專利名稱:微電力發(fā)生器中的水回收的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及無水電力發(fā)生器。更具體地,本發(fā)明涉及一種電力發(fā)生 器和用于通過燃料電池產(chǎn)生電力的方法。氧氣與氫氣在燃料電池中反應(yīng) 產(chǎn)生電和副產(chǎn)物水,這種副產(chǎn)物水被回收,并通過與用于產(chǎn)生氫的固態(tài) 燃料反應(yīng)而產(chǎn)生另外的氫氣。
背景技術(shù):
燃料電池類似于電池而作用以通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。燃料電池不像 電池那樣儲存反應(yīng)物,而是通過向燃料電池連續(xù)供應(yīng)反應(yīng)物而工作。在 典型的燃料電池中,氫氣用作一種反應(yīng)物,而氧用作另一種反應(yīng)物,這 兩種反應(yīng)物在電極處反應(yīng)以形成水分子并以直流電形式釋放能量。這種 直流電然后可轉(zhuǎn)換為交流電。只要提供氫和氧,則所述設(shè)備和方法可以 連續(xù)產(chǎn)生電。雖然氧可以進(jìn)行儲存或從空氣中提供,但氫氣通常有必要 通過受控化學(xué)反應(yīng)由其他化合物生成而不是儲存氫氣,這是因?yàn)?,氫?在儲存時需要被壓縮或低溫冷卻。隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展,生成氫氣 用于燃料電池應(yīng)用的方式也在發(fā)展。
當(dāng)前,存在各種已知方法用于生成氫氣。 一種方法通過已知為重整 的過程而實(shí)現(xiàn),其中化石燃料被分解為其碳、氫產(chǎn)物。不過,這種系統(tǒng) 長期以來并不受歡迎,因?yàn)槠湟蕾囉诓豢稍偕Y源。在另一種生成氫氣 的方法中,通過加熱而從金屬氫化物或合金中可逆地吸收和釋放氫氣。 這種方法雖然有用,但并不是優(yōu)選的,這是因?yàn)?,金屬氫化物通常非?沉重而且昂貴,并且僅釋放出少量氫。而另一種生成氫氣的方法是通過
反應(yīng)性化學(xué)氫化物實(shí)現(xiàn)。這種方法包括通過使干燥的高反應(yīng)性固體與 液態(tài)水或酸反應(yīng)而以化學(xué)方式生成氫氣。特別適合于這種方法的化學(xué)物 為氫化鋰、氬化鈣、氫化鋰鋁、硼氫化鈉以及它們的組合,上述化學(xué)物 中的每一種均能夠釋放足夠量的氫。與這種方法相關(guān)的缺點(diǎn)在于,通過 化學(xué)物與液態(tài)水形成的反應(yīng)產(chǎn)物通常形成塊狀物或糊狀物質(zhì),從而妨礙
反應(yīng)性化學(xué)物與液態(tài)水或酸進(jìn)行進(jìn)一步反應(yīng)。這種方法還具有的缺點(diǎn) 是,儲存液態(tài)水燃料占用額外空間,從而增加了相關(guān)電力發(fā)生器的整體
重量。
在現(xiàn)有技術(shù)中,普遍需要更輕重量和更小尺寸的動力源,用于諸如 便攜式電子裝置、無線傳感器、戰(zhàn)地設(shè)施和無人飛行器等的應(yīng)用。當(dāng)前, 最常用于便攜式應(yīng)用的動力源是鋰電池,鋰電池具有有限的能量容量, 所述能力容量為其體積的函數(shù)且特別地為其重量的函數(shù)。所希望的是, 增加現(xiàn)有動力源的能量容量,以減少動力供應(yīng)器的更換間隔時間和/或 延長工作壽命,而同時也減小動力源的尺寸和重量。
本發(fā)明提供針對這些問題的解決方案。本發(fā)明提供一種電力發(fā)生器 和用于生成用作燃料電池燃料的氬氣的方法。所述電力發(fā)生器包括無水 發(fā)生器,其中,僅使用來自燃料電池的副產(chǎn)物水作為水汽燃料源,而不 需要外部供應(yīng)的水。更具體地,本發(fā)明提供一種電力發(fā)生器,其按化學(xué) 計量組成消耗一定量的水汽和大致固態(tài)的非液態(tài)化學(xué)氫化物。燃料電池
優(yōu)選地初始加載以氫氣,用以在氫-氧質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池處 啟動氫氣與氧氣之間的反應(yīng)。這種反應(yīng)產(chǎn)生水分子,所述水分子保持在 發(fā)生器殼體的水保持區(qū)處,所述水保持區(qū)阻止所生成的燃料電池水?dāng)U散 到殼體之外。所述水分子然后以水汽形式擴(kuò)散返回電力發(fā)生器中,所述 水汽然后與化學(xué)氫化物反應(yīng)產(chǎn)生更多的氫氣。這種生成的氫氣然后用作 燃料以允許燃料電池產(chǎn)生另外的電力和另外的水。通過回收和再循環(huán)這 種副產(chǎn)物水,不再需要儲存水,因而減小了系統(tǒng)的整體尺寸和重量,并 增加了系統(tǒng)的能量密度、比能量和電流容量。進(jìn)一步地,通過水汽與上 述固態(tài)化學(xué)物質(zhì)反應(yīng),已發(fā)現(xiàn)的是,避免了與反應(yīng)性化學(xué)氫化物相關(guān)的 典型問題,從而導(dǎo)致所述系統(tǒng)比現(xiàn)有技術(shù)中使用液態(tài)水的系統(tǒng)更有效。 本發(fā)明的電力發(fā)生器進(jìn)一步例示的獨(dú)特能力在于,通過一被動過程 產(chǎn)生電力,而不需要使用泵或其他主動調(diào)節(jié)裝置。已經(jīng)意外地發(fā)現(xiàn),在 電力發(fā)生器內(nèi)的固態(tài)化學(xué)燃料在PEM燃料電池陽極側(cè)上形成低濕度的 氫區(qū)域。由于通常的周邊空氣條件并由于在燃料電池陰極處通過氫氧之 間的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的水,在燃料電池陰極側(cè)上的空氣具有顯著較高 的濕度。這樣形成了濃度梯度,從而導(dǎo)致水作為水汽從更潮濕的燃料電 池陰極側(cè)向在發(fā)生器腔內(nèi)陽極側(cè)上的低濕度氫滲透,以形成平衡。氫的 生成速度的調(diào)節(jié)是部分自調(diào)節(jié)的,這是因?yàn)樵谌剂想姵刂袣錃馀c氧氣的 反應(yīng)產(chǎn)生的水按一定要求而與所產(chǎn)生電力相對應(yīng)。可進(jìn)一步使用氣動控 制閥以被動調(diào)節(jié)水汽至固態(tài)燃料的路徑的導(dǎo)通。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種電力發(fā)生器,其包括 a )殼體;
b) 安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料電池,所述燃料電池包括陰 極、陽極和位于所述陰極與陽極之間的使水汽可透過的電解膜;所述燃 料電池能夠通過氫氣與氧氣的反應(yīng)在所述陰極處產(chǎn)生電和燃料電池水;
c) 安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料室,所述燃料室容納與水汽 反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的燃料物質(zhì);
d) 至少一個空氣入口,用于允許大氣空氣進(jìn)入所述殼體中;
e) 水保持區(qū),其處于所述殼體內(nèi)并從所述空氣入口延伸到所述燃 料電池的陰極,所述水保持區(qū)阻止所產(chǎn)生的燃料電池水?dāng)U散到所述空氣 入口之夕卜;和
f) 腔,其處于所述殼體內(nèi)并從所述燃料電池延伸到所述燃料室, 所述腔允許氫氣從所述燃料室流到所述燃料電池,并允許水汽從所述燃 料電池流到所述燃料室。
本發(fā)明還提供一種電力發(fā)生器,其包括
a) 殼體;
b) 安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料電池,所述燃料電池包括陰 極、陽極和位于所述陰極與陽極之間的使水汽可透過的電解膜;所述燃 料電池能夠通過氫氣與氧氣的反應(yīng)在所述陰極處產(chǎn)生電和燃料電池水;
c) 安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料室,所述燃料室容納與水汽 反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的燃料物質(zhì);
d) 至少一個空氣入口,用于允許大氣空氣進(jìn)入所述殼體中;
e) 水保持區(qū),其處于所述殼體內(nèi)并從所述空氣入口延伸到所述燃 料電池的陰極,所述水保持區(qū)阻止所產(chǎn)生的燃料電池水?dāng)U散到所述空氣 入口之外;
f) 腔,其處于所述殼體內(nèi)并從所述燃料電池延伸到所述燃料室, 所述腔允許氫氣從所述燃料室流到所述燃料電池,并允許水汽從所述燃 料電池流到所述燃料室;
g) 位于所述腔內(nèi)的至少一個閥,用于調(diào)控氫氣從所述燃料室至所 述燃料電池的通行并用于調(diào)控水汽從所述燃料電池至所述燃料室的通 行; h) 與所述空氣入口結(jié)合的使氧可透過但使水汽不可透過的膜,所 述膜阻止燃料電池水流入大氣中;和
i) 使水可透過但使氫不可透過的膜,其處于所述腔內(nèi)并與所述閥 并置,所述使水可透過但使氫不可透過的膜允許在水汽不通過所述電解 膜的情況下使水汽擴(kuò)散到所述燃料室。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種用于產(chǎn)生電力的方法,其包括
I) 提供一電力發(fā)生器,該電力發(fā)生器包括
a )殼體;
b) 安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料電池,所述燃料電池包括陰 極、陽極和位于所述陰極與陽極之間的使水汽可透過的電解膜;所述燃 料電池能夠通過氫氣與氧氣的反應(yīng)在所述陰極處產(chǎn)生電和燃料電池水;
c) 安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料室,所述燃料室容納與水汽 反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的燃料物質(zhì);
d) 至少一個空氣入口,用于允許大氣空氣進(jìn)入所述殼體中;
e) 水保持區(qū),其處于所述殼體內(nèi)并從所述空氣入口延伸到所述燃 料電池的陰極,所述水保持區(qū)阻止所產(chǎn)生的燃料電池水?dāng)U散到所述空氣 入口之外;和
f) 腔,其處于所述殼體內(nèi)并從所述燃料電池延伸到所述燃料室, 所述腔允許氫氣從所述燃料室流到所述燃料電池,并允許水汽從所述燃 料電池流到所述燃料室;和
II) 通過以下步驟操作所述電力發(fā)生器發(fā)電
a) 在所述燃料電池中使氫氣與大氣氧氣反應(yīng),從而產(chǎn)生燃料電池 水和電,所述燃料電池水保持在所述水保持區(qū)中;
b) 使所述燃料電池水從所述水保持區(qū)擴(kuò)散通過所述電解膜進(jìn)入所 述腔并至所述至少一個燃料室;
c) 使所述水汽與所述燃料物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣;和
d) 使產(chǎn)生的氫氣擴(kuò)散通過所述腔至所述燃料電池。
圖l是本發(fā)明的電力發(fā)生器的截面示意圖,其中不存在與此發(fā)生器 空氣入口結(jié)合的使氧可透過但使水汽不可透過的膜。
圖2是本發(fā)明的電力發(fā)生器的截面示意圖,其中存在有與此發(fā)生器 空氣入口結(jié)合的使氧可透過但使水汽不可透過的膜。
圖3A是圖1中所示電力發(fā)生器的角部的截面示意圖,其中例示了 在空氣入口與燃料電池陰極之間的水保持區(qū)。
圖3B是圖2中所示電力發(fā)生器的角部的截面示意圖,其中例示了 在空氣入口與燃料電池陰極之間的水保持區(qū)。
圖4是燃料電池的示意圖。
圖5是本發(fā)明的電力發(fā)生器的功率輸出相對于時間的圖線。 圖6是水汽從一位置到另一位置的摩爾通量的示意圖。 圖7是本發(fā)明的包含多個燃料電池的柱形電力發(fā)生器的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
提供一種電力發(fā)生器,其中,通過水汽與吸潮固態(tài)燃料物質(zhì)反應(yīng)而 在內(nèi)部生成氫氣,所述氫氣在燃料電池中與來自空氣的大氣氧反應(yīng)產(chǎn)生 電能。氫氧反應(yīng)還在燃料電池中產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的水分子。這種產(chǎn)生的 水作為水汽從燃料電池被動擴(kuò)散到容納固態(tài)燃料物質(zhì)的燃料室,在此, 水汽與燃料物質(zhì)反應(yīng)而生成氫氣。所產(chǎn)生的電能可用于為連接到電力發(fā) 生器的大型或小型裝置提供動力,這取決于電力發(fā)生器的尺寸。本發(fā)明 的電力發(fā)生器特別適于為電連接到電力發(fā)生器的一個或多個燃料電池 的陽極和陰極的微型裝置供電,所述微型裝置例如為無線傳感器、移動 電話或其他手持式電子裝置等。
圖l和2例示了用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的可替代的電力發(fā)生器設(shè)備 的截面圖。如圖1和圖2中所示,電力發(fā)生器10包括殼體36,安裝在 殼體36內(nèi)的至少一個燃料電池14,安裝在殼體36內(nèi)用于儲存燃料物 質(zhì)44的至少一個燃料室12,和在殼體36內(nèi)從至少一個燃料電池14延 伸到燃料室12的腔24。腔24允許氫氣從燃料室12流到燃料電池14, 并允許水汽從燃料電池14流到燃燒室12。燃料電池14通過氫氣與來 自空氣的氧氣的反應(yīng)而產(chǎn)生電和燃料電池水。大氣氧通過至少一個空氣 入口 20進(jìn)入殼體36內(nèi)。氧氣然后行進(jìn)到燃料電池14并在此處與氫氣 反應(yīng),從而產(chǎn)生電和水分子。在此使用的燃料電池的類型在現(xiàn)有技術(shù)中 是公知的,并在現(xiàn)有技術(shù)中被稱為質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池,而且
已知為聚合物電解質(zhì)膜。
如圖4中所示,典型的PEM燃料電池包括電解膜42,電解膜42位
于在所述膜一側(cè)上的負(fù)電極或稱陰極16與在所述膜另一側(cè)上的正電極 或稱陽極18之間。在典型的氫-氧PEM燃料電池的行為中,氫燃料(例
如氫氣)通過流場板被導(dǎo)向陽極,而氧被導(dǎo)向燃料電池的陰極。在陽極 處,氫分解為正氫離子(質(zhì)子)和負(fù)電子。電解膜僅允許正電離子穿過 其中而至陰極。而負(fù)電子則必須沿外電路行進(jìn)至陰極,從而形成電流。 在陰極處,電子和正電氫離子與氧結(jié)合以形成水分子。
在發(fā)生器內(nèi),在燃料電池電陽極18—側(cè)上,優(yōu)選地提供氫氣初始 沖洗,用以去除電力發(fā)生器內(nèi)的殘余空氣。這種氫氣初始沖洗用于雙重 目的,這是因?yàn)闅錃膺€將在燃料電池中與大氣氧反應(yīng),從而在燃料電池 陰極16處產(chǎn)生初始量的電能并產(chǎn)生初始量的燃料電池水。然后,這種 初始量的燃料電池水被回收,并與燃料物質(zhì)44反應(yīng)?;蛘撸景l(fā)明的 方法可通過以下方式啟動,即,來自電力發(fā)生器之外的大氣濕氣的水分 子滲透通過空氣入口 20并進(jìn)入電力發(fā)生器。雖然這并非最優(yōu),不過也 可將初始量的非燃料電池水加至發(fā)生器,以與燃料物質(zhì)44反應(yīng)并開始 生成氫氣,這種非燃料電池水的量顯著少于由燃料電池產(chǎn)生的燃料電池 水的量。這種啟動水可例如通過燃料室12中的開口 (例如進(jìn)口46)或 者通過其他適合方式(例如通過空氣入口 20)加至發(fā)生器。不過,本 發(fā)明的方法和設(shè)備被設(shè)計為在沒有外設(shè)供水器的情況下操作,即,除了 由燃料電池產(chǎn)生的水和在電力發(fā)生器之外的大氣中存在的水分子以外, 所述系統(tǒng)是無水的。本發(fā)明的系統(tǒng)不包含或不連接到諸如水池或儲水器 之類的供水器以提供與氫燃料物質(zhì)反應(yīng)的用水。這樣的結(jié)果是,與傳統(tǒng) 系統(tǒng)相比,電力發(fā)生器在能量密度上和比密度上具有顯著提高。相應(yīng)地, 本發(fā)明提供一種連續(xù)的自調(diào)節(jié)方法,這是因?yàn)?,氫氧反?yīng)所產(chǎn)生的水按 一定要求精確對應(yīng)于所產(chǎn)生的電力,其中,按化學(xué)計量組成使用所需量 的再循環(huán)水和固態(tài)燃料。
本發(fā)明的方法優(yōu)選地也為,皮動式的,其在沒有主動控制的閥或泵的 情況下實(shí)行。更特別地, 一旦水在燃料電池14處形成為氫氧反應(yīng)的副 產(chǎn)物,則所產(chǎn)生的水被動地擴(kuò)散返回通過燃料電池14、進(jìn)入腔24并至 燃料室12。這種被動式擴(kuò)散,部分地由于一個或多個水保持區(qū)22、且 部分地由于腔24內(nèi)的低濕度而得以實(shí)現(xiàn)。水保持區(qū)22通過圖3A和3B 被著重示出,其中圖3A和3B提供了圖1和2中所示電力發(fā)生器的角部 視圖。如在此所用、并如圖3A和3B中所示,水保持區(qū)22包括從空氣 入口 20延伸到每一燃料電池陰極16的通道。水保持區(qū)22存在于產(chǎn)生 燃料電池水的每一燃料電池14處。由于水保持區(qū)22的幾何形狀,阻止
了燃料電池產(chǎn)生的水分子擴(kuò)散至空氣入口外而產(chǎn)生水散失,從而在燃料
電池陰極16處保持高濃度的水汽。水保持區(qū)22使水分子不散失到周邊 空氣中,而是使生成的水分子聚集在陰極16處,從而在陰極16與空氣 入口 20之間形成高濕度區(qū)域。這種摩爾流速可更詳細(xì)地參照圖6通過 以下7〉式描述
D *伊—p 、
水汽從陰極16傳輸?shù)街苓吙諝夂脱鯊闹苓吙諝鈧鬏數(shù)疥帢O16均為 擴(kuò)散控制過程。A的摩爾通量或摩爾流速為JA,其中A為所需種類,即, 水或氧。水或氧的摩爾通量是擴(kuò)散率DAB、點(diǎn)1與點(diǎn)2之間的分壓差(PA1 -PA2)、氣體常數(shù)R、絕對溫度T和點(diǎn)1與點(diǎn)2之間的距離(Z2-ZJ的
一
函數(shù)。此外,通量被定義為單位面積的量,其單位為"?sec (單位m、ec 的A的kg量)。
擴(kuò)散系數(shù)是一種類的通量與其濃度梯度之間的比例常數(shù)。擴(kuò)散系數(shù) DAB是指種類A在種類B中的擴(kuò)散系數(shù)。在本示例的情況下,擴(kuò)散系數(shù) DAB是指水汽在空氣中的擴(kuò)散系數(shù),或氧在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)。大的擴(kuò)散 系數(shù)將產(chǎn)生大的通量值,小的擴(kuò)散系數(shù)將產(chǎn)生小的通量值。氧在空氣中 的擴(kuò)散系數(shù)在室溫和正常室內(nèi)濕度的情況下約為0.21cmVsec,而水汽 在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)在室內(nèi)溫度和濕度的情況下約為0.24 cm7sec。
分壓是氣體混合物總壓力中的對應(yīng)于混合物中一種組分的一部分。 大的分壓差將產(chǎn)生相對較大的種類通量,而小的分壓差將產(chǎn)生相對較小 的通量。水保持區(qū)被設(shè)計為提供小的分壓差,例如,大約10% -20% 的大氣氧分壓差,以獲得實(shí)行所希望動力水平所需的氧通量。
氣體系數(shù)是玻爾茲曼常數(shù)與阿伏伽德羅數(shù)的乘積。絕對溫度影響所 涉及種類的通量。較高溫度使得通量減小,而較低溫度使得通量增大。 因此,氣體擴(kuò)散及其分壓差可通過調(diào)節(jié)通道幾何形狀而進(jìn)行控制。
參見圖6,為了控制在點(diǎn)1與點(diǎn)2之間的氣體擴(kuò)散,可以改變將此 兩點(diǎn)分開的通道的幾何形狀。例如,如果增大將點(diǎn)1與點(diǎn)2分開的通道 的面積,則在點(diǎn)1與點(diǎn)2之間的擴(kuò)散增加,而相反地,如果此面積減小, 則擴(kuò)散減少。對于點(diǎn)1與點(diǎn)2之間的距離而言,效果相反,由此,增大
點(diǎn)l與2之間的距離導(dǎo)致擴(kuò)散減少,而減小點(diǎn)l與2之間的距離導(dǎo)致向 空氣入口 20之外的擴(kuò)散增加,
如圖1和2所示,本發(fā)明的電力發(fā)生器設(shè)計為允許足夠的氧從周邊 空氣擴(kuò)散通過空氣入口 20至陰極16,而僅有少量的壓降,例如10%-20%的大氣氧壓的壓降。如果在高壓下工作,則電力發(fā)生器將具有高的 氬、滲透沖員耗并因而其壽命減短。
在將氫和氧轉(zhuǎn)化為水的化學(xué)反應(yīng)(2H2+02 —2H20)中,每消耗1摩 爾氧,則形成2摩爾水。進(jìn)一步地,水汽在空氣中的擴(kuò)散率和氧在空氣 中的擴(kuò)散率是類似的。因此,水汽的分壓差必須大致兩倍于氧的分壓差 以保持平衡。這樣,具有上述比例的本發(fā)明的電力發(fā)生器保持潮濕環(huán)境, 而不是使生成的水分子散失到發(fā)生器外的大氣中。
在腔24內(nèi),在燃料電池14的陽極18—側(cè)上,由于燃料物質(zhì)44的 吸潮吸濕性質(zhì)而存在濕度相對較低的區(qū)域。相應(yīng)地,在陰極16處產(chǎn)生 和保持水,形成潮氣濃度梯度和氣壓差,此氣壓差使水分子以水汽形式 擴(kuò)散返回通過燃料電池14進(jìn)入腔24中并至燃料室12。這種水汽然后 與燃料物質(zhì)44反應(yīng)而生成氫氣。所生成的氫氣然后將穿過腔24而至燃 料電池陽極18,在陽極18處,氬氣將與氧反應(yīng)而再次生成水分子。這 種循環(huán)可選地可以連續(xù)進(jìn)行,直到消耗完所有的燃料物質(zhì)44。
在電力發(fā)生器的工作過程中,在所生成的水汽中,擴(kuò)散回到所述腔 中的水汽將多于散失到空氣入口之外的水汽。而且,燃料電池輸出直接 取決于氧和氫的反應(yīng)物至燃料電池的流量,并因而取決于燃料室的水汽 流量。相應(yīng)地,燃料電池輸出成比例于水保持區(qū)的面積與其長度的比率。 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中,單位功率的區(qū)面積與區(qū)長度的比率優(yōu)選地 為,對于單一燃料電池功率輸出,所述比率為大約0.01-0. 05 cm/mW。
如果包含多個燃料電池,則所述的單位功率的區(qū)面積與區(qū)長度的比率被 除以共用反應(yīng)物的各燃料電池的數(shù)量。
如果水保持區(qū)22的幾何形狀過于局限而不能使足夠的氧擴(kuò)散到燃 料電池14,則發(fā)生器將在較低功率下工作。特別地,當(dāng)區(qū)面積與區(qū)長 度的比率大于O. 05 cn^的面積/ 1 cm的長度時,過多水汽將擴(kuò)散到空 氣入口之外,而當(dāng)區(qū)面積與區(qū)長度的比率小于0.01 cn^的面積/ 1 cm 的長度時,沒有足夠的氧到達(dá)燃料電池以在高效率下工作,對于在殼體 內(nèi)的從燃料電池延伸到燃料室的腔的幾何形狀,情況實(shí)際上也是相同
的,所述腔允許氫氣從燃料室流到燃料電池,并且允許水汽從燃料電池 流到燃料室。
在另一實(shí)施例中,電力發(fā)生器IO可以進(jìn)一步包括至少一個閥26, 用于調(diào)節(jié)從燃料室12至燃料電池14的氫氣流動,并且用于調(diào)節(jié)從燃料 電池14至燃料室12的水汽通行。如圖1和2所示,閥26位于燃料室 12與燃料電池14之間的腔24內(nèi)。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中,閥26包括 氣動閥,該氣動閥受控于所述腔24內(nèi)的氣壓并氣動調(diào)節(jié)水汽向燃料室 12的傳導(dǎo)。閥26優(yōu)選地包括氣動致動柔性隔片30,隔片30的周界 優(yōu)選地在支撐部50處固定到電力發(fā)生器殼體36;與隔片30相對定位 的閥盤28;和連結(jié)閥盤28與隔片30的桿連接器。閥26當(dāng)閥盤28與 密封部38接觸時處于關(guān)閉位置,以阻止水汽到達(dá)燃料室12?;蛘撸?述閥當(dāng)閥盤與密封部38分離時處于開啟位置,從而允許水汽到達(dá)燃料 室12并允許生成的氫氣到達(dá)燃料電池14.優(yōu)選地,密封部38包括殼 體36的一部分。支撐部50優(yōu)選地也包括殼體36的一部分。如圖1和 2所示, 一個或多個燃料電池14優(yōu)選地通過支撐部50安裝在殼體內(nèi).
所述閥的各部件部分的尺度優(yōu)選地在量級上很小,但可根據(jù)所述閥 的具體應(yīng)用而改變。隔片的厚度和直徑應(yīng)根據(jù)所希望的功率輸出而處于 特定范圍內(nèi),在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中,隔片30為可伸縮的或不可伸縮 的,且優(yōu)選地包括圓形薄板,此薄板優(yōu)選地具有大約1 - 3cm的直徑且 更優(yōu)選地具有大約1 -2cm的直徑。閥盤28的直徑優(yōu)選地為大約0. 2 -lcm,且更優(yōu)選地為大約0.2-0. 5cm。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中,桿連接 器包括螺釘或螺栓,不過將隔片30連接到閥盤28的任何其他裝置也是 適合的,從而使所述閥可在開啟與關(guān)閉位置之間交替。
所述閥的致動優(yōu)選地受控于在隔片30上施加的內(nèi)氣壓。隨著所述 設(shè)備的內(nèi)氣壓由于氫氣生成而上升,隔片30將會略微彎曲或外推。這 導(dǎo)致連接器拉動閥盤28靠緊密封部38,從而關(guān)閉所述岡并防止另外的 水汽流到燃料室12。當(dāng)所述閥關(guān)閉時,停止產(chǎn)生氫。這樣也防止內(nèi)氣 壓進(jìn)一步上升。隨著氫被消耗,例如由燃料電池14消耗,內(nèi)氣壓下降, 從而允許閥盤28與密封部38脫離接合并使所述閥開啟。相應(yīng)地,氬氣 以其被消耗的速率自動產(chǎn)生。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中,電力發(fā)生器IO通過借助氣動閥26保持 固定壓力而工作。電力發(fā)生器10應(yīng)能夠在下至低的周邊壓力下以較低
而工作。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中,當(dāng)處于關(guān)閉位置時,所述設(shè)備的內(nèi)
氳壓為大約0 - 1000kPa。當(dāng)燃料電池不使用氫氣時,所述閥完全關(guān)斷, 并將開啟所需的量以適應(yīng)于氫氣消耗速率。在本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例 中,電力發(fā)生器的內(nèi)壓總是保持在大約100kPa,其中,當(dāng)壓力降至低 于大約10kPa時,所述閥將略微開啟,直到內(nèi)壓升至大約500kPa或更 高,從而導(dǎo)致所述閥關(guān)閉。對于小規(guī)模的應(yīng)用,例如便攜式電子裝置或 無線傳感器,最優(yōu)選的工作壓力優(yōu)選地為大約0.5-2大氣壓(大約50 -202kPa )。
通常,電力發(fā)生器IO通過使用氣動閥26保持固定壓力而工作,此 固定壓力一般高于周邊壓力幾psi。優(yōu)選地,發(fā)生器10能夠在下至低 的周邊壓力下以較低功率輸出而工作,并且能夠在上至理論上無限的周 邊壓力下以滿功率輸出而工作。電力發(fā)生器IO優(yōu)選地在使用中保持處 于工作溫度范圍內(nèi),所述工作溫度范圍在大約-40°C至85°C,更優(yōu)選 地在大約-20°C至50°C,進(jìn)一步優(yōu)選地在大約0°C至50°C,且最優(yōu)選 地在大約20°C至50。C。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的,用語"水汽"不包括蒸汽。雖然"水汽" 和"蒸汽,,是水的兩種形式,但二者分別具有顯著不同的性能和用途。 例如,機(jī)車可由蒸汽驅(qū)動,但不能通過如本發(fā)明中所述的存在于潮濕空 氣中的水汽而工作。"水汽"自身是由單獨(dú)水分子形成的氣體,所述水
邊空i中。;水汽具有低的分壓,因而^其包含相對較少一的P水分;,除非; 成水汽的水被加熱。另一方面,"蒸汽"由通過將水加熱至沸騰而形成 的熱水微滴構(gòu)成。蒸汽包含的水分子大約百倍于15°C時水汽包含的水 分子,蒸汽以高壓力和高速率自然膨脹,而且大量的水可沸騰并作為蒸 汽傳輸離開。水汽存在于日??諝庵校@著少于蒸汽或液態(tài)水的 水分子數(shù)量,而且自然擴(kuò)散而移動得很慢。僅有極少量的水能夠以水汽 的形式傳輸。作為例示,單滴的水在室溫下通?;ㄙM(fèi)1小時蒸發(fā),而整 壺的水可在大約20分鐘內(nèi)沸騰變?yōu)檎羝?。進(jìn)一步地,蒸汽電力發(fā)生器 將需要可用于生成蒸汽的供水器或水源。與此不同的是,本發(fā)明通過不 設(shè)置這樣的水源而提供針對現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)。相應(yīng)地,本發(fā)明的設(shè)備和 方法被設(shè)計為在低工作溫度下使用水汽實(shí)行,而不是在高工作溫度下使
用蒸汽實(shí)行。
如圖l和2所示,電力發(fā)生器IO可進(jìn)一步包括與空氣入口 20結(jié)合 的限制部32,用于調(diào)節(jié)大氣氧和大氣水分子擴(kuò)散進(jìn)入電力發(fā)生器。這 一限制部由于阻止在陰極16處產(chǎn)生的水汽向外擴(kuò)散,因而還有助于提 高在燃料電池陰極16處的濕度。這種增加的濕度改進(jìn)了燃料電池的工 作。限制部優(yōu)選地包括疏水膜,該疏水膜使大氣氧氣基本上可透過但使 水汽基本上不可透過,并基本上阻止燃料電池水流入大氣中。用于這種 使氧可透過但使水汽不可透過并具有所希望性能的膜的適合材料包括 含氟聚合物,其中包含諸如氟化乙丙烯(FEP)和全氟烷氧樹脂之類的 材料;和無氟聚合物,其中包含諸如取向聚丙烯(0PP)、低密度聚乙烯 (LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和環(huán)烯烴共聚物(C0Cs)之類的材料。 用于使氧可透過但使水汽不可透過的膜的最優(yōu)選材料包括氟化乙丙 烯。此外,在一些實(shí)施例中,僅設(shè)置所述膜可能無法使足夠的氧透過至 陰極。因此,可在限制部32中設(shè)置小開口 48 (見圖2),以允許額外的 大氣氧和大氣水分子進(jìn)入所述腔而擴(kuò)散到燃料電池的一個或多個陰極. 不過,此開口也可能導(dǎo)致一些水汽擴(kuò)散到電力發(fā)生器10之外。所要求
的開口尺寸是動力水平、擴(kuò)散路徑長度和所需分壓降的函數(shù)。此開口尺 寸優(yōu)選地尺寸很小,并可優(yōu)選地包括所述膜的整個表面積的大約0.001 % - 1 % 。
在燃料室12內(nèi)的基本上非流體的物質(zhì)優(yōu)選地包括以粉末、微粒、 小粒形式的材料,并優(yōu)選地為堿金屬、氫化鈣、氫化鋰、氫化鋰鋁、硼 氫化鋰、硼氬化鈉和它們的組合。適合的堿金屬包括但不僅限于鋰、鈉
和鉀。用于非流體物質(zhì)的優(yōu)選材料為氫化鋰鋁。燃料物質(zhì)優(yōu)選地為允許 氣體和汽體擴(kuò)散的固態(tài)多孔材料。進(jìn)一步地,非流體物質(zhì)優(yōu)選地還與用
于生成氫氣的催化劑結(jié)合以催化水汽與非流體物質(zhì)的反應(yīng)。適合的催化 劑包括但不僅限于鈷、鎳、釕、鎂以及它們的合金和組合。
如圖1和2所示,燃料室12優(yōu)選地由多孔氣膜34定界。此膜34 附接到殼體36并與燃料室12并置,膜34有必要使水汽可透過,從而 允許水汽通過而進(jìn)入燃料室12中并與固態(tài)燃料物質(zhì)反應(yīng)以生成氫氣。 膜34還有必要使氫氣可透過,從而允許所生成的氫氣通過而進(jìn)入腔24 并返回燃料電池14。這種具有所述雙重性能的氣膜34所用的適合材料 包括但不僅限于多孔聚合物,該多孔聚合物包括含氟聚合物,該含氟聚
合物包括膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)層片材料,例如膨脹特氟綸⑧。ePTFE 層片材料特別優(yōu)選地為由特拉華州W. L. Gore & Associates/>司制造 的GORE - TEX⑧和由特拉華州BHA技術(shù)公司制造的eVENT⑧。
特別地參見圖2,顯示了本發(fā)明的可替代電力發(fā)生器的截面示意圖, 此電力發(fā)生器與圖l所示發(fā)生器相比,其空氣入口具有更大的表面積。 類似地,在此實(shí)施例中,疏水膜32使大氣氧氣基本上可透過但使水汽 基本上不可透過,膜32優(yōu)選地置于空氣入口 20處。不過,為了使來自 大氣中自然空氣濕氣的水分子進(jìn)入,小的開口 48 (例如大約0. 008cm2) 優(yōu)選地切入膜32中。此開口 48還將允許額外的氧擴(kuò)散到燃料電池陰極。 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中,本發(fā)明的電力發(fā)生器當(dāng)處于相對濕度為至少 大約5%的環(huán)境中時表現(xiàn)最佳,其中,其表現(xiàn)將隨濕度增加而改善。
圖2所示實(shí)施例優(yōu)選地還包括氣動閥26,氣動閥26優(yōu)選地包括篩 隔片30和使水可透過但使氫不可透過而且與閥26的篩隔片30并置的 膜40。篩隔片30優(yōu)選地使水汽可透過且優(yōu)選地由諸如聚乙烯對苯二酸 鹽/酯之類的聚合物材料或由諸如不銹鋼之類的金屬形成。這種使水可 透過的膜40所用的適合的可透水材料包括全氟化聚合物,例如,全氟 磺酸鹽/酯的離聚物。其他適合的材料為環(huán)氧樹脂和氯丁橡膠。最優(yōu)選 的是,使水可透過的膜包括特拉華州EI DuPont de Nemours & Co.公 司以商標(biāo)Nafioi^商業(yè)銷售的全氟磺酸鹽/酯的離聚物膜。優(yōu)選Nafion 是因?yàn)槠渚哂惺蛊浞浅7€(wěn)定的氟化骨架,并具有磺酸側(cè)鏈以支持高的離 子導(dǎo)通性。使水可透過但使氬不可透過的膜40允許水汽擴(kuò)散到燃料室 12而不必使水汽穿過電解膜42。這樣為水汽提供了滲透進(jìn)入燃料室中 的大面積路徑,而且與僅通過燃料電池自身回收水的情況相比,這樣可 允許燃料電池14以更高的電流密度工作。類似材料形成至少一個燃料 電池14的電解膜42。
相應(yīng)地,如圖2中可見,這種電力發(fā)生器10為由燃料電池產(chǎn)生的 水分子從燃料電池陰極16傳輸?shù)饺剂鲜?2提供了兩種路徑。具體而言, 在圖2所示的實(shí)施例中,氫氣與大氣氧在燃料電池14中的反應(yīng)導(dǎo)致在 燃料電池陰極16處生成燃料電池水,并由此產(chǎn)生電。這樣生成的燃料 電池水保持在水保持區(qū)22中,并且可通過擴(kuò)散返回穿過燃料電池14或 通過從水保持區(qū)22擴(kuò)散并滲透穿過篩隔片30和使水可透過的膜40而 再次進(jìn)入腔24中。
圖7中所示為具有多個燃料電池的本發(fā)明的柱形電力發(fā)生器10的 俯視圖。如圖7中所示,在優(yōu)選實(shí)施例中,多個燃料電池14圍繞電力 發(fā)生器10的周界定位。本發(fā)明的電力發(fā)生器10還可包括進(jìn)口 46,可 選地可通過進(jìn)口 46補(bǔ)充燃料物質(zhì)44?;蛘?,當(dāng)燃料物質(zhì)44被消耗完 時,可棄置電力發(fā)生器,類似于棄置電池。電力發(fā)生器10組裝后的各 部件部分中的每一個可進(jìn)一步被封裝在適合的中空結(jié)構(gòu)(未示出)中, 所述中空結(jié)構(gòu)例如為由諸如聚乙烯對苯二酸鹽/酯之類的適合材料形成 的管,所述封裝體還可在頂表面和/或底表面上蓋以適合的蓋(未示出), 所述蓋可拆除并優(yōu)選地由類似于或不同于封裝體的材料形成。電力發(fā)生 器10優(yōu)選地還進(jìn)一步包括至少一個電連接器,通過所述電連接器可將 一裝置電連接到電力發(fā)生器10。如圖1中所示,在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施 例中,裝置52 (示意性表示但未按比例畫出)優(yōu)選地通過電連接器54 和56電連接到電力發(fā)生器10,電連接器54和56優(yōu)選地連接到燃料電 池的陰極和陽極。電連接器54和56也在圖7中,皮示出。在包含多個燃 料電池的實(shí)施例中,多個燃料電池優(yōu)選地串聯(lián)連接,并且優(yōu)選地連接到 從發(fā)生器殼體36突出的單組電連接器54和56。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施 例中,電力發(fā)生器10包括八個相互連接的燃料電池。
電力發(fā)生器10和閥26的每一部分可由適合的聚合物材料、金屬或 其他材料制造,這根據(jù)發(fā)生器和閥的預(yù)計用途的要求而確定。優(yōu)選材料 包括但不僅限于聚乙烯對苯二酸鹽/酯。電力發(fā)生器10的各部件部分的 優(yōu)選尺度優(yōu)選地在量級上很小,不過也可根據(jù)電力發(fā)生器10的用途而 改變。這種無水微電力發(fā)生器的優(yōu)選外尺度在長度上為大約1-100mm, 在寬度上為大約1 - 100mm,并在深度上為大約1 - 100mm,更優(yōu)選的是, 在長度上為大約1-25mm,在寬度上為大約1 - 25mm,并在深度上為大 約1-25mm。這樣的無水微電力發(fā)生器能夠包含一個或多個燃料電池 14,所述燃料電池的尺寸范圍可為大約0. l- 5000mm2。本發(fā)明的無水微 電力發(fā)生器優(yōu)選地還能夠包含大約0. 1mm3 - 15625cn^的容積量。較大的 電力發(fā)生器的尺度,優(yōu)選地在長度、寬度和深度上可達(dá)到至少大約50cm 或更大,在燃料電池面積上可達(dá)到至少大約5000cW或更大,在電力發(fā) 生器體積上可達(dá)到至少大約0. 1251113或更大。這些尺度雖然是優(yōu)選的, 但可在寬范圍變化,而并非意在限制范圍。類似地,電力發(fā)生器的各部 件部分的每個的尺度可以改變,這可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的電
力發(fā)生器預(yù)計將采取的工作方式而確定。
如圖1和2中所示的每一實(shí)施例均已顯示,在沒有提供非燃料電池 水源的情況下呈現(xiàn)出導(dǎo)電性。圖5和以下示例l提供了本發(fā)明的小規(guī)模 微電力發(fā)生器的功率輸出相對于時間的示例圖線。本發(fā)明的微電力發(fā)生 器所產(chǎn)生的功率輸出優(yōu)選地為大約1微瓦至大約100毫瓦,更優(yōu)選地為 大約1微瓦至大約1000毫瓦,且其能量密度為大約0. 1 - 10 W-hr/cc。 本發(fā)明的較大的電力發(fā)生器產(chǎn)生的功率輸出水平可為大約0. 1 - 100W, 且其能量密度為大約0. 1 - 10W-hr/cc。
應(yīng)進(jìn)一步理解的是,雖然圖1和2例示的實(shí)施例表示本發(fā)明的優(yōu)選 的電力發(fā)生器設(shè)備,但這樣的結(jié)構(gòu)并不意在限制。以大致類似方式實(shí)施 的其他設(shè)計變例,即,能夠通過包含固態(tài)燃料物質(zhì)的氫氧燃料電池產(chǎn)生 有用的電力水平的無水電力發(fā)生器,包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
以下實(shí)施例用于例示本發(fā)明.
實(shí)施例1
如圖1中所示的電力發(fā)生器設(shè)置和提供了氫氣初始沖洗。初始沖洗 氫氣清空發(fā)生器腔中的空氣,并在此后被燃料電池消耗,從而產(chǎn)生電和 副產(chǎn)物水。在這種初始沖洗氫被消耗之后,在內(nèi)部連續(xù)生成氫氣以及電。 發(fā)生器的功率輸出隨時間測量。其結(jié)果如圖5中所示,其中圖5是電力 發(fā)生器的功率輸出相對于時間的圖線。功率輸出初始設(shè)定在50微瓦, 但在此后增加到170微瓦并然后至210微瓦,這樣保持30天檢測持續(xù) 時間。在檢測的前20天中,周邊的實(shí)驗(yàn)室空氣的相應(yīng)濕度在大約10% -20%之間變化。實(shí)驗(yàn)室空氣溫度為大約23°C。初始沖洗氫估計在大約 第一天的操作中消耗完。為了這種無水操作,所需的水被返回滲透通過 燃料電池自身。內(nèi)氣壓在工作動力水平范圍內(nèi)穩(wěn)定,陰極水的量精確地 為在任一動力水平下的正確量。由于不再需要必須加栽的液態(tài)水,因而 來自水循環(huán)的可能的凈收益為系統(tǒng)體積和重量減小兩倍,成本和復(fù)雜 度降低,和安全性提高。由于在陰極上的空氣濕度,還實(shí)現(xiàn)了更好的 PEM水合作用。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了具體顯示和描述,但本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員應(yīng)易于認(rèn)識到的是,在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況 下,可進(jìn)行各種改變和修改。權(quán)利要求意在被認(rèn)為涵蓋所公開的實(shí)施例、 如上所述的各替代方案以及其等同方案。
權(quán)利要求
1. 一種電力發(fā)生器,包括:a)殼體;b)安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料電池,所述燃料電池包括陰極、陽極和位于所述陰極與陽極之間的使水汽可透過的電解膜;所述燃料電池能夠通過氫氣與氧氣的反應(yīng)在所述陰極處產(chǎn)生電和燃料電池水;c)安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料室,所述燃料室容納與水汽反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的燃料物質(zhì);d)至少一個空氣入口,用于允許大氣空氣進(jìn)入所述殼體中;e)水保持區(qū),其處于所述殼體內(nèi)并從所述空氣入口延伸到所述燃料電池的陰極,所述水保持區(qū)阻止所產(chǎn)生的燃料電池水?dāng)U散到所述空氣入口之外;和f)腔,其處于所述殼體內(nèi)并從所述燃料電池延伸到所述燃料室,所述腔允許氫氣從所述燃料室流到所述燃料電池,并允許水汽從所述燃料電池流到所述燃料室。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的電力發(fā)生器,其中,所述燃料物質(zhì)包括從包 含以下材料的組中選出的固態(tài)材料堿金屬,氫化鈣,氫化鋰,氫化鋰 鋁,硼氫化鋰,硼氫化鈉,以及它們的組合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的電力發(fā)生器,其中,所述燃料物質(zhì)包括氫化 鋰鋁。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的電力發(fā)生器,進(jìn)一步包括多孔氣膜,其附接到所述殼體并與所述燃料室并置,所述膜使氫氣和水汽均可透過。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的電力發(fā)生器,其中,所述多孔氣膜包括含氟聚合物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的電力發(fā)生器,進(jìn)一步包括位于所述腔中的 至少一個閥,用于調(diào)控氫氣從所述燃料室至所述燃料電池的通行并用于 調(diào)控水汽從所述燃料電池至所述燃料室的通行。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的電力發(fā)生器,其中,所述閥包括氣動閥,所 述氣動閥通過所述腔內(nèi)的氣壓進(jìn)行控制。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的電力發(fā)生器,進(jìn)一步包括電連接到所述至少 一個燃料電池的所述陽極和陰極的至少 一個裝置,所述裝置由所述燃 料電池產(chǎn)生的電提供動力。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的電力發(fā)生器,其產(chǎn)生從大約l微瓦至大約100 毫瓦的電。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的電力發(fā)生器,進(jìn)一步包括與所述空氣入口 結(jié)合的使氧可透過但使水汽不可透過的膜,所述膜阻止燃料電池水流入 大氣中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的電力發(fā)生器,其中,所述使氧可透過但使 水汽不可透過的膜包括氟化乙丙烯聚合物或全氟烷氧聚合物。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10的電力發(fā)生器,進(jìn)一步包括在所述使氧可 透過但使水汽不可透過的膜內(nèi)的開口。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1的電力發(fā)生器,進(jìn)一步包括與所述燃料物質(zhì) 組合的催化劑。
14. 一種電力發(fā)生器,包括 a )殼體;b) 安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料電池,所述燃料電池包括陰 極、陽極和位于所述陰極與陽極之間的使水汽可透過的電解膜;所述燃 料電池能夠通過氫氣與氧氣的反應(yīng)在所述陰極處產(chǎn)生電和燃料電池水;c) 安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料室,所述燃料室容納與水汽 反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的燃料物質(zhì);d) 至少一個空氣入口,用于允許大氣空氣進(jìn)入所述殼體中;e) 水保持區(qū),其處于所述殼體內(nèi)并從所述空氣入口延伸到所述燃 料電池的陰極,所述水保持區(qū)阻止所產(chǎn)生的燃料電池水?dāng)U散到所述空氣 入口之夕卜;f) 腔,其處于所述殼體內(nèi)并從所述燃料電池延伸到所述燃料室, 所述腔允許氫氣從所述燃料室流到所述燃料電池,并允許水汽從所述燃 料電池流到所述燃料室;g) 位于所述腔內(nèi)的至少一個閥,用于調(diào)控氫氣從所述燃料室至所 述燃料電池的通行并用于調(diào)控水汽從所述燃料電池至所述燃料室的通 行;h) 與所述空氣入口結(jié)合的使氧可透過但使水汽不可透過的膜,所 述膜阻止燃料電池水流入大氣中;和i)使水可透過但使氫不可透過的膜,其處于所述腔內(nèi)并與所述閥 并置,所述使水可透過但使氫不可透過的膜允許在水汽不通過所述電解 膜的情況下使水汽擴(kuò)散到所述燃料室。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的電力發(fā)生器,其中,所述燃料物質(zhì)包括從 包含以下材料的組中選出的固態(tài)材料堿金屬,氫化鈣,氫化鋰,氫化 鋰鋁,硼氬化鋰,硼氫4匕鈉,以及它們的組合。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14的電力發(fā)生器,其中,所述燃料物質(zhì)包括氫 化鋰鋁。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14的電力發(fā)生器,進(jìn)一步包括多孔氣膜,其 附接到所述殼體并與所述燃料室并置,所述膜使氫氣和水汽均可透過。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的電力發(fā)生器,其中,所述多孔氣膜包括含 氟聚合物。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14的電力發(fā)生器,其中,所述閥包括氣動閥, 所述氣動閥通過所述腔內(nèi)的氣壓進(jìn)行控制。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14的電力發(fā)生器,其中,所述使水可透過但使 氫不可透過的膜包括全氟化聚合物。
21. 根據(jù)權(quán)利要求14的電力發(fā)生器,進(jìn)一步包括電連接到所述 至少一個燃料電池的所述陽極和陰極的至少一個裝置,所述裝置由所述 燃料電池產(chǎn)生的電提供動力。
22. 根據(jù)權(quán)利要求14的電力發(fā)生器,其產(chǎn)生從大約1微瓦至大約 100毫瓦的電。
23. 根據(jù)權(quán)利要求14的電力發(fā)生器,其中,所述使氧可透過但使 水汽不可透過的膜在其中具有開口。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23的電力發(fā)生器,其中,所述使氧可透過但使 水汽不可透過的膜包括氟化乙丙烯聚合物或全氟烷氧聚合物。
25. 根據(jù)權(quán)利要求14的電力發(fā)生器,進(jìn)一步包括與所述燃料物 質(zhì)組合的用于產(chǎn)生氫氣的催化劑。
26. —種用于產(chǎn)生電力的方法,包括 I)提供電力發(fā)生器,該電力發(fā)生器包括a) 殼體;b) 安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料電池,所述燃料電池包括陰 極、陽極和位于所述陰極與陽極之間的使水汽可透過的電解膜;所述燃料電池能夠通過氫氣與氧氣的反應(yīng)在所述陰極處產(chǎn)生電和燃料電池水;c) 安裝在所述殼體內(nèi)的至少一個燃料室,所述燃料室容納與水汽 反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的燃料物質(zhì);d) 至少一個空氣入口,用于允許大氣空氣進(jìn)入所述殼體中;e) 水保持區(qū),其處于所述殼體內(nèi)并從所述空氣入口延伸到所述燃 料電池的陰極,所述水保持區(qū)阻止所產(chǎn)生的燃料電池水?dāng)U散到所述空氣 入口之外;和f) 腔,其處于所述殼體內(nèi)并從所述燃料電池延伸到所述燃料室, 所述腔允許氫氣從所述燃料室流到所述燃料電池,并允許水汽從所述燃 料電池流到所述燃料室;和II)通過以下步驟操作所述電力發(fā)生器發(fā)電a) 在所述燃料電池中使氫氣與大氣氧氣反應(yīng),從而產(chǎn)生燃料電池 水和電,所述燃料電池水保持在所述水保持區(qū)中;b) 使所述燃料電池水從所述水保持區(qū)擴(kuò)散通過所述電解膜進(jìn)入所 述腔并至所述至少一個燃料室;c) 使所述水汽與所述燃料物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣;和d) 使產(chǎn)生的氫氣擴(kuò)散通過所述腔至所述燃料電池。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26的方法,其中,所述電力發(fā)生器在步驟II中 保持處于從大約-40°C至大約85°C的工作溫度。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26的方法,進(jìn)一步包括通過至少一個閥調(diào)控 氬氣從所述燃料室至所述燃料電池的通行并調(diào)控水汽從所述燃料電池 至所述燃料室的通行。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28的方法,其中,所述閥包括氣動閥。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28的方法,其中,所述電力發(fā)生器進(jìn)一步包括 處于所述腔內(nèi)并與所述閥并置且使水可透過但使氫不可透過的膜,其 中,水汽通過所述使水可透過但使氫不可透過的膜擴(kuò)散到所述腔中,水 汽通過所述燃料電池的電解膜擴(kuò)散到所述腔中。
31. 根據(jù)權(quán)利要求26的方法,其中,所述使氧可透過但使水汽不 可透過的膜在其中具有開口。
32. 根據(jù)權(quán)利要求26的方法,進(jìn)一步包括使初始量的氫氣進(jìn)入 所述腔中沖洗,用于產(chǎn)生初始量的燃料電池電。
33. 才艮據(jù)權(quán)利要求26的方法,進(jìn)一步包括由所述至少一個燃料 電池產(chǎn)生的電為至少一個裝置供電,所述至少一個裝置電連接到所述至 少一個燃料電池的所述陽極和陰極。
34. 根據(jù)權(quán)利要求26的方法,其產(chǎn)生從大約1微瓦至大約100毫 瓦的電。
35. 根據(jù)權(quán)利要求26的方法,其中,連續(xù)重復(fù)步驟II。
全文摘要
一種無水電力發(fā)生器,具體是一種無水電力發(fā)生器和用于通過燃料電池產(chǎn)生電的被動受控方法,其中,燃料電池按化學(xué)計量組成使用一定量的固態(tài)氫燃料和由燃料電池產(chǎn)生的副產(chǎn)物水汽而生成氫氣。氧與氫的燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生電能以及副產(chǎn)物水,這種副產(chǎn)物水作為水汽擴(kuò)散回到電力發(fā)生器中與氫燃料反應(yīng)以產(chǎn)生更多氫氣。這樣生成的氫氣然后用作燃料以允許燃料電池產(chǎn)生另外的電力和另外的水。所述方法在沒有任何附接水源或供水器的情況下實(shí)行,其中僅有燃料電池自身產(chǎn)生的水。
文檔編號H01M8/06GK101395752SQ200680049656
公開日2009年3月25日 申請日期2006年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月9日
發(fā)明者R·A·伍德, S·J·??嘶舴?申請人:霍尼韋爾國際公司