专利名称：：用于水溶性电解质化学电池及燃料电池的氢活材料及消耗控制材料的制作方法
技术领域：
：本发明关于一种能活化氢以改善氢反应性的氢活化材料。本发明亦关于一种用于水溶性电解质化学电池且能改善水溶性电解质化学电池的消耗控制效能的消耗控制材料。其进一步关于一种用于燃料电池且能改善燃料电池的消耗控制效能的消耗控制材料。
背景技术：
：一种由铁和硅构成的合金，亦即硅-铁，已在各种用途中，例如马达核心和磁屏蔽(专利文件l:JP-A8-275413和专利文件2:JP-A6-37479)中广泛地作为金属性软磁材料之用，以及在钢铁工业中作为脱氧剂之用。除了硅以外，尚有其它可与铁形成合金的不同半导体，例如锗和硒。
发明内容包含铁和半导体成分如硅的合金具有尚未被阐明的性质，而可能用于各种不同的用途中。因此，本发明的目标为寻找铁-半导体合金，例如硅-铁，的新用途。为了达成以上目标，本发明者在重复的热切研究后发现包含铁和硅的铁-半导体合金具有能活化氢且改善其反应性的特质。因此，本发明提供一种氢活化材料、一种氢活化剂、或一种氢活化组成物，其包括一种作为主要成分的包含铁和半导体成分的铁-半导体合金。本发明者亦发现，包含铁和硅的铁-半导体合金具有改善水溶性电解质化学电池，例如锰干电池、碱性干电池、氢氧干电池、可充电镍氢电池和镍干电池的消耗控制效能的能力。因此，本发明提供一种用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料、消耗控制剂或消耗控制组成物，其包括一种作为主要成分的包含铁和半导体的铁-半导体合金，用以改善水溶性电解质化学电池的消耗控制效能。本发明者亦发现，包含铁和硅的铁-半导体合金具有改善燃料电池的消耗控制效能的能力。因此，本发明提供一种用于燃料电池的消耗控制材料、消耗控制剂或消耗控制组成物，其包括一种作为主要成分的包含铁和半导体的铁-半导体合金，用以改善燃料电池的消耗控制效能。如上所述，根据本发明的发现，铁-半导体合金例如硅-铁的新用途可用于氢活化，以及用于水溶性电解质化学电池和燃料电池或其类似物的消耗控制。图1为说明在一碱性干电池中有无设置本发明提供的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料的情况下，其电压随时间的变化图。图2为说明在一氢氧干电池中有无设置本发明提供的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料的情况下，其电压随时间的变化图。图3为说明在一镍氢电池中有无设置本发明提供的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料的情况下，其电压随时间的变化图。图4为说明在一锰干电池中有无设置本发明提供的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料的情况下，其电压随时间的变化图。图5为说明在一镍干电池中有无设置本发明提供的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料的情况下，其电压随时间的变化图。图6为说明在一燃料电池中有无设置本发明提供的用于燃料电池的消耗控制材料的情况下，其电压随时间的变化图。图7为说明在一锂-二氧化锰电池中有无设置本发明提供的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料的情况下，其电压随时间的变化图。具体实施例方式在本发明提供的用于水溶性电解质化学电池和燃料电池或其类似物的氢活化材料和消耗控制材料中，半导体可包括元素半导体，例如硅(SO、锗(Ge)、锡(Sn)、硒(Se)、和碲(Te)。其亦可包括化合物半导体，例如GaAs、GaP、GaSb、A1N、A1P、AlAs、AlSb、InP、InAs、InSb、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、AlGaAs、GalnAs、AlInAs和AlGalnAs。其进一步亦可包括氧化物半导体，例如Sn02、ZnO、Fe203、V205、Ti02、NiO、Cr203、Cu20、Mn02和MnO。尤其，较佳的为硅。根据本发明，用于水溶性电解质化学电池和燃料电池或其类似物的氢活化材料和消耗控制材料可包含除铁和半导体外的其它成分，例如镍(Ni)、铝(Al)、锰(Mn)、碳(C)、铬(Cr)、钼(Mo)、鸽(W)、钒(V)、钴(Co)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、锆(Zr)、铌(Nb)、钜(Ta)、铍(Be)、11族元素(IB)(金、银、铜、鍮)、石墨、氟化物、以及远红外光辐射材料，例如陶瓷。在本发明中，消耗控制效能是指抑制电池消耗的效能以及能抑制电池消耗并延长电池寿命的有效放电。尤其，根据本发明的用于水溶性电解质化学电池和燃料电池的消耗控制材料的特征在于有效的放电保留了高电压，同时抑制了电池的消耗。在本发明提供的用于水溶性电解质化学电池和燃料电池或其类似物的氢活化材料和消耗控制材料中，半导体的含量较佳为1-20重量％，更佳为1-10重量％。在此情况下，铁的含量较佳为78-98重量％,更佳为86-96重本发明提供的氢活化材料或其类似物使邻近氢活化可由可充电镍氢电池经由如反应式1中氢的固相反应而放电，而具有改善的消耗控制效能的现象得知MH+NiOOHM+Ni(OH)2在根据本发明的氢活化材料中，不同类型的原子在铁和半导体晶体间造成电化学电位。电化学电位施加逆向压电效应于半导体上，因而使其产生机械应变。此种应变重复发生后将使半导体振动，辐射出振动电磁波至外界。在铁-半导体合金中的半导体具有各种不同形状和大小，可造成不同的电化学电位，因而可辐射出不同频率的振动电磁波。此种电磁波攻击具有磁矩的氢原子，激发氢原子，并使其活化。尤其，由氢活化材料产生的电磁波可被视为特别攻击位于该材料邻近处的氢原子，而进行化学反应及促成化学反应等。根据本发明，辐射至氢活化材料的电磁波使半导体产生剧烈振动，增强振动电磁波，进而活化邻近的氢原子。因此，本发明提供一种氢活化的方法，其包括辐射电磁波至一种包含铁和半导体成分的铁-半导体合金中，用以使位于该合金邻近处的氢活化。本发明亦提供一种方法，其包括辐射电磁波至一种包含铁和半导体成分的铁-半导体合金中，用以改善水溶性电解质化学电池和燃料电池的消耗控制效能。本发明进一步提供一种氢活化材料，其包括一种作为主要成分的包含铁和半导体成分的铁-半导体合金，其可通过辐射电磁波至邻近的氢而增进其活化。此外，本发明提供一种消耗控制材料，其包括一种作为主要成分的含铁和半导体成分的铁-半导体合金，其可改善水溶性电解质化学电池和燃料电池的消耗控制效能。辐射出的电磁波包括由一白炽灯放射出的光(电磁波)。光在邻近处传递，且传播、传递至线钳如灯泡插座、灯泡反射器(镜、板)和电线处。当架设于载具等之上时，其甚至可在氢活化材料或其类似物并不直接置于辐射下，由各种光例如前灯、灯和仪表、引擎、马达和电池处接收电磁波。甚至当该消耗控制材料处于避光状态时，其可受到由灯泡等处辐射出的电磁波的影响。在本发明提供的氢活化材料或其类似物中，辐射至合金处的电磁波包括波长由lnm至lmm的电磁波，较佳的电磁波范围为具有380nm至lmm波长的可见光至远红外光。辐射出的电磁波包括日光和白光。受到本发明提供的用于水溶性电解质化学电池和燃料电池的氢活化材料和消耗控制材料影响的氢活化范围是根据铁-半导体合金的含量、温度条件、湿度、以及辐射出的电磁波的波长、振幅、波形和强度。受到本发明提供的用于水溶性电解质化学电池和燃料电池等的氢活化材料和消耗控制材料影响的氢可具有不特定限制的形式，但较佳地可制成板状(板或薄片)或箔状。本发明所使用的铁-半导体合金可经由在熔铁中添加半导体如硅的制钢过程中制得。在制钢完成后，将熔铁注射至模具中使其形成铸锭。将该铸锭在约1250。C加热，然后确立该合金的性质以制得一平板。接着，将该平板加热高至IOOO'C或更高，然后在轧制宽度约2吨/mm的负载下经由热轧而使其逐渐薄化至数mm的厚度以制得铁-半导体合金。本发明提供的用于水溶性电解质化学电池和燃料电池的氢活化材料和消耗控制材料是设置于个别的标的对象附近以发挥个别的功能。因此，当其作为用于水溶性电解质化学电池中的消耗控制材料时，可将其安装在电池箱中。因此，本发明提供一种用于改善水溶性电解质化学电池和燃料电池的消耗控制效能的方法，其包括在该电池邻近处设置一包含铁和半导体的铁-半导体合金。在本发明提供的用于水溶性电解质化学电池和燃料电池的水溶性电解质化学电池和消耗控制材料中，水溶性电解液的实例包括离子性水溶液，例如氢氧化钾水溶液、氯化锌水溶液、氢氧化钠水溶液和氢氧化锂水溶液，且不含任何有机溶剂或类似物。举例而言，根据本发明的消耗控制材料无法改善使用有机溶液系统的电池如锂-二氧化锰电池的消耗控制效能。第一实例对本发明提供的氢活化材料的实例进行说明如下。首先，制作一硅-铁薄板(包含90.5重量％或更多的铁、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°/。或更少的锰、2.0重量°/。或更少的铝、2.5重量％或更少的镍等)作为根据第一实例的氢活化材料(水溶性电解消耗控制材料、燃料电池消耗控制材料)。将根据本实例的氢活化材料(水溶性电解消耗控制材料、燃料电池消耗控制材料)裁切出以制备50mm长xl3mm宽x0.05mm厚的试样。在此片上压迭上一层厚度为O.lmm的透明聚酯薄膜。第二实例类似地，制作一硅-铁薄板(含87重量°/。或更多的铁、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°/。或更少的锰、2.0重量％或更少的铝、2.5重量°/。或更少的镍等)作为根据第二实例的氢活化材料(水溶性电解消耗控制材料、燃料电池消耗控制材料)。将根据本实例的氢活化材料(水溶性电解消耗控制材料、燃料电池消耗控制材料)裁切出以制备50mm长xl3mm宽x0.05mm厚的试样。将根据第一和第二实例的氢活化材料(水溶性电解消耗控制材料、燃料电池消耗控制材料)设置在一电池箱的底部，在其上一一设置个别的干电池。在一消耗控制效能实验中，该电池箱(用于一个干电池，产品编号UM3X1，其是由MorikawaKogyoInc.获得)中包含千电池(大小6(IEC))。该电池箱经由一长度为480mm的导线(产品编号10/0.14A,1.50，其是由SankoDenkiInc.获得)和一灯泡插座(产品编号ES-T238-C(E10)，其是由TozaiDenkiSangyoInc.获得)而连接于一灯泡(手电筒灯泡，其是由TozaiDenkiSangyoInc.获得)上。使用一伏特计(数字万用表，R6441A，其是由Advantestlnc.获得)测量电压的改变。实验l(碱性干电池)在此实验中准备一个碱性干电池(LR6/—次电池，其是由MatsushitaKandenchiKogyoInc.获得)。在一实施例l中，此碱性干电池是装设于一电池箱中，其中设有根据第一实例的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在一比较性实例1中，此碱性干电池是装设于一电池箱中，其中未设置用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在测量期间，将室温维持在18-2(TC，相对湿度维持在45-49%、照度维持在600勒克司(lx)。实施例1和比较性实例1的电池箱是以lm的间隔而设置在一办公桌上，且每IO分钟测量一次电压。实验结果显示于表1和图1中。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由表1和图1可明显得知，相较于比较性实例1而言，在具有根据第一实例的消耗控制材料的实施例1中，其在抑制电池放电上较为有效。实验2(氢氧干电池)在此实验中准备一个氢氧干电池(ZR6(Y)/—次电池，其是由MatsushitaKandenchiKogyoInc.获得)。在一实施例2中，此氢氧干电池是装设于一电池箱中，其中设有根据第二实例的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在一比较性实例2中，此氢氧干电池是装设于一电池箱中，其中未设置用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在测量期间，将室温维持在18-2(TC，相对湿度维持在45-49%、照度维持在600勒克司(lx)。实施例2和比较性实例2的电池箱是以lm的间隔而设置在一办公桌上，且每IO分钟测量一次电压。实验结果显示于表2和图2中。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>由表2和图2可明显得知，相较于比较性实例2而言，在具有根据第二实例的消耗控制材料的实施例2中，其在抑制电池放电上较为有效。实验3(可充电镍氢电池)在此实验中准备一个镍氢电池(Ni-MHAA/1.2V，二次电池，其是由SonyInc.获得)。在一实施例3中，此镍氢电池是装设于一电池箱中，其中设有根据第一实例的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在一比较性实例3中，此镍氢电池是装设于一电池箱中，其中未设置用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在测量期间，将室温维持在18-20'C，相对湿度维持在45-49%、照度维持在600勒克司(lx)。实施例3和比较性实例3的电池箱是以lm的间隔而设置在一办公桌上，且每10分钟测量一次电压。实验结果显示于表3和图3中。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>由表3和图3可明显得知，相较于比较性实例3而言，在具有根据第一实例的消耗控制材料的实施例3中，其在抑制电池放电上较为有效。实验4(锰干电池)在此实验中准备一个锰干电池(R6/—次电池，其是由ToshibaDenchiInc.获得)。在一实施例4中，此锰干电电池是装设于一电池箱中，其中设有根据第二实例的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在一比较性实例4中，此镍氢电池是装设于一电池箱中，其中未设置用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在实施例4中，使用一透明胶布(40mm长xl5mm宽)以使根据第二实例中用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料额外地贴附于干电池上。在实验4中，制备如同实施例5的试样，其是根据实施例4而通过一具有15，000勒克司(lx)的聚光灯(产品编号OE855450，其是由ODELICCo.，Ltd获得)的白炽由500mm的距离处照射该试样。进行这些实施例4和5以及比较性实例4的实验。在测量期间，将室温维持在18-20°C，相对湿度维持在45-49%、照度维持在600勒克司(lx)。实施例4和5的电池箱是以3m的间隔而设置在一办公桌上，而比较性实例4的电池箱则设置于与实施例5相距3m处，且每10分钟测量一次电压。实验结果显示于表4和图4中。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>由表4和图4可明显得知，相较于比较性实例4而言，在具有根据第二实例的消耗控制材料的实施例4和5中，其在抑制电池放电上较为有效。如所能观察到的，在施加白炽的实施例5中，其在抑制电池放电上较实施例4为有效。实验5(镍干电池)在此实验中准备一个镍干电池(ZR6H4BP/—次电池，其是由ToshibaDenchilnc.获得)。在一实施例6中，此镍干电池是装设于一电池箱中，其中设有根据第一实例的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在一比较性实例5中，此镍氢电池是装设于一电池箱中，其中未设置用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在测量期间，将室温维持在18-2(TC，相对湿度维持在45-49%、照度维持在600勒克司(lx)。实施例6和比较性实例5的电池箱是以lm的间隔而设置在一办公桌上，且每10分钟测量一次电压。实验结果显示于表5和图5中。表5<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>由表5和图5可明显得知，相较于比较性实例5而言，在具有根据第一实例的消耗控制材料的实施例6中，其在抑制电池放电上较为有效。第三实例接着，制作一硅-铁薄板(含90.5重量％或更多的铁、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％或更少的锰、2.0重量％或更少的铝、2.5重量％或更少的镍等)作为根据第三实例的氢活化材料(水溶性电解消耗控制材料、燃料电池消耗控制材料)。将根据本实例的氢活化材料(水溶性电解消耗控制材料、燃料电池消耗控制材料)裁切出以制备25mm长x20mm宽x0.05mm厚的试样。在此片上压迭上一层厚度为O.lmm的透明聚酯薄膜以制备两片压合片。实验6(燃料电池)关于一燃料电池而进行消耗控制的实验。首先，准备一个燃料电池(小型燃料电池PFC-ED3，其是由DaidoMetalKogyoInc.获得)，并在距离该电池两侧10mm处安置两片根据第三实例的用于燃料电池的消耗控制材料。将一条来自该燃料电池的输出电线(长100mm)连接于一马达(DC0.5V/0.05W,其是由DaidoMetalKogyoInc.获得)上。然后，在该马达机轴上不施加任何负载例如推进器且仅在该机轴进行运转的情况下，每60秒测量电压的改变。在此情况下，由于在180-240秒的期间中有尖峰的电压改变，因此，以更细微的时间间隔进行测量。当氢气由随该燃料电池的氢气筒(MAX0.3MPa，其是由IwataniGasInc.获得)供给后，氢燃料可与由空气中纯化出的氧气反应而产生电能。在一实施例7中，安置两片根据第三实例的用于燃料电池的消耗控制材料。在一实施例8中，以黑色的乙烯基薄片覆盖整个实施例7，使其避光。在一比较性实例6中，未安置根据第三实例的用于燃料电池的消耗控制材料。在测量期间，将室温维持在18-20°C，相对湿度维持在45-49%、照度维持在600勒克司(lx)。这些测量结果显示于表6和图6中。表6<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>由表6和图6可明显得知，相较于比较性实例6而言，在具有根据第三实例的消耗控制材料的实施例7和8中，其在抑制电池放电上较为有效。如所能观察到的，在不避光且以光照射的实施例7中，其在抑制电池放电上较避光且无光照的实施例8更为有效。比较性实验(锂-二氧化锰电池)在此实验中准备一个锂-二氧化锰电池(CR2/—次电池，其是由ToshibaDenchiInc.获得)。在一比较性实例7中，此锂-二氧化锰电池是装设于一电池箱(产品编号UM5X2，其是由IshikawaSeisakushoInc.获得)中，其中设置有制成25mm长xl0mm宽x0.05mm厚的根据第一实例而用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在一比较性实例8中，此锂-二氧化锰电池是装设于一电池箱中，其中未设置用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料。在测量期间，将室温维持在18-20°C，相对湿度维持在45-49%、照度维持在600勒克司(k)。比较性实例7和8的电池箱是以lm的间隔而设置在一办公桌上，且每10分钟测量一次电压。实验结果显示于表7和图7中。表7<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>在锂-二氧化锰电池中的电解液不是水溶性，而是使用有机溶剂。因而由表7和图7可明显得知，其无法显现出根据第一实例的消耗控制材料的效果。权利要求1、一种氢活化材料，其包括包含铁和半导体成分的铁-半导体合金作为主要成分。2、如权利要求1所述的氢活化材料，其中该氢活化材料经在其上照射电磁波而增进邻近氢的活性。3、如权利要求1或2所述的氢活化材料，其中该半导体为硅。4、一种用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料，其包括包含铁和半导体成分的铁-半导体合金作为主要成分，以改善水溶性电解质化学电池的消耗控制效能。5、如权利要求4所述的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料，其中消耗控制效能进一步经由在其上照射电磁波而改善。6、如权利要求4或5所述的用于水溶性电解质化学电池的消耗控制材料，其中该半导体为硅。7、一种用于燃料电池的消耗控制材料，其包括包含铁和半导体成分的铁-半导体合金作为主要成分，以改善燃料电池的消耗控制效能。8、如权利要求7所述的用于燃料电池的消耗控制材料，其中消耗控制效能进一步经由在其上照射电磁波而改善。9、如权利要求7或8所述的用于燃料电池的消耗控制材料，其中该半导体为硅。10、一种氢活化方法，其包括对包含铁和半导体成分的铁-半导体合金照射电磁波，以活化在合金邻近的氢。全文摘要本发明提供一种氢活化材料，其包括一种作为主要成分的包含铁和半导体成分的铁-半导体合金。其亦提供一种用于水溶性电解质化学电池和燃料电池的消耗控制材料。此外亦提供一种氢活化方法。文档编号H01M8/02GK101415850SQ200680054158公开日2009年4月22日申请日期2006年6月28日优先权日2006年6月28日发明者坂仓康郎申请人:坂仓康郎