專利名稱：具有增強(qiáng)的電場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
具有增強(qiáng)的電場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換并且更具體地涉及具有圍繞其兩個(gè)電極中的至少一個(gè)的增強(qiáng)的電場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及使用這樣的系統(tǒng)制備的各種能量轉(zhuǎn)換裝置。本發(fā)明還涉及導(dǎo)電工具用于生產(chǎn)這樣的系統(tǒng)的兩個(gè)電極中的至少一個(gè)，產(chǎn)生被另一個(gè)電極接收的電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)的應(yīng)用。包括第一電極、第二電極以及包括功能介質(zhì)例如電解質(zhì)或電介質(zhì)的電極間間隙的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是已知的。這樣的系統(tǒng)的功效特別地取決于兩個(gè)參數(shù)系統(tǒng)的效率和其成本。 它們的優(yōu)化通?；谑钦{(diào)整各種界定系統(tǒng)的參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方法。專業(yè)的文獻(xiàn)(Techniques de 1 ‘ ingenieur, Encyclopedia of Electrochemistry (電化學(xué)百科全書)，Wiley 2007 版；Handbook of Electrochemistry (電化學(xué)手冊(cè))，第一版，Cynthia G. Zoski, Elsevier 2OO7 版)教導(dǎo)了用于優(yōu)化電化學(xué)反應(yīng)器的效率以及相關(guān)的總成本的多種策略。特別地，本文指出重要的參數(shù)主要是在一方面對(duì)于與增強(qiáng)效率相關(guān)聯(lián)的方面來(lái)說(shuō)電極間間隙、催化劑以及電解質(zhì)，以及在另一方面對(duì)于與資金成本相關(guān)聯(lián)的方面來(lái)說(shuō)電極表面積和電極表面積與體積的比的增加(電流的增加，以及因此對(duì)于給定體積的生產(chǎn)效率的增加)。文件GB-A-2018826教導(dǎo)電極應(yīng)當(dāng)提供朝向電解質(zhì)的最大可能的表面積，這可以通過(guò)使電極表面具有微觀粗糙度或通過(guò)使電極組件結(jié)構(gòu)獲得這樣的高表面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。文件US 4046664也教導(dǎo)電化學(xué)反應(yīng)器的效率取決于工作電極的表面積，該表面積必須最大并且完全地暴露于電解質(zhì)?；诖四康?，該文件描述了工作電極由很多相似的細(xì)絲制造的絲束組成，相似的細(xì)絲具有相同的長(zhǎng)度，由被銅或金屬包覆的碳纖維制造，彼此平行地布置，在其上端從組件懸掛，并且電連接構(gòu)件能夠與絲束的所有的細(xì)絲電接觸。細(xì)絲的橫截面是盡可能小的，以起到兩種作用增加工作電極與電解質(zhì)的接觸面積以及使電解質(zhì)穿過(guò)細(xì)絲絲束。反應(yīng)器包括被放置在非導(dǎo)電性引導(dǎo)構(gòu)件中的如上文描述的工作電極，以及常規(guī)的對(duì)電極。工作電極的細(xì)絲趨于被單個(gè)布置在電解質(zhì)中，因?yàn)殡娊赓|(zhì)圍繞細(xì)絲流動(dòng)。 細(xì)絲具有圓形的橫截面以防止它們彼此纏繞并且由此防止電解質(zhì)穿過(guò)。文件US 4108755描述了在文件US 4046664中描述的類型的反應(yīng)器，其中工作電極是由很多金屬細(xì)絲制造的絲束。文件US 5294319描述電化學(xué)反應(yīng)器，其中至少一個(gè)電極由具有小于 254X10_6m(10密耳)的單位直徑的纖維或細(xì)絲的基材制造，其也呈絲束或帶的形式，所述基材然后經(jīng)歷連續(xù)的操作以產(chǎn)生最終的電極(催化劑沉積、退火、壓縮)。文件US 4108754描述了來(lái)源于文件US 4046664的反應(yīng)器，其中工作電極被放置在凹陷部中，凹陷部包括在上部部分中的電解質(zhì)入口和在下部部分中的電解質(zhì)排放孔。工作電極由緊密組裝和壓制在一起形成彼此電接觸的很多碳纖維制造。可以提供多至5000 至10000根纖維，每根纖維具有在5至15微米巧父^^?。。≈燎筛复?6!!!)之間的直徑，這種范圍是純指示性的，因?yàn)榻虒?dǎo)了其他的直徑是可行的。文件US 4108757描述了用于在文件US 4108754中描述的類型的反應(yīng)器的電極， 包括碳纖維和被放置在纖維的長(zhǎng)度的至少有限部分上的纖維接合工具。
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結(jié)果，這些各種文件的教導(dǎo)僅涉及期望的工作電極的最大的和暴露于電解質(zhì)的表面。非靜電的益處被實(shí)際地從電極微觀結(jié)構(gòu)，特別是從細(xì)絲的曲率半徑獲得，因?yàn)閷?duì)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)而言，使用由多個(gè)細(xì)絲組成的絲束等同于其直徑近似是單位細(xì)絲的直徑乘以絲束中的細(xì)絲數(shù)量的平方根的細(xì)絲。此外，文件US 4337138提出增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率的問(wèn)題。為了這個(gè)目的，該文件描述了包括導(dǎo)電性集電器和含有在非導(dǎo)電基質(zhì)中的多個(gè)導(dǎo)電性島的工作表面的電極。文件US 4369104提出了相同的問(wèn)題，并且為了這個(gè)目的描述了改進(jìn)的石墨復(fù)合電極，其中具有小于30微米(30X10_6m)的直徑的石墨纖維被分散在熱塑性樹脂基質(zhì)中，并且被彼此平行地和垂直于基質(zhì)表面地布置。在這兩個(gè)構(gòu)造中，未從內(nèi)嵌在基質(zhì)中的導(dǎo)電性部分獲得益處。文件WO 2008/012403也提出了效率增強(qiáng)的問(wèn)題并且描述了電解裝置，包括陰極隔室、陽(yáng)極隔室和連接這兩個(gè)隔室的元件，陰極隔室容納至少一種弱酸。這樣的裝置需要使用離子交換膜，使其成本高得驚人。文件US-A-2008/027787提出了相同的問(wèn)題并且描述了多孔電極，具有在空隙中的懸浮液中的鎳納米粒子。這樣的構(gòu)造是復(fù)雜的和高成本的。結(jié)果，此第二系列的文件的教導(dǎo)指出增加能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率的優(yōu)點(diǎn)以及以下事實(shí)，即該問(wèn)題具有許多不同的技術(shù)解決方案。然而，考慮到工業(yè)操作，這樣的技術(shù)解決方案必須是在可接受的成本條件下可行的和可操作的，這看上去不屬于本內(nèi)容的情況。因此本發(fā)明中的問(wèn)題是得到包括第一電極、第二電極和包括功能介質(zhì)例如電解質(zhì)或電介質(zhì)的電極間間隙的類型的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其被優(yōu)化以獲得以在工業(yè)化規(guī)模的合理的生產(chǎn)成本和合理的操作成本的高效率，允許商業(yè)用途。本發(fā)明的目的是提供對(duì)該問(wèn)題的解決方案，此外，這種解決方案是容易實(shí)施的，并且還是可重現(xiàn)的和可靠的。本發(fā)明首先基于在本發(fā)明的內(nèi)容中至此未提到的某種效果的表示，即具有小于 40X10_6m(40微米)的曲率半徑R、被布置為構(gòu)成能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的至少第一電極的長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具能夠在納米至毫米尺度上顯著地增強(qiáng)圍繞由此構(gòu)成的第一電極的電場(chǎng)，所述能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還包括第二電極和包括功能介質(zhì)的電極間間隙。這種效果在本文中被稱為“電暈效應(yīng)”，與具有約幾厘米直徑的電纜，在約幾十千伏的高電壓的情況下已知的常規(guī)的電暈效應(yīng)類似。在本發(fā)明中，所謂的“電暈效應(yīng)”使用與在常規(guī)的電暈效應(yīng)的情況下的已知的曲率半徑和電壓相比，具有非常小的曲率半徑R (小于40 X 10-6m (40微米))的導(dǎo)電工具且還使用非常低的電壓來(lái)獲得。本發(fā)明還基于以下發(fā)現(xiàn)，即這樣的第一電極結(jié)合具有在1 X 10-9m至5X 10_3m(l納米至5毫米)之間的厚度的電極間間隙，使得第二電極能夠察覺(jué)由此增強(qiáng)的電場(chǎng)，使得能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)受益于這種“電暈效應(yīng)”。本發(fā)明還基于以下發(fā)現(xiàn)，即就效率而言，當(dāng)組成的細(xì)絲的長(zhǎng)度超出其半徑的 106(—百萬(wàn))倍以及優(yōu)選地超出其半徑的2. 5X IO7(2500萬(wàn))倍時(shí)，這種“電暈效應(yīng)”變得有優(yōu)勢(shì)，這種“電暈效應(yīng)”必須在沒(méi)有測(cè)量出低的細(xì)絲長(zhǎng)度的情況下存在。本發(fā)明還基于以下發(fā)現(xiàn)，即與第一電極的結(jié)構(gòu)結(jié)合使得其界面面積是高的這樣的結(jié)構(gòu)(第一電極和電極間間隙)獲得在能量轉(zhuǎn)換效率方面的出乎意料的結(jié)果。本發(fā)明還基于以下發(fā)現(xiàn)，即上述的布置具有普遍的范圍并且可以是提供很多應(yīng)用的許多不同的實(shí)施方式的主題。根據(jù)第一方面，本發(fā)明由能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，包括第一電極、第二電極以及在第一電極與第二電極之間的包括功能介質(zhì)的電極間間隙，所述第一電極由至少一個(gè)長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具制造，所述至少一個(gè)長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具具有總長(zhǎng)度L、彎曲的橫截面以及曲率半徑R并且被布置為具有大致開(kāi)放的型式(open pattern)、能夠在任何位置具有相同的電勢(shì)并且因此能夠構(gòu)成所述第一電極的堅(jiān)固的組件結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的所述能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的特征在于-R 小于 40 X l(T6m (40 微米)，-所述電極間間隙具有在1X 10-9m至5X 10_3m(l納米至5毫米)之間的厚度，-所述第一電極的所述至少一個(gè)導(dǎo)電工具的總長(zhǎng)度L大于1X 103m(1千米)，并且-L/R比大于IO6 ( —百萬(wàn))，使得所述第一電極在納米至毫米水平上產(chǎn)生被所述第二電極感知的電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)。根據(jù)第二方面，本發(fā)明還涉及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括第一電極、第二電極以及在第一電極與第二電極之間的包括功能介質(zhì)的電極間間隙，所述第一電極由至少一個(gè)長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具制造，所述至少一個(gè)長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具具有總長(zhǎng)度L、彎曲的橫截面以及曲率半徑R并且被布置為具有大致開(kāi)放的型式、能夠在任何位置具有相同的電勢(shì)并且因此能夠構(gòu)成所述第一電極的堅(jiān)固的組件結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的特征在于-R 小于 50 X l(T6m (50 微米)，-所述電極間間隙具有在lX10_9m至2X10_2m(l納米至2厘米)之間的厚度，并且-L/R比高于3\106(三百萬(wàn))，使得所述第一電極(106、306)在納米至毫米水平上產(chǎn)生被所述第二電極(107、307)感知的電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)。根據(jù)可行的實(shí)施方案，所述第一電極的所述導(dǎo)電工具由導(dǎo)電體組成或包括被導(dǎo)電性的外部結(jié)構(gòu)覆蓋的電絕緣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所述外部結(jié)構(gòu)可以呈層的形式。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述外部結(jié)構(gòu)呈層的形式。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述第一電極的所述導(dǎo)電工具由至少一種選自包括碳、石墨、 鎳或含鎳的合金、鋼和含鐵的合金的組的材料制造或包括至少一種選自包括碳、石墨、鎳或含鎳的合金、鋼和含鐵的合金的組的材料。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述第一電極的所述導(dǎo)電工具是自支撐的或非自支撐的，所述第一電極包括機(jī)械強(qiáng)度部分。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述第一電極(106、306)的所述導(dǎo)電工具具有細(xì)絲、纖維或點(diǎn)的形式。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述第一電極的所述導(dǎo)電工具的所述組件結(jié)構(gòu)是無(wú)組織的整體結(jié)構(gòu)或有組織的結(jié)構(gòu)，特別是具有片、板、帶或旋管的形式。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述第一電極的所述導(dǎo)電工具本身形成閉合回路。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述第一電極的所述導(dǎo)電工具本身不形成回路而是開(kāi)路的。根據(jù)第一實(shí)施方案，所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括具有對(duì)稱的或偽對(duì)稱的結(jié)構(gòu)的第一電極和第二電極。根據(jù)第二可選擇的實(shí)施方案，所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括具有不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)的第一電極和第二電極。本發(fā)明還涉及包括根據(jù)上述的第一實(shí)施方案的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換裝置，其由用于電解、光解或電合成的裝置、用于通過(guò)反向電解產(chǎn)生電的裝置、用于燃料電池、電池組或臭氧發(fā)生器的裝置或用于電滲析的裝置組成。本發(fā)明還涉及包括根據(jù)上述的第二實(shí)施方案的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換裝置，其由諸如電容器、放電燈、光電發(fā)生器、具有光活性導(dǎo)體的太陽(yáng)能電池的裝置組成。本發(fā)明還涉及具有大于IX 103m (1千米)的長(zhǎng)度L和小于40 ΧΙΟ、(40微米)的曲率半徑R使得L/R比高于IO6( 一百萬(wàn))的長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具用于構(gòu)成能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第一電極的應(yīng)用，所述能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還包括第二電極和包括功能介質(zhì)的電極間間隙，所述第一電極在納米至毫米尺度上產(chǎn)生所述電場(chǎng)的顯著增加。本發(fā)明還涉及具有大于IX 103m (1千米)的長(zhǎng)度L和小于40 X 10_6m (40微米)的曲率半徑R使得L/R比高于IO6( 一百萬(wàn))的長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具用于構(gòu)成能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第一電極的應(yīng)用，所述能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還包括第二電極和包括功能介質(zhì)的電極間間隙，所述第一電極在納米至毫米尺度上產(chǎn)生被所述第二電極感知的電場(chǎng)的顯著增加，所述電極間間隙具有在lX10_9m至5X10_3m(l納米至5毫米)之間的厚度。本發(fā)明還涉及本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)用于生產(chǎn)納米至微米的粉末的應(yīng)用。現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明的各種非限制性的實(shí)施方案，在附圖中-

圖1是包括根據(jù)本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的裝置(即電解裝置)的第一具體可行的實(shí)施方案的透視圖，系統(tǒng)的第一電極和第二電極具有對(duì)稱的或偽對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。-圖1'是示出了所進(jìn)行的全部實(shí)驗(yàn)的電解裝置的效率的百分比變化(y軸)隨細(xì)絲的長(zhǎng)度對(duì)其半徑的比(X軸)變化的圖。-圖2是包括根據(jù)本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的裝置(即電容器)的第二具體的實(shí)施方案的透視圖，兩個(gè)電極在此也具有不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。-圖3是示出了能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電極的第一可行的實(shí)施方案的微米尺度圖示，其中導(dǎo)電工具呈纖維的形式，具有無(wú)組織的整體組件結(jié)構(gòu)。-圖4是示出了能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電極的第二可行的實(shí)施方案的微米尺度圖示，其中導(dǎo)電工具呈細(xì)絲的形式，具有有組織的組件結(jié)構(gòu)，例如織物或網(wǎng)絡(luò)。-圖5是示出了能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電極的第三可行的實(shí)施方案的微米尺度圖示，其中導(dǎo)電工具呈點(diǎn)的形式，在被組織在網(wǎng)絡(luò)中的組件結(jié)構(gòu)中?，F(xiàn)在更具體地參照?qǐng)D1，圖1示出了電解裝置101，具有回轉(zhuǎn)軸102。該電解裝置101包括中空的外部室103，中空的外部室103在此具有圓柱形的形狀。中空的外部室103容納陽(yáng)極隔室104和陰極隔室105。這兩個(gè)隔室104、105具有大體上圓柱形的形狀，與軸102同軸。其中的一個(gè)被放置在另一個(gè)內(nèi)部，在此陽(yáng)極隔室104 在外圍繞陰極隔室105。陽(yáng)極隔室104包括形成陽(yáng)極106的電極，并且陰極隔室105包括形成陰極107的電極。電勢(shì)差被施加在陽(yáng)極106和陰極107之間的108。陽(yáng)極106的內(nèi)表面109和陰極107的外表面110被定位為彼此相對(duì)，并且界定了在內(nèi)表面109與外表面110之間的電極間間隙111。過(guò)濾器112被放置在電極間間隙111中，將陽(yáng)極106與陰極107分隔，并且使電解質(zhì)存在于陽(yáng)極106與陰極107之間。在所進(jìn)行的測(cè)試的內(nèi)容中，電解質(zhì)是略微離子化的城市用水(自來(lái)水)，并且由圓柱形的磁體113例如NdFeB磁鐵組成的無(wú)源系統(tǒng)被放置在為了該目的而設(shè)置有中心空隙的陰極隔室105的中心。在此處考慮的實(shí)施方案中，陽(yáng)極106和陰極107具有相同的或相似的結(jié)構(gòu)，不一定具有相同的表面積，由此起到使該結(jié)構(gòu)能夠作為對(duì)稱的或偽對(duì)稱的作用。根據(jù)可行的實(shí)施方案，為了分別地形成陽(yáng)極106和陰極107，提供由具有帶 25X10_6m(25微米)的孔的中空?qǐng)A柱體的大體形狀的過(guò)濾器組成的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)的外部和內(nèi)部，具有9X 10_6m(9微米)的小曲率半徑R的鋼絲棉是介質(zhì)堆積的(medium-packed)， 具有高于70%的有孔度，每個(gè)鋼絲棉電極的總長(zhǎng)度L是IOX 103m(10千米)。所進(jìn)行的測(cè)試表明，可以用這樣的電解裝置101在約0. 8至IV (0. 8至1伏特)的電壓下，使用極輕微離子化的城市用水來(lái)離解電解質(zhì)的水分子，具有測(cè)得的88%的制氫產(chǎn)率，所收集的氫氣是純的并且不包含二氧化碳也不包含水蒸氣，并且裝置在環(huán)境溫度下操作。所進(jìn)行的測(cè)試表明，產(chǎn)率可以通過(guò)使用鹽水作為電解質(zhì)被提升至97%，系統(tǒng)在這種情況下無(wú)磁體113。因此，上文描述的電解裝置101的特征在于其高效率。這種高效率看上去可由多種因素解釋。首先，本文中稱為“電暈效應(yīng)”的效應(yīng)使得在納米至毫米尺度上的圍繞電極的電場(chǎng)被顯著地增加并且可被另一電極感知，“電暈效應(yīng)”是由長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具(鋼絲棉纖維或細(xì)絲)制備的陽(yáng)極106和陰極107與電極間間隙111的結(jié)合產(chǎn)生的，所述長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具具有l(wèi)X103m(10千米)的長(zhǎng)度L和小于40 ΧΙΟ、(40微米)的非常小的曲率半徑R，使得L/ R比高于IO6(在此情況下為1. IX IO9)，所述電極間間隙具有在IX 10_9m至5X 10_3m(l納米至1毫米)之間的低厚度。第二，陽(yáng)極106的結(jié)構(gòu)和陰極107的結(jié)構(gòu)使得它們的界面面積是高的，這有助于進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)的效率。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，鋼絲棉對(duì)由城市用水(自來(lái)水)組成的功能介質(zhì)不是惰性的。其在反應(yīng)器的電化學(xué)操作期間被迅速地破壞。因此，使用通常認(rèn)為是相對(duì)惰性的材料(例如鎳) 來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試。在陽(yáng)極處和陰極處迅速地出現(xiàn)鎳電極的分解，且鎳的氧化化合物的外觀呈微米尺寸的粉末形式。包括純鎳織物陰極和金陽(yáng)極的電解器的構(gòu)造也以兩個(gè)電極的分解結(jié)束，鎳陰極具有黑色粉末的外觀，而金陽(yáng)極被分裂為金微粒。因此，在此系列測(cè)試中，“電暈效應(yīng)”，即由增加的電場(chǎng)導(dǎo)致的靜電效應(yīng)的強(qiáng)度大于與電解有關(guān)的材料的惰性。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)還表明對(duì)于鋅和鋁電極來(lái)說(shuō)未產(chǎn)生鈍化層，且在鋅電極的情況下產(chǎn)生氧化鋅粉末，在鋁電極的情況下產(chǎn)生氧化鋁或氫氧化鋁粉末，粉末具有的直徑直接取決于被施加于電解器端子的電流的強(qiáng)度。對(duì)于低電流，粉末粒度測(cè)量結(jié)果表明存在具有亞微米直徑的聚集體。
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使用電解器的可選擇的實(shí)施方案進(jìn)行其他的測(cè)試。根據(jù)本實(shí)施方案，使用由硅酸鈉和氫氧化鈉組成的功能介質(zhì)，并且進(jìn)行證明細(xì)絲電極的曲率半徑和L/D比的直接影響的測(cè)量?；镜碾娊馄鞅灰詧A柱形幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)建，在陽(yáng)極隔室和陰極隔室之間沒(méi)有任何分隔壁(過(guò)濾器或膜)。每個(gè)電極的相對(duì)的表面積被設(shè)置為30cm2，電壓被設(shè)置在2. 5V，電極間間隙被設(shè)置為5X 10_3m(5毫米)，電解質(zhì)由在去離子水中的以重量計(jì)20%的硅酸鈉和以重量計(jì)20%的氫氧化鈉組成，這種電解質(zhì)起到獲得高導(dǎo)電率同時(shí)確保電極穩(wěn)定性的作用， 甚至在鋼的情況下。這些參數(shù)(特別是5毫米的最大電極間間隙)被有意地選擇以在一方面確保實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)性并且在另一方面允許測(cè)量制氫效率的寬的差異。實(shí)際上，電極間間隙的減小將導(dǎo)致所有電極結(jié)構(gòu)的較高的效率，但是這些效率之間的差異將被降低并且因此更難以測(cè)量和解釋。由于所有這些參數(shù)都是恒定的，所以變化與電極的結(jié)構(gòu)且尤其是細(xì)絲的曲率半徑和總長(zhǎng)度有關(guān)。制氫效率測(cè)量的誤差界限是3%。實(shí)驗(yàn)被進(jìn)行幾百小時(shí)?？傮w結(jié)果在以下的表格中給出
陽(yáng)丨陰丨電極間間相對(duì)的表電長(zhǎng)度/半效
極極隙__ __驢__壓直徑徑比率
锏锏30CW袁；]2-3V丄訓(xùn)、誦鄉(xiāng)
鉑鉑on 3 在水中的20%娃酸鈉和6 2 000 .70/
樣樣5X10 m 30cm 在水中的20%氫氧化鈉2.5V 55x10 m 000 47%
"IZ, 1π-3 “3 在水中的 20%硅酸鈉和10 1Π.6 200 000~~ 鋼鋼5x10 m 30cm 在水中的之收。氫氧化鈉2.5V 18x10 m 000所測(cè)量的效率是所產(chǎn)生的氫氣中含有的能量與由電源輸入的能量的比。因此，由鋼板(無(wú)曲率半徑，L/R比為1)組成的電極獲得34%的效率。也使用具有Imm直徑的鋼細(xì)絲(L/R比約2000)測(cè)得34%的相同效率(在誤差界限內(nèi))。使用具有55 X 10-6m(55微米)直徑的細(xì)絲的鎳織物，所測(cè)得的效率是47% (L/R比約 2000000)。使用測(cè)得直徑為18X10_6m(18微米)的鋼絲棉，效率被證明是51 % (L/R比約 200000000)。圖1'中的圖示出了所進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)的以百分比計(jì)的效率的變化(y軸)隨細(xì)絲的長(zhǎng)度與其半徑的比(χ軸)的變化。使用意圖用于生產(chǎn)氫氣的電解池進(jìn)行最終的實(shí)驗(yàn)，電解池包括由鎳織物制備的陰極和不銹鋼織物陽(yáng)極，兩個(gè)電極都具有Idm2(1平方分米)的相對(duì)的表面積并且在它們之間具有5mm(5毫米)的間隙。電解質(zhì)由在去離子水中的30%氫氧化鉀和20%硅酸鉀組成。在環(huán)境溫度和壓力在這些非最優(yōu)條件下對(duì)1. 9V的電壓測(cè)量的效率被證明是88%。這種類型的裝置導(dǎo)致非常低的生產(chǎn)和操作成本，看上去是對(duì)于商業(yè)用途可行的。
9
代替電解裝置，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)仍然還可以使用具有對(duì)稱的或偽對(duì)稱的結(jié)構(gòu)的第一電極和第二電極，適合于制備發(fā)電機(jī)。裝置是在結(jié)構(gòu)上與電解裝置相同的或相似的。在這種情況下，氫氣通過(guò)裝置的底部被注入陽(yáng)極隔室中并且空氣通過(guò)底部被注入陰極隔室中， 呈微泡的形式。反向電解反應(yīng)起到產(chǎn)生電流的作用。這樣的裝置允許可逆反應(yīng)電解或產(chǎn)生電流。具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)或偽對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電極的其他裝置是可行的，例如光解裝置、電合成裝置、燃料電池、電池組、臭氧發(fā)生器、電滲析器?，F(xiàn)在詳細(xì)地描述圖3中的實(shí)施方案。代替具有對(duì)稱的或偽對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，如上述的實(shí)施方案中的，電極還可以具有不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，如在相應(yīng)于圖3中的實(shí)施方案的電容器301的情況下。如上文的，電容器301包括中空的外部室303，其在此具有圓柱形的形狀并且具有軸 302。中空的外部室303容納第一電極306和第二電極307。第一電極306由具有IX 103m(1千米)的長(zhǎng)度和具有50X 10_6m(50微米)的直徑 (2XR)的銅線制造，在本身形成回路，被放置在圓柱形的支撐物的反面上，圓柱形的支撐物自身被放置在中空的外部室303中。第二電極307是被放置在以層的形式在外部覆蓋第一電極306的導(dǎo)電性線的電介質(zhì)311和中空的外部室303之間的空間中的電解質(zhì)。電介質(zhì)311由此填充在電極306和307之間的空間。電介質(zhì)311在此是聚氨酯。電連接器316和317在一方面被連接于第一電極306的導(dǎo)電的線以及形成第二電極307的電解質(zhì)。對(duì)介電常數(shù)約為2的聚氨酯，所計(jì)算的電容器301的理論電容是3yF(3微法拉)。對(duì)所選擇的NaCl飽和水溶液來(lái)說(shuō)，電容開(kāi)始是25 μ F (25微法拉)，然后增加而達(dá)到 120 μ F (120微法拉)，接著變穩(wěn)定。明顯地，這些電容值純粹是指示性的。第一電極306具有與上文描述的陽(yáng)極106和206相似的類型，而第二電極307，在此是電解質(zhì)，具有與第一電極306和與上文描述的陰極107 二者不同的結(jié)構(gòu)，因此無(wú)可非議，電容器301的電極結(jié)構(gòu)可以被視為是不對(duì)稱的。根據(jù)可選擇形式，第一電極306不使用上釉的銅線制備，而是使用具有 40ΧΙΟ、(40微米)的(2XR)直徑和約600m(600米)的長(zhǎng)度的鋁線制備。在鋁線上產(chǎn)生氧化層，這取決于期望的最大工作電壓，例如對(duì)于lOOVdOO伏特) 的電壓來(lái)說(shuō)，是150 X l(T9m(150納米)。這樣制備的電極的表面積是約145 X 10_4m2 (145平方厘米)。這樣的電容器的理論電容是9 μ F(9微法拉)，但是考慮到“電暈”增強(qiáng)效應(yīng)，其實(shí)際電容是較高的?？梢钥紤]使用不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電極的其他裝置，例如放電燈、光電發(fā)生器、具有光活性導(dǎo)體的太陽(yáng)能電池。在所有情況下，這些裝置基于包括第一電極(106、306)、第二電極(107、307)和在第一電極(106,306)與第二電極(107,307)之間的包括功能介質(zhì)的電極間間隙(11U311)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。電極中的一個(gè)(在這種情況下第一電極或在不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)的情況下陽(yáng)極)，或在對(duì)稱的或偽對(duì)稱的結(jié)構(gòu)的情況下兩個(gè)電極，被使用至少一個(gè)導(dǎo)電工具制備，所述至少一個(gè)導(dǎo)電工具是長(zhǎng)形的并且具有總長(zhǎng)度L、彎曲的橫截面以及曲率半徑R，被布置為具有大致開(kāi)放的型式、能夠在任何位置具有相同的電勢(shì)并且因此能夠構(gòu)成所述第一電極或所述第一電極和所述第二電極的堅(jiān)固的組件結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，曲率半徑R小于40X 10_6m(40微米)并且長(zhǎng)度L使得L/R比高于 IO6 ( 一百萬(wàn))，優(yōu)選高于2. 5 X IO7 (2500萬(wàn))。組合地，電極間間隙(111,311)具有在lX10_9m至5X10_3m(l納米至5毫米)之間的厚度(兩個(gè)電極之間的距離)。由此產(chǎn)生能夠被對(duì)面電極感知的電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)。所感興趣的一個(gè)或多個(gè)電極的導(dǎo)電工具可以是各種可選擇的實(shí)施方案的主題。在第一實(shí)施方案中，導(dǎo)電工具由導(dǎo)電體組成。在第二實(shí)施方案中，導(dǎo)電工具包括被外部導(dǎo)電結(jié)構(gòu)覆蓋的內(nèi)部電絕緣結(jié)構(gòu)。這樣的外部結(jié)構(gòu)通常呈層的形式。如來(lái)源于上文的說(shuō)明書的，導(dǎo)電工具包括至少一種被選擇以適合于用于所考慮的應(yīng)用(電解、光解、粉末生產(chǎn))的功能介質(zhì)的材料。例如，并且不以本列表作為限制，材料可以是碳、石墨、鎳或包含鎳的合金、不銹鋼或光敏材料。通常，導(dǎo)電工具本身不能夠具有所需要的總體機(jī)械強(qiáng)度。因此，在一個(gè)實(shí)施方案中，提供包括機(jī)械強(qiáng)度部分和導(dǎo)電部分的導(dǎo)電工具。在另一個(gè)實(shí)施方案中，導(dǎo)電工具被另外的機(jī)械強(qiáng)度工具400例如板、帶、旋管等等支撐。在上文描述的實(shí)施方案中，導(dǎo)電工具呈細(xì)絲或纖維401的形式，如也在圖3和4中示出的。本實(shí)施方案不排除其他的，例如點(diǎn)形狀402，如圖5中所示的。這樣的點(diǎn)402可以從機(jī)械強(qiáng)度工具400例如板突出?，F(xiàn)在更具體地參照?qǐng)D3至5，其示出了導(dǎo)電工具的組件結(jié)構(gòu)。在圖3中示出的實(shí)施方案中，導(dǎo)電工具的組件結(jié)構(gòu)是無(wú)組織的，松散的。在圖4和5中示出的實(shí)施方案中，導(dǎo)電工具的組件結(jié)構(gòu)是有組織的。其是某種織物(圖4)、或平的旋管或甚至點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)(圖5)。根據(jù)需要，導(dǎo)電工具本身形成閉合回路，或不形成回路，在這種情況下是開(kāi)路的。 在所有情況下，導(dǎo)體在所有位置具有相同的電勢(shì)。如來(lái)源于上文的說(shuō)明書的，本發(fā)明還可以被視為如上文描述的導(dǎo)電工具用于構(gòu)成能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的至少一個(gè)(并且可能兩個(gè))電極(106、107、306)，以納米至毫米尺度導(dǎo)致電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)的應(yīng)用。這種特征結(jié)合具有在lX10_9m至5X10_3m(l納米至5毫米)之間的厚度的電極間間隙(111、311)使得電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)的這種效應(yīng)可被對(duì)面電極感知。由此可以獲得包括第一電極、第二電極和包括功能介質(zhì)例如電解質(zhì)或電介質(zhì)的電極間間隙的類型的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其被優(yōu)化從而獲得合理的工業(yè)化規(guī)模的生產(chǎn)成本和合理的操作成本的高效率，允許商業(yè)用途。本發(fā)明的另外的實(shí)施方案(未示出)被在下文作為非限制性的實(shí)施例描述。根據(jù)本實(shí)施方案，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括第一電極，第一電極由長(zhǎng)形的導(dǎo)電鋼絲制造，
11具有總長(zhǎng)度L，具有彎曲的橫截面和45X 10_6m(45微米)的曲率半徑。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還包括第二電極和在其之間的包括功能介質(zhì)的1. 5厘米的電極間間隙，功能介質(zhì)由在去離子水中的以重量計(jì)20%的硅酸鈉和以重量計(jì)10%的氫氧化鈉組成。此外，根據(jù)本實(shí)施方案，L/R比是5X IO6(5百萬(wàn))，這起到在納米至毫米尺度上獲得被第二電極感知的電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)的作用。
權(quán)利要求
1.一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括第一電極(106、306)、第二電極(107、307)以及在所述第一電極(106、306)與所述第二電極(107、307)之間的包括功能介質(zhì)的電極間間隙(111、311)， 所述第一電極(106、306)由至少一個(gè)長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具制造，所述至少一個(gè)長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具具有總長(zhǎng)度L、彎曲的橫截面以及曲率半徑R并且被布置為具有大致開(kāi)放的型式、能夠在任何位置具有相同的電勢(shì)并且因此能夠構(gòu)成所述第一電極(106、306)的堅(jiān)固的組件結(jié)構(gòu)，其特征在于-R 小于 40 X l(T6m (40 微米)，-所述電極間間隙具有在1 X 10-9m至5X 10_3m(l納米至5毫米)之間的厚度，-所述第一電極(106、306)的所述至少一個(gè)導(dǎo)電工具的總長(zhǎng)度L大于1 X 103m(1千米)，并且-L/R比大于106(—百萬(wàn))，使得所述第一電極(106、306)在納米至毫米水平上產(chǎn)生由所述第二電極(107、307)感知的電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于所述第一電極(106、306)的所述導(dǎo)電工具由導(dǎo)電體組成或包括被導(dǎo)電性的外部結(jié)構(gòu)覆蓋的電絕緣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于所述外部結(jié)構(gòu)呈層的形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于所述第一電極 (106,306)的所述導(dǎo)電工具由至少一種選自包括碳、石墨、鎳或含鎳的合金、鋼和含鐵的合金的組的材料制造或所述第一電極(106、306)的所述導(dǎo)電工具包括至少一種選自包括碳、 石墨、鎳或含鎳的合金、鋼和含鐵的合金的組的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于所述第一電極 (106,306)的所述導(dǎo)電工具是自支撐的或非自支撐的，所述第一電極包括機(jī)械強(qiáng)度部分 (400)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于所述第一電極 (106,306)的所述導(dǎo)電工具具有細(xì)絲、纖維或點(diǎn)的形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于所述第一電極 (106,306)的所述導(dǎo)電工具的所述組件結(jié)構(gòu)是無(wú)組織的整體結(jié)構(gòu)或有組織的結(jié)構(gòu)，特別是具有片、板、帶或旋管的形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于所述第一電極 (106,306)的所述導(dǎo)電工具本身形成閉合回路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于所述第一電極 (106,306)的所述導(dǎo)電工具本身不形成回路而是開(kāi)路的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)或偽對(duì)稱結(jié)構(gòu)的第一電極(106)和第二電極(107)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的第一電極(306)和第二電極(307)。
12.一種包括根據(jù)權(quán)利要求10所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述能量轉(zhuǎn)換裝置由用于電解、光解或電合成的裝置、用于通過(guò)反向電解產(chǎn)生電的裝置、用于燃料電池、電池組或臭氧發(fā)生器的裝置或用于電滲析的裝置組成。
13.—種包括根據(jù)權(quán)利要求11所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述能量轉(zhuǎn)換裝置由諸如電容器、放電燈、光電發(fā)生器、具有光活性導(dǎo)體的太陽(yáng)能電池的裝置組成。
14.具有大于IX103m (1千米)的長(zhǎng)度L和小于40 ΧΙΟ—πι (40微米)的曲率半徑R使得L/R比高于106(—百萬(wàn))的長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具用于構(gòu)成能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第一電極(106、 306)的應(yīng)用，所述能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還包括第二電極(107、307)和包括功能介質(zhì)的電極間間隙 (111、311)，所述第一電極在納米至毫米尺度上產(chǎn)生所述電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)。
15.具有大于IX103m(1千米)的長(zhǎng)度L和小于40 X10_6m(40微米)的曲率半徑R使得L/R比高于106(—百萬(wàn))的長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具用于構(gòu)成能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第一電極(106、 306)的應(yīng)用，所述能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還包括第二電極(107、307)和包括功能介質(zhì)的電極間間隙 (111、311)，所述第一電極在納米至毫米尺度上產(chǎn)生被所述第二電極感知的電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)，所述電極間間隙具有在1 X 10-9m至5X 10_3m(l納米至5毫米)之間的厚度。
16.權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)用于生產(chǎn)納米至微米的粉末的應(yīng)用。
17.一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括第一電極(106、306)、第二電極(107、307)以及在所述第一電極(106、306)與所述第二電極(107、307)之間的包括功能介質(zhì)的電極間間隙(111、 311)，所述第一電極(106、306)由至少一個(gè)長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具制造，所述至少一個(gè)長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具具有總長(zhǎng)度L、彎曲的橫截面以及曲率半徑R并且被布置為具有大致開(kāi)放的型式、能夠在任何位置具有相同的電勢(shì)并且因此能夠構(gòu)成所述第一電極(106、306)的堅(jiān)固的組件結(jié)構(gòu)，其特征在于-R 小于 50X l(T6m(50 微米)，-所述電極間間隙具有在1 X 10-9m至2X 10_2m(l納米至2厘米)之間的厚度，并且 -L/R比高于3X106(三百萬(wàn))，使得所述第一電極(106、306)在納米至毫米水平上產(chǎn)生被所述第二電極(107、307)感知的電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括第一電極(106)、第二電極(107)以及在第一電極(106)與第二電極(107)之間的包括功能介質(zhì)的電極間間隙(11)，其中所述第一電極(106)由至少一個(gè)長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具制造，所述至少一個(gè)長(zhǎng)形的導(dǎo)電工具具有總長(zhǎng)度L、彎曲的橫截面以及曲率半徑R并且被布置為具有大致開(kāi)放的型式、能夠在任何位置具有相同的電勢(shì)并且因此能夠構(gòu)成所述第一電極(106)的堅(jiān)固的組件結(jié)構(gòu)。所述系統(tǒng)的特征在于R小于40×10-6m(40微米)，所述電極間間隙具有在1×10-9m至5×10-3m(1納米至5毫米)之間的厚度，所述第一電極(106)的所述至少一個(gè)導(dǎo)電工具的總長(zhǎng)度L大于1×103m(1千米)，并且比L/R大于106(一百萬(wàn))，使得所述第一電極(106、306)在納米至毫米水平上產(chǎn)生被所述第二電極(107)感知的電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)。
文檔編號(hào)H01L21/02GK102482788SQ201080040021
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者吉恩-馬克·弗勒瑞, 菲力浦·阿朗索, 高施爾·拉斯奧 申請(qǐng)人:吉恩-馬克·弗勒瑞, 尚塔爾·查普爾, 菲力浦·阿朗索, 高施爾·拉斯奧