场辅助气体储存材料和包含它的燃料电池的制作方法

专利名称：场辅助气体储存材料和包含它的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明一般性地涉及场辅助(field-assisted)气体储存材料。更具体地，本发明涉及场辅助气体储存材料，其中气体的存储密度或溶解性和迁移率，以及气体的摄入(uptake)和排放都可以通过施加场来控制。甚至更具体地，本发明涉及场辅助的储氢材料和包含它的燃料电池，其中氢气的密度或溶解性和迁移率，以及氢气的摄入(uptake)和排放都可以通过施加场来控制。
背景技术：
燃料电池技术是具有潜在深远效益的快速发展的产业。燃料电池的当前市场接近218,000,000美元，该数量到2004年已经计划上升至24亿美元，而到2009年将达到70亿美元。如果实施成功，在其它利益中，由于对国外矿物燃料的依赖下降，燃料电池技术预期能获得提高的国家能源安全性，以及由于空气传播污染物排放显著降低，燃料电池技术预期能获得改善的空气质量。
燃料电池能够进行极其有效的能量转换并可以用于运输和静态(stationary)用途中。对于运输用途，燃料电池交通工具有希望替代传统内燃机交通工具。燃料电池交通工具可以用氢气供燃，并且仅仅释放水和能量，而传统内燃机交通工具燃烧矿物燃料例如汽油或柴油，并向大气释放有害颗粒和温室气体。
燃料电池交通工具还有许多其它的优点。燃料电池交通工具的能量效率是传统交通工具的高达三倍或更多。燃料电池交通工具可以将供应燃料中40-45％或更多的能量转化为电力，而传统内燃机交通工具只能将供应燃料中的约16％转化为电力。此外，由于燃料电池交通工具使用移动部件非常少(即只有提供燃料和冷却剂需要的那些泵和风机)的电发动机工作，因此燃料电池交通工具中的震动和噪音将大大降低，并且将省去常规维护(即，换油、更换火花塞等)。
燃料电池的工作和电池非常相似，在电力耗尽时可以再充电。然而，电池使用电流再充电，而燃料电池使用氢再充电。通常，氢燃料电池通过将氢和氧之中的化学能转变为水，得到电和热而工作，然后将其输入电发动机中以驱动燃料电池交通工具的轮子。
在本领域氢被认为是燃料电池交通工具的理想燃料。氢是宇宙中最丰富的元素，是地球上第三最丰富的元素，可以从多种可再生能源中获得，并且，当氢在燃料电池中作为燃料消耗时，仅产生水而不产生温室气体如二氧化碳。储存用于终端使用和输送的氢的常规方式包括(1)液态或气态氢，(2)烃燃料(即矿物燃料)，和(3)固体材料(即金属氢化物)。
在燃料电池中使用液态或气态氢作为能源并不理想。氢气是高度可燃的并且燃烧需要低的氢气-空气浓度。另外，氢气比其它液态燃料较难运输和储存。此外，目前对于公众仅有非常有限的基础设施可以配给氢气。
为了防止使用纯氢气作为燃料带来的不利，许多燃料电池的设计集中于使用烃或醇燃料(例如甲醇)，天然气和石油馏出物。然而，这些设计有它们本身的缺点，例如，需要燃料重整装置，该重整装置将烃燃料裂解为氢气、二氧化碳和水。由这样的重整装置生产的氢气是不纯的，它降低了燃料电池的效率。此外，添加重整装置将烃燃料转换成氢气会使燃料电池的总效率降低到约30-40％。使用烃燃料的其它缺点包括(1)附载的重整装置增加了燃料电池体系的复杂性、成本和维护；(2)如果重整装置允许二氧化碳到达燃料电池的阳极，电池的性能将会逐渐下降；以及(3)重整装置产生温室气体和其它空气污染物。
化学储存氢燃料的储氢材料被认为是在大量潜在应用中用于燃料电池的有利的氢源。但是，在这些材料中获得足够的氢气溶解性、储存密度和迁移率已经证明是很难的。另外，对于例如燃料电池的应用还没有获得在大范围的功率输出上控制氢气摄入和释放速率的能力。因此，需要改进的储氢材料以适应大量应用的要求，包括从其它气体中选择性地分离氢气、催化和用于交通工具、专用发电(personal power generation)和静态发电的燃料电池。
在过去30年左右深入的研究已经集中在以固体金属氢化物的形式储存氢。当金属和合金接触氢气时通常放热产生金属氢化物。大部分氢气和这些金属和/或合金反应并形成新的化合物，而小部分氢气在放热反应中分解成原子氢并随后进入金属晶格的间隙中。通过加热，通过氢化物的电解氧化或通过与氧化物或水反应，可以从其中再生氢气使用。使用金属氢化物储存氢的一个优点在于，在金属氢化物中储存氢的体积密度与其它储存介质相比相对较大。然而，从氢化物中再生氢气和再生金属一样是困难的。而且，金属显著增加了燃料电池体系的重量。
公知的储氢材料的实例包括金属氢化物，例如FeTiH2和LaNi5H6，它们分别含有约1.9％重量和约1.5％重量的氢，在加热时释放氢气。尽管FeTiH2和LaNi5H6具有可接受的再生温度，但基于重量百分数的氢含量对用于交通工具的燃料电池应用太低。其它金属氢化物例如MgH2和TiH2具有较高的氢含量，分别为约7.6％重量和4.0％重量，但必须加热至高温(即高于约100℃)以再生氢气。使用金属氢化物作为气体储存材料的其它缺点包括歧化、中毒、伴随的容量损失，以及需要再生一些储存合金。
碳纳米管是已进行深入研究的另一种潜在的储氢材料。碳纳米管为富勒烯有关的结构，由在任一端用含有五元环的顶盖密封的无缝石墨圆柱体构成。碳纳米管粉倾向于具有低效堆积和差的体积效率。此外，碳纳米管制造非常昂贵，目前无法获得商业化的氢气储存应用中需要的量。
其它公知的储氢材料包括为高度多孔结晶铝硅酸盐的沸石。然而，根据每单位重量沸石氢气的重量，沸石储存氢气的能力对于交通工具的燃料电池应用是不够的。此外，必须加热沸石以触发从中释放氢气，在沸石大截面中的响应时间受热扩散限制。
未来的氢气经济需要有效的方法来存储和输送氢气，用于汽车和配送动力的燃料电池的应用，以及大量的其它应用。已经提出了几种存储氢气的方法，包括上述讨论的那些，但目前没有材料或方法已经显示出所需要的氢气溶解性和储存密度，氢气迁移率，和/或商业用途要求的氢气摄入/释放能力。
因此，需要没有目前储氢材料全部缺点的储氢材料。
此外，尽管储氢材料已经描述如上，各种其它气体也可以存储在气体储存材料中，并且这些气体储存材料可以用于大量的用途中，例如气体分离、排放物螯合(emissions sequenstration)和干燥气流。还需要能够储存除氢气之外的气体的改进的气体储存材料。
因此，需要轻巧、紧凑、相对便宜、安全和易于使用的气体储存材料。还需要提供比目前可行的材料具有更高气体溶解性(即更高气体储存密度)和更高气体迁移率的气体储存材料。同样需要包含使得能很好控制气体装载/摄入和释放的机制的这些材料。

发明内容
这些需要和其它需要通过本发明的实施方案来解决。在本发明描述的实施方案中使用的气体储存材料包括大量的材料组分和类型，并且轻巧、紧凑、相对便宜、安全、易于使用。另外，本发明的实施方案可以在低于传统气体储存材料所要求的温度下，从气体储存材料中获得更有效的和受控的气体储存和回收。
本发明的实施方案包括具有高气体存储密度和高气体迁移率的气体储存材料。这些气体储存材料可以包括包含气体储存空间和在施加外加场期间足以维持电偶极的离子特征的材料，其中外加场的施加不会使该材料变得导电；并且气体储存在材料的气体储存空间内，其中所述气体能够扩散通过材料。在此外加场包括电场，有可能与应力场或应变场结合。
本发明的其它实施方案包括高容量的气体储存材料。这些气体储存材料可以包括包含晶体结构和在施加外加场期间足以维持电偶极的离子特征的材料，其中外加场的施加不会使该材料变得导电；并且气体储存在材料内，其中所述晶体结构包括特别设计的包含偶极的晶体结构，该偶极允许该设计的晶体结构保留预定量的储存气体；其中储存气体与设计的晶体结构结合，降低了材料的自由能，从而增加了材料的有效气体溶解性。这些气体储存材料可进一步包括用于控制向材料中摄入气体和从材料中释放气体的机制。所述机制可包括外加场(即，电场、应力场、应变场，和它们的组合)。
利用外加电场的气体储存材料可包括介电材料、压电材料、铁电材料、陶瓷材料、非金属材料、聚合物材料、半导体材料，和/或任何其它合适的材料。
本发明的另外一些实施方案包括具有高气体存储密度和高气体迁移率的气体储存材料。这些气体储存材料可以包括包含气体储存空间和在施加外加场期间足以使其中的磁偶极排列(aligned)的磁特征的材料；和存储在材料的气体储存空间内的气体，其中所述气体能够扩散通过材料。在这些实施方案中的外加场可包括单独的磁场或与应力场和/或应变场的结合。这些气体储存材料可包括包含铁磁体成分的磁性材料，其中该磁性材料加入至固态材料、金属、陶瓷、聚合物，和/或磁性材料和非磁性材料的复合物中。
本发明的另外一些实施方案包括具有高气体存储密度和高气体迁移率的气体储存材料。这些气体储存材料可以包括材料，包括(a)气体储存空间；(b)在施加外加电场期间足以维持电偶极的离子特征；和(c)在施加外加磁场期间足以使其中的磁偶极增强的磁特征；和储存在材料的气体储存空间内的气体，其中所述气体能够扩散通过材料和其中外加电场和外加磁场的施加使得以下的至少一种得到控制(a)气体储存材料的气体溶解性；(b)摄入气体储存材料的气体摄入量(gas uptake)；(c)从气体储存材料排放的气体排放量(gas discharge)；和(d)气体储存材料内的气体迁移率。
在本发明的气体储存材料中，外加场的施加使得以下的一种或多种得到控制(a)气体储存材料的气体溶解性；(b)摄入气体储存材料的气体摄入量；(c)从气体储存材料排放的气体排放量；和(d)气体储存材料内的气体迁移率。
在任何这些气体储存材料内储存的气体可包括氢气，具有永久偶极的气体(即二氧化碳)，能够以分子或原子输送通过存储材料的可极化气体(即沸石中的氢气)，和/或任何其它合适的气体。
在本发明的实施方案中，每单位可利用气体储存空间(per available gasstorage space)的平均气体分子占据率(average occupancy rate)大于约25％。
在本发明气体储存材料中的扩散路径(diffusion paths)可包括晶界、孔隙(即天然的或设计的空隙)、缺陷(即材料晶格结构中的位错，材料晶格结构中的平面缺陷，表面杂质，材料晶格结构中的阶跃，等)，气体储存材料的内在构造，和/或气体储存材料的主体。
在实施方案中，气体储存空间或气体存储密度可以以许多方式至少部分生成，例如通过(a)通过取代aliovalent阳离子和阴离子而化学改变材料的晶格结构；(b)在材料的晶格结构中产生缺陷，从而在材料的子晶格中存在间隙；(c)在材料的晶格结构中产生缺陷，从而在材料的子晶格中存在空位；(d)有选择地改变材料的晶格结构，以便提供气体扩散路径，使得气体在材料内流动；和/或(e)通过外加场将偶极引入材料内，等等。
本发明其它的实施方案包括含有上述气体储存材料的燃料电池。
在以下描述过程中，本发明的其它特征、方面和优势对于本领域的技术人员将变得更加显而易见，其中参考说明本发明一些优选形式的附图，并且其中在图中相同的部件用相同的附图标记表示。


以下参考各图描述本发明的体系和方法，其中图1是如本发明实施方案中采用的分子氢的离解及其作为原子氢在储氢材料中储存的示意图；图2是如本发明实施方案中采用的分子氢的离解及其作为质子氢在储氢材料中储存的示意图；和图3是如本发明实施方案中采用的分子氢在储氢材料中储存的示意图。
具体实施例方式
为了有助于理解本发明，现参考如图1-3所示的本发明的一些实施方案，并使用特定语言对其进行描述。本文中使用的术语是为了描述而不是限制。本文中披露的具体结构细节和功能细节不是作为限制来说明的，而仅仅作为权利要求书的基础，该权利要求书是教导本领域技术人员多方面实施本发明的代表性基础。正如对本领域的技术人员是经常遇见的，在所述支持结构和制造其的方法中的任何修改和变化，以及如本文中说明的进一步应用本发明的原理都认为涵盖在本发明的实质中。
根据本发明的一实施方案，气体储存体系8包括至少一种气体储存材料14和至少一种场10，场10施加在气体储存材料14上，以控制气体储存材料14的气体溶解性，如图1-3所示。通常，尽管不是必须的，在气体储存体系8中储存的气体包括氢。氢包括离子氢、分子氢、原子氢、氘、氚，其任意组合，等等。可储存在气体储存体系8中的其它气体包括一氧化碳、氧气、二氧化碳、氮气、甲烷和氮和硫的氧化物，及其组合，或任何极性气体或能够极化的气体。
在一实施方案中，气体储存材料14包括电介质。如果气体储存材料14是介电材料，所述至少一种场10通常包括电场(如图1-3描述的)、应力场、应变场，或其组合。气体储存体8通常包括另外的特征，例如温度控制装置和压力控制装置。在一些实施方案中，介电材料包括压电材料、铁电材料、陶瓷材料、非金属材料、有机材料或半导体材料中的至少一种。在压电储存材料的情况中，一实施方案包括钛酸钡。在陶瓷的情况中，一实施方案包括V2O5。在有机材料的情况中，一实施方案包括聚偏二氟乙烯(PVDF)或微孔有机金属骨架(microporous metal-organic framework)。
在另一实施方案中，气体储存材料14包括磁性材料，例如铁磁体、顺磁体、反磁体或亚铁磁材料。如果气体储存材料14是磁性材料，则至少一种场10通常包括磁场，有可能和其它场(例如应力场、应变场或电场，及其组合)结合。在一实施方案中，铁磁体材料包括铁、钴、锰、镍及其组合，合金及其化合物中的至少一种。
本发明通常涉及包含高密度可用氢和其它气体储存位点的气体储存材料，都基于每单位质量的储存材料和每单位体积的储存材料。尽管许多这些气体储存位点可包含天然存在的低能量晶格或缺陷位点，或者通过化学改变结晶结构产生的那些晶格或缺陷位点，这些气体储存位点是通过材料结晶结构的场致变化而产生的。该变化得到了具有提高的气体迁移率和溶解性以及门控机制(gating mechanism)的气体储存材料，所述门控机制用于控制气体向结晶结构的装载和气体从结晶结构中的释放。此外，这些材料是耐用的，热稳定和化学稳定的，并且可以相对低成本地制造。本文中使用的术语溶解性指“在材料主体中，材料的表面上，或其组合中储存一定量气体的能力”。
在气体储存材料中的气体溶解性可以通过产生结合位点而增加，所述结合位点得自在气体储存材料的结晶结构中形成的偶极。通过改变基本化合物的化学计量而可以在这些材料中产生或增强偶极。该改变可以以多种方式获得，例如，通过化学取代aliovalent阳离子和阴离子。根据本发明，偶极还可以通过场(即，通过应力场、应变场，和/或通过电场和/或磁场)在材料中产生或增强。可以通过在材料结构中形成结晶缺陷使得在材料的子晶格中形成间隙和空位而提高气体储存材料中气体的溶解性。有选择地改变材料的晶体结构还可以得到较容易的气体扩散路径。一些基本化合物结构的改变产生为气体提供附着位点的局部电偶极或磁偶极。场致和场增强的偶极极化气体原子，其中气体原子自身相对偶极取向，以便降低体系的总自由能。
当在装载期间施加场时，这些偶极吸引并支持气体原子，然后除去场通过消除偶极降低材料中气体的有效溶解性，从而使气体释放。使用反向场驱走残余气体，该残余气体可能因永久偶极而被保留或需要额外的活化来释放。控制场的施加作为开关或门控机制，使得在装载时摄入气体及在需要的循环期间释放气体得以控制。
虽然金属和金属氢化物长期用作储氢材料，本发明的材料证实为更优选的氢气或其它气体的储存材料。当用作气体储存材料时，本发明的材料提供了改善的气体迁移率和溶解性。例如，大多数陶瓷主要包括在其结构中具有正电荷和负电荷中心的离子键，但一些陶瓷(即，Al2O3，SiC)还具有大量的共价键，这些共价键为有方向性的键。另一方面，金属包括金属键(即，主要为大量的电子)，而金属氢化物主要包括共价键，和一些金属键和离子键。具有以离子键或共价键(即，陶瓷)为主的材料通过重排它们的结构与电场和放入该材料的其它离子起作用，由此改变材料的形状、物理结构或电子结构，而不使材料变得导电。具有未成对电子的材料，特别是某些d或f系元素(即，Fe，Co，Nd，Sm)将响应磁场排列(align)内在磁偶极。这一响应将在具有金属键、离子键或共价键的材料中观察到。
换句话说，主要具有离子特征的材料(即陶瓷)表现出或者具有Van derWaals键合(即，偶极-偶极相互作用)的潜能。当向该主要具有离子特征的材料施加外部电场时，本发明增强了材料的电偶极，并促进了与气体(例如氢气)的类Van der Waals键合。气体通过极化(即，偏移电子轨道)响应，以对抗场致偶极，从而降低体系的自由能。相反，具有类似金属导电性的材料通过其非键合离子的运动耗散了外加电场，从而排除了电偶极的形成，并使得该材料不适合带有外加电场的用途。
在本发明的另一实施方案中，施加磁场代替电场以改善气体溶解性或迁移率是更理想的。例如，当向具有大量磁特征的材料施加磁场时，其中的永久磁偶极进行排列，从而增加可储存其中的气体的溶解性和迁移率。具有单个、未成对电子和单个质子的氢完全适于响应磁场。
使用场，例如电场、磁场、应力场和应变场来控制本发明气体储存材料中气体的摄入和释放允许实现比常规压力活化或温度活化气体储存材料目前可能达到的响应时间快得多的响应时间。常规压力活化或温度活化气体储存材料在施加压力或温度时响应时间滞后。此外，大多数金属氢化物排放其中储存的气体所需要的高温(＞100℃)是个问题。相反，本发明的气体储存材料在任何温度具有对场基本即时的响应时间，使它们对于大量应用(例如，交通工具的燃料电池应用)是理想的。本文中将场潜在地用于(1)增加气体储存材料中气体的溶解性，(2)利用材料的快速响应时间取代对材料热扩散性的依赖，(3)和场强成比例地调节(throttle)气体的释放，和(4)允许低温解吸气体。
硅酸盐材料，例如云母、沸石和蛭石包括敞口通道和层状结构，允许氢气或其它气体沿着那些容易的扩散路径快速进入它们的内部。在例如沸石的材料中，气体被截留在由例如包括Si-、Al-、Mg、Na、O-和F-的多面体所限定的笼状结晶结构内的储存位点处。沸石中大多数气体的吸附受到例如上述内部电场的强烈控制。这些内部电场和维持它们的结构可以通过化学设计结晶结构而进行改变。另外，晶体化学控制可以改变气体扩散路径的尺寸，改变储存笼的尺寸，或改变储存笼的电子状态，从而即使在没有外加场时材料也接收和保留更多的气体并使其从其中更快速地扩散。此外，可以施加场(例如电场或磁场)至该结构以提高气体的储存容量和释放容量。
铁电材料、铁磁材料、压电材料和介电材料对于化学改性或通过施加电场改性来提高气体的储存容量/溶解性及其气体迁移率是特别理想的材料，而且对于使用场来控制气体的摄入和释放也是理想的。压电体是一类陶瓷材料，其中外加场(即应力场、应变场或电场)可以诱导大的内部偶极。在压电材料上的应力或应变引起正电荷中心和负电荷中心的分离，导致场致偶极。这一场致偶极用于吸引气体例如氢气，该气体极化并自我排列形成类Van der Waals键，从而降低体系的自由能并抵抗场诱导偶极。其净效应是压电储存材料中氢气溶解性的增加。应力或应变的除去、反转或降低改变偶极的强度并以需要的方式改变压电储存材料的氢气溶解性，从而建立了用于控制氢气摄入和释放的门控机制。
也可以使用反向压电效应来产生场致偶极。此时，所述场可以用电场取代应力场或应变场，该电场可以通过附着在压电材料的电极更方便地施加至该压电材料。电场还在压电材料中沿着伴随的致偶极产生位移。原子或质子形式的氢在一些材料中比分子氢可具有更高的迁移率。因此，为了利用该现象，当施加电场期间可以使用将分子氢分离为原子氢的已知催化材料(如Pd和Pt)。当施加电场时，通过催化电极将分子氢解离成原子氢，在其中溶解并从中输送至存储材料。即使在不存在外加电场时也可以使用这些催化剂，以将分子氢转变成更易于流动的形式以便输送通过材料。
大多数陶瓷已知不具有高的氢气扩散速率。由于使气体尽可能快地进出这些气体储存材料对于气体储存体系的操作是有利的，因此，提高气体的扩散速率是有益的，或者以一些其它的方式使气体进出气体储存材料而不需要长距离通过材料的主体扩散是有益的。使气体快速进出气体储存材料的一种方式是利用气体储存材料中的高气体扩散路径。这些路径可能天然存在于材料中，或者它们可以有意生成。例如，晶界、缺陷结构和空位是天然形成的高氢气扩散性路径。设计的孔隙或其它缺陷也可以有意地在材料中产生，以便在材料中提供额外的高气体扩散性路径。利用包括在其中增加气体溶解性的场致偶极和在其中增加气体迁移率的高流动扩散路径的材料将是理想的。
现参考图1，它是分子氢的离解及其作为原子氢在储氢材料中储存的示意图，如本发明的一示例性实施方案中采用的。在该实施方案中，向围绕气体储存材料14的两个电极12a，12b施加电场10，此时气体储存材料14描述为储氢材料。优选地，电极包括将H2(分子氢)有效裂解成H(原子氢)的材料，例如Pd和Pt。如该图的放大部分所示，当施加电场并且分子氢裂解成原子氢时，原子氢16极化并根据储存材料中的阴离子18和阳离子20自我排列。产生的虚拟偶极(virtual dipole)22是外加场、材料的成分及其结构的组合效应的结果。因此，可以看到，电场的施加提高了该储氢材料的氢气溶解性，由此起到控制氢气摄入和释放的门控机制的作用。
现参考图2，它是分子氢的离解及其作为质子氢在储氢材料中储存的示意图，如本发明的一示例性实施方案中采用的。在该实施方案中，向围绕气体储存材料14的两个电极12a，12b施加电场10，此时气体储存材料14描述为储氢材料。优选地，电极包括在外加电场的帮助下将H2(分子氢)有效裂解成H+(质子氢)的材料，例如Pd或Pt。如该图的放大部分所示，当施加电场并且分子氢裂解成质子氢时，质子氢17沿着场的梯度扩散进入材料，以及根据储存材料中的阴离子18和阳离子20自我排列。产生的虚拟偶极22是外加电场、材料的成分及其结构的组合效应的结果。电子可以储存在外部电容器中直到需要释放氢气。因此，可以看到，电场的施加提高了该储氢材料的氢气溶解性，由此起到控制氢气摄入和释放的门控机制的作用。
现参考图3，它是分子氢在储氢材料中储存的示意图，如本发明的一示例性实施方案中采用的。在该实施方案中，向围绕气体储存材料14的两个电极12a，12b施加电场10，此时气体储存材料14描述为储氢材料。在该实施方案中，储氢材料14的结构必须足够开放以原样接受H2。沸石可以很好地用于该储存。如该图的放大部分所示，当施加电场时，分子氢扩散通过由笼16集装(assemblages)形成的敞口沸石通道，直到它遇到偶极储存位点。该偶极储存位点对基材沸石材料可以是固有的，它可以通过化学改性产生或增强，或者它可以通过外加场产生或增强。然后分子氢响应偶极位点极化并根据储存材料中的阴离子和阳离子自我排列。已知在各种特定笼内的许多位置充当氢气储存的位点。因此，可以看到，电场的施加提高了该储氢材料的氢气溶解性，由此起到控制氢气摄入和释放的门控机制的作用。
尽管已经描述了在储氢材料中储存氢气的几种不同方式，但本发明预计在任何适当的材料中存储任何适当的气体。因此，所有这些实施方案都意指涵盖在本发明的实质和范围内。
如上所述，本发明的气体储存材料使得高性能气体储存材料对于大量的应用(例如燃料电池和包含其的交通工具)得以实现。有利的是，本发明的气体储存材料对于商业、工业和消费者使用显示出巨大的应用前途。这些材料可以用于气相储存，且特别适合用于交通工具燃料电池的应用。对于相关领域的技术人员许多其它优点同样是显而易见的。
已经描述了本发明的各种实施方案来履行本发明满足的各种需要。应该认识到，这些实施方案仅仅是对本发明各种实施方案的原理的说明。在不偏离本发明的实质和范围下，其许多变化和改进对于本领域的技术人员都是显而易见的。本发明包括用于大量终端使用的气体储存材料。例如，尽管已经描述了用于交通工具燃料电池应用的储氢材料，本发明的储氢材料还可以用于大量的其它应用例如专用发电中。另外，尽管在许多实施方案中已经描述了氢气，在本发明的气体储存材料中可以储存任何适当的气体。此外，尽管已经详细描述了陶瓷和电场，以及金属和磁场，任何适当的材料和任何类型的适当外加场都可以用于本发明。因此，这意指本发明包含在权利要求及其等同物范围内的所有适当的修改和变化。
权利要求
1.气体储存体系，包括至少一种气体储存材料；和至少一种施加在所述气体储存材料上的场以控制所述气体储存材料的气体溶解性。
2.权利要求1的气体储存体系，其中所述气体储存材料包括电介质。
3.权利要求2的气体储存体系，其中所述至少一种场包括电场。
4.权利要求1的气体储存体系，其中所述气体包括氢。
5.权利要求4的气体储存体系，其中氢包括选自离子氢、分子氢和原子氢中的至少一种。
6.权利要求2的气体储存体系，其中所述至少一种场包括应力场、应变场及其组合中的至少一种。
7.权利要求3的气体储存体系，其中所述至少一种场还包括应力场、应变场及其组合中的至少一种。
8.权利要求3的气体储存体系，其进一步包括用于控制所述气体储存体系温度的装置。
9.权利要求3的气体储存体系，其还包括用于控制所述气体储存体系压力的装置。
10.权利要求2的气体储存体系，其中所述电介质包括压电材料、铁电材料、陶瓷材料、非金属材料、有机材料或半导体材料中的至少一种。
11.权利要求1的气体储存体系，其中所述气体储存材料包括磁性材料。
12.权利要求11的气体储存体系，其中所述场包括磁场。
13.权利要求12的气体储存体系，其中所述至少一种场还包括应力场、应变场，或电场及其组合中的至少一种。
14.具有高气体储存密度和高气体迁移率的气体储存材料，该气体储存材料包括包含气体储存空间和在施加外加场期间足以维持电偶极的离子特征的材料，其中外加场的施加不会使材料变得导电；和存储在材料的气体储存空间内的气体，其中所述气体能够扩散通过材料，及其中外加场的施加使得以下的至少一种得到控制气体储存材料的气体溶解性；摄入气体储存材料的气体摄入量；从气体储存材料排放的气体排放量；和气体储存材料内的气体迁移率。
15.权利要求14的气体储存材料，其中该材料包括以下的至少一种介电材料、压电材料、铁电材料、陶瓷材料、非金属材料、聚合物材料和半导体材料。
16.权利要求14的气体储存材料，其中气体包括至少一种氢气，具有永久偶极的气体和能够以分子或原子方式输送通过存储材料的可极化气体。
17.权利要求14的气体储存材料，其中外加场包括以下的至少一种电场、应力场和应变场。
18.具有高气体储存密度和高气体迁移率的气体储存材料，该气体储存材料包括包含气体储存空间和在施加外加场期间足以使其中的磁偶极增强的磁特征的材料；和存储在材料的气体储存空间内的气体，其中所述气体能够扩散通过材料，及其中外加场的施加使得以下的至少一种得到控制气体储存材料的气体溶解性；摄入气体储存材料的气体摄入量；从气体储存材料排放的气体排放量；和气体储存材料内的气体迁移率。
19.权利要求18的气体储存材料，其中外加场包括以下的至少一种磁场、应力场和应变场。
20.权利要求18的气体储存材料，其中气体包括氢气。
21.控制气体储存材料中的气体溶解性的方法，所述方法包括提供至少一种气体储存材料；和向所述至少一种气体储存材料施加至少一种场。
22.权利要求21的方法，其进一步包括向所述气体储存材料提供气体用于储存该气体。
23.权利要求22的方法，其中所述气体包括氢气。
24.权利要求21的方法，其中提供至少一种气体储存材料包括至少一种介电材料。
25.权利要求21的方法，其中施加至少一种场包括施加应力场、应变场、电场及其组合中的至少一种。
26.权利要求21的方法，其中提供至少一种气体储存材料包括至少一种磁性材料。
27.权利要求26的方法，其中施加至少一种场包括施加至少一种磁场。
全文摘要
描述了具有提高的气体存储密度/溶解性和改善的气体迁移率的场辅助气体储存材料。在一些实施方案中，该气体储存材料包括含有气体储存空间和在施加外加场期间足以维持电偶极的离子特征的材料，其中外加场不会使材料变得导电，并且其中气体存储在材料的气体储存空间内。在其它实施方案中，该气体储存材料包括含有气体储存空间和在施加外加场期间足以使其中的磁偶极增强的磁特征的材料，并且其中气体存储在材料的气体储存空间内。在实施方案中，气体能够扩散通过所述材料，并且场的施加使得以下的至少一种得到控制(a)气体溶解性；(b)气体摄入；(c)气体排放；和(d)气体迁移率。
文档编号F17C11/00GK1829655SQ200480021812
公开日2006年9月6日 申请日期2004年6月3日 优先权日2003年6月10日
发明者威廉·P·迈尼尔, 卢克·N·布鲁尔 申请人:通用电气公司