專利名稱：硫燃料電化學(xué)電池的制作方法
硫燃料電化學(xué)電池相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
1本申請(qǐng)要求下述益處美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?0/885,642，提交于2006年10月31日，在美國(guó)專利商標(biāo)局；禾B，美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?0/899,270，提交于2007年2月1日，在美國(guó)專利商標(biāo)局，它們被在此引入作為本文參考，以它們的全部作為參考，包括但不限于在本文后面特別出現(xiàn)的部分，所述引入作為參考是如此建立的，具有下述例外在此種情況下，即上面引述的臨時(shí)申請(qǐng)的任何部分與本申請(qǐng)不一致時(shí)，本申請(qǐng)取代所述上面引述的臨時(shí)申請(qǐng)。
關(guān)于聯(lián)邦贊助的研究或者開發(fā)的申明不適用。
背景情況
1. 發(fā)明領(lǐng)域。
2本公開一般性涉及硫在電化學(xué)電池中用作可消耗燃料。更特別地，本發(fā)明在存在液體電解液的情況下通過(guò)氧化硫產(chǎn)生了能量。在
替代性方式中，本發(fā)明能夠被設(shè)定為如此產(chǎn)生能量在存在液體電解液的情況下使用硫作為氧化劑去氧化金屬。所以，本發(fā)明允許硫被用作可消耗燃料，同時(shí)避免了與燃燒硫相關(guān)的有害的氣態(tài)副產(chǎn)物。
2. 相關(guān)技術(shù)的描述。
3自從工業(yè)時(shí)代開始，有效利用能源的探索對(duì)文明而言一直有
極端重要性。目前，大多數(shù)可以利用的能量來(lái)自下述主要來(lái)源太陽(yáng)，以光電池形式以及以生長(zhǎng)的植物和其它有機(jī)物質(zhì)——其或者被人類燃
燒或者被活有機(jī)體作為初級(jí)能量來(lái)源而消耗；核能，其中使用受控的原子核分裂反應(yīng)的熱量生成電；以及，燃燒或者"氧化"包含于化石燃料例如煤炭和石油中的碳水化合物。(風(fēng)和水電也可以被看作太陽(yáng)能組的一個(gè)次級(jí)類別，原因在于正是由太陽(yáng)輻射在地球表面產(chǎn)生的熱量提供了推動(dòng)這些過(guò)程的能量)。
4在這些來(lái)源中，化石燃料的燃燒對(duì)工業(yè)化社會(huì)而言是到目前為止最重要的能量來(lái)源，這是就所產(chǎn)生和消費(fèi)的能量百分?jǐn)?shù)而言。但是，作為首要能量來(lái)源，化石燃料的燃燒對(duì)于現(xiàn)代文明而言具有嚴(yán)重局限性，所述嚴(yán)重局限性包括下述事項(xiàng)。第一，化石燃料的供給是有限的。所以，作為一個(gè)理論問(wèn)題，化石燃料將最終衰竭。第二，化石燃料的燃燒產(chǎn)生有害副產(chǎn)物，包括二氧化碳。例如，因?yàn)榇髿庵械亩趸祭碚撋夏軌驕p慢熱從地球表面的輻射，所以認(rèn)為大氣中二氧化碳水平的增加可以導(dǎo)致地球表面和周圍大氣的平均溫度的增加。最后，化石燃料在整個(gè)地球表面不是均勻分布的?；举Y源的這種不均勻分布是與今天在全世界所觀察到的某些社會(huì)和政治混亂有聯(lián)系的。
5所以，發(fā)現(xiàn)和利用當(dāng)前就存在于地球上的其它能量來(lái)源將有
助于工業(yè)化社會(huì)，它可以被用于替換或者附加到如今正在利用的現(xiàn)有能量來(lái)源上。這些元素的大多數(shù)被包含在地球表面之中或者在其下，不適合作為能量來(lái)源。能量最容易從原子或者分子中拿出，是通過(guò)將其氧化通常是以燃燒形式。正如本文中所用，燃燒是指在大氣中與氧結(jié)合以便產(chǎn)生熱量。當(dāng)分子燃燒時(shí)，其原子中的一些或者全部與氧結(jié)合，并且在該過(guò)程中釋放一些包含在所述分子的電子鍵中的潛在能量，釋放以熱形式進(jìn)行。
6在發(fā)現(xiàn)新燃料能源替換或者補(bǔ)充碳?xì)浠衔镏写嬖诘膯?wèn)題是..這些能夠被氧化的元素中的大多數(shù)已經(jīng)處于氧化狀態(tài)，這是因?yàn)樗鼈儽┞督o大氣中氧的緣故。因而，元素諸如硅、鋁、鋅和鐵，盡管在地球表面或者近地球表面是豐富的，卻已經(jīng)主要處于氧化狀態(tài)下。因?yàn)樗鼈円呀?jīng)處于被氧化態(tài)，所以在任何類型的氧化/還原反應(yīng)中它們不可以用作可消耗燃料。正如本文中所用，可消耗燃料被定義為元素
或者化合物，其適用下面兩個(gè)條件
1. 該元素或者化合物，在氧化/還原反應(yīng)中產(chǎn)生比將所述元素或者化合物置于適合參與氧化Z還原反應(yīng)的狀態(tài)下所需要的能量更多的能量；和，
2. —旦所述元素或者化合物在氧化還原反應(yīng)中被利用，則它是不能回收的，而是被丟棄。
為了本公開的目的，任何元素或者化合物以與這兩個(gè)條件一致的方式被使用，是被用作可消耗燃料。舉例來(lái)說(shuō)，烴類適合作為該定義下的可消耗燃料。以其自然狀態(tài)或者進(jìn)行了最少的精煉，烴類能參與氧化/還原反應(yīng)，這會(huì)產(chǎn)生比將所述烴類放置在適合參與氧化/還原反應(yīng)的狀態(tài)下所需要的能量更多的能量。結(jié)果是，烴類在氧化/還原反應(yīng)中被使用，并且這些反應(yīng)的產(chǎn)物，主要是水和二氧化碳， 一般不被回收而是丟棄到環(huán)境中。
7相反，諸如硅鋁、鋅和銅的成分，盡管在地球表面或近地球表面是豐富的，但已經(jīng)主要處于氧化狀態(tài)下。因此，必須精煉這些成分以便使它們處于適合參與氧化/還原反應(yīng)的狀態(tài)。并且精煉這些成分需要的能量至少與它們的氧化/還原反應(yīng)釋放的能量一樣大或者更大。因此，盡管這些成分能以其精煉狀態(tài)作為能量?jī)?chǔ)存介質(zhì)，但它們不代表可消耗燃料，如本發(fā)明中所使用的術(shù)語(yǔ)。
8在以大量數(shù)量存在于地球表面或者接近地球表面的所有可氧
化元素中，硫是以未氧化狀態(tài)、以相對(duì)大量數(shù)量存在的唯一元素。此外，根據(jù)目前的地質(zhì)學(xué)理論，硫通過(guò)地球內(nèi)部的火山活動(dòng)被經(jīng)常性地以未氧化或"還原"狀態(tài)產(chǎn)生。硫是火山爆發(fā)的主要產(chǎn)物，并且通過(guò)火山結(jié)構(gòu)，如海底的火山熱液噴出口，經(jīng)常被噴溢到表面上。硫的大量堆積也可由細(xì)菌作用產(chǎn)生，其中它們保持為未氧化形式。硫也以變化的數(shù)量與各種烴類如原油和煤一起產(chǎn)生。與包含硫的煤和油以及氣體的燃燒相關(guān)的二氧化硫排放已經(jīng)導(dǎo)致命令強(qiáng)制除去硫，或者是在烴燃燒之前或者燃燒之后通過(guò)滌氣處理排出物。政府要求除去燃料中的硫?qū)е铝蚬?yīng)過(guò)剩，這為油氣精煉者提出了越來(lái)越多的丟棄處理問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題或許將加劇，因?yàn)殡S著供應(yīng)低硫原油變得衰竭，精煉者越來(lái)越依賴于高硫含量原油。最后，硫非常大量地存在于世界上的油頁(yè)巖
地區(qū)。例如，據(jù)估計(jì)科羅拉多高地?fù)碛写蠹s6000億噸硫。假定可以經(jīng)濟(jì)地提取硫，這將提供極大的零排放能量來(lái)源。因?yàn)檫@些特征，硫滿足此處定義的可消耗燃料的定義。
9眾所周知硫易于燃燒，因此在放熱反應(yīng)中易于氧化。它具有的潛在能量使它成為一種理論上的可消耗燃料來(lái)源。以此方式使用硫作為可消耗燃料的缺點(diǎn)是在空氣中燃燒硫的副產(chǎn)物是劇毒的。燃燒硫產(chǎn)生二氧化硫和三氧化硫氣體，這兩種氣體都有毒性。當(dāng)這些氣體與水反應(yīng)，它們會(huì)產(chǎn)生酸雨的主要成分硫酸。因?yàn)槿紵虻挠卸靖碑a(chǎn)物，它從未有資格成為有用的能量來(lái)源，盡管它具有潛在的能量。所以，期望開發(fā)一種方式，通過(guò)將硫氧化釋放硫的潛在能量，同時(shí)不產(chǎn)生與在空氣中燃燒硫相關(guān)的有毒副產(chǎn)物。所以，本發(fā)明教導(dǎo)通過(guò)在電化學(xué)氧化/還原反應(yīng)中捕獲它的能量而使用硫作為可消耗燃料。
發(fā)明概述
10當(dāng)前的公開內(nèi)容教導(dǎo)了一種在電化學(xué)電池中使用硫作為可消耗燃料的有效方法。
附圖簡(jiǎn)述
11考慮隨后提出的詳細(xì)描述以及附圖，本公開內(nèi)容的特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)的，其中
12

圖1是一種能完成蓄電池型氧化/還原反應(yīng)的裝置。
13圖2是一種能完成氫燃料電池氧化/還原反應(yīng)的裝置。
14圖3是包括使用硫作為與氧有關(guān)的可消耗物的電化學(xué)電池的裝置的透視圖。
15圖4是硫電極的一個(gè)實(shí)施方案的橫截面。
16圖5是硫電極的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。
17圖6是使用硫在與鋁的氧化/還原反應(yīng)中作為可消耗燃料的電化學(xué)電池的橫截面。
18圖7是一種使用硫作為可消耗燃料產(chǎn)生氫的裝置。
發(fā)明詳述
19從開始，應(yīng)該就意識(shí)到不同視圖中的類似圖號(hào)看作本公開的相同結(jié)構(gòu)要素。盡管就哪些目前被認(rèn)為是例證性實(shí)施方案而對(duì)本公開內(nèi)容進(jìn)行了描述，但應(yīng)該理解到本公幵不限于所公開的實(shí)施方案。
20而且，應(yīng)該理解到本公丌不限于所描述的特定方法、材料和修改，同樣地當(dāng)然可以對(duì)其改變。也應(yīng)該理解到此處使用的術(shù)語(yǔ)僅是描述特定方面的目的，并且，目的不在于限制本公開內(nèi)容的范圍，本公開內(nèi)容只由所附權(quán)利要求限定。
21除非另外說(shuō)明，此處使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本
公開所屬的技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員一般性理解相同的意思。盡管與此處描述的任何方法、設(shè)備或材料相似或者等價(jià)的任何方法、設(shè)備或材料可在本公開內(nèi)容的實(shí)踐或者實(shí)驗(yàn)中使用，但優(yōu)選的方法、設(shè)備和材料現(xiàn)在被予以描述。
22正如本文中所用，可消耗燃料定義為元素或者化合物，其適用如下兩個(gè)條件-
1.該元素或者化合物，在氧化/還原反應(yīng)中產(chǎn)生更多的能量，多于將所述元素或者化合物置于適合參與氧化/還原反應(yīng)的狀態(tài)下所必須的
2. —旦所述元素或者化合物在氧化還原反應(yīng)中被利用，則它是不能回收的，而是被丟棄。
為了本公開的目的，任何以與這兩個(gè)條件一致的方式被使用的元素或者化合物是被用作可消耗燃料。舉例來(lái)說(shuō)，烴類適合作為該定義下的可消耗燃料。以其自然狀態(tài)下或者進(jìn)行了最少的精煉，烴能參與氧化/還原反應(yīng)，這產(chǎn)生的能量比將所述烴放置在適合參與氧化/還原反應(yīng)所需要的能量更多的能量。結(jié)果是，烴在氧化/還原反應(yīng)中被使用，并且這些反應(yīng)的產(chǎn)物，主要是水和二氧化碳， 一般不被回收而是丟棄到環(huán)境中。
23在大氣中燃燒燃料的一種可選方法是在電化學(xué)電池中氧化燃料。眾所周知的現(xiàn)象是電能可通過(guò)還原元素與氧化元素在氧化/還原反應(yīng)中、于電化學(xué)電池中混合時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。盡管空氣氧化/還原的副產(chǎn)物是熱能，但電化學(xué)氧化/還原反應(yīng)的副產(chǎn)物是電流。
24所屬技術(shù)領(lǐng)域已知有很多種電化學(xué)電池。 一些更普通的電化學(xué)電池包括通常所知的蓄電池。鉛/酸、鋅/銅和鈉/硫型電池是一些最常見(jiàn)的蓄電池類型。圖1是對(duì)能完成一般蓄電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)類型的裝置2的圖解說(shuō)明。
25在圖1的裝置2中，容器4包括液體電解液6。在此情況下，液體電解液是溶解在水中的具有化學(xué)式H2^SOf-的硫酸。裝置2具有由鉛組成的第一電極8。所述第一電極8浸漬在電解液6中。該第一電極8有電子導(dǎo)體10，其第一端11附著在第一電極的8上端12上。該電子導(dǎo)體10由導(dǎo)電材料形成，因此當(dāng)電子導(dǎo)體10的第二端16附著在第二電極14上時(shí)，所述電子導(dǎo)體10允許第一電極8與第二電極14電接觸。在此情況下，第二電極14由氧化鉛組成。第二電極14也浸入電解液6中。
第一電極8與SOf離子反應(yīng)形成PbS04 + 2e-。該反應(yīng)產(chǎn)生的電子穿過(guò)電子導(dǎo)體10到達(dá)第二電極14，在此發(fā)生下述反應(yīng)Pb02 + 4H++ S042_ +2e PBS04 +H20。該反應(yīng)的能量驅(qū)動(dòng)電子導(dǎo)體10產(chǎn)生的電子，該力量允許電子在沿著電子導(dǎo)體的某一點(diǎn)放置的電阻器18上做功。
26圖2中所圖示描述類型的蓄電池的定義特征是它們的能量?jī)?chǔ)存在它們的電極和/或電解液中。驅(qū)動(dòng)它們的能量輸出的材料像鉛最初以氧化形式存在。所以，為了使它們處于能參與氧化/還原反應(yīng)的條件下，它們必須在需要至少與它們?cè)谘趸?還原反應(yīng)中產(chǎn)生的能量一樣多能量的過(guò)程中被精煉。 一旦電極中儲(chǔ)存的能量通過(guò)在蓄電池中發(fā)生的氧化/還原反應(yīng)被耗盡，蓄電池必須通過(guò)再次充電，是通過(guò)引入足夠電能以便翻轉(zhuǎn)氧化/還原反應(yīng)，或者將其棄掉，這取決于電池是否可以再次充電。在任一種情況下，蓄電池不使用如此處所定義術(shù)語(yǔ)的可消耗燃料。所以，蓄電池不是能量來(lái)源。它僅僅是能量?jī)?chǔ)存介質(zhì)，通常儲(chǔ)存來(lái)自核能、石油燃料或水電驅(qū)動(dòng)的發(fā)電廠的能量。
27另一種類型的電化學(xué)電池已知是燃料電池。在燃料電池中，通過(guò)不斷地將燃料引入體系中持續(xù)地產(chǎn)生電能。燃料在電解液存在下在氧化/還原反應(yīng)中反應(yīng)，從而產(chǎn)生電流。
28最常見(jiàn)的燃料電池是氫燃料電池。圖2描述的是能完成氫/氧燃料電池反應(yīng)的裝置24。在裝置24中，容器26包括液體電解液28。在此情況下，液體電解液28是溶解在水中的具有化學(xué)式Na+OH—的氫氧化鈉。裝置24冇第一電極30,其由圓柱管34形成并且在兩端開口，在其內(nèi)部有不銹鋼纖維36。第一電極30浸入電解液28中，這樣不銹鋼纖維36浸入電解液28中。中空管38延伸到電解液28中，這樣其第一端40延伸到圓柱管34的底部開口 42中。中空管38的第二端(圖中沒(méi)有給出)附著在氧源(圖中沒(méi)有給出)上，這樣中空管38作為通道使氧從氧源(圖中沒(méi)有給出)進(jìn)入圓柱管34的底部開口42中。氧，一旦被釋放到圓柱管34的底部開口 42中，就會(huì)通過(guò)電解液28起泡，越過(guò)不銹鋼纖維36，這樣氧分子與不銹鋼纖維36進(jìn)行間歇接觸。
29裝置24有第二電極46，其包括圓柱管48并且在兩端開口 ，在其內(nèi)部有鉑纖維50。第二電極46浸入電解液28中，這樣鉑纖維50就會(huì)浸入電解液28中。中空管52延伸進(jìn)入電解液28中，這樣其第一端54延伸到圓柱管48的底部開口 56中。中空管52的第二端(圖中沒(méi)有給出)附著在氫源(圖中沒(méi)有給出)上，這樣中空管52作為通道使氫從氫源(圖中沒(méi)有給出)進(jìn)入圓柱管48的底部開口 56中。氫，一旦被釋放到圓柱管48的底部開口 56中，就會(huì)通過(guò)電解液28起泡，越過(guò)鉑纖維50，這樣氫分子與鉑纖維50間歇接觸。
30第一電極30有電子導(dǎo)體60，其通過(guò)圓柱管34的頂部開口62插入，這樣電子導(dǎo)體60與不銹鋼纖維36電接觸。電子導(dǎo)體60由導(dǎo)電材料形成。第二電子導(dǎo)體64通過(guò)圓柱管46的頂部開口 66插入，這樣第二電子導(dǎo)體64與鉑纖維50電接觸。第一電子導(dǎo)體60和第二電子導(dǎo)體64與電阻器68電接觸。
31因?yàn)檠跻氲谝浑姌O30中，所以當(dāng)它與不銹鋼纖維36接觸時(shí)，根據(jù)下述反應(yīng)，它與電解液28進(jìn)行反應(yīng)02 + 2H20 + 4e-—40H-。該反應(yīng)產(chǎn)生的OH—離子旅行經(jīng)過(guò)電解液28，與氫反應(yīng)，在此它根據(jù)下述反應(yīng)20IT+H2—2H20 + 2^接觸鉑纖維50。該反應(yīng)產(chǎn)生的電子移動(dòng)經(jīng)過(guò)電子導(dǎo)體64，在此它們?cè)陔娮杵?8上發(fā)揮作用。然后電子經(jīng)過(guò)電子導(dǎo)體60到達(dá)第一電極30，在此它們參與反應(yīng)，從而氧進(jìn)入溶液，作為OH—。
32與蓄電池不同，燃料電池不需要再次充電。燃料電池通過(guò)再次加載燃料來(lái)"再次充電"。在圖2的裝置中，燃料是氫。但是，氫不是在每種情況下都代表可消耗燃料。在氫來(lái)自烴如甲烷的情況下，在從甲烷分子中從碳中分離出氫需要的能量低于燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生的能量的程度上，它可認(rèn)為是可消耗燃料。但是，在氫來(lái)自水的情況下，從水中釋放氫需要的能量大于反應(yīng)中獲得的能量。因此，來(lái)自水的氫不構(gòu)成可消耗燃料。使用烴作為燃料的燃料電池是使用可消耗燃料的電化反應(yīng)的一個(gè)實(shí)例。
33圖3說(shuō)明的是在電化學(xué)反應(yīng)中使用硫作為可消耗燃料的裝置。圖3描述了電化學(xué)電池70，其包括能容納電解液74的容器72。該分隔間可由玻璃、塑料、玻璃纖維、橡膠或通常不與電解液74反應(yīng)的任何其它材料形成。容器72最初也可由通常與電解液74反應(yīng)的一種或多種材料構(gòu)成，只要容器72的內(nèi)表面76用非反應(yīng)性材料作為內(nèi)襯。電解液74的ph可以為0-14之間的任何ph。在圖3中描述的實(shí)施方案的情況下，電解液74包括溶解在H20中的Na+ OH-和Na+ Cl-的組合。懸浮在電解液74中的是第一電極78。該第一電極78由充滿一
種或多種能導(dǎo)電的其它元素或化合物的元素硫構(gòu)成。
34圖4描述了第一電極78的一個(gè)實(shí)施方案的橫截面視圖。在該實(shí)施方案中，第一電極78包括不銹鋼80核心。用包括與粉狀石墨82混合的元素硫的混合物涂敷不銹鋼80核心。在其它方式中，該電極78可通過(guò)熔化硫并且混合在粉狀石墨中形成。然后將不銹鋼核心80浸入熔融的硫石墨混合物82中，然后使其冷卻。硫石墨混合物82，當(dāng)冷卻時(shí)，以固體硫石墨混合物殼的形式硬化在不銹鋼核心80周圍。暴露的不銹鋼84的長(zhǎng)度在電極78的一端，導(dǎo)線86附著在該端上。核心也可由鋁鋼、鐵、銅、鋅、碳、碳化合物、金屬合金或能導(dǎo)電的任何金屬或其它材料形成。盡管圖4中描述的實(shí)施方案使用了不銹鋼，但核心可以是銅、鋅、鋁、碳或碳納米管或任何其它金屬、合金或能導(dǎo)電的材料。
電極也可以僅由石墨和硫的混合物構(gòu)成，沒(méi)有金屬或其它核心。35圖5仍然描述了硫電極78的另一個(gè)備選實(shí)施方案，其中硫電極78由用電子傳導(dǎo)材料90如鋼、銅、鋁、鋼、鋅、碳、碳合金、碳納米管或既能導(dǎo)電子又能形成任何細(xì)絲的其它材料的非常細(xì)的線充滿的硫組成。元素硫92位于硫電極78之中，以便充滿導(dǎo)電子材料90的線之間的所有空間。當(dāng)導(dǎo)電子材料90的線之間的距離接近兩個(gè)硫分子的寬度時(shí)，該實(shí)施方案中描述的硫電極78能發(fā)揮最佳作用。硫電極78也包括位于其中的柱94，這樣第一端96與導(dǎo)電子材料90的一根或多根線接觸。柱94的第二端98延伸到硫電極78之上。36導(dǎo)電子材料90的線也如此定位，以便導(dǎo)電子材料90的每 根線與導(dǎo)電子材料90的至少另一根線接觸，這樣導(dǎo)電子材料90的每 根線最終與柱94電接觸。
37現(xiàn)在再參考圖3，裝置70有第二電極100，其包括圓柱管 102并且在兩端開口，其內(nèi)部有能導(dǎo)電子的纖維104。這些纖維可以是 不銹鋼、鉑、碳、或任何金屬、合金、化合物或能導(dǎo)電的其它材料。 第二電極100浸入電解液74，這樣纖維104就會(huì)浸入電解液74中。中 空管108延伸到電解液74中，這樣其第一端110延伸到圓柱管102的 底部開口 112中。中空管108的第二端(圖中沒(méi)有給出)附著在氧源 (圖中沒(méi)有給出)上，這樣中空管108作為通道使氧從氧源(圖中沒(méi) 有給出)進(jìn)入圓柱管102的底部開口 112。氧， 一旦被釋放到圓柱管 102的部開口 112中，就會(huì)通過(guò)電解液74起泡，越過(guò)纖維104，這樣 氧分子就會(huì)與纖維104間歇接觸。
38第二電極也可以是任何形式，并且包括所屬技術(shù)領(lǐng)域己知 的任何材料，足以在電解液中電離氧。
39第二電極100通過(guò)電子導(dǎo)體114與第一電極78相連。因?yàn)?氧被抽到第二電極100中，所以電子116通過(guò)電子導(dǎo)體114到達(dá)第二 電極IOO，在此它們根據(jù)下式電離與第二電極100接觸的氧分子02 + 2H20+4e-——40H-。 OH-離子通過(guò)電解液遷移，在第一電極78中與元 素硫根據(jù)下式S + 20H---->S02 + H2 + 2e-結(jié)合。
40通過(guò)該反應(yīng)產(chǎn)生的電子116再次穿過(guò)電子導(dǎo)體114。電阻器 120位于電子導(dǎo)體114的路徑上，在其中電子116在返回第二電極100 之前發(fā)揮作用。當(dāng)?shù)谝浑姌O中的硫已經(jīng)反應(yīng)時(shí)，第一電極可被替換。 而且重要的是要注意到固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)硫可以與該電極以及各種硫 化合物一起使用。
41圖6描述的是在電化學(xué)反應(yīng)中使用硫作為可消耗燃料產(chǎn)生 電流和氫的裝置。如圖6中所示，電化學(xué)電池130包括能容納電解液 134的容器132。容器132可有玻璃、塑料、纖維玻璃、橡膠或通常與 電解液134不反應(yīng)的任何其它材料構(gòu)成。容器132也可最初由通常與 電解液134反應(yīng)的一種或多種材料構(gòu)成，只要容器132的內(nèi)表面136 用非反應(yīng)性材料作為內(nèi)襯。電解液134可以是0-14之間的任何ph。在圖6中所述的實(shí)施方案中，電解液134包括溶解在H20中的Na+OH-和Na+Cl-的組合。第一電極138浸入電解液134中。該第一電極138 由硫和能導(dǎo)電的一種或多種其它元素或化合物一起構(gòu)成。在該實(shí)施方 案中，第一電極138包括銅芯140，其具有包含硫和粉狀石墨的混合物 的外涂層142。但是，芯140也可以是鋅、鋼、鉛、鋁或任何其它金屬、 金屬合金或能導(dǎo)電的任何其它材料。電子導(dǎo)體144材料從第一電極146 的頂部延伸。而該實(shí)施方案中的硫與粉狀石墨混合，硫可以與能導(dǎo)電 的任何材料混合。裝置130有浸入電解液134中的第二電極148，并且 通過(guò)電子導(dǎo)體144與第一電極146電接觸。在該實(shí)施方案中，第二電 極148由鋁構(gòu)成。但是，第二電極148也可由鐵、鋼、鋅或能通過(guò)硫 氧化的任何其它導(dǎo)電材料構(gòu)成。而且重要的是要注意到，電解液134 的ph可以為0 -14之間的任何值。
42不受任何單一理論的束縛，顯而易見(jiàn)的是發(fā)生在第一電 極上的反應(yīng)涉及在電解液存在下電離硫，形成一種或多種形式的氫氧 化硫離子，或含硫或銅的一種或多種氫氧化物離子。這些離子然后反 應(yīng)，對(duì)鋁進(jìn)行氧化，形成一種或多種硫酸鹽類化合物，其中一種或多 種硫原子或硫和銅原子的組合結(jié)合到一個(gè)或多個(gè)鋁原子上。通常，但 是，顯而易見(jiàn)的在于主要的反應(yīng)產(chǎn)物是硫酸鋁、電能和氫。當(dāng)?shù)谝?電極上硫已經(jīng)反應(yīng)時(shí)，則可替換第一電極。
43圖7中描述的是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案。在該實(shí)施方案 中，銅芯160有用鋁164涂敷的第一端162。第二端168用與粉狀石墨 170混合的硫涂敷。整個(gè)電極174浸入溶解在H20中的包含NaCl和 NaOH的電解液176中。所致的硫和鋁的氧化/還原反應(yīng)產(chǎn)生了氫氣， 其起泡到電解液之外。盡管在該實(shí)施方案中，電極174包括銅芯160， 但是芯160可由鋁、鐵、鋼、鋅或任何其它金屬、合金或能導(dǎo)電的其 它材料構(gòu)成。此外，盡管該實(shí)施方案中的芯160是用鋁部分地涂敷的， 但芯160也可以用鋅、鐵、鋼或任何其它金屬、合金或能被硫氧化的 其它導(dǎo)電材料涂敷。最后，盡管該實(shí)施方案中的硫與粉狀石墨混合， 但硫可以與能導(dǎo)電的任何材料混合。
44此處參考以便描述本公開內(nèi)容的背景并且提供與其實(shí)踐相 關(guān)的其它細(xì)節(jié)的公開出版物和其它參考材料被完整地引入于此作為參考，有下述例外在所述參考材料的任何部分與該申請(qǐng)不一致的情況 下，本申請(qǐng)取代所述參考材料。此處討論的參考材料僅僅提供它們?cè)?本申請(qǐng)?zhí)峤蝗罩暗墓_內(nèi)容。此處沒(méi)有任何東西可解釋為建議或者 認(rèn)可本發(fā)明的發(fā)明人沒(méi)有資格就這類公開作為現(xiàn)有技術(shù)公開而言而 居先于這些公開，或者沒(méi)有資格將本公開內(nèi)容與參考材料中公開的主 題區(qū)分開。
45在前述詳細(xì)描述中，將本公開內(nèi)容的各種特征在一個(gè)實(shí)施 方案中分類到一起，目的是將該公開內(nèi)容集為一個(gè)流線式整體。本公 開內(nèi)容的方法不應(yīng)該解釋為；目的在于反映所要求的公開內(nèi)容要求比 每一權(quán)利要求中很清楚敘述的特征更多的發(fā)明。更正確地說(shuō)，如下述 權(quán)利要求所反映的，本發(fā)明的方面在于少于單一前述公開實(shí)施方案的 所有特征。所以，將下述權(quán)利要求整合到公開內(nèi)容的詳細(xì)描述中作為 參考，每一權(quán)利要求以其本身獨(dú)立存在，是本發(fā)明公開內(nèi)容的一個(gè)獨(dú) 立的實(shí)施方案。
46應(yīng)該理解到上述描述排列僅僅是例證性說(shuō)明應(yīng)用本發(fā)明公
開內(nèi)容的原則。所述技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該能想到多種修改和 備選排列，只要不背離本發(fā)明公開內(nèi)容的精神和范圍，所附權(quán)利要求 目的是覆蓋這些修改和排列。所以，盡管本發(fā)明的公開內(nèi)容已經(jīng)在附 圖中表示，并且在上面對(duì)其特殊性和細(xì)節(jié)進(jìn)行了描述，對(duì)所屬技術(shù)領(lǐng)
域的那些普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是可以做出多種修改包括但不限 于對(duì)尺寸、材料、形狀、形式、功能和操作方式、集合和使用，只要 不背離此處所闡述的原則和概念。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)電池，其中硫作為燃料被消耗。
2. 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池，其進(jìn)一步包括包括有元素硫 的至少一個(gè)電極。
3. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)電池，其中所述至少一個(gè)電極還包 括導(dǎo)電材料。
4. 如權(quán)利要求3所述的電化學(xué)電池，其中所述導(dǎo)電材料包括石墨。
5. 如權(quán)利要求l所述的電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池還包括 第一電極，用于電離氧；禾口 包括元素硫的第二電極。
6. 如權(quán)利要求5所述的電化學(xué)電池，其中所述第二電極還包括導(dǎo) 電材料。
7. 如權(quán)利要求6所述的電化學(xué)電池，其中所述導(dǎo)電材料包括石墨。
8. 如權(quán)利要求l所述的電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池還包括-第一電極，其能被硫氧化；和 包括元素硫的第二電極。
9. 如權(quán)利要求8所述的電化學(xué)電池，其中所述第一電極包括鋁。
10. —種包括硫的電化學(xué)電池電極。
11. 如權(quán)利要求IO所述的電極，其中所述電極還包括導(dǎo)電材料。
12. 如權(quán)利要求ll所述的電極，其中所述導(dǎo)電材料包括石墨。
13. —種使用硫作為可消耗燃料的方法，所述方法包括 電化學(xué)電池，其包括；第一電極，其中氧被電離；和 第二電極，其中元素硫被氧化產(chǎn)生電流。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第一電極還包括導(dǎo)電材
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述導(dǎo)電材料包括石墨。
16. —種使用硫作為可消耗燃料的方法，所述方法包括 電化學(xué)電池，其包括；包含硫的第一電極；和 能被硫氧化的第二電極。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第一電極還包括導(dǎo)電材
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述導(dǎo)電材料包括石墨。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第二電極包括鋁。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在電化學(xué)電池中使用硫作為可消耗燃料的方法和裝置。上述發(fā)明的原則是，硫被氧化或者作為氧化劑產(chǎn)生能量，同時(shí)避免產(chǎn)生傳統(tǒng)上與硫的燃燒有關(guān)的有毒氣體和其它副產(chǎn)物。
文檔編號(hào)H01M8/22GK101595589SQ200780038134
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日
發(fā)明者W·M·朗 申請(qǐng)人:W·M·朗