[发明专利]在与非超临界流体薄膜共存以合成纳米级产品的超临界流体中优化的开放电路和能量生产

说明书

技术领域

将理解本发明涉及在超临界流体(SCF)内运行的开放电路。相应地，本发明部分涉及在SCF内运行：燃料电池；热电、光伏和简单回路；光；和计算机回路；以提高效率值，从而使其超过在低于气体、液体和固体临界点运行而自然产生的效率值。

背景技术

本发明提出在SCF内运行燃料电池元件：燃料、产物、膜、阴极和阳极以提高电和化学反应效率值，使其超过在低于气体、液体和固体的临界点运行的现有技术。在容器内提供了聚合物电解质膜(PEM)双功能可逆或一体式再生燃料电池(URFC)系统。棒条体(Rods)经延伸到容器外部的电绝缘真空封条形成的单独回路与容器内部的阳极和阴极电连接。SCF有100％的溶剂渗入膜内，并且是由多种流体(例如，水、氢、氧、二氧化碳、氙)形成的单混溶流体，提高了电解池模式中水分解速率(工艺用水)。当发电过程可逆时，跨膜产生较高电率。如果需要电极孔以供应新燃料、增加SCF和排出分解燃料或移除SCF，则提供电极孔以注射燃料进入SCF或排出分解燃料。

SCF是温度和压力高于其热力学临界点的任何物质(图1)。SCF具有像气体一样分散固体并将材料溶解成其组分(例如液体)的独特能力。而且，SCF可以容易地改变高于临界点的密度并依然保持为超临界状态。超临界溶液的快速膨胀可以导致细碎固体的沉淀。SCF提取是性质为使SCF适合作为有机溶剂替代物的过程。二氧化碳(CO₂)或水常用作该目的的SCF。超临界scCO₂(Tc＝31.1℃，Pc＝73.8巴)的溶解能力十分类似于正己烷，其可通过添加改性剂(包括共溶剂和相转移催化剂)来进一步调节，以提供气体回路反应所需要的溶解度特征，其根据水(H₂O)的临界点发生在约Tc＝647K(374℃或705.2°F)和Pc＝22.064MPa(3200PSIA)而选择，提供scH₂O。SCF由任何物质的临界温度和压力确定。SCF对大多数溶质具有类似于轻质烃的溶解能力。氟化的化合物通常在scCO₂比在烃中更易溶解。溶解度随密度增加而增加，密度增加由增加的压力提供。燃料电池需要单一气体跨燃料电池膜。

流体(例如超临界氙、乙烷和二氧化碳)在合成和分析化学中提供了一系列不寻常的化学性质。超临界二氧化碳受到最广泛的研究。其他包括氮、丙烷、丙烯、丁烷、氙、乙烷和水。效果类似于归一化常数。流体与永久气体(例如N₂或H₂)完全混溶，这导致溶解气体浓度比在常规溶剂中可实现的浓度高得多。这种效果适用于有机金属反应和氢化。

SCF改性溶剂：少量第二溶剂可添加至SCF。这可以导致溶剂极性和性质根据Snyder规则改变。这需要质子供体(1-2-丙醇)、质子受体(2-乙腈)和偶极子(3-二氯甲烷)。合成有机化学、无机化学、物理化学和化学物理学采用实验、理论和计算机技术的协作组合，可以鉴定目标化合物、尝试以实验室规模合成它们、表征新材料并进行有前景的新物类的大规模合成，以便作为SCF制备并应用，以优化燃料电池的运行环境。SCF可以是任何数目的材料的组合，并且可以是合成或天然材料组合，在燃料电池模式中产物水是SCF，在电解池模式中氧和氢为SCF。

A、一般的燃料电池

燃料电池通过连续提供的燃料和氧化剂流而产生电。两个流不混合或燃烧，取而代之的是通过类似于常规电池的电化学反应而产生电。化学反应的细节取决于燃料电池的类型，但是在所有类型中，荷电离子经电解质转移，其在物理上分开燃料流和氧化剂流。燃料电池因此提供将燃料化学能直接转化为化学能的巧妙方法。水(H₂O)Tc＝374℃，Pc＝220.6；氢(H₂)Tc＝-240℃ Pc＝12.98；氧(O₂)Tc＝-118.6℃ Pc＝50.43；二氧化碳(CO₂)Tc＝31.3℃ Pc＝72.9；氙(Xe)Tc＝16.5℃ Pc＝58.4；和肼是理想的SCF物类，在填充了SCF的容器内与PEM燃料电池(设计为再生性的)膜结合。