專利名稱：含有作為燃料的肼或其衍生物的直接液體燃料電池的制作方法
含有作為燃料的肼或其衍生物的直接液體燃料電池技術領域和
背景技術：
本發(fā)明在其一些實施方式中涉及能量轉換，并且更具體而言，但不僅僅涉及利用胼或其衍生物作為燃料的直接液體燃料電池系統(tǒng)以及采用該燃料電池系統(tǒng)的應用。燃料電池(FC)是只要提供燃料(通常是氫或含氫化合物)和氧化劑(通常是氧) 就能持續(xù)將化學能直接轉化成電能的電化學裝置。燃料電池的一個主要優(yōu)點在于它們具有高能量密度(通常為4，000-9，000ffh/kg)，這比傳統(tǒng)的電化學電源(例如Pb-PbO2 ；Zn-O2 ； Zn-Ag ；Ni-Cd ；Li-ion 等)高約 18 倍。燃料電池的特征在于與內(nèi)燃機相比具有高效率。另外，燃料電池是生態(tài)友好的并且數(shù)種類型能夠在高達10(TC的溫度下工作。燃料電池的發(fā)展是新能量工程領域的主要方向之一。在過去的二十年中已開發(fā)了基于吐/02、磷酸鹽、熔融碳酸鹽、堿、質(zhì)子交換膜、直接甲醇和固體氧化物的數(shù)種類型的燃料電池[Carrette 等人，ChemPhysChem. 2000,1，162 ；Springer 等人，J. Electrochem Soc. 1991，8，2334 ；Atkinson 等人，Nature, 2004, 3,17 ；Steele 和 Heinzel，Nature, 2001, 14，345]。然而，由于多種實際限制這些燃料電池仍然遠不能進行大規(guī)模生產(chǎn)。與燃料電池開發(fā)相關的一些障礙包括復雜的電極和電池設計、催化劑中毒和機械不穩(wěn)定性、高催化劑成本、低電勢以及緩慢的氧化動力學。在過去幾年中，研究集中在開發(fā)應用含氫化合物例如甲醇、硼氫化鈉、氨水-硼烷和胼的直接液體燃料電池[參見，例如，Yamada等人· J. Pow. Sour. 2003，122，132-137 ； Evans 禾口 Kordesch, Science,1967,158,1148-1152 ；Asazawa 等人’ J.Electrochem. Soc. 2009，156，B509 ；Yamada 等人，J. Pow. Sour. 2003，115,236 ；以及 Jamda 等人， Electrochem. Commun. 2003，5，892-896]。在60年代初開發(fā)了能在室溫下工作的基于胼(本文和本領域中縮寫為Hz)的直接液體燃料電池(DLFC)。胼是低成本的能量燃料并且是與甲醇相似的富含氫的化合物(12. 5% )，其比硼氫化鈉(10. 6% )包含更多的氫。胼被認為是有害的化合物，不論是純凈形式(為N2H4)還是一水合物(N2H4 · H2O)。 但是胼在稀釋的水溶液中是非爆炸性和無毒的。而且，據(jù)報導數(shù)種胼鹽例如RH4 · H2SO4是有希望的抗癌藥物[參見，例如，Upton等人，Tren. Pharm. Sci. 2001，22，140-146]。自然界中胼的基本來源是無限的( 和H2)并且從其基本元素( 和H2)回收胼相對簡單。另外，胼降解產(chǎn)生生態(tài)友好的副產(chǎn)物氮氣(N2)和水(H2O)。胼在堿性溶液中的電化學氧化生成四個電子、氮氣(N2)和水，如下文式1所示
NH2-NH2+4 (OH) “ — N2+4H20+4e" (1)胼氧化的標準電勢(E°)為-1. 21V，其理論比電容為3. 35KAh/kg，并且理論比功率為 4. 05Kffh/kg (3, 350 · 1. 21)。在過去三十年中使用不同的金屬催化劑例如鉬(Pt)、鈀(Pd)、鎳(Ni)、鈷(Co)、金 (Au)、銀(Ag)和汞(Hg)研究了胼在堿性溶液中的電化學性能。在這些測試金屬中，Co、Ni并且特別是Pt-族金屬(PGM)發(fā)現(xiàn)可作為胼電氧化的最佳催化劑。
將Pt和Pt族金屬大規(guī)模用于商業(yè)燃料電池受到成本和這樣的電極容易中毒引起的實際問題的限制。鈷催化劑的特征在于長期穩(wěn)定性差，而鎳催化劑產(chǎn)生相對較低的電流密度，比在Co催化劑存在的情況下所產(chǎn)生的電流密度低10倍。與Pt催化劑相比，Au和Ag 催化劑產(chǎn)生約500mV的高過電勢(過電位)(Eqp)，并且與Pt催化劑相比，Hg催化劑產(chǎn)生高于 800mV 的 Eqp。Asazawa 等人[Angewandte Chemie International Edition,第 46 卷，第 42 期， 第80M-8027頁]公開了無鉬直接基于胼的燃料電池，其使用陰離子交換聚合物電極和鈷或鎳電極，并且表現(xiàn)出與氫聚合物電極燃料電池(PEFC)可比的并且超過了直接甲醇燃料電池(DMFC)的性能。還在基于胼的半電池中測試了銅(Cu)陽極催化劑。Asazawa等人[J.Pow. Sour. 2009，191,362]測試了用于胼和胼衍生物的電氧化的各種催化劑并證明Cu催化劑次于鈷、鉬和其他催化劑。Asazawa等人報導了與Co和Ni相比Cu催化劑表現(xiàn)出較差的催化性能，并且Cu催化劑的特征在于與Pt相比更陽性的Era值，另外，還表明當施加高于-0. 8V vs. SHE (標準氫電極)的電勢時Cu電極失去其活性。Asazawa等人還報導了無鉬基于胼的燃料電池，其利用腙通過水解原位產(chǎn)生胼 [參見，www. greencarcongress. com/2007/09/daihatsu-develo. html] 0Asazawa等人的美國專利申請第2008/0145733號公開了使用胼和其他含胺和氫的化合物作為燃料以及含鈷的催化劑層運行的燃料電池。Ghasem Karim-Nezhad ^A [Electrochimica Acta 54(2009)5721—5726]公開了用于堿性介質(zhì)中胼的電催化氧化的經(jīng)銅(氫)氧化物修飾的銅電極。該經(jīng)修飾的電極表現(xiàn)出對腐蝕提高的穩(wěn)定性和提高的電化學性能(與裸銅電極相比負移約120mV)。然而，該公開的Cu修飾電極在+0. 2V的工作電勢下運行，這不適合燃料電池的應用(燃料電池應用需要至少-0. 5V的陽極電勢)。關于胼和銅(II)離子之間的相互作用的一些背景技術包括^iiliang Jiang等人 [Anal. Chem. 2008，80，8681-8687]，其報導了將銅(II)離子用作同質(zhì)Hz分解的催化劑。已教導了用胼作為燃料和各種氧化劑運行的燃料電池系統(tǒng)。通常使用的氧化劑包括例如空氣(用于供氧)、硝酸和過氧化氫。胼/過氧化氫燃料電池( / )的理論標準電勢(E°)為2. 99V(1. 21+1. 78)。 因此，該電池的理論比功率(W)為12. lKffh/kg(4, 050 ·2. 99)。Ν2Η4/Η2Α直接液體燃料電池的效率比汽油發(fā)動機高約兩倍。美國專利第3，410，729號教導了通過向碳或鎳陽極提供胼并且向碳或鎳陰極提供過氧化氫來運行的燃料電池系統(tǒng)。美國專利第3，811，949號公開了包含作為催化劑的金屬合金(例如汞合金)和作為氧化劑的氧的基于胼的燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池的主要缺點為使用危險的含汞的電極。過去幾十年中還開發(fā)了電化學胼傳感器[參見，例如，Abkispour和Kamyabi ； J.Electroanal. Chem. 2005,576,73-83 ；Ozoemena 禾口 Nyokong ；Talanta,2005,162-168 ； Karim-Nezhad 和 Jafarloo，Electrochimica Acta ；2009, 54, 5721-5726] 這些電化學傳感器利用貴金屬、過渡金屬、有機和無機絡合物、氧化物、金屬酞菁、金屬紫菜堿或更多的物質(zhì)作為催化劑。許多出版物已報導了 CUS04//CU(n)是用于胼均相氧化的有效助催化劑[參見， 例如，J.Ward，J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, 7 ;J. Corey. J. Am. ；Chem. Soc. 1961,83,2957 ； J.Rempel, App1.Catalysis A :General,2004,263,27 ；Z.Jiang.Anal. Chem. 2008,80, 8681]。許多電化學H2O2傳感器是基于不同的電子介質(zhì)例如普魯士藍[Arkady等人，Anal. Chem.，1995,67(14)，pp 2419-2423]、二茂鐵(FeC) [Mulchandani 等人，Anal. Chem. 1995， 67,94-100]和其他[參見，例如，A. Shinishiro ；Chem. Sens, v. 21 sup. B(2005)61]構建的， 然而，使用這些催化劑的方法產(chǎn)生相對低的電流。Shukla等人描述了使用作為無機電子轉移介質(zhì)(電子介體)(在碳黑上；C/PB和聚合物)的普魯士藍(PB)作為用于SB/H202燃料電池中H2O2還原的催化劑[Shukla等人， J. Power sources, 2008,178，86]。所教導的C/PB電極與復雜的構建方案和約35mA/cm2的中等電流強度相關。已知二茂鐵可作為強電子轉移介質(zhì)[參見，例如，Anthony等人，Anal. Chem.， 1984，56，667-671 ；Gagne 等人，Inorg. Chem. 1980，19，2854-2855]。二茂鐵在酸性溶液中是化學穩(wěn)定的并且其特征在于對碳材料的良好吸附(通過η-η相互作用)。已描述了將C/Fc用于燃料電池技術的嘗試[參見，例如第7，320，842號美國專利；和K. Gong, Science, 2009，223，760]。然而，所述方法學涉及在700°C的溫度下處理，這導致C/Fc催化劑的分解。另夕卜的技術包括 Logan B. E 禾口 Regan J. M.，Environmental Science &Technology, Sept.1，2006，5172-5180。與本申請在同一天一起提交的本發(fā)明人的、代理人案件號為47113的、題為“具有作為燃料的氨硼烷或其衍生物的直接液體燃料電池(A DIRECT LIQUID FUEL CELL HAVING AMMONIA BORANE OR DERIVATIVES THEREOF AS FUEL) ” 的 PCT 專利申請教導了利用氨硼烷作為燃料并且利用非貴金屬催化劑作為陽極催化劑和陰極催化劑中的至少一種的燃料電池系統(tǒng)。描述了包含包括由銅納米顆粒制成的催化劑在內(nèi)的銅催化劑的這樣的燃料電池。 該PCT專利申請要求2008年11月12日提交的第60/113，611號美國臨時專利申請和2009 年8月3日提交的第61/230，764號美國臨時專利申請的優(yōu)先權，其教導通過引用結合到本文中，如同在本文中完整列出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在其一些實施方式中涉及新的液體燃料電池，更具體而言，但是不限于直接液體燃料電池(DLFC)，所述電池基于作為燃料的胼和/或其衍生物并且能夠在該電池的陽極和陰極之一中在非貴金屬催化劑存在的情況下運行，并且可替換地或另外利用過氧化物作為氧化劑。根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一個方面，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，包括包含作為燃料的具有式I^1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物以及包含銅或銅合金的催化劑層的陽極室；包含氧化劑的陰極室；以及插在所述陽極室和陰極室之間的隔膜(隔板)， 其中R1-R4各自獨立地選自由氫、烷基、烯基、炔基、雜脂環(huán)、烷氧基、羧基、酮、酰胺、酰胼以及胺組成的組，條件是R1-R4中的至少一個是氫。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述氧化劑是過氧化物。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述過氧化物是過氧化氫。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述銅是以選自由板、網(wǎng)和顆粒組成的組的形式。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述銅包括銅納米顆粒。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述納米顆粒具有選自由圓形納米顆粒、納米棒和納米線組成的組的形式。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，如本文所述的燃料系統(tǒng)包括包含作為燃料的具有式R1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物(溶劑化物)以及包含銅納米顆粒的催化劑層的陽極室；包含氧化劑的陰極室；以及插在陽極室和陰極室之間的隔膜。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述陰極包括包含非貴金屬和/或非金屬物質(zhì)的催化劑層。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述陰極包括包含非金屬物質(zhì)的催化劑層。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述非金屬物質(zhì)是金屬絡合物。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述金屬絡合物選自由二茂鐵和普魯士藍組成的組。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，如本文所述的燃料電池系統(tǒng)包括包含作為燃料的具有式R1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物，以及包含銅的催化劑層的陽極室； 包含作為氧化劑的過氧化物，以及包含金屬絡合物的催化劑層的陰極室；以及插在陰極室和陽極室之間的隔膜。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，本文所述的燃料電池系統(tǒng)包括包含作為燃料的具有式R1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物，以及包含銅納米顆粒的催化劑層的陽極室；包含作為氧化劑的過氧化物，以及包含金屬絡合物的催化劑層的陰極室；以及插在陽極室和陰極室之間的隔膜。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，R1-R4每個均是氫。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述陽極室還包含堿性水溶液。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述堿性水溶液包含堿金屬氫氧化物。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述堿金屬氫氧化物選自由氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰、氫氧化鎂、氫氧化鈣、氫氧化鍶以及氫氧化鋇組成的組。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述堿金屬氫氧化物是氫氧化鈉。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述陰極室還包含酸性水溶液。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述陰極室包含過氧化物氧化劑并且其中該過氧化物氧化劑的濃度為0. 5% w/w-25% w/w。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，如本文所述的燃料電池表現(xiàn)出高于1. 5伏特的開路
電^1 (Eqcp)。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，如本文所述的燃料電池表現(xiàn)出等于或高于0. 1瓦特的功率輸出(W)。根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一個方面，提供了一種運行燃料電池的方法，該方法包括使該燃料電池的陽極室與包含如本文所述的具有式R1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物的陽極電解質(zhì)溶液接觸，同時使燃料電池的陰極室與包含氧化劑的陰極電解質(zhì)溶液接觸，并且使具有式I^1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物與所述氧化劑發(fā)生電化學反應，其中所述陽極室包括的陽極具有包含銅或銅合金的催化劑層，該燃料電池還包括插在陽極室和陰極室之間的隔膜。根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一方面，提供了一種產(chǎn)生電能的方法，該方法包括使本文所述的具有式R1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物與氧化劑發(fā)生電化學反應，其中具有式R1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物與包括具有包含銅或其合金的催化劑層的陽極的陽極室接觸，并且使所述氧化劑與陰極室接觸，將所述陽極室和所述陰極室組裝成燃料電池，該燃料電池還包括插在陽極室和陰極室之間的隔膜。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述陽極室包含具有包含銅納米顆粒的催化劑層的陽極。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述氧化劑是過氧化物。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述陰極室包括具有包含非金屬物質(zhì)的催化劑層的陰極。根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一方面，提供了包括本文所述的燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電裝置(power plant,發(fā)電廠)。根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一方面，提供了一種由本文所述的燃料電池系統(tǒng)提供燃料的運載工具(車輛)。根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一方面，提供了一種給耗電裝置提供電能的方法，該方法包括用本文所述的燃料電池系統(tǒng)給所述耗電裝置提供電能。除非另外指明，本文使用的所有技術和/或科學術語具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員通常所理解的相同的含義。盡管在實施或檢測本發(fā)明實施方式中可以使用與本文所述那些相似或等同的方法和材料，但是下文描述了示例性方法和/或材料。在沖突的情況下，以包括定義在內(nèi)的本發(fā)明說明書為準。另外，所述材料、方法和實施例僅用于舉例說明并不一定意圖具有限制性。


在本文中通過參考附圖和圖片僅以舉例說明的方式描述本發(fā)明的一些實施方式。 現(xiàn)在詳細地具體參考附圖，應強調(diào)所顯示的具體細節(jié)用于舉例說明并用于舉例論述本發(fā)明實施方式的目的。在這點上，與附圖一起的說明使得本領域技術人員顯而易見如何實施本發(fā)明的實施方式。在附圖中圖IA和IB是根據(jù)本發(fā)明各種示例性實施方式的燃料電池的示意圖。圖2示出了使用Ag/AgCl、飽和KCl作為參比電極，通過以50mV · s—1的掃描速率施加掃描電位，在IM NaOH中的0. 4M胼內(nèi)進行的試驗中在Au催化劑(a)、Cu催化劑(b)和 Ag催化劑(c)(對于所有催化劑A = 0. 5cm2)存在下胼的電氧化過程的比較曲線。圖3A-D示出了根據(jù)本發(fā)明各種實施方式的含Cu納米顆粒的電極(圖3A和3B) 和常規(guī)的銅網(wǎng)電極(圖3C和3D)的SEM圖像。圖4示出了使用各具有2cm2幾何面積的常規(guī)Cu網(wǎng)電極(曲線a)和含Cu納米顆粒的電極(曲線b)的胼(在6M NaOH中0. IM胼)的電氧化過程的比較曲線。利用Ag/AgCl、 飽和KCl作為參比電極，通過以20mV · S"1的掃描速率施加掃描電位進行該電化學測量。圖5A-B示出了在長時間試驗中觀察到的在使用Cu網(wǎng)電極(A = 20cm2)，在 7.5M NaOH(IOOml)中的1. OM胼(33克)，并且使用Ag/AgCl、飽和KCl作為參比電極的 IA(50mA · cm2)恒電流方案中的示例性放電電勢曲線(圖5A)和使用折疊的IOcm2 Cu-網(wǎng)電極(A = 1. 25cm2)、在 6M NaOH(IOOml)中的約 IOM 胼(14. 3 克)并且 Ag/AgCl、飽和 KCl 作為參比電極的0. 5A(50mA · cm2)恒電流方案中的示例性放電電勢曲線(圖5B)。圖6A示出了使用Ag/AgCl、飽和KCl作為參比電極，通過以50mV · s—1的掃描速率施加掃描電位，在3M NaOH中的6% w/v胼(H2N2)內(nèi)進行的試驗中測量的使用Cu網(wǎng)電極(A =IOcm2)時胼的電氧化過程的曲線。圖6B示出了使用Ag/AgCl、飽和KCl作為參比電極，通過以50mV · s—1的掃描速率施加掃描電位，在含3M H2SO4和0. 22M HCl的溶液中的6% w/v H2O2內(nèi)進行的試驗中測量的使用碳布/ 二茂鐵電極(C/Fc，IOOcm2)的過氧化氫(H2O2)的電還原過程的曲線。圖7A-B示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的燃料電池的全電池測量Cu網(wǎng)//3M NaOH(125ml) ψ 3 % w/v N2H21 | 3M H2SO4 和 0. 22M HCl (125ml)中 H2026 % // 碳布 / 二茂鐵，陽極表面積為IOcm2并且陰極表面為100cm2，使用Nafion膜117作為隔膜。曲線表示 0. 25A(圖7A)和0. 5A (圖7B)電流時的恒電流放電電勢。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明各種實施方式在0.75A恒電流方案中對燃料電池的全電池測量:Cu 網(wǎng) //4. 8M NaOH(75ml)中 0. 54M N2H2 110% w/v(65ml)中 H2029% // 包含普魯士藍的碳布，陽極表面積為14cm2并且陰極表面為170cm2，使用Nafion膜117作為隔膜。
具體實施例方式本發(fā)明在其一些實施方式中涉及能量轉化，并且更具體而言，但不限于，利用胼或其衍生物作為燃料的直接液體燃料電池系統(tǒng)，以及利用該燃料電池系統(tǒng)的應用。在詳細地解釋本發(fā)明的至少一個實施方式之前，應理解本發(fā)明不一定將其應用限于下文說明書所闡述和/或附圖和/或?qū)嵤├兴f明的構造以及部件和/或方法的排列的細節(jié)。本發(fā)明還具有其他實施方式或以各種方法實踐或?qū)嵤?。如上文所述，胼被廣泛用于期待在例如運載工具和宇宙飛船中使用的燃料電池裝置或系統(tǒng)。大多數(shù)目前可用的基于胼的燃料電池包括由貴重金屬例如鉬或鉬族金屬(PGM) 制成的電極。在用于具有改進特性的基于胼的燃料電池系統(tǒng)的研究中，本發(fā)明的發(fā)明人設計并測試了用于胼的電氧化的含銅電極。當將本發(fā)明付諸實踐時，本發(fā)明的發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)(i)具有粗糙表面的含銅電極的特征為胼氧化的低過電勢(ErajCSOOmV)和高放電電流(可達2A) ； (ii)具有粗糙表面的含銅電極表現(xiàn)出高放電特性，表現(xiàn)出低于-IV的Eqcp ；并且在RT下在100-150mA ·cm_2的放電電流時約-0. 75V的操作電勢(Ew)，與Pt或PGM催化劑相比是高度有效的；以及(iii) 值得注意的是，含銅納米顆粒的電極表現(xiàn)出在胼的電氧化中高度改善的參數(shù)。如在隨后的實施例部分中詳細地論述的，本發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)具有粗糙表面的含銅電極例如含銅納米顆粒的電極表現(xiàn)出協(xié)同效應，表現(xiàn)為電流密度增加，這是由納米結構電極的高表面積和電極上充當電子轉移介質(zhì)催化劑的Cu11物質(zhì)的水平增加引起的(參見實施例2)。不受任何具體理論的限制，本發(fā)明人假設在胼和氧化劑之間的銅催化電化學反應期間形成了 Cu(II)離子。這些Cu離子在胼的存在下能夠被還原成Cutl顆粒，因此產(chǎn)生了 Cu(O)和Cu(II)之間的平衡。本發(fā)明人還提出例如在具有高表面積的銅網(wǎng)電極或含銅納米顆粒并因此具有高表面積的電極中獲得的具有高粗糙性因子的銅電極表現(xiàn)出的改善的效果是由于調(diào)節(jié)了電極表面上Cu(O)和Cu(II)之間的平衡而引起的。本發(fā)明人因此提出用于基于胼的燃料電池的含銅電極充當CU°/CU(II)系統(tǒng)。本發(fā)明人還證明可有效使用含銅電極用于構造利用胼作為燃料并且利用過氧化氫作為氧化劑的燃料電池系統(tǒng)。所實施的燃料電池系統(tǒng)不含貴重金屬催化劑。因此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用胼作為燃料并且使用過氧化氫作為氧化劑的燃料電池是非常有效的；當在使用胼作為燃料的燃料電池的陽極室和/或陰極室使用非貴重金屬催化劑時，該使用胼作為燃料的燃料電池能夠有效運行；當使用由銅納米顆粒制成的銅催化劑電氧化燃料時使用胼作為燃料的燃料電池表現(xiàn)出較高的效率。陽極和陰極的過電勢(ΔΕΑ和AEc)取決于電極動力學、催化劑材料、質(zhì)量轉運條件、電極結構、燃料濃度、燃料粘度以及背景電解質(zhì)性質(zhì)(電傳導)。如本文和本領域所使用，表示為Ε。。ρ的短語“開路電勢”描述了當無外部負載即未在電池中施加或形成電流時在陽極和陰極之間測量的電勢。如本文和本領域所使用，表示為~的短語“工作電勢(working potential)，，，也稱作“操作電勢(operation potential) ”，是當在電池中施加或形成電流時在電化學電池 (陽極和陰極之間)中測量的電勢。如本文和本領域所使用，表示為Ew的術語“過電勢”是與另一催化劑相比在一種催化劑存在下發(fā)生氧化還原反應的電勢。換言之，過電勢反映替換催化劑對發(fā)生電化學過程所需的電勢的作用。因此，根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一方面，提供了燃料電池系統(tǒng)。本文提供的各燃料電池系統(tǒng)包括陽極室、陰極室和插在所述陽極室和陰極室之間的隔膜，其中所述陽極室包含作為燃料的包括其水合物、溶劑合物或鹽在內(nèi)的由式R1R2N-NR3R4表示的化合物，其中，R1-R4各自獨立地選自由氫、烷基、烯基、炔基、鹵代烷基、環(huán)烷基、雜脂環(huán)、烷氧基、硫代烷氧基、羧基、酮、酰胺、酰胼和胺組成的組，條件是R1-R4中的至少一個是氫。術語“烷基”描述的是包括直鏈和支鏈基團的飽和脂肪族烴。在一些實施方式中， 所述烷基具有1-20個碳原子。每當本文指明一個數(shù)字范圍例如“1-20”，它表示所述基團， 在這種情況下為烷基，可以包含1個碳原子、2個碳原子、3個碳原子等，可達并包括20個碳原子。在一些實施方式中，所述烷基是具有1-10個碳原子的中等大小的烷基。在一些實施方式中，所述烷基是具有1-4個碳原子的低級烷基。術語“烯基”描述具有至少2個碳原子和至少一個不飽和雙鍵的如本文定義的烷基。術語“炔基”描述具有至少2個碳原子和至少一個不飽和三鍵的如本文定義的烷基。術語“環(huán)烷基”描述全部由碳原子組成的單環(huán)或稠環(huán)(即共用相鄰碳原子對的環(huán)) 基團，其中一個或多個環(huán)不具有完全共軛的Pi電子系統(tǒng)。術語“鹵代烷基”描述被一個或多個鹵素取代的如上文定義的烷基。術語“烷氧基”描述如本文定義的-0-烷基和-0-環(huán)烷基二者。術語“巰基”描述-SH基團。術語“硫代烷氧基”描述如本文定義的-S-烷基和-S-環(huán)烷基二者。術語“雜脂環(huán)”描述在環(huán)中具有一個或多個諸如氮、氧和硫的原子的單環(huán)或稠環(huán)基團。所述環(huán)還可以具有一個或多個雙鍵。然而，所述環(huán)不具有完全共軛的Pi電子系統(tǒng)。代表性實例為哌啶、哌嗪、四氫呋喃、四氫吡喃、嗎啉等。術語“羧基”描述-C( = 0)-OR'基團，其中R'如本文所述或可替換地是本文所述的胼基團或其衍生物。當R'是胼時，本文中胼的羧基衍生物稱作碳酸胼。術語“酮”描述-C( = 0)-R'基團，其中R'如本文所述或可替換地是其中-C(= 0)-胼是懸垂基團的多聚體骨架。術語“酰胺”描述-C ( = 0)-NR' R"，其中R'和R"如本文所述。術語“酰胼”描述-C ( = 0) -NR1NR3R4，其中R1、R3和R4如本文所述。如本文所使用，術語“胺”描述-NR’ R”基團，其中R’和R"各自獨立地是如本文定義的氫、烷基或環(huán)烷基。應注意本文描述的燃料在一種或多種氫化物陰離子(hydride anions)存在下發(fā)生的電氧化后產(chǎn)生電子。因此，所述燃料電池的效率至少部分取決于電氧化過程中產(chǎn)生的電子的數(shù)量，其又取決于燃料中潛在氫化物的量?！皾撛跉浠铩笔侵该枋鼍哂兄辽俨糠重撾姾刹⒁虼四軌虺洚敼╇娮踊鶊F的氫原子。因此，在一些實施方式中，R1-R4中至少兩個是氫。在一些實施方式中，各R1-R4均是氫。因此，在一些實施方式中所述燃料是H2N-NH2 (胼或Hz)。在一些實施方式中，所述燃料電池是胼衍生物，其中R1-R4中的一個、兩個或三個不是氫。非限制性實例包括乙酸胼(NH2-NH-COOH)、一甲基胼(NH2-NH(CH3)、對稱和不對稱二甲基胼(分別為NH(CH3)-NH(CH3)和NH2N(CH3)2)、胼基甲酸甲酯(N2H3COOCH3)、碳二酰胼 (N2H3CON2H3)、碳酸胼((N2H4) 2C02，)以及氨基聚丙烯酰胺(APA，- [CH2CH (CONHNH2) ] 0.8- [CH2CH (CONH2) ]0.2)。在一些實施方式中，所述燃料電池是胼鹽。非限制性實例包括硫酸胼(N2H4 -H2SO4) 和胼單鹵代物(N2H4 · HX，其中X是鹵素，例如氯、溴或碘)。在一些實施方式中，所述燃料電池是胼水合物或溶劑合物。術語“溶劑合物”指由溶質(zhì)(胼或其衍生物)和溶劑形成的可變化學計量(例如， 二 _、三_、四-、五_、六-等)的絡合物，其中所述溶劑不影響溶質(zhì)的電化學活性。術語“水合物”指所述溶劑是水的如上文定義的溶劑合物。為簡略起見，每當本文中提到胼，應理解其包括任何上文所述的衍生物、鹽、水合物以及溶劑合物。因此，本文描述的燃料電池系統(tǒng)還被稱作基于胼的燃料電池，并且包含作為燃料的如本文所述的胼和/或其衍生物、鹽、水合物和溶劑合物。在一些實施方式中，本文所述的燃料電池系統(tǒng)包含胼的前體，即可容易地轉化成胼(例如通過水解)的化合物，并因此原位生成胼。此類前體克服了與基于胼的燃料電池相關的局限性，因為當該燃料電池未工作時，胼保持為更穩(wěn)定和毒性更低的形式，并且因此例如有助于儲存和運輸。在一些實施方式中，所述前體為固體形式。在一些實施方式中，所述前體通過水解和/或熱處理(例如加熱)生成胼。示例性前體是腙。在一些實施方式中，將所述前體保持在與所述燃料電池系統(tǒng)可操作地連接的反應器中。該反應器用于儲存前體和/或生成胼，胼一旦生成即被引入燃料電池中。現(xiàn)參考附圖，圖IA和IB顯示了根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的燃料電池10。在圖IA 和IB顯示的代表性實例中，燃料電池10由陽極室12和陰極室14構成。參考圖1A，電池10通常包括陽極室12、陰極室14和隔膜20。陽極室12包括陽極16和至少部分填充室12的液體燃料組合物44。保持陽極16 或其部分(例如，下部)一直與液體燃料組合物44接觸。陽極16包括電極48和催化劑層 50，催化劑層通常沉積在電極48的表面，優(yōu)選與燃料組合物44接觸的部分。由于電能在陽極室12內(nèi)生成，所以需要具有高表面積催化劑層的陽極。在本文中，包含催化劑層的電極(陽極或陰極)還被稱作含催化劑的電極。因此， 在本發(fā)明的各種示例性實施方式中，陽極16是含催化劑的電極。本發(fā)明一些實施方式的燃料組合物包括溶解于或懸浮于水溶液(例如陽極電解質(zhì))中的如本文所述的胼和/或其衍生物、鹽、水合物或溶劑合物。在這些實施方式中，該水溶液優(yōu)選包含堿性物質(zhì)例如下文詳細論述的堿金屬氫氧化物陰極室14包括陰極18和至少部分填充室14的氧化劑組合物46。保持陰極18或其部分(例如，下部)始終與氧化劑組合物46接觸。陰極18包括電極52和催化劑層M。 催化劑層M通常沉積在電極52的表面，優(yōu)選與氧化劑組合物46接觸的部分。本發(fā)明的氧化劑組合物包含氧化劑并且可選地溶解或懸浮于溶液中(例如陰極電解質(zhì))。所述氧化劑組合物可為液相或氣相。當為氣相(例如空氣中的O2)時，該陰極室還包括用于引入氧化劑的裝置，例如風扇或氣泵(未顯示)?？商鎿Q地，該陰極室可至少部分填充有含氧化劑的溶液。應注意當氧化劑是例如氧(oxygen，氧氣)時，可將它溶于含水組合物中。在本發(fā)明的一些實施方式中，隔膜20包括固體隔膜56和電解質(zhì)膜58。該隔膜根據(jù)需要可為離子傳導性或非傳導性的。當其是離子傳導性的時，該隔膜對于陽離子、陰離子或二者可具有傳導性。在本發(fā)明的各種示例性實施方式中，所述隔膜是非導電性的。在本發(fā)明的各種示例性實施方式中，所述隔膜是陰離子傳導性或羥基傳導性的?？勺鳛橐粋€整體添加至所述陽極室和/或陰極室或所述系統(tǒng)的陽極、陰極、催化劑層、氧化劑、溶液和隔膜以及其他部件的性質(zhì)和特征進一步詳細描述于下文?？烧{(diào)節(jié)陽極、陰極、隔膜、燃料電池壁和其他部件之間的距離并且通常能夠由本領域技術人員確定。圖IB示出了燃料電池10的示例性實施方式。應理解盡管下文的描述是參考圖 1B，但是可將任何所描述的實施方式獨立地并入以上所述和圖IA所顯示的燃料電池中。在本發(fā)明的一些實施方式中，陽極室12包括陽極16、催化劑、燃料組合物和堿性水溶液。在本發(fā)明的各種示例性實施方式中，所述催化劑是銅催化劑。在圖IB顯示的代表性實例中，所述燃料是胼。陰極室14包括陰極18和氧化劑。在圖IB顯示的代表性實例中，所述氧化劑是過氧化氫。在一些實施方式中，陰極室14還包含酸性水溶液。燃料電池10還可包括插入陽極室12和陰極室14之間的隔膜20。在本發(fā)明的各種示例性實施方式中，燃料電池10還包括將電極16和18連接至電負載(electric load)沈的電子導線(電子引線)22和M以便向該電負載提供電能。在這樣的連接之后，電子通過負載26從電極16流向電極18，如圖IB中的箭頭所示?？墒褂门c負載沈串聯(lián)連接的電流測量裝置36測量并可選監(jiān)測在閉合電路中流動的電流。如本領域已知的，如果期望，還可以測量其他參數(shù)例如電壓。在室12內(nèi)的電化學反應過程中，可能產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的氫氣和氮氣，其由涉及燃料分解以及導致氫和氮生成的化學副反應引起。在本發(fā)明的一些實施方式中，燃料電池10 還包括位于電池10的壁40上陽極室12 —側的氣體出口 28，用于從陽極室12排出氫氣和 /或氮氣。本實施方式的一個特別的優(yōu)點在于氫氣可用作例如氫氣驅(qū)動的引擎(發(fā)動機) (未顯示)等內(nèi)的燃料組分。因此，在本發(fā)明的一些實施方式中，例如通過輸氣管30將氫氣輸送至引擎或任何其他外部位置。可選并優(yōu)選用閥門32控制通過出口觀的氫氣流?？墒謩踊蛲ㄟ^控制器34自動操控閥門32。可選并優(yōu)選地，例如通過位于室12內(nèi)的電化學單元38監(jiān)測室12內(nèi)的電化學反應。電化學單元38包含適用于發(fā)生在該燃料電池內(nèi)的電化學過程的催化劑層。該催化劑可與陽極16的催化劑層相同或不同。單元38可構造成用于測量與電池10的運行和/或狀態(tài)相關的任何參數(shù)。這些參數(shù)包括但不限于表示燃料濃度和/或粘度的E。。p等。由單元 38生成的電信號例如可通過通信線42傳輸至遠距離位置(未顯示)。在一些實施方式中，如本文所述的燃料電池系統(tǒng)還包括向陽極室提供燃料的室， 其與該陽極室可操作地連接并且被構造成用于向陽極提供燃料組合物。在一些實施方式中，所述燃料電池系統(tǒng)還包括向陰極室提供氧化劑的室，其與陰極室可操作地連接并且被構造成用于向陰極提供氧化劑組合物。在一些實施方式中，將如本文所述的燃料電池系統(tǒng)構造成電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)不包括用于提供燃料和/或氧化劑的室。在一些實施方式中，本文所述的燃料電池系統(tǒng)是液體直接燃料電池。在一些實施方式中，本文所述的燃料電池系統(tǒng)可在室溫下運行，盡管也考慮了更高的溫度。如上文所描述，所述陰極室包含氧化劑。本發(fā)明人已證明利用胼作為燃料并且利用過氧化物例如過氧化氫作為氧化劑的燃料電池可以高效率運行。因此，根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一方面，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括包含作為燃料的胼或其衍生物、鹽、水合物或溶劑合物的陽極室，包含作為氧化劑的過氧化物的陰極室和插在陽極室和陰極室之間的隔膜。在一些實施方式中，被用作陰極室中的氧化劑的過氧化物是過氧化氫。如上文所述，過氧化氫是高效的氧化劑。然而，還設想其他過氧化物，包括但不限于過氧化苯甲酰、過氧化二異丙苯、過氧化月桂酰等。所述陰極室可以進一步包含過氧化物溶解于其中的電解質(zhì)水溶液。這樣的組合物在本文中還被稱作氧化劑組合物。在一些實施方式中，所述氧化劑組合物包括如下文進一步詳細描述的酸。根據(jù)本發(fā)明這些實施方式的燃料電池是基于燃料(例如胼)的陽極氧化和過氧化物(例如過氧化氫)的陰極氧化，如以下等式所示 (A)陽極NH2NH2+40F — N2+4H20+4e"(B)陰極2H2A+4H++4e- — 4H20(C)整體NH2NH2+2H2A — N2+4H20如下文實施例部分所例證，本發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)當使用不為鉬(Pt)或鉬族金屬 (PGM)的催化劑時基于胼的燃料電池表現(xiàn)出提高的性能。因此，根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的一方面，提供了燃料電池，其包括包含作為燃料的如本文所述的胼或其衍生物、鹽、溶劑合物或水合物的陽極室，包含氧化劑的陰極室以及如本文所述插在陽極室和陰極室之間的隔膜，其中陽極和陰極中的至少一個包含不含鉬 (Pt)或鉬族金屬(PGM)的催化劑層。如本文和本領域所使用，縮寫為PCM的短語“鉬族金屬”統(tǒng)稱在周期表中聚集在一起的六種金屬元素，包括釕、銠、鈀、鋨、銥和鉬。在一些實施方式中，陽極和陰極均包含不含鉬(Pt)或鉬族金屬(PGM)的催化劑層。如本文全文所使用，短語“不含”包括存在微量的所指物質(zhì)(例如小于0. 1重量％、 小于0. 01重量％和小于0. 001重量％ )以及完全不存在所指物質(zhì)。與基于含氫化物的燃料并使用Pt或PGM作為催化劑的燃料電池相關的缺陷以及與在任何燃料電池系統(tǒng)中使用Pt或PGM作為催化劑相關的缺陷列于上文。因此，陽極和陰極中的至少一個不含這樣的催化劑的燃料電池至少避開了一些與這些催化劑相關的不足。使用不含Pt或PGM的催化劑的優(yōu)點的非限制性實例為能夠使用包含堿溶液的燃料組合物，所述堿性溶液中堿性物質(zhì)的濃度可比Pt或PGM催化劑所要求的低10倍(數(shù)量級)。另外，出于成本考慮，有利地避免Pt或PGM。例如鉬被認為是如下文所定義的貴重金屬。Pt和PGM的另外的缺點在于它們廣泛催化胼的化學分解并且可被各種環(huán)境物質(zhì)毒化。因此使用不含Pt或PGM的陽極和陰極中的至少一個是有利的。但是已知Pt和PMG催化劑在燃料電池反應中表現(xiàn)出非常好的過電勢。因此，本發(fā)明人在替代性催化劑的研究中驚訝地發(fā)現(xiàn)當使用胼作為燃料并且使用 Au族金屬即金(Au)、銀(Ag)或銅(Cu)作為催化劑時，該電池的性能至少與含Pt-和PMG 的電極相似。本發(fā)明人還驚訝地發(fā)現(xiàn)當使用包含銅的催化劑層時實現(xiàn)了燃料電池的最有效性能。因此，根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一方面，提供了燃料電池系統(tǒng)，其包括包含作為燃料的如本文所述的胼或其衍生物、鹽、水合物或溶劑合物的陽極室，包含如本文所述的氧化劑或氧化劑組合物的陰極室以及插在陽極和陰極室之間的隔膜，其中所述陽極包括包含如本文詳述的銅或其合金的催化劑層。在一些實施方式中，用作催化劑層的銅具有大于99%、大于99.9%、甚至大于 99. 99%的純度。在一些實施方式中，使用銅的合金。該合金包含例如按重量比為0.01%-5%或 0.01% -2%，或0.01% -1%的不同于銅的金屬(或任何其他物質(zhì))。因為銅是非貴重金屬并且由于其具有相對氧化的趨勢所以還認為它是非貴金屬， 它在構造燃料電池中的使用是低成本的并因此是有利的。另外，如下文的實施例部分所示， 已發(fā)現(xiàn)當使用包含作為催化劑的銅的陽極時如本文所述的基于胼的燃料電池系統(tǒng)表現(xiàn)出提高的性能。在一些實施方式中，所述陽極包括由銅組成的催化劑層。該催化劑層可以為例如板、桿、網(wǎng)、顆?；蛭⒘５男问健Ｒ苍O想其他形式。當為網(wǎng)形式時，在一些實施方式中，所述網(wǎng)的特征為具有0. Imm-Imm的網(wǎng)格。該網(wǎng)還可以由直徑為50-100μπι的金屬絲(絲，wire)組成。可調(diào)節(jié)網(wǎng)格內(nèi)金屬絲的數(shù)量和密度以獲得期望的參數(shù)(例如表面積)。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述網(wǎng)的特征為具有高表面積(與例如板或桿相比)并且可認為具有與微粒相似的形態(tài)。在一些實施方式中，所述含銅或其合金的催化劑層是顆粒形式。在一些實施方式中，所述含銅或其合金的催化劑層具有微觀結構或納米結構?！拔⒂^結構”表示所述催化劑層包含微?；蚓哂信c微粒相似的形態(tài)學性質(zhì)，如本文所述的網(wǎng)結構的情況。如本文所使用，“微?！泵枋龀叽缧∮?，000微米(μπι)的任何形狀的顆粒。如本文所使用，“納米顆?！泵枋龀叽缧∮?，OOOnm的任何形狀的顆粒?！凹{米結構”表示所述催化劑層包含納米顆粒或具有與例如通過形成網(wǎng)納米結構獲得的微粒相似的形態(tài)學性質(zhì)。在一些實施方式中，所述含銅或其合金的催化劑層為納米顆粒的形式。在一些實施方式中，所述納米顆粒的尺寸為10nm-500nm。該納米顆?？梢允菆A形(例如球形)納米顆粒，或者可以是例如尺寸為IO-IOOnm的納米棒，或者是例如尺寸為IO-IOOnm的納米線。 當使用球形納米顆粒時，通常將該納米顆粒沉積在載體上，優(yōu)選傳導性載體例如碳載體、鈦載體或Ni-泡沫載體，或者沉積在Cu電極上。在一些實施方式中，球形納米顆粒的直徑為例如lO-lOOnm。所述納米顆粒還可包括圓形、納米棒和/或納米絲的混合物。使用納米顆粒形式的催化劑層可提供增大的催化劑層表面積，并且還提供納米粗糙度，這賦予電池提高的電化學性質(zhì)，如下文實施例部分所例證(參見例如實施例2)。如下文實施例部分(參見，例如，實施例2)進一步詳細描述，本發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)使用銅納米顆粒作為催化劑層得到燃料電池的電化學性能的協(xié)同作用(參見，例如圖4)。不受任何具體理論的限制，已經(jīng)表明使用銅顆粒作為催化劑時獲得的提高的性能歸因于其高表面積和含Cu(II)(還稱作Cf2離子)物質(zhì)的存在，所述含Cu(II))物質(zhì)充當電子轉移介質(zhì)并影響胼氧化，與在均相催化中所報導的它們的作用相似(參見，例如Corey 等人，同上)。進一步不受任何具體理論的限制，研究表明當使用銅納米顆粒作為催化劑層時，通過同時發(fā)生的胼還原Cu(II)至Cu°和Cu(II)催化的胼氧化調(diào)節(jié)Cd ^ Cu(H)平衡。因此，研究表明使用包含Cu納米顆粒的催化劑層(如含Cu納米顆粒的電極中)， 在電極表面上獲得CU°/CU(II)系統(tǒng)。因此，根據(jù)本發(fā)明實施方式的一方面，提供了燃料電池，其包括包含作為燃料的如本文所述的胼或其衍生物、鹽、水合物或溶劑合物的陽極室，包含如本文所述的氧化劑或氧化劑組合物的陰極室以及插在陽極和陰極室之間的隔膜，其中所述陽極包括包含如本文詳述的銅納米顆粒或含銅的微觀結構或納米結構的催化劑層。在本文描述的每一個實施方式中，燃料電池系統(tǒng)中的陰極可包括任何適合用于基于胼的燃料電池的催化劑層和相應的氧化劑，用以催化該氧化劑的電還原。適合用于本發(fā)明這些實施方式的背景中的示例性催化劑層包括但不限于包含銅、 銀、金或金、銀和銅中的至少一種或兩種的合金的催化劑層；包含鉬或PGM的催化劑層；包含鈷、鎳、鐵或其他適合的金屬的催化劑層；包含適合的過渡金屬的氧化物的催化劑層；包含適合的過渡金屬的金屬絡合物的催化劑層；以及包含非金屬物質(zhì)的催化劑層，如下文詳述。在一些實施方式中，所述陰極包括作為非金屬物質(zhì)或包含非金屬物質(zhì)的催化劑層。如本文所使用，短語“非金屬物質(zhì)”包括任何不含未與配體配位結合的非結合金屬，即在其零氧化態(tài)的金屬的化合物。因此短語“非金屬物質(zhì)”包括例如有機物、無機物和金屬絡合物。在一些實施方式中，所述非金屬物質(zhì)能夠充當電子轉移介質(zhì)。在本文中與“電子轉移介導物質(zhì)”或“電子轉移介導劑”互換使用的短語“電子轉移介質(zhì)”描述能夠通過例如其電子構型的可逆變化參與氧化還原反應的物質(zhì)。因此，電子轉移介質(zhì)通常是能夠形成氧化還原對的化合物，或者換言之混合價化合物?？沙洚旊娮愚D移介質(zhì)并且適合用于本發(fā)明的實施方式的背景中的示例性有機物質(zhì)包括但不限于醌或其衍生物、傳導性有機鹽或紫精。代表性的實例包括但不限于7，7，8，8_四氰基對醌二甲烷、四硫富瓦烯、N-甲基吖啶鐺、四硫并四苯(tetrathiatetracene)、N-甲基吩嗪鐺、氫醌、3_ 二甲基氨基苯甲酸、
3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙、2-甲氧基-4-烯丙基苯酚、4-氨基安替比林、二甲基苯胺、
4-氨基安替比林、4-甲氧基萘酚、3，3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺、2，2_連氮-雙-[3-乙基苯并噻唑啉磺酸]、ο-鄰聯(lián)二茴香胺、ο-甲苯胺、2，4- 二氯苯酚、4-氨基比林以及聯(lián)苯胺。如本文所使用，在本文和本領域中還被稱作“配位化合物”的短語“金屬絡合物”描述具有通過配位鍵與其結合的一個或多個配體的金屬。通常，金屬絡合物中的金屬是離子化的，并且通常該金屬被離子化使得其氧化態(tài)高于其天然形式(非離子化的)。配位鍵的數(shù)量取決于金屬離子和配體的大小、電荷和電子構型。金屬絡合物中的金屬可以是周期表中的任何金屬，包括堿金屬、堿土金屬、過渡金屬、錒系元素、鑭系元素等。在一些實施方式中， 所述金屬是過渡金屬。如本文所使用，短語“金屬絡合物”包括絡合物中的配體是無機物(例如-OH、-NO、-CO、-CN等)的無機絡合物和絡合物中至少一個配體是有機物(例如茂基、乙烯等)的有機絡合物。
如本文所使用，短語“金屬絡合物”不包括未與至少一個配體配位結合的金屬。在一些實施方式中，本文描述的金屬絡合物能夠充當電荷轉移介質(zhì)，例如本文所述的電子轉移介質(zhì)。短語“電子轉移介質(zhì)”在其本發(fā)明實施方式的背景中描述如本文所述的、其中的金屬、配體或二者均可參與氧化還原反應的金屬絡合物?？蓞⑴c氧化還原反應的示例性配體包括具有兩個孤電子對的配體，其可充當兩個配位中心之間的橋連配體，從而使電子能夠從一個中心轉移至另一個中心?？蓞⑴c氧化還原反應的示例性金屬包括具有兩個或更多個氧化態(tài)的金屬。非限制性實例包括鐵(Fe+2/Fe+3)、鉻(Cr)、鎳(Ni)和鈷(Co)。 在一些實施方式中，本文描述的金屬絡合物可以通過包含如本文所述的可以以兩個或多個氧化態(tài)存在的金屬而充當電子轉移介質(zhì)。非限制性實例包括鐵絡合物例如普魯士藍、二茂鐵、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀、二甲基二茂鐵、二茂基鐵、二茂鐵-一元羧酸、鎳絡合物例如二茂鎳。還設想其他過渡金屬絡合物。在一些實施方式中，本文所述金屬絡合物是鐵絡合物。在一些實施方式中，本文所述金屬絡合物是普魯士藍(無機電子轉移介導金屬絡合物)。在一些實施方式中，本文所述金屬絡合物是二茂鐵(有機電子轉移介導金屬絡合物)。在一些實施方式中，將本文所述的非金屬物質(zhì)沉積在有機傳導性載體上，通常為碳載體，例如但不限于碳布、碳箔、碳氈、碳紙和玻璃碳以及石墨棒、顆?；蚓W(wǎng)狀玻璃碳 (RVC)，因此形成非金屬電極。還設想其他有機的、無機的或金屬的傳導載體。在一些實施方式中，非金屬(例如基于碳的)電極中的非金屬催化劑層的量為按該電極總重量計0.01% -1.5%。如下文的實施例部分(參見實施例3)所表明，本發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)包含沉積在陰極的碳載體上的金屬絡合物作為催化劑的基于胼的燃料電池表現(xiàn)出杰出的性能。包含作為催化劑層的非金屬物質(zhì)和有機載體的電極成本非常低，特別是當與含貴重金屬的電極比較時，并還具有方便制備和儲存的
因此，根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一方面，提供了燃料電池系統(tǒng)，其包括包含如本文所述的作為燃料的胼或其衍生物的陽極室，包括包含為非金屬物質(zhì)的催化劑層的陰極的陰極室，以及如本文所述的隔膜。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述組成陰極中的催化劑層的非金屬物質(zhì)是如本文所述的金屬絡合物。 在一些實施方式中，所述金屬絡合物是二茂鐵。在一些實施方式中，所述金屬絡合物是普魯士藍。在一些實施方式中，每當燃料電池系統(tǒng)中的陰極包括如本文所述的包含金屬絡合物或任何其他非金屬物質(zhì)的催化劑層時，所述陽極可包含適合用于基于胼的燃料電池的任何催化劑層。適合用于本發(fā)明的這些實施方式的背景中的示例性陽極催化劑層包括但不限于如本文所述的銅、金、銀以及金、銀和銅中的至少一種或兩種的合金；以及Pt或PGM催化劑。
在一些實施方式中，所述陽極包括包含銅，金，銀以及金、銀和銅中的至少一種或兩種的合金的催化劑層。在一些實施方式中，所述陽極包括包含如本文所述的銅的催化劑層。在一些實施方式中，所述陽極包括包含如本文所述的銅納米顆粒或含銅的微觀結構或納米結構的催化劑層。本發(fā)明人因此設計并成功制備和實施了其中陽極和陰極中的至少一個，或甚至陽極和陰極二者為非貴金屬或金屬絡合物的燃料電池系統(tǒng)。因此，根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一方面，提供了燃料電池系統(tǒng)，其包括包含作為燃料的胼或其衍生物的陽極室、陰極室以及插在陽極室和陰極室之間的隔膜，其中陽極和陰極中至少之一包括包含非貴金屬和/或非金屬物質(zhì)的催化劑層。根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一方面提供了燃料電池系統(tǒng)，其包括包含作為燃料的胼或其衍生物的陽極室、陰極室以及插在陽極室和陰極室之間的隔膜，其中陽極和陰極中至少之一包括不含如本文定義的貴金屬的催化劑層。因此，根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一方面提供了燃料電池系統(tǒng)，其包括包含作為燃料的胼或其衍生物的陽極室、陰極室以及插在陽極室和陰極室之間的隔膜，其中陽極和陰極中至少之一包括包含如本文定義的非貴重金屬和/或非金屬物質(zhì)的催化劑層。根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一方面提供了燃料電池系統(tǒng)，其包括包含作為燃料的胼或其衍生物的陽極室、陰極室以及插在陽極室和陰極室之間的隔膜，其中陽極和陰極中至少之一包括不含如本文定義的貴重金屬的催化劑層。如本文和本領域所使用，短語“貴金屬(noble metal) ”描述對化學反應特別是對涉及離子化的化學反應例如氧化和例如由無機酸引起的溶出具有顯著耐性的金屬元素。非限制性實例包括鉬、金和銀。短語“貴金屬”包括貴重金屬。短語“貴重金屬(precious metal) ”描述具有高經(jīng)濟價值的稀有金屬元素，例如金和鉬。短語“非貴金屬”包括未被定義為貴金屬并且易于發(fā)生化學反應例如氧化和通過例如無機酸的溶出的所有金屬元素。短語“非貴金屬”包括除例如金、銀和鉬之外的金屬元
ο短語“非貴重金屬”描述了不具有高經(jīng)濟價值的金屬元素，并包括除例如金和鉬之外的金屬元素。在一些實施方式中，所述非金屬物質(zhì)是如本文所述的包括有機金屬絡合物和無機絡合物在內(nèi)的金屬絡合物或有機物質(zhì)。在一些實施方式中，所述陽極包括包含非貴金屬或非貴重金屬的催化劑層。在一些實施方式中，所述非貴金屬和/或所述非貴重金屬是銅。已知銅是非貴重金屬并且在本文中被定義為非貴金屬，因為它相對易于氧化。
因此，在一些實施方式中，所述陽極包括包含銅或其合金的催化劑層。在一些實施方式中，當所述陽極包含非貴金屬和/或非貴重金屬時，所述陰極包含本文所述的任何催化劑層。在一些實施方式中，陽極和陰極均包括包含如本文所述的非貴金屬或非貴重金屬和/或非金屬物質(zhì)的催化劑層。在一些實施方式中，所述陰極包括為如本文所述的非金屬物質(zhì)的催化劑層。在一些實施方式中，所述陽極包含如本文所述的任何催化劑層。在一些實施方式中，陽極和陰極各包括包含如本文所述的非貴金屬、非貴重金屬和/或非金屬物質(zhì)的催化劑層。在一些實施方式中，所述陽極包括包含銅的催化劑層并且所述陰極包括包含如本文所述的非金屬物質(zhì)的催化劑層。在一些實施方式中，所述非金屬物質(zhì)是如本文所述的金屬絡合物。在一些實施方式中，所述非金屬物質(zhì)是鐵絡合物，例如二茂鐵或普魯士藍。因此，根據(jù)本發(fā)明一些實施方式提供了燃料電池系統(tǒng)，其包括陽極室、陰極室以及如本文所述插在陽極室和陰極室之間的隔膜，其中該陽極室包含如本文所述的胼或其衍生物以及陽極，該陽極包括包含如本文所述的銅或其合金的催化劑層，該陰極室包括陰極，其中所述陰極包括包含如本文所述的非金屬物質(zhì)(例如金屬絡合物如鐵絡合物)的催化劑層。在任何本文所述的燃料電池系統(tǒng)中，所述陰極室還包含氧化劑。在一些實施方式中，所述氧化劑是如本文所述的過氧化物。 還設想適合與胼燃料組合使用的其他氧化劑。合適的氧化劑的實例是氧?？梢酝ㄟ^向燃料系統(tǒng)供給空氣以氣體的方式提供氧或通過提供氧溶于其中的水溶液以氧化劑組合物提供氧。在任何本文所述的燃料電池中，構成陽極和陰極的電極由傳導性材料制成，例如碳、石墨、陶瓷、傳導性聚合物、傳導性金屬等?？蓪⑺鰝鲗圆牧嫌米鬏d體材料的涂層或構成電極。涂覆在其上并不沉積有催化劑層的電極的一部分的電絕緣層是可選的。在一些實施方式中，將不透氣層沉積在催化劑層上或整個電極上。其上沉積了催化劑層以形成陽極或陰極的示例性載體材料包括如上文所述的碳載體材料、鎳網(wǎng)、鎳泡沫等。所述電極可以是商購電極或可以根據(jù)需要制備或改造。在一些實施方式中，所述陽極和/或陰極是化學修飾的電極，即通過與例如含胺的和/或含硫的化合物反應被進一步改性的由上文所述的合適的傳導性材料(導電材料) 制成的電極。非限制性實例包括取代或未取代的苯胺或吡啶?；瘜W修飾電極可獲自銷售商或可以按需要制備。在一些實施方式中，進行電極的化學修飾以防止不期望的反應。例如，當使用胼或其衍生物作為燃料時，會在陽極室中發(fā)生胼被分解使得產(chǎn)生氮氣和氫氣的副反應。這一反應是不期望的，因為它是化學破壞反應，其中一些燃料不可逆地發(fā)生化學反應，這導致燃料濃度降低并因此降低了電池的效率。這一反應是進一步不期望的，因為氫和/或氮發(fā)展為氣體降低了電池的效率。因此，在一些實施方式中，所述陽極被已知抑制上述化學破壞反應的物質(zhì)進行化學改性。在任何本文所述的燃料電池系統(tǒng)中，所述陽極室包括具有沉積在其上的催化劑層和充當如本文所述的燃料組合物的水溶液的陽極。陽極室中的燃料電池組合物包含如本文所述的燃料和充當陽極電解質(zhì)溶液的水溶液。在一些實施方式中，所述水溶液是堿性水溶液。在一些實施方式中，所述堿性水溶液包含堿金屬氫氧化物。如上文的等式A-C所示，氫氧根離子參與了電化學反應。堿金屬氫氧化物可以是例如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰、氫氧化鎂、氫氧化鈣、 氫氧化鍶和/或氫氧化鋇。在一些實施方式中，所述堿金屬氫氧化物是氫氧化鈉。在一些實施方式中，水溶液中堿金屬氫氧化物的濃度是0. 1M-6M。如上文所述，當使用不含Pt或LGM的催化劑時，可使用較低濃度的氫氧根離子，因為不需要穩(wěn)定Pt催化劑。因此，在一些實施方式中，堿金屬氫氧化物的濃度為0. 1M-3M。應注意盡管可以使用較低濃度的堿金屬氫氧化物，但是太低的濃度會影響電化學反應的動力學并將電化學反應和上文所述的不期望的化學破壞反應之間的平衡向不期望的副反應方向移動。在一些實施方式中，堿金屬氫氧化物的濃度使得燃料組合物的pH為6. 8-14或 8-14。如果8-11的pH是期望的，則通常使用諸如氫氧化鋰、氫氧化鈉和氫氧化鉀的堿金
屬氫氧化物。如果11-14的pH是期望的，則通常使用諸如氫氧化鎂、氫氧化鈣和氫氧化鋇的堿
金屬氫氧化物。在一些實施方式中，所述燃料電池組合物除堿金屬氫氧化物之外或者代替堿金屬氫氧化物還包含堿金屬硫酸鹽例如硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸鎂、硫酸鈣和硫酸鋇。在一些實施方式中，本文所述的水溶液(陽極電解質(zhì)溶液；燃料組合物)中燃料的濃度為0.0IM至飽和溶液。燃料的濃度還由控制電化學反應和不期望的化學破壞反應之間的平衡的需要決定。在高燃料濃度時，化學破壞反應的程度可以增加。在一些實施方式中，燃料組合物中燃料的濃度是0. 01M-10M或0. 01M-1M,或 0. 1M-1M,或 0. 1M-0. 5M,或 0. 1M-10M,或 1M-10M?？商鎿Q地，燃料組合物中燃料的濃度是約1 % (w/v)-約95 % (w/v)，或約1 % (w/ ν)-約 40 % (w/v)，或約 3 % (w/v)-約 30 % (w/v)。陽極室中的燃料組合物可進一步包含表面活性劑以防止或降低氫氣和/或氮氣的釋放。這些表面活性劑在組合物中的濃度可以為按重量計0. 001 % -1 %，或 0. 001% -0. 1%，或0. 001% -0. 01%。示例性合適的表面活性劑包括但不限于四烷基銨化合物和/或脂肪族胺。在一些實施方式中，所述陰極室包含酸性水溶液，其與過氧化物氧化劑一起形成氧化劑組合物。所述水溶液包含濃度為0. 5M-5M的酸，優(yōu)選無機酸。在一些實施方式中，酸的濃度使得水溶液的PH為2-5或2-4或為約3。在一些實施方式中，所述氧化劑組合物包含HCl、H2SO4或其混合物。
在一示例性實施方式中，所述氧化劑組合物包含濃度為0. 22M的HCl和濃度為3M 的 H2SO4。在一些實施方式中，當所述氧化劑是過氧化物時，水溶液中過氧化物氧化劑的濃度為 0.5% w/v-25 % w/v，或 0. 5 % w/v-20 % w/v，或 0. 5 % w/v-10 % w/v，或 0. 5 % w/v-5 % w/Vo在一些實施方式中，所述氧化劑組合物還包含可以防止氧氣(氣泡)釋放的表面活性劑。該物質(zhì)的濃度可為按重量計0.001% -1%或0.01% -1%。在一些實施方式中，陽極室和/或陰極室的電解質(zhì)水溶液(分別是燃料電池組合物和/或氧化劑組合物)還可包含有機溶劑。加入有機溶劑對于防止或減少氫氣和/或氮氣(在陽極中)和/或氧氣(在陰極中)以氣泡釋放是有利的。在一些實施方式中，有機溶劑的濃度可以在按該組合物的總重量計-30%的范圍內(nèi)。適合用于本發(fā)明實施方式的背景中的示例性有機溶劑包括但不限于二甲基甲酰胺(DMF)、乙二醇(EG)、二甲亞砜(DMSO)和乙腈(AN)。在任何本文所述的燃料電池中，將隔膜插入陽極室和陰極室之間。所述隔膜充當陽極室和陰極室之間的屏障并且通常是離子滲透性的(離子傳導性)和電子非滲透性的(電子非傳導性)。因此，隔膜通常是電子非傳導的和離子傳導的。在本文中還可以將隔膜稱作電解質(zhì)膜。在一些實施方式中，所述隔膜是固體隔膜或固體電解質(zhì)膜。在一些實施方式中，所述隔膜是堿性陰離子交換膜，其使得可以轉移陰離子例如 0H—，但是對于其他陰離子和諸如質(zhì)子的陽離子是非滲透性的。任何可獲得的堿性陰離子交換膜均可用于本發(fā)明的這些實施方式的背景中，包括作為非限制性實例的基于碳的膜和基于鎳的膜。在一些實施方式中，所述固體電解質(zhì)膜是Nafion膜，優(yōu)選Nafion雙層膜例如 Nafion 112,Nafion 115,Nafion 117 和 Nafion 119 以及 Nafion 系列 900-2000 中的任何膜。在一些實施方式中，所述固體電解質(zhì)膜是聚丙烯膜(例如孔徑小于0. Ιμπι的聚丙烯微孔膜)。在一些實施方式中，所述固體電解質(zhì)膜是用Nafion溶液(例如乙醇中按重量計 0. 05% -0. 5%的Nafion)潤濕的聚丙烯膜。如下文的實施例部分所示，如本文所述的基于胼的燃料電池系統(tǒng)表現(xiàn)出高效率。在一些實施方式中，如本文所述的燃料電池系統(tǒng)表現(xiàn)出高于1伏特、高于1. 5伏特，并且甚至高于1. 7伏特的開路電勢(Era)。在一些實施方式中，如本文所述的燃料電池系統(tǒng)表現(xiàn)出等于或大于0. 1瓦特的功率輸出(W)。在一些實施方式中，所述功率輸出高于100mW/cm2、高于150mW/cm2、高于200mW/ cm、并且甚至高于500mW/cm2 (例如600mW/cm2)。還設想更高的功率輸出值。在一些實施方式中，如本文所述的燃料電池表現(xiàn)出高放電電勢。例如，所述燃料電池在lOOmA/cm2的電流密度下表現(xiàn)出高于1伏特、高于1. 2伏特、高于1. 5伏特、并且甚至高于1.7伏特(例如1.75伏特)的放電電勢。還設想更高的放電電勢值。
在一些實施方式中，如本文所述的燃料電池產(chǎn)生高電流。例如，所述燃料電池表現(xiàn)出高于100mA/cm2、高于200mA/cm2、高于500mA/cm2，并且甚至是1. 5A/cm2和更高的電流密度。還設想更高的電流密度值。如上文所述，任何本文所述的燃料電池系統(tǒng)使用胼或其衍生物、鹽、水合物或溶劑合物以便產(chǎn)生電力(能量)。因此，根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一方面提供了一種產(chǎn)生電力的方法，其通過使胼或其衍生物、鹽、水合物或溶劑合物與如本文所述的氧化劑(例如過氧化物)發(fā)生電化學反應實現(xiàn)。在一些實施方式中，所述電化學反應在本文所述的燃料電池系統(tǒng)中進行。在一些實施方式中，通過以下方式實現(xiàn)該方法向所述系統(tǒng)的陽極室提供如本文所述的燃料組合物，向所述陰極室提供如本文所述的氧化劑組合物以及在需要電時或按所需持續(xù)提供這些組分使得該系統(tǒng)作為燃料電池運行?？赏ㄟ^本領域已知的任何方法(例如通過泵、管道等)實現(xiàn)向燃料電池的各室提供燃料和氧化劑組合物。在一些實施方式中，通過利用該系統(tǒng)作為電池來實現(xiàn)該方法，使得僅在使用前提供燃料。根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一方面提供了運行燃料電池的方法，其通過以下方式實現(xiàn)使燃料電池的陽極室與包含如本文所述的作為燃料的胼或其衍生物、鹽、水合物或溶劑合物的電解質(zhì)溶液接觸，并且同時使燃料電池的陰極室與包含如本文所述的氧化劑的陰極電解質(zhì)溶液接觸，使所述燃料和所述氧化劑發(fā)生電化學反應。在一些實施方式中，所述燃料電池是任何本文所述的燃料電池系統(tǒng)?？赏ㄟ^將陽極和陰極置于各自的組合物中或如上文所述通過向燃料電池的各室提供本文所述的燃料組合物和氧化劑組合物實現(xiàn)接觸。如本文進一步論述，本發(fā)明人設計并成功制造和實施了包含作為催化劑層的如本文所述的銅納米顆粒的電極。根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一方面，提供了燃料電池系統(tǒng)，其如本文所述包括陽極室、陰極室和插在陽極室和陰極室之間的隔膜，其中陽極和陰極中至少之一包括包含銅納米顆粒的催化劑層。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施方式提供了生產(chǎn)具有包含銅納米顆粒的催化劑層的電極的方法。通過以下方式實現(xiàn)該方法使具有包含銅的催化劑層的電極與含銅鹽和堿的溶液接觸，由此獲得涂覆至所述電極的銅鹽層；并且使具有涂覆在其上的銅鹽層的電極與次膦酸或其鹽接觸，由此生產(chǎn)所述電極。本發(fā)明人已使用已知的產(chǎn)生銅納米顆粒的方法在銅電極上生成了銅納米顆粒。其上生成銅納米顆粒的含銅電極可為任何商購的或?qū)嶒炇抑苽涞碾姌O并且可以是例如板、桿或網(wǎng)的形式。在一些實施方式中，所述電極是如本文所述的網(wǎng)電極。用于形成電極上的銅鹽的溶液優(yōu)選是水溶液。示例性銅鹽包括但不限于硫酸銅、 氯化銅和乙酸銅。在一些實施方式中，所述水溶液包含氨作為堿。然而。還設想其他的堿。KOH是一個非限制性的實例。
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在一些實施方式中，電極與銅鹽溶液的接觸是通過加熱用所述溶液浸濕的電極實現(xiàn)的。加熱可在50-80°C下進行。在一些實施方式中，具有沉積在其上的銅鹽的電極與次膦酸的接觸是通過加熱實現(xiàn)的。加熱可在50-80°C下進行。用次膦酸或其鹽還原銅鹽并同時生成銅納米顆粒。示例性的鹽是NaH2P02。還設想其他鹽以及其他相容的還原劑。與本文所述方法相關的另外的細節(jié)提供在下文實施例部分的實施例2中。包括包含如本文所述的銅納米顆粒的催化層的電極可用于構建膜電極組件(MEA) 用于除燃料電池之外的其他目的。任何本文所述的燃料電池系統(tǒng)可用于許多應用中。通?？蓪⑺鋈剂想姵夭⑷肴魏坞娏︱?qū)動的或混合電力(即由電和至少另外一種形式的能量驅(qū)動的)系統(tǒng)或裝置中，或可與操縱它的系統(tǒng)或裝置電連通。并入如本文所述的燃料電池或由本文所述的燃料電池提供燃料的系統(tǒng)和裝置可以是固定的或移動的，可攜帶的或不可攜帶的。在一些實施方式中， 將所述燃料電池系統(tǒng)并入適合向電驅(qū)動的系統(tǒng)或裝置提供電力的電源中。所述燃料電池的尺寸、形狀和輸出優(yōu)選適合消耗其能量的應用。本文中短語“電驅(qū)動的系統(tǒng)或裝置”和“耗電系統(tǒng)和裝置”可互換使用。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式可并入燃料電池或可攜帶電源的一類應用是電子裝置。此類裝置的代表性實例包括但不限于便攜式電話、個人電腦、筆記本電腦、便攜式充電器、呼叫器、PDA、數(shù)碼相機、游戲機、煙霧探測器、助聽器、便攜式TV、夜視護目鏡、便攜式 GPS裝置、便攜式發(fā)光裝置、玩具、計算機外圍設備、家用電器、無線家用電機、工業(yè)產(chǎn)品、移動設備、機器人、無線工具(例如鉆機、鋸)。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式可并入燃料電池或可攜帶電源的另一類應用是電驅(qū)動的或混合電力運載工具。適合本實施方式的運載工具(vehicle，交通工具)的實例是汽車，例如但不限于轎車、公共汽車、叉式升降機、賽格威車(segway)、摩托車、電動代步車、兩輪、三輪或四輪踏板車、鞍乘型車輛(saddle-ride type vehicle)。另一實例是無人駕駛的運載工具，例如但不限于自動割草機、自動泳池清潔器等。另一實例是高空有人或無人運載工具，例如但不限于飛機、高海拔飛機、火箭、平流層飛機和太空飛船。又一實例是有人或無人的水底或水上運載工具。本文所述燃料電池還可并入到分配電源中，例如但不限于房屋的(熱電)聯(lián)供系統(tǒng)或固定式發(fā)電裝置、工業(yè)設施、公用結構。還設想通常用于緊急狀況的各種應用，包括但不限于急救盒、緊急電源、應急燈、備用發(fā)電機等。本文所述的燃料電池系統(tǒng)還可用作某一位置內(nèi)例如但不限于太空飛船、氣象站、 公園、郊區(qū)等的電源的組件。根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的燃料電池系統(tǒng)可以是小巧且輕質(zhì)的。本文所述的燃料電池系統(tǒng)還可用于組合熱電系統(tǒng)。該實施方式的燃料電池系統(tǒng)可用于產(chǎn)生電力并同時從廢熱產(chǎn)生熱空氣和水。在一些實施方式中，本文所述的燃料電池系統(tǒng)可用于為本文所述的電驅(qū)動或耗電系統(tǒng)或裝置供電的方法中。所述供電可通過在燃料電池系統(tǒng)和耗電系統(tǒng)或裝置之間建立電連通(例如連接)實現(xiàn)。
如本文所使用，短語“燃料電池”、“燃料電池裝置”和“燃料電池系統(tǒng)”可以互換使用。如本文所使用，術語“約”指士 10 %。術語“包含”、“含”、“包括”、“具有”以及它們的組合表示“包括但不限于”。術語“由...組成”表示“包括并限于”。術語“基本上由...組成”表示所述組合物、方法或結構可能包括另外的成分、步驟和/或部分，但是所述另外的成分、步驟和/或部分不會實質(zhì)改變所要求的組合物、方法和結構的基本和新的特征。詞語“示例性的”在本文中表示“作為實例、例子或舉例說明”。不必將描述為“示例性的”任何實施方式理解為與其他實施方式相比是優(yōu)選的或更好和/或排除其他實施方式的特征。詞語“可選的”在本文中表示“提供于一些實施方式中并且未提供于其他實施方式中”。任何本發(fā)明的具體實施方式
可包括多個“可選的”特征，除非這些特征相互沖突。如本文所使用，單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”包括復數(shù)指代物，除非上下文另外指明。例如，術語“化合物”或“至少一種化合物”可包括多種化合物，包括它們的混合物。在整個本申請中，本發(fā)明的各種實施方式可以范圍形式表示。應理解范圍形式的描述僅為方便和簡潔起見并且不應理解為對本發(fā)明范圍的嚴格限制。因此，應認為范圍的描述包括具體公開的所有可能的亞范圍以及該范圍內(nèi)的單個數(shù)值。例如應認為例如1-6的范圍描述包括具體公開的亞范圍例如1-3、1-4、1-5、2-4、2-6、3-6等，以及該范圍內(nèi)的單個數(shù)值，例如1、2、3、4、5和6。這一點適用于所有情況而與范圍的寬度無關。每當本文指明一個數(shù)值范圍時，其意味著包括該指明范圍內(nèi)任何引用的數(shù)值(分數(shù)或整數(shù))。短語在第一指明數(shù)字和第二指明數(shù)字“之間的范圍”和“從”第一指明數(shù)字“到” 第二指明數(shù)字的“范圍”在本文中可互換使用并且旨在包括第一和第二指明數(shù)字以及它們之間的所有分數(shù)和整數(shù)。如本文所使用，術語“方法”和“過程”指完成特定任務的方式、方法、技術和操作， 包括但不限于化學、藥理學、生物學、生物化學和醫(yī)學領域的從業(yè)者已知的方式、方法、技術和操作或簡單地從它們開發(fā)的那些方式、方法、技術和操作。應理解為清楚起見而在不同的實施方式中描述的本發(fā)明的某些特征還可以組合提供在單一實施方式中。相反，為簡要起見描述于單一實施方式中的本發(fā)明的各種特征還可以單獨地或以任何適合的亞組合提供或適合地提供于本文描述的任何其他實施方式中。 各種實施方式內(nèi)容中描述的某些特征不應被認為是那些實施方式的必要特征，除非該實施方式在缺乏這些要素的情況下是不可實施的。上文所述的以及下文權利要求部分所要求的本發(fā)明的各種實施方式和方面可在以下實施例中找到實驗依據(jù)。實施例現(xiàn)參考以下實施例與上文的說明書一起以非限制形式舉例說明本發(fā)明的一些實施方式。材料和實驗方法除非另外指明，所有的試劑均為分析等級并且購自Sigma-Aldrich。
在所有實驗中使用來自EasyPure RF(Barnstead)的超純水(電阻為18ΜΩ)。具有50-100 μ m金屬絲的99. 5% Cu網(wǎng)電極(1. 6cm2，除非另外指明)購自“Holand Morane，，。Imm 厚的 90%碳布購自 Highborn，China。Au、Ag 禾口 Cu 箔(99. 999%,0. Imm 厚)均購自 Holland-Morane。制備含銅納米顆粒的電極根據(jù)Jian-guang 等人[Trans. Nonfer. Met. Soc. China，2007，12，si 181]描述的操作制備含Cu納米顆粒的電極，操作如下將常規(guī)的Cu網(wǎng)電極Gcm2)在含0. 2M CuSO4和 0. 8M氨的溶液(3ml)中浸漬30分鐘，然后加熱到65°C。然后向含Cu網(wǎng)電極的混合物中加入0. 3M NaH2PO2 (作為還原劑，3ml)，并且在65°C下另加熱3小時后，用純化的三蒸餾水和乙醇洗滌所獲得的Cu電極并且保存在乙腈中直到使用。用HRSEM (Jeo 1，JSM-6700F)進行含Cu納米顆粒的電極的表征。制備二茂鐵碳布陰極(C/Fc)二茂鐵購自Sigma并通過將20mg 二茂鐵溶于IOml乙醇中制備飽和的二茂鐵乙醇溶液。通過以50mV/s的掃描速率施加-1.0V至+IV的電壓(每次循環(huán)前施加-IV 50秒， 施加+1.0V 5秒)在IM 4S04+10%乙醇中進行40次循環(huán)伏安圖，將碳布QOcm2)預處理以還原氧物質(zhì)。將已處理的碳布QOcm2)在飽和的二茂鐵乙醇溶液(IOml)中浸漬30分鐘。在烘箱中將所得的C/Fc在40°C下干燥1小時。使用前將C/Fc電極浸漬在乙醇中。制備普魯士藍碳布電極(C/PB)制備0. 45M的FeCl3溶液和0. 3M的K4 [Fe (CN)6]溶液，將3ml各溶液混合在一起以獲得不生的普魯士藍[www. chemlab. truman. edu/Chemistryofartlabs/Synthesis% 20of% 20Prussian% 20Blue. pdf]。用乙醇(親水化)洗滌碳布電極(10cm2)并在普魯士藍溶液中浸漬3小時。然后用水洗滌該電極直到水變得幾乎澄清。然后于100°c干燥3小時。使用前將所得的C/PB電極浸漬在乙醇(親水化)中。可使用普魯士藍浸漬的碳布自身或?qū)⑵渚碓谑?。電化學測量對于所有試驗，在由作為工作電極的催化劑(金屬電極)、作為對電極的碳電極(d =5mm)和作為參比電極的Ag/AgCl (飽和KCl) (Metrohm)組成的標準三電極電池中進行電化學測量。用 PV-控制器(Autolab GPES software, version 4.9)和 Autolab 恒電位儀 / 恒電流儀(PGSTAT302N)進行電化學試驗。放電效率測量在不同的恒電流方案中進行陽極放電效率測量。根據(jù)下列等式計算該過程的效率η = Qd · Qt"1 ‘ 100%其中η是效率(表示為％ )，隊是理論計算的電荷(Coulomb)(對應于Hz的量) 并且A是從放電曲線計算的實際電荷(當電壓的劇烈增加被吸收時)。
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通過自制的PVDF電化學電池進行全電池計算，將Nafi0nll7用作隔離膜，并且兩個電極之間的距離是0. 2cm。陽極和陰極的表面積如所指明。使用Jeol，JSM-6700F電子顯微鏡進行SEM測量。實施例1在金、銀和銅催化劑存在的情況下胼的電氧化由于Eot是用于確定電極材料在燃料電池中的適合性的重要參數(shù)，所以首先進行
^kp測量。在包含0. 4M胼的IM NaOH溶液中用Cu、Au和Ag板(0. 5cm2)作為催化劑進行OCP 測量(對比Ag/AgCl，飽禾口 KCl)。該Eqcp測量獲得以下Eqcp值用Au和Ag催化劑時為-0. 65V ；并且用Cu催化劑時為-0. 82V，因此表明Cu/胼系統(tǒng)產(chǎn)生最強的負Eot。然后測定與Au和Ag催化劑相比使用Cu催化劑時胼的電氧化過程。三種不同的電極將Au、Ag和Cu板(0. 5cm2)用作催化劑用于胼的電氧化過程。在包含0. 4M胼的IMNaOH水溶液中進行這些試驗。通過用Ag/AgCl，飽和KCl作為參比電極， 以50mV · s—1的掃描速率施加掃描電勢進行電化學測量。所得結果示于圖1中。如圖1所示，所有三種被測試的催化劑均表現(xiàn)出對胼電氧化的催化活性。Cu催化劑(圖2，曲線(b))存在下的氧化電流表現(xiàn)出高于-0. 75V的電勢，而Ag和Au存在下的氧化電流表現(xiàn)出高于-0.65V的電勢(分別為曲線(a)和(c))。因此，盡管所有的電極表現(xiàn)出對胼電氧化的催化活性，但是與Ag和Au催化劑相比，Cu催化劑存在下的氧化電流表現(xiàn)出更強的負電勢。另外，試驗表明Cu催化劑達到的最大氧化電流(E = -0. 45V)比Au催化劑高約 3. 5倍，并且比Ag催化劑高約40倍。實施例2具有包括作為催化劑層的銅網(wǎng)和銅納米顆粒的陽極的基于胼的燃料電池在研究可產(chǎn)生增加的電流密度的電極中，通過用納米Cu元素改性常規(guī)的Cu網(wǎng)電極制備如上文所述含Cu納米顆粒的電極。在這一過程中形成了 Cu納米顆粒(或元素)并結合至Cu網(wǎng)電極上。圖3A-3D示出了與常規(guī)的Cu網(wǎng)電極(圖3C和3D)相比針對含Cu納米顆粒的電極獲得的SEM圖像(圖3A和3B)。如圖3A-3D所示，當常規(guī)Cu網(wǎng)電極被表征為具有光滑的表面時，含Cu納米顆粒的電極被表征為具有納米粗糙度(圖3A)并且正如從放大圖(圖:3B)中可以看出的，由成形為圓盤的微球Cu元素組成。比較使用含Cu納米顆粒的電極和使用常規(guī)Cu網(wǎng)電極的胼的電氧化過程。通過用 Ag/AgCl，飽和KCl作為參比電極，以20mV -s"1的掃描速率施加掃描電勢，用胼(6M NaOH中的0. IM胼)進行電氧化過程。圖4示出了在Cu網(wǎng)電極(曲線a)和含Cu納米顆粒的電極(曲線b)存在下胼的電氧化過程，并且表明含Cu納米顆粒的電極達到了最高的電流(曲線a)。在含Cu納米顆粒的電極存在下達到的氧化電流在高于-0. 85V的電勢下出現(xiàn)而在常規(guī)Cu網(wǎng)電極存在下達到的氧化電流在高于-0.75V的電勢下出現(xiàn)。另外，在-0.7V的工作電勢下 w)，在含Cu納米顆粒的電極存在下達到的氧化電流比常規(guī)Cu網(wǎng)電極高約7倍。因此，表明含Cu納米顆粒的電極具有兩個重要的特征增加的催化氧化電流和另外的納米催化作用，其表現(xiàn)為較低電勢下氧化電流的存在(例如在相同的條件下常規(guī)Cu網(wǎng)電極和含Cu納米顆粒電極之間約IOOmV的Era值(Δ E)負移)。使用常規(guī)Cu網(wǎng)電極，用IA(50mA · cm2)的恒電流放電方案在長時間放電試驗中檢測Cu電極的可行性和穩(wěn)定性。如圖5A所示，在整個試驗中觀察到約0. 62V的穩(wěn)定電勢，表明半電池功率對應于 0.62W。計算91%的高放電效率值。在相同的試驗中針對2A(100mA ^m2)的恒電流方案計算了 83%的放電效率值(數(shù)據(jù)未顯示)。使用具有幾何面積A = 1. 25cm2 (寬度約0. 3cm)的折疊的IOcm2 Cu網(wǎng)電極，于0. 5A 在500小時內(nèi)進一步檢測Cu網(wǎng)電極的穩(wěn)定性。使用6M NaOH(45ml)中的9. 9M胼(14. 3克) 的起始溶液進行該長時間試驗。每兩天從電池中移除20ml燃料組合物并加入20ml的6M NaOH中的10. IM胼(6. 5克)。將AgAgCl (飽和KCl)用作參比電極。結果示于圖5B中，并且清楚地表明500小時后Cu陰極具有很好的穩(wěn)定性。放電效率表明在胼的電氧化過程中消耗了約4個電子，這表明達到了胼的完全氧化(參見，上文等式1)。至今為止未描述本文所示的以胼作為燃料的含Cu納米顆粒的電極表現(xiàn)出的納米
催化作用。不受任何特定理論的限制，表明該作用歸因于Cu表面上Cu11 (Cu2+)物質(zhì)例如 Cu (OH) 2和/或CuOOH的存在，并且這些物質(zhì)充當電子轉移介導試劑。與常規(guī)網(wǎng)電極相比含納米顆粒的電極表面上更高濃度的CuII物質(zhì)引起了納米催化作用。如上文所述，Cu2+離子表明充當不同的胼和胼衍生物分解反應的催化劑。還已知胼是將Cu11物質(zhì)還原成Cu°的強還原劑。因此，表明當胼將Cu11物質(zhì)還原成Cu°時，在堿性溶液中Cu°同時被氧化成Cu11物質(zhì)，由此形成了Q^ ^ Cu11平衡。在Era方案中(其中未施加氧化電流)，該平衡取決于胼和氫氧化物的濃度。在 OCP條件下，電極表面上的[Cu2+]較低，使得[Cu2+] << [Cu°]。在含Cu納米顆粒的電極上， 由于電極較高的表面積該作用被顯著增強。在放電方案(燃料電池運行條件)中出現(xiàn)了 Cu2+。在放電條件下，所觀察到的過電勢為約300mV并且計算Ew為約-0. 7V。在這些條件下，由于Cu電極上胼的電氧化，所以電極表面上的胼濃度最低，這導致[Cu2+] >> [Cu°]。還不受任何具體理論的限制，研究表明Cu表現(xiàn)出的催化作用包括Cu電極表面上 Cu2+的自動調(diào)節(jié)。因此表明在基于胼的系統(tǒng)中本文所述的含Cu納米顆粒的電極表現(xiàn)出的納米催化作用是由協(xié)同作用引起的，所述協(xié)同作用對應于引起電流密度增加的較高的電極表面積以及電極上充當電子轉移介質(zhì)催化劑的Cu11物質(zhì)水平增加。實施例3具有有機涂覆碳布電極和Cu網(wǎng)電極的基于胼的燃料電池本發(fā)明人還實施了包含作為燃料的胼(N2H4)和作為氧化劑的過氧化氫(H2O2)，用于胼電氧化的Cu催化劑(網(wǎng)或含納米顆粒)以及用于過氧化氫(H2O2)電還原的碳布/ 二茂鐵(C/Fc)催化劑的燃料電池。將該燃料電池描述為CU-HZ//H202-C/Fc，并代表了不含貴 (例如貴重的)金屬催化劑的有效的HzM2O2燃料電池。還實施了具有普魯士藍陰極催化劑的相似的燃料電池。這些燃料電池成本低并且由相對簡單的催化劑組成。如下文所示，這些燃料電池的性能被顯著提高。如之前所述(參見2009年8月3日提交的第61/230，764號美國臨時專利申請) 構建本文所述的燃料電池。首先研究陽極室和陰極室的電化學性質(zhì)，分別如圖6A和6B所示。如圖6A所示，Cu/Hz陽極系統(tǒng)存在下的電氧化過程產(chǎn)生了 OOV的高Era值并且在約-0. 7V的電勢下產(chǎn)生IA的高電流。如圖6B所示，C/Fc/H2A陰極系統(tǒng)存在下的電還原過程產(chǎn)生約0. 75V的高Era值并且在約0. 35V的電勢下產(chǎn)生IA的電流?；谶@些測量，預期該燃料電池在IA時能夠產(chǎn)生約IV (I Ea I +1 Ec |)。對C/Fc陰極存在下過氧化氫的電還原進行的另外的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性測量記載于 2009年8月3日提交的第No. 61/230，764號美國臨時專利申請。在另外的實施方式中，使用碳布-二茂鐵陰極和Cu網(wǎng)電極構建如下所示的燃料電池Cu 網(wǎng)"3M NaOH(125ml)中的 N2H46% w/v | | 3M H2SO4 和 0. 22M HCl (125ml)中的 h2O26% Il碳布/ 二茂鐵，其具有IOcm2的陽極表面積和IOOcm2的陰極表面積，以及作為隔膜的Nafion膜 117。在0. 25A和0. 5A的恒電流方案中進行全電池測量，分別如圖7A和7B所示。應注意試驗分別進行14小時和5小時，由于胼的消耗在檢測時間段內(nèi)輸出功率未降低。該燃料電池產(chǎn)生1. 75V的E。CP
在0. 25A的恒電流方案中，全電池產(chǎn)生約0. 85V的工作電勢、約0. 21W的功率以及3. 5Ah的容量。在0. 5A的恒電流方案中，該全電池產(chǎn)生約0. 52V的工作電勢(Ew)，約 0. 26W的功率和2. 3Ah的容量。因此，本文所述的使用Cu陽極催化劑的基于胼的燃料電池系統(tǒng)在IA和2A表現(xiàn)出與Pt/胼系統(tǒng)(-0. 7V vs. Ag/AgCl)相似的良好的電化學放電性質(zhì)、電流和電勢(功率)。本文所述燃料電池的另一特征為長達90小時工作的高水平穩(wěn)定性(對于陽極半電池；參見，圖5A)。重要的是在該過程中未觀察到陽極中毒。還實施了具有普魯士藍陰極催化劑的相似的燃料電池。圖8示出了 0.75A恒流方案(第一分鐘施加OA)中的全電池試驗。該全電池由以下構成Cu網(wǎng)電極(A= Hcm2)，含 4.8M NaOH(75ml)中的0. 54M胼的陽極電解質(zhì)溶液(燃料組合物)；卷在石墨板中的包含普魯士藍的碳布電極(A = 170cm2)，幾何面積約為25cm2，以及含10% w/v硫酸(65ml)中的 9%W/v過氧化氫(H2O2)的陰極電解質(zhì)溶液。該胼/過氧化氫燃料電池在0. 75A下產(chǎn)生1. 633V的和0. 6W的功率。在電化學反應中消耗了約44 %的理論胼量。盡管已結合了具體的實施方式描述了本發(fā)明，但是很明顯許多替換、修改和變化對于本領域技術人員而言是顯而易見的。因此，意圖包括屬于所附權利要求的精神和寬范圍內(nèi)的所有這些替換、修改和變化。本說明書中提及的所有出版物、專利和專利申請以其完整內(nèi)容通過援引結合入本說明書，就如同具體并逐一指明各出版物、專利或?qū)＠暾埻ㄟ^援引結合入本文。另外，本申請中對任何參考文獻的引用或確認不應理解為承認這些參考文獻是本發(fā)明的現(xiàn)有技術。 對于所使用的章節(jié)標題，不應認為它們具有限制性。
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括陽極室，包含作為燃料的具有式R1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物以及包含銅或銅合金的催化劑層； 陰極室，包含氧化劑；以及插在所述陰極室和所述陽極室之間的隔膜，其中R1-R4各自獨立地選自由氫、烷基、烯基、炔基、雜脂環(huán)、烷氧基、羧基、酮、酰胺、酰胼以及胺組成的組，條件是I^1-R4中的至少一個是氫。
2.權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述氧化劑是過氧化物。
3.權利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述過氧化物是過氧化氫。
4.權利要求1-3中任一項所述的燃料電池，其中所述銅是選自由板、網(wǎng)和顆粒組成的組的形式。
5.權利要求1-3中任一項所述的燃料電池，其中所述銅包括銅納米顆粒。
6.權利要求4和5中任一項所述的燃料電池，其中所述納米顆粒具有選自由圓形納米顆粒、納米棒和納米絲組成的組的形式。
7.如權利要求1-3中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，包括陽極室，包含作為燃料的具有所述式Ii1R2N-NR3R4的所述化合物、其鹽、水合物或溶劑合物以及包含銅納米顆粒的催化劑層； 陰極室，包含氧化劑；以及插在所述陰極室和所述陽極室之間的隔膜。
8.權利要求1-7中任一項所述的燃料電池，其中所述陰極包括包含非貴金屬和/或非金屬物質(zhì)的催化劑層。
9.權利要求8所述的燃料電池，其中所述陰極包括包含所述非金屬物質(zhì)的催化劑層。
10.權利要求8和9中任一項所述的燃料電池，其中所述非金屬物質(zhì)是金屬絡合物。
11.權利要求10所述的燃料電池，其中所述金屬絡合物選自由二茂鐵和普魯士藍組成的組。
12.權利要求1-11中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，包括陽極室，包含作為燃料的具有所述式Ii1R2N-NR3R4的所述化合物、其鹽、水合物或溶劑合物以及包含銅的催化劑層；陰極室，包含作為氧化劑的過氧化物和包含金屬絡合物的催化劑層；以及插在所述陰極室和所述陽極室之間的隔膜。
13.權利要求1-11中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，包括陽極室，包含作為燃料的具有所述式Ii1R2N-NR3R4的所述化合物、其鹽、水合物或溶劑合物以及包含銅納米顆粒的催化劑層；陰極室，包含作為氧化劑的過氧化物以及包含金屬絡合物的催化劑層；以及插在所述陰極室和所述陽極室之間的隔膜。
14.權利要求1-13中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中R1-R4各自均是氫。
15.權利要求1-14中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述陽極室還包含堿性水溶液。
16.權利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述堿性水溶液包含堿金屬氫氧化物。
17.權利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述堿金屬氫氧化物選自由氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰、氫氧化鎂、氫氧化鈣、氫氧化鍶和氫氧化鋇組成的組。
18.權利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述堿金屬氫氧化物是氫氧化鈉。
19.權利要求16-18中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述堿金屬氫氧化物的濃度是 0. 5M-6M。
20.權利要求16-18中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述堿金屬氫氧化物的濃度是 3M-6M。
21.權利要求15-20中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述水溶液中所述燃料的濃度是 0. OlM-IM0
22.權利要求1-21中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述陰極室還包含酸性水溶液。
23.權利要求22所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述水溶液包含濃度為0.1M-5M的酸。
24.權利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述酸選自由HC1、H2SO4以及它們的混合物組成的組。
25.權利要求22-24中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述陰極室包含過氧化物氧化劑，并且其中所述過氧化物氧化劑的濃度為0. 5% w/w-25% w/w。
26.權利要求1-25中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述隔膜包括固體電解質(zhì)膜。
27.權利要求沈所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述固體電解質(zhì)膜選自由Nafion膜、聚丙烯膜以及它們的組合組成的組。
28.權利要求1-27中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，表現(xiàn)出高于1.5伏特的開路電勢 (Eocp) °
29.權利要求1-27中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，表現(xiàn)出等于或高于0.1瓦特的功率輸出(W)。
30.一種運行燃料電池的方法，所述方法包括使所述燃料電池的陽極室與包含如具有式R1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物的陽極電解質(zhì)溶液接觸，同時使所述燃料電池的陰極室與包含氧化劑的陰極電解質(zhì)溶液接觸，并且使具有所述通式Ii1R2N-NR3R4的所述化合物、其鹽、水合物或溶劑合物與所述氧化劑發(fā)生電化學反應，其中所述陽極室包括的陽極具有包含銅或銅合金的催化劑層，所述燃料電池還包括插在所述陽極室和所述陰極室之間的隔膜，其中R1-R4各自獨立地選自由氫、烷基、烯基、炔基、雜脂環(huán)、烷氧基、羧基、酮、酰胺、酰胼以及胺組成的組，條件是I^1-R4中的至少一個是氫。
31.一種產(chǎn)生電能的方法，所述方法包括使具有式Ii1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物與氧化劑發(fā)生電化學反應，其中具有所述式R1R2N-NR3R4的所述化合物、其鹽、水合物或溶劑合物與包括具有包含銅或其合金的催化劑層的陽極的陽極室接觸，并且所述氧化劑與陰極室接觸，將所述陽極室和所述陰極室組裝成燃料電池，所述燃料電池還包括插在所述陽極室和所述陰極室之間的隔膜，其中R1-R4各自獨立地選自由氫、烷基、烯基、炔基、雜脂環(huán)、烷氧基、羧基、酮、酰胺、酰胼以及胺組成的組，條件是I^1-R4中的至少一個是氫。
32.權利要求30和31中任一項所述的方法，其中所述陽極室包括的陽極具有包含銅納米顆粒的催化劑層。
33.權利要求30-32中任一項所述的方法，其中所述氧化劑是過氧化物。
34.權利要求30-33中任一項所述的方法，其中所述陰極室包括的陰極具有包含非金屬物質(zhì)的催化劑層。
35.一種包括權利要求1- 中任一項所述的系統(tǒng)的發(fā)電裝置。
36.一種由權利要求1- 中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)提供燃料的運載工具。
37.一種給耗電裝置供電的方法，所述方法包括用權利要求1- 中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)給所述耗電裝置供電。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，包括包含作為燃料的具有式R1R2N-NR3R4的化合物、其鹽、水合物或溶劑合物以及含銅或銅合金的催化劑層的陽極室；包含氧化劑的陰極室；以及插在所述陰極室和所述陽極室之間的隔膜，其中R1-R4各自獨立地選自由氫、烷基、烯基、炔基、雜脂環(huán)、烷氧基、羧基、酮、酰胺、酰肼以及胺組成的組，條件是R1-R4中的至少一個是氫。
文檔編號H01M8/22GK102272992SQ200980154080
公開日2011年12月7日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權日2008年11月12日
發(fā)明者埃蘭·格拉諾特, 費爾南多·帕托爾斯基, 鮑里斯·菲拉諾夫斯基 申請人:雷蒙特亞特特拉維夫大學有限公司