。在一消耗控制效能實驗中，該電池箱(用于一個干電池，產品編號UM3X1，其是由MorikawaKogyoInc.獲得)中包含千電池(大小6(IEC))。該電池箱經由一長度為480mm的導線(產品編號10/0.14A,1.50，其是由SankoDenkiInc.獲得)和一燈泡插座(產品編號ES-T238-C(E10)，其是由TozaiDenkiSangyoInc.獲得)而連接于一燈泡(手電筒燈泡，其是由TozaiDenkiSangyoInc.獲得)上。使用一伏特計(數字萬用表，R6441A，其是由Advantestlnc.獲得)測量電壓的改變。實驗l(堿性干電池)在此實驗中準備一個堿性干電池(LR6/—次電池，其是由MatsushitaKandenchiKogyoInc.獲得)。在一實施例l中，此堿性干電池是裝設于一電池箱中，其中設有根據第一實例的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在一比較性實例1中，此堿性干電池是裝設于一電池箱中，其中未設置用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在測量期間，將室溫維持在18-2(TC，相對濕度維持在45-49%、照度維持在600勒克司(lx)。實施例1和比較性實例1的電池箱是以lm的間隔而設置在一辦公桌上，且每IO分鐘測量一次電壓。實驗結果顯示于表1和圖1中。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由表1和圖1可明顯得知，相較于比較性實例1而言，在具有根據第一實例的消耗控制材料的實施例1中，其在抑制電池放電上較為有效。實驗2(氫氧干電池)在此實驗中準備一個氫氧干電池(ZR6(Y)/—次電池，其是由MatsushitaKandenchiKogyoInc.獲得)。在一實施例2中，此氫氧干電池是裝設于一電池箱中，其中設有根據第二實例的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在一比較性實例2中，此氫氧干電池是裝設于一電池箱中，其中未設置用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在測量期間，將室溫維持在18-2(TC，相對濕度維持在45-49%、照度維持在600勒克司(lx)。實施例2和比較性實例2的電池箱是以lm的間隔而設置在一辦公桌上，且每IO分鐘測量一次電壓。實驗結果顯示于表2和圖2中。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>由表2和圖2可明顯得知，相較于比較性實例2而言，在具有根據第二實例的消耗控制材料的實施例2中，其在抑制電池放電上較為有效。實驗3(可充電鎳氫電池)在此實驗中準備一個鎳氫電池(Ni-MHAA/1.2V，二次電池，其是由SonyInc.獲得)。在一實施例3中，此鎳氫電池是裝設于一電池箱中，其中設有根據第一實例的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在一比較性實例3中，此鎳氫電池是裝設于一電池箱中，其中未設置用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在測量期間，將室溫維持在18-20'C，相對濕度維持在45-49%、照度維持在600勒克司(lx)。實施例3和比較性實例3的電池箱是以lm的間隔而設置在一辦公桌上，且每10分鐘測量一次電壓。實驗結果顯示于表3和圖3中。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>由表3和圖3可明顯得知，相較于比較性實例3而言，在具有根據第一實例的消耗控制材料的實施例3中，其在抑制電池放電上較為有效。實驗4(錳干電池)在此實驗中準備一個錳干電池(R6/—次電池，其是由ToshibaDenchiInc.獲得)。在一實施例4中，此錳干電電池是裝設于一電池箱中，其中設有根據第二實例的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在一比較性實例4中，此鎳氫電池是裝設于一電池箱中，其中未設置用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在實施例4中，使用一透明膠布(40mm長xl5mm寬)以使根據第二實例中用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料額外地貼附于干電池上。在實驗4中，制備如同實施例5的試樣，其是根據實施例4而通過一具有15，000勒克司(lx)的聚光燈(產品編號OE855450，其是由ODELICCo.，Ltd獲得)的白熾由500mm的距離處照射該試樣。進行這些實施例4和5以及比較性實例4的實驗。在測量期間，將室溫維持在18-20°C，相對濕度維持在45-49%、照度維持在600勒克司(lx)。實施例4和5的電池箱是以3m的間隔而設置在一辦公桌上，而比較性實例4的電池箱則設置于與實施例5相距3m處，且每10分鐘測量一次電壓。實驗結果顯示于表4和圖4中。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>由表4和圖4可明顯得知，相較于比較性實例4而言，在具有根據第二實例的消耗控制材料的實施例4和5中，其在抑制電池放電上較為有效。如所能觀察到的，在施加白熾的實施例5中，其在抑制電池放電上較實施例4為有效。實驗5(鎳干電池)在此實驗中準備一個鎳干電池(ZR6H4BP/—次電池，其是由ToshibaDenchilnc.獲得)。在一實施例6中，此鎳干電池是裝設于一電池箱中，其中設有根據第一實例的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在一比較性實例5中，此鎳氫電池是裝設于一電池箱中，其中未設置用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在測量期間，將室溫維持在18-2(TC，相對濕度維持在45-49%、照度維持在600勒克司(lx)。實施例6和比較性實例5的電池箱是以lm的間隔而設置在一辦公桌上，且每10分鐘測量一次電壓。實驗結果顯示于表5和圖5中。表5<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>由表5和圖5可明顯得知，相較于比較性實例5而言，在具有根據第一實例的消耗控制材料的實施例6中，其在抑制電池放電上較為有效。第三實例接著，制作一硅-鐵薄板(含90.5重量％或更多的鐵、3.0重量％或更少的硅、以及其它例如0.5重量％或更少的碳、1.5重量％或更少的錳、2.0重量％或更少的鋁、2.5重量％或更少的鎳等)作為根據第三實例的氫活化材料(水溶性電解消耗控制材料、燃料電池消耗控制材料)。將根據本實例的氫活化材料(水溶性電解消耗控制材料、燃料電池消耗控制材料)裁切出以制備25mm長x20mm寬x0.05mm厚的試樣。在此片上壓迭上一層厚度為O.lmm的透明聚酯薄膜以制備兩片壓合片。實驗6(燃料電池)關于一燃料電池而進行消耗控制的實驗。首先，準備一個燃料電池(小型燃料電池PFC-ED3，其是由DaidoMetalKogyoInc.獲得)，并在距離該電池兩側10mm處安置兩片根據第三實例的用于燃料電池的消耗控制材料。將一條來自該燃料電池的輸出電線(長100mm)連接于一馬達(DC0.5V/0.05W,其是由DaidoMetalKogyoInc.獲得)上。然后，在該馬達機軸上不施加任何負載例如推進器且僅在該機軸進行運轉的情況下，每60秒測量電壓的改變。在此情況下，由于在180-240秒的期間中有尖峰的電壓改變，因此，以更細微的時間間隔進行測量。當氫氣由隨該燃料電池的氫氣筒(MAX0.3MPa，其是由IwataniGasInc.獲得)供給后，氫燃料可與由空氣中純化出的氧氣反應而產生電能。在一實施例7中，安置兩片根據第三實例的用于燃料電池的消耗控制材料。在一實施例8中，以黑色的乙烯基薄片覆蓋整個實施例7，使其避光。在一比較性實例6中，未安置根據第三實例的用于燃料電池的消耗控制材料。在測量期間，將室溫維持在18-20°C，相對濕度維持在45-49%、照度維持在600勒克司(lx)。這些測量結果顯示于表6和圖6中。表6<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>由表6和圖6可明顯得知，相較于比較性實例6而言，在具有根據第三實例的消耗控制材料的實施例7和8中，其在抑制電池放電上較為有效。如所能觀察到的，在不避光且以光照射的實施例7中，其在抑制電池放電上較避光且無光照的實施例8更為有效。比較性實驗(鋰-二氧化錳電池)在此實驗中準備一個鋰-二氧化錳電池(CR2/—次電池，其是由ToshibaDenchiInc.獲得)。在一比較性實例7中，此鋰-二氧化錳電池是裝設于一電池箱(產品編號UM5X2，其是由IshikawaSeisakushoInc.獲得)中，其中設置有制成25mm長xl0mm寬x0.05mm厚的根據第一實例而用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在一比較性實例8中，此鋰-二氧化錳電池是裝設于一電池箱中，其中未設置用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料。在測量期間，將室溫維持在18-20°C，相對濕度維持在45-49%、照度維持在600勒克司(k)。比較性實例7和8的電池箱是以lm的間隔而設置在一辦公桌上，且每10分鐘測量一次電壓。實驗結果顯示于表7和圖7中。表7<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>在鋰-二氧化錳電池中的電解液不是水溶性，而是使用有機溶劑。因而由表7和圖7可明顯得知，其無法顯現出根據第一實例的消耗控制材料的效果。權利要求1、一種氫活化材料，其包括包含鐵和半導體成分的鐵-半導體合金作為主要成分。2、如權利要求1所述的氫活化材料，其中該氫活化材料經在其上照射電磁波而增進鄰近氫的活性。3、如權利要求1或2所述的氫活化材料，其中該半導體為硅。4、一種用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料，其包括包含鐵和半導體成分的鐵-半導體合金作為主要成分，以改善水溶性電解質化學電池的消耗控制效能。5、如權利要求4所述的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料，其中消耗控制效能進一步經由在其上照射電磁波而改善。6、如權利要求4或5所述的用于水溶性電解質化學電池的消耗控制材料，其中該半導體為硅。7、一種用于燃料電池的消耗控制材料，其包括包含鐵和半導體成分的鐵-半導體合金作為主要成分，以改善燃料電池的消耗控制效能。8、如權利要求7所述的用于燃料電池的消耗控制材料，其中消耗控制效能進一步經由在其上照射電磁波而改善。9、如權利要求7或8所述的用于燃料電池的消耗控制材料，其中該半導體為硅。10、一種氫活化方法，其包括對包含鐵和半導體成分的鐵-半導體合金照射電磁波，以活化在合金鄰近的氫。全文摘要本發明提供一種氫活化材料，其包括一種作為主要成分的包含鐵和半導體成分的鐵-半導體合金。其亦提供一種用于水溶性電解質化學電池和燃料電池的消耗控制材料。此外亦提供一種氫活化方法。文檔編號H01M8/02GK101415850SQ200680054158公開日2009年4月22日申請日期2006年6月28日優先權日2006年6月28日發明者坂倉康郎申請人:坂倉康郎