包括燃料电池和金属氢化物的电力发电机

摘要

一种发电机具有氢流径，湿气通过所述氢流径受到导引以流至含氢燃料，所述含氢燃料与所述湿气进行反应以产生氢。金属氢化物如LiBH

说明书

技术领域

本发明涉及电力发电机。

背景技术

对于许多应用如战场应用、无人驾驶飞机和无人管理的无线传感器而言，对重量更轻的电源的需求是持续而迫切的。目前，主要使用的电源是锂电池。然而，对于给定重量的电池而言，锂电池的能量容量是有限的。

所希望的是电源功率的数倍增加，由此使得有可能在不增加重量的情况下显著地增加电子设备的操作寿命。

本发明的受让人以前开发出一种如图1所示的高性能微功率源10。微功率源10包括水贮存装置12、水可透过膜13、固体燃料贮存装置14和气动阀16。水贮存装置12可被布置以保持例如少量水如几毫升(cc)的水。固体燃料贮存装置14包含例如固体燃料如几克金属氢化物如LiAlH4。

水贮存装置12通过气动阀16被连接至固体燃料贮存装置14。当水贮存装置12中的水蒸发并渗透通过水可透过膜13时，所得的水蒸汽扩散通过气动阀16并与固体燃料贮存装置14中的燃料进行反应以产生氢气。气动阀16感知内部氢气压力，并且对水蒸汽的扩散进行调节以保持固定的内部氢气压力，使得所述压力通常略高于大气压力。

微功率源10中的一个或多个燃料电池18将氢气转化成输出电压。例如，燃料电池18可以是分别具有1mm直径的Nafion膜且一侧与空气接触的将氢转化成直流输出电压的小型质子交换膜(PEM)燃料电池。

利用水蒸汽而不是液体水的其中一个优点在于水蒸汽与固体燃料进行基本上100％的完全反应，而不会出现使用液体水时通常会观察到的结块和阻塞现象。

与典型的一次锂电池产生0.25瓦-小时/克的比能量相比，微功率源10每克重量可产生的能量高达1.25瓦-小时。微功率源10所储存的能量(3.1瓦-小时)需要重量仅为约2.5克的燃料(例如金属氢化物和水)，且可将重量仅为0.8克的附加非燃料组分添加至微功率源10，以使得微功率源10的总的比能量为0.95瓦-小时/克，比典型的一次锂电池强约4倍。

图2示出了微功率源10的典型构造，所述微功率源被构造作为规格为C电池的发电机。微功率源10被罩在圆柱形壳体20中，所述圆柱形壳体罩住水贮存装置12和固体燃料贮存装置14以使得固体燃料贮存装置14形成由水贮存装置12围绕的芯体。固体燃料贮存装置14中的燃料可以固体金属氢化物球粒15的形式存在。气动阀16包括阀盘22，所述阀盘与阀座24协同作用以调节从水贮存装置12向固体燃料贮存装置14扩散的水蒸汽的量。阀盘22通过阀杆28被联接至阀隔膜26，以使得当内部氢气压力改变时，阀隔膜产生偏转以使阀盘22相对于阀座24产生移动从而调节从水贮存装置12向固体燃料贮存装置14扩散的水蒸汽量。

燃料电池18与空气和氢接触。多孔阻挡层21保持水贮存装置12中的水以及固体金属氢化物球粒15处于其适当位置处。

图3总结性地示出了微功率源10中的化学工艺过程。

本发明涉及一种提供更高的功率级、比能量和/或能量密度的电源。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种发电机包括氢流径、湿空气流径、燃料电池和水交换膜。所述氢流径包含含氢燃料和导流器，所述含氢燃料与所述氢流径中的湿气进行反应以产生氢，且所述导流器导引所述氢流径中的流。所述燃料电池位于所述氢流径与所述湿空气流径之间，以使得所述燃料电池与所述氢流径中的所述氢进行反应从而发电且使得所述湿空气流径中的湿气是通过所述燃料电池的所述反应而产生的。所述水交换膜位于所述氢流径与所述湿空气流径之间且允许所述水蒸汽流径中的所述湿气被供应至所述氢流径。

根据本发明的另一个方面，一种发电的方法包括下列步骤：将湿气供应至氢流径；导引氢流径中的流，其中所述流包含所述湿气，且其中所述氢流径包含含氢燃料，所述含氢燃料与所述湿气进行反应以产生氢；并且，将由所述含氢燃料产生的所述氢引导至燃料电池，所述燃料电池与所述氢进行反应从而发电。

根据本发明的又一个方面，一种发电的方法包括下列步骤：使湿气与氢流径中的金属氢化物进行反应以便产生氢；引导所述氢通过所述氢流径到达燃料电池，所述燃料电池与所述氢进行反应从而发电并产生湿气；并且，将由所述燃料电池产生的所述湿气供应至所述氢流径作为与所述金属氢化物进行反应的主要湿气。

附图说明

通过对本发明的详细描述并结合附图将更易于理解这些和其它特征和优点，其中：

图1是由本发明的受让人以前开发出的微功率源的示意图；

图2示出了图1所示的微功率源的典型构造；

图3示出了用于图1所示的微功率源的化学工艺过程；

图4是根据本发明的一个实施例的闭合循环微功率源的示意图；和

图5示出了图4所示的闭合循环微功率源的典型构造。

具体实施方式

上面讨论的微功率源10在毫瓦(mW)级发电方面极为简单且有效。然而，微功率源10采用缓慢的自然蒸发且湿气从其水贮存装置12扩散出来的速率缓慢，这大大限制了发电过程。此外，由燃料电池18产生的水作为废物被排出，这样就限制了微功率源10所需的燃料的最小尺寸和重量。从图3所示的化学反应顺序可以看到，原则上不必将水再供应至微功率源10，原因在于燃料电池18的自然作用恰在水蒸汽与燃料之间的产生的化学反应所需的速率条件下产生水。

图4示出了根据本发明的一个实施例的闭合循环微功率源30。闭合循环微功率源30包括氢流径32和湿空气流径34。导流器36如风扇、泵、叶轮等导引流通过氢流径32。相似地，导流器如风扇、泵、叶轮等(图4中未示出)导引流通过湿空气流径34。起初，雾化水滴可被注射(未示出)进入氢流径32或湿空气流径34内以便使氢流径32中的氢产生初始湿化。

氢流径32中的湿化氢流通过燃料贮存装置38，所述燃料贮存装置包含例如固体燃料如金属氢化物。尽管多种金属氢化物可用于燃料贮存装置38中，但单位重量的LiBH4和LiAlH4中包含适当量的氢能。例如，LiBH4包含的能量是LiAlH4的约1.7倍，且因此通过初始重量可潜在地提供36％的氢。耗尽后，燃料将由于积聚的氧而获得3.9倍的重量因数。然而，LiBH4与水蒸汽之间的化学反应产生了碱性“浆料”，所述碱性浆料降低了导致产生化学反应的反应速率，所述化学反应通常仅进行至30％的完成度。LiAlH4不会出现这种问题，且化学反应接近100％的完成度。如果通过方法(例如添加酸或催化剂)可消除LiBH4中出现的这种效应，则LiBH4可能是比LiAlH4更好的燃料。

燃料贮存装置38中可包含所需量如几克的金属氢化物，所述金属氢化物与氢流中的水蒸汽进行反应以产生干氢。干氢通过氢流径32中的热交换器40以保持环境温度。即，由水蒸汽与燃料贮存装置38中的金属氢化物的反应而产生的放热(约15瓦特)可被动地由热交换器40传递至环境空气。

氢流径32中的干氢经过水交换膜42如聚合物渗透交换阻挡层。湿空气流径34中的湿润流和氢流径32中的干氢之间较大的相对湿度差导引水蒸汽渗透通过水交换膜42进入干氢气体内，而不会进行潜热交换。透气聚合物(breathable polymer)(例如Goretex、PEBA、PVOH、Nafion等)对于水蒸汽而言具有极高的透过率且可用于水交换膜42。因此，来自湿空气流径34的水蒸汽到达氢流径32以便使氢流径32中的氢湿化。

湿化氢随后流过一个或多个燃料电池44如Nafion燃料电池的膜电极组件(MEA)，其中部分氢(约2cc/sec)在燃料电池44的膜电极组件的阳极处被消耗掉以便产生电功率且在膜电极组件的阴极处析出水。因此，由燃料贮存装置38中的燃料产生置换氢，以与燃料电池44的氢消耗速率相匹配。

湿空气流径34中的空气或其它载体流反向流过燃料电池44的阴极且通过由燃料电池44析出的水被湿化。该水蒸汽在下游被水交换膜42抽回至氢。如果水循环是完全有效的，则该系统自然停留在如图3所示的平衡状态，且根据提取的电功率而恰恰根据需要地产生水和氢。如果水循环不是完全有效的，则可在湿空气流径34或氢流径32中设置小的贮存装置以便注射要不然在闭合循环微功率源30中损失的水。因此，在实践中，启动和更换损失的水可能需要小型注水系统(未示出)。

图5示出了图4所示的闭合循环微功率源30的典型构造。氢在氢流径32中循环流动进入下部歧管46内，所述下部歧管将氢流向上分配通过中心歧管49中的垂直管道48的阵列。垂直管道48被在湿空气流径34中向下流动的湿空气围绕。氢流径32中的氢向上流动通过垂直管道48且在来自导流器36的导引作用下通过上部歧管50从垂直管道48中被收集出来。垂直管道48的上部部分涂覆有燃料电池电极材料且垂直管道48的下部部分涂覆有水交换膜42。中心歧管49中的垂直管道48包含燃料如以金属氢化物燃料棒的形式存在的固体燃料。垂直管道48例如可以是Nafion聚合物管道。

如上面所述，通过使从湿空气流径34通过涂覆垂直管道48的下部部分的水交换膜42的水蒸汽与金属氢化物燃料进行反应而在氢流径32中产生氢，由此对氢气进行干燥。在垂直管道48的燃料电池阴极处释放的水蒸汽在与氢流相对的反向流中被湿空气流径34承载且渗透通过水交换膜42到达干氢气体，完成水循环。虽然图5中未示出热交换器40，但可在氢流径32中包括所述热交换器以便如上所述保持环境温度。湿空气流径34中的反向流可通过导流器52如风扇、泵、叶轮等产生。另一种可选方式是，在活动车辆应用中，湿空气流径34中的反向流可利用气动压力而产生。

垂直管道48以及下部歧管46和上部歧管50被包含在圆柱形壳体54中。圆柱形壳体54可由气体可透过的金属化薄壁塑料管道构成以实现轻质。

因此，所有或大多数所需水由闭合循环提供，以使得几乎不需要装载水，且大大节省了初始需要的水的重量且导致获得更高的比能量。代替依靠水的自然蒸发速率(约1e-7cc/sec)，可利用导引器如微型水泵初始地以高电功率所需的速率注射水(需要1.5e-3cc/sec的水以产生足够多的实现10瓦特的系统输出功率的氢)。在商业上可例如从thinXXS Microtechnology获得适当的泵如MDP1304微型泵。可利用超声雾化器以初始地以机械方式将液体水的微液滴注入强制流氢气流内，这初始地产生足够的湿化氢以启动系统。这种超声装置被用于家用湿化器中。以1.5e-3cc/sec的速率输运在100％的RH(相对湿度)且在5C的温度下以蒸气形式存在的水所需的氢气流速为约200cc/sec。这种气流可由小型低功率商用风扇(如Sunon Inc#5F852，0.25W，1.8克)产生。

由于水循环不可能完全有效，因此一些附加的水可从小的水贮存装置被注入氢流内。该注射速率可用于控制氢的产生速率。

氢气的适当流速为约200cc/sec。该流速确保了所需量的水可被输运作为湿氢气。水的蒸发所需的3.7瓦的潜热是自发的，这意味着其是由系统周围环境的热传导供应的，且未给电系统增加任何负载。

湿空气流径34还将空气提供给燃料电池44的阴极侧。所需的空气流速通常为化学计量比(约6cc/sec)的约两倍以避免在阴极表面处出现氧耗尽的情况。

在10W的输出电功率下且典型电池电压为0.65V的情况下，燃料电池44被认为效率达到50％，且消散附加的10W作为热量。在燃料电池44使用Nafion的情况下，该消散热量应该有助于保持Nafion处于温暖状态，且有助于在阴极处产生水蒸汽。

少量的屏障材料如油可被添加至金属氢化物以便减慢其要不然潜在地可能与水发生的爆炸反应，同时仍允许获得足够的反应速率以实现受控氢产生过程。可通过添加少量酒精而防止液体水结冰。酒精与LiAlH4进行反应以便同样产生氢。

上面已经对本发明的某些变型进行了讨论。本发明所属领域的技术人员将易于想到其它变型。例如，如上所述，热交换器40被用于氢流径32中以保持环境温度。然而，不一定需要使用热交换器40。

此外，如上所述，利用水交换膜42使水蒸汽从流动通过湿空气流径34的湿润空气到达流动通过氢流径32的干氢。另一种可选方式是，可通过用管道输送该湿润空气通过更冷的氢气而对离开燃料电池44的湿空气所带走的水蒸汽进行冷凝，从而有效地利用冷却功率的潜热。例如，例如可通过利用如上所述的微型泵和雾化器将冷凝的液体水再次引入氢流内，以便进行初始的注水过程。

因此，对本发明进行的描述仅是示例性的且目的在于教导本领域的技术人员实施本发明的最佳模式。可在不偏离本发明的精神的情况下对细节作出明显改变，且保留对落入所附权利要求书的范围内的所有变型的排它使用权。