专利名称：水蒸气转换电力发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的利用燃料电池产生电力的系统。更具体而言，本发明涉及一个包括以下几部分的系统利用水蒸气与一种基本上非流体物质发生反应产生氢气，然后将产生的氢气输送到燃料电池中，由燃料电池产生电力。
背景技术：
与其他电池相类似，燃料电池也是通过化学反应来产生电力。燃料电池在工作时可以将反应物连续地供应到电池中，而其他电池是通过提前储存反应物的方式，在这一点上，燃料电池要优于其他电池。在一种有代表性的燃料电池中，氢气作为一种反应物，氧气为另一种反应物，两者在电极上发生反应生成水分子，并且以直流电的形式来释放能量。另外，这种直流电也可以转换为交流电。只要提供氢气和氧气，这一系统就可以连续不断地产生电流。氧气一般可以从空气中获得，而氢气通常需要由其他化合物的可控化学反应来获得，在这里，一般不选择提前储氢的方法，这是由于氢气的储存要么需要压缩，要么需要低温冷却。如同燃料电池技术在发展一样，氢气的制备方法也在不断发展，以应用于使用燃料电池的装置中。
最近，已经有许多制备氢气的方法被人所熟知和使用。这其中，最主要的方法就是通过矿物燃料的分解，生成氢气和碳产物。然而，从长远来看，这一方法并不被看好，因为它依赖于一种不可再生资源。另一种方法是电解水，通过电解使氢气从水分子中分裂出来。然而，这种方法却不适合应用于大规模装置，例如汽车中。另一种方法是先通过氢化金属或合金的可逆吸收，然后加热氢化金属或合金来释放氢气。尽管这种方法实用，但该方法仍然不能作为首选，因为氢化金属一般非常沉重、价格昂贵，并且只能释放出少量的氢气。此外，还有一种制备氢气的方法是通过可反应的氢化物。这种方法涉及干燥的、高反应活性的固体与液体水或酸通过化学反应法制备氢气的过程。特别适合这种方法的化学物质包括氢化锂，氢化钙，氢化铝锂和硼氢化钠，所有这些物质都能释放出大量氢气。这种方法的缺点是化学物质与液体水反应后的产物往往结块或形成糊状物，这会阻碍可反应物质和液体水或酸的进一步反应。
在本领域中，能够提供一种制备氢气的方法，并应用于燃料电池中，这种方法不依赖于不可再生资源，并且能够克服上述方法的缺点，将是非常有价值的。本发明就是提供了解决这一问题的方法。本发明提供了一种电力发生器和一种制备氢气并为燃料电池提供燃料的方法。电力发生器包括一个至少部分被填充以水蒸气的水蒸气发生器，至少一个与水蒸气发生器相连接的氢气发生器，以及一个与氢气发生器相连接的燃料电池，氢气发生器的储仓(chamber)至少部分被填充一种基本上非流体物质，这种物质可以与水蒸气发生反应并生成氢气。产生的氢气被用作燃料提供给燃料电池以产生电力。本发明对相关技术做了改进，其中包括利用水蒸气替代液体水与基本上非流体物质发生反应产生氢气。通过水蒸气和上述的非流体化学物质之间的反应可以发现这种改进可以避免上述的利用可反应氢化物制备氢气的方法中所存在的典型问题，从而产生一个比现有技术更有效率的系统。
发明内容
本发明提供了一种电力发生器，其中包括a)一种水蒸气发生器b)一种与水蒸气发生器相连接的氢气发生器，所说的氢气发生器包括一种基本上非流体物质，该物质可以同水蒸气发生反应产生氢气；任选的，该氢气发生器可以与该水蒸气发生器通过至少一条管路相连接。
c)一种与氢气发生器相连接的燃料电池；任选的，所说的燃料电池同所说的氢气发生器通过至少一条管路相连接。
本发明也提供了一种制备氢气并为燃料电池提供燃料的方法，其中包括a)引导水蒸气从水蒸气发生器到氢气发生器，所说的氢气发生器至少部分被填充一种基本上非流体物质，这种物质可以与水蒸气发生反应产生氢气；b)引导氢气和所有残留水蒸气从氢气发生器到燃料电池。进一步地，本发明提供了一种改进的产生电力的方法，在这里，水和氢气被引导从水储罐中进入燃料电池；水和所有残留氢气被引导从燃料电池中回到水储罐中；水和氢气通过氢气发生器相互引导，氢气发生器分别与燃料电池和水储罐相连接，并且氢气发生器至少部分被填充以一种可以与水发生反应产生氢气的物质，在这里，改进处包括水是以水蒸气的形式与一种基本上非流体物质相接触，发生反应而生成氢气。
图1为一种电力发生器的代表示意图，其中包括一条管路和一条单独的回路。
图2为一种电力发生器的代表示意图，其中即不包括管路也不包括回路。
图3为一种电力发生器的代表示意图，其中包括一条连接在水蒸气发生器和氢气发生器和燃料电池上的管路，并且还包括一个泵、一层在水蒸气发生器内的可拉伸的隔膜以及包裹在燃料电池外部的一个热绝缘体。
具体实施例方式
本发明提供了一种电力发生器，其中包括利用水蒸气与一种基本上非流体物质之间的可控反应产生氢气，然后氢气作为燃料被加入到燃料电池。所产生的电力可以被用来为小型设备，例如便携式电话或者其他的手持电子设备，提供能源；最终地，可以适用于大规模系统，例如燃料驱动的设备和汽车。
参见图1-3，概括说来，电力发生器10包括至少一个水蒸气发生器12，至少一个与水蒸气发生器12相连接的氢气发生器14，和一个与氢气发生器14相连接的燃料电池16。优选地，水蒸气发生器12为一个至少部分被填充以水的腔室，所填充的水以水蒸气、液体水或冰的形式存在。液体水或冰的量可以改变，这通常依赖于水蒸气发生储罐12和应用电力发生器10装置尺寸的大小。只要水蒸气发生器12中存在液体水，就应该利用多空塞24和阀门26来阻止液体水渗漏出水蒸气发生器12。多空塞24包含一种多空物质，例如棉花或聚合织物等，多孔物质可以充当屏障阻止液体水的渗漏，却允许水蒸气进出水蒸气发生器12。
可选的，阀门26也可以调节水蒸气流出水蒸气发生器12，并且能够阻止所有液体水的渗漏。本实施方案参看图2，阀门26可以是一种手动或者是电动控制的阀门。如果阀门为电动控制，优选地，提供开启阀门的初始动力来源于储存于装置30中的电力，开启阀门引起水蒸气从水蒸气发生器12到氢气发生器14的初始流动。阀门26可以直接由电路连接在装置30或者燃料电池16，然后装置30由电路连接在燃料电池。可选地，装置30可以连接于水蒸气发生器12、氢气发生器14或者电力发生器10的任何其他部分。一旦阀门26第一次被开启允许水蒸气流出水蒸气发生器12，然后，优选地，燃料电池16中产生的电力被用于提供控制阀门26所需的电力。在本发明的优选实施方案中，装置30包括一个电池。优选地，阀门26的开启和关闭由是由需要产生氢气还是为燃料电池补充燃料等外部条件来控制。
在另一个实施方案，初始时，电力发生器10至少在下述部分其中之一的内部被填充以氢气，其中包括所说的水蒸气发生器12，氢气发生器14，燃料电池16以及所说的任选管道18和回路20。这些初始填充的氢气将会到达燃料电池16，在燃料电池内部与氧气发生反应并产生电流。然后，这股电流被用于为阀门26提供能量。尽管阀门26仅出现在图2中，但同样意味着在本发明中的所有实施方案中都包括至少一个阀门26。
优选地，水蒸气发生器12的尺寸非常小，但也可以根据电力发生器10的用途的变化而改变。在优选的小规模实施方案中，优选地，水蒸气发生器12的高约为0.1-约1.0cm，优选地，宽约为0.1-约1.0cm，优选地，长约为0.1-约1.0cm。如图3所示，任选的，在水蒸气发生器内部有一层可拉伸隔膜32。可拉伸隔膜32充当为水蒸气发生器12内的水蒸气施加压力的作用，以迫使水蒸气流出水蒸气发生器12，进入氢气发生器14。优选地，水蒸气发生器12内部的压力保持在稍微大于大气压力的水平。
与水蒸气发生器12相连接的是一个氢气发生器14。优选地，氢气发生器14以腔室的形式存在，并且至少部分被填充以一种基本上非流体物质，这种物质可以与水蒸气发生反应产生氢气。可选的，氢气发生器14可以是一个靠近水蒸气发生器12的开放式空间，以适合于存放基本上非流体物质。与水蒸气发生器12相似，氢气发生器14的尺寸也根据电力发生器10的用途的变化而改变。当氢气发生器14包括一个应用于小规模装置的腔室时，优选地，它的高约为0.1-约1.0cm；优选地，宽约为0.1-约1.0cm；优选地，长约为0.1-约1.0cm。
优选地，氢气发生器14内的基本上非流体物质包括一种以粉末状，颗粒状或片状存在的物质，优选地，这种物质为碱金属，氢化钙，氢化锂，氢化铝锂，硼氢化钠等，以及它们的混合物。适合的碱金属包括但不限于锂，钠，钾。优选地，非流体物质为硼氢化钠。优选地，非流体物质同时也包括一种用于氢气制备的催化剂，以催化水蒸气和非流体物质之间的反应。适合的催化剂包括但不限于钴，镍，锰和合金等，以及它们的混和物。
与氢气发生器14相连接的是一个燃料电池16。以氢气为动力源的燃料电池从背景技术中可以熟知。燃料电池16的尺寸也根据电力产生器用途的变化而改变。在一个小规模的应用装置中，优选地，燃料电池的高约为0.1-约1.0cm；宽约为0.1-约1.0cm；长约为0.1-约1.0cm。如图3所示，优选地，燃料电池16至少部分被包裹在热绝缘体28内。热绝缘体28可以包括任意能够使燃料电池的温度保持高于水冰点温度的物质。适合的热绝缘体包括但不限于包含一种塑料泡沫的绝缘体。作为热绝缘体的补充，一个加热器34可以被放置靠近或连接在燃料电池16，以维持燃料电池和电力产生器10的温度高于水的冰点温度。在本发明的优选方案中，电力产生器10在使用时的温度会被保持在约-20-约50℃，更优选为约0-约50℃，最优选为约20-约50℃。
如图1和图3所示，优选地，水蒸气发生器12通过至少一条管道18与氢气发生器14相连接，优选地，氢气发生器14通过至少一条管道18与燃料电池16相连接。管路18可以包括能够使以下输送过程顺利进行的任何材料，这些输送过程包括水蒸气从水蒸气发生器12到氢气发生器器14以及氢气从氢气发生器14到燃料电池16。如图1所示，在本发明地优选实施方案中，电力发生器10也可以包括一条回路20引导所有残留水蒸气和氢气能够从燃料电池16回到水蒸气发生器12中。优选地，回路20基本上同管路18相一致。如图2所示，管路18和回路20都不是能够使本发明有效运作的必要部分。在本实施方案中，水蒸气发生器12可以直接与氢气发生器14相连接，并且燃料电池16也可以直接与氢气发生器14相连接。
更优选地，在电力发生器10中，可以包括至少一个泵22，用于在水蒸气发生器12和氢气发生器14之间输送氢气和水蒸气。优选地，泵22可以由电路连接在燃料电池16，并由其提供动力，任选的，泵初始的运转动力由储存在装置30中的电力提供。优选地，初始时，下述部分可以被填充以一种惰性气体，其中包括水蒸气发生器12，氢气发生器14，燃料电池16，可选的管路18以及可选的回路20。惰性气体协助输送水蒸气和氢气到燃料电池16，优选地，惰性气体是一种选自氮气，氩气等，以及它们混合物和其他类似物质中的气体。
在应用中，水蒸气发生器可以以多种方式产生水蒸气，例如通过来自水蒸气发生器12中液体水的蒸发作用，通过水分子的扩散作用到空气中，通过水的沸腾气体，或者通过液体水表面之上的经过气体，或者存在或表层被水润湿的冰。一旦产生水蒸气，它可以通过以下几种方式被引导从水蒸气发生器12进入氢气发生器16中，其中包括利用扩散作用，利用由可拉伸隔膜32提供的压力作用，利用泵22提供的动力推动作用，利用由于水蒸气在氢气发生器中被消耗而引起的流动作用，或者利用由于氢气在燃料电池中被消耗而引起的流动作用。然后，水蒸气经由多空塞24或开放阀门26，优选地，进入管路18，随后，进入氢气发生器14，氢气发生器14中至少部分被填充以基本上非流体物质。一旦水蒸气进入氢气发生器16中，基本上非流体物质就会与水蒸气发生反应，消耗水蒸气并产生氢气。然后，优选地，通过另一管路18，氢气和所有残留水蒸气被引导从氢气发生器14到燃料电池16。一旦氢气到达燃料电池中，在燃料电池中，氢气与氧气发生反应，消耗氢气并产生电流。随后，优选地，通过回路20，所有残留水蒸气和氢气被从燃料电池16中输送到水蒸气发生器12中。
虽然本发明的有关优选实施方案被特别地说明和描述，但是应当理解为在不背离本发明精神和范围的条件下对其进行各种改变，均是本领域普通技术人员所认可的。这就意味着权利要求应该被解释为覆盖已公开的实施方案，前述的其他任选项以及其他所有同等物。
权利要求
1.一种电力发生器，其中包括a)一种水蒸气发生器b)一种连接于水蒸气发生器上的氢气发生器，所说的氢气发生器包括一种基本上非流体物质，该物质可以与水蒸气发生反应并产生氢气。任选的，该氢气发生器可以通过至少一条管路与所说的水蒸气发生器相连接。c)一种连接于氢气发生器上的燃料电池，任选地，所说的燃料电池通过至少一个管路与氢气发生器相连接。
2.根据权利要求1的电力发生器，进一步包括至少一条连接水蒸气发生器和氢气发生器的管路以及至少一条连接氢气发生器和燃料电池的管路。
3.根据权利要求1的电力发生器，进一步包括一条回路，以引导残留的水蒸气和氢气从燃料电池到水蒸气发生器。
4.根据权利要求1的电力发生器，其中的水蒸气发生器包括一个至少部分被填充以水蒸气的储罐。
5.根据权利要求1的电力发生器，其中的水蒸气发生器至少部分被填充以冰。
6.根据权利要求1的电力发生器，其中的氢气发生器包括一个至少部分被填充以基本上非流体物质的腔室，所填充的非流体物质可以与水蒸气发生反应并产生氢气。
7.根据权利要求1的电力发生器，进一步在水蒸气发生器，氢气发生器以及燃料电池中包括一种惰性气体。
8.根据权利要求7的电力发生器，其中的惰性气体包括一种选自氮气，氩气，以及它们的混合物的气体。
9.根据权利要求1的电力发生器，进一步，初始时，在以下部分至少其中之一内部被填充以氢气，其中包括水蒸气发生器，氢气发生器，燃料电池以及所说的任选管路。
10.根据权利要求1的电力发生器，进一步，包括至少一个连接在所说的水蒸气发生器，氢气发生器和燃料电池至少其中之一的装置，以引起水蒸气从水蒸气发生器到氢气发生器的初始流动。
11.根据权利要求1的电力发生器，其中所说的基本非流体物质包括一种选自碱金属，氢化钙，氢化锂，氢化铝锂，硼氢化钠，以及它们的混合物中的物质。
12.根据权利要求1的电力发生器，其中所说的基本上非流体物质包括硼氢化钠。
13.根据权利要求1的电力发生器，进一步，在所说的基本上非流体物质中包括一种制备氢气的催化剂。
14.根据权利要求书13中的电力发生器，其中所说的催化剂选自钴，镍，钌与合金金属以及它们的混合物。
15.根据权利要求1的电力发生器，进一步，至少包括一个泵，以在水蒸气发生器和燃料电池之间输送氢气和水蒸气。
16.根据权利要求1的电力发生器，进一步，至少包括一个阀门，以调节水蒸气发生器和燃料电池之间氢气和水蒸气的流通。
17.根据权利要求1的电力发生器，进一步，包括靠近在所说的水蒸气发生器的多孔塞，所说的塞子基本上能够阻止液体水从该水蒸气发生器中流出，并且基本上能够允许氢气和水蒸气流入或流出该水蒸气发生器。
18.根据权利要求1的电力发生器，其中所说的基本上非流体物质以粉末状，颗粒状或片状的形式存在。
19.根据权利要求1的电力发生器，其中所说的燃料电池至少部分被包裹在一个热绝缘体内。
20.根据权利要求1的电力发生器，进一步，包括一个靠近在燃料电池的加热器。
21.根据权利要求1的电力发生器，进一步，在水蒸气发生器中包括一层可拉伸隔膜，以提供引导水蒸气从水蒸气发生器到氢气发生器所需的压力。
22.一种制备氢气的方法，所制备的氢气为燃料电池提供燃料，其中包括a)引导水蒸气从水蒸气发生器到氢气发生器，所说的氢气发生器至少部分被填充以一种基本上非流体物质，该物质可以与水蒸气发生反应并产生氢气。b)引导氢气和所有残留水蒸气从氢气发生器到燃料电池。
23.根据权利要求22的方法，进一步包括c)引导所有残留水蒸气和所有残留氢气从燃料电池回到水蒸气发生器。
24.根据权利要求22的方法，进一步包括，引导水蒸气和已有的氢气由至少一条管路从水蒸气发生器到氢气发生器，引导氢气和所有残留水蒸气由至少一条管路从氢气发生器到燃料电池。
25.根据权利要求22的方法，进一步包括，引导水蒸气和已有的氢气由至少一条管路从水蒸气发生器到氢气发生器；引导氢气和所有残留水蒸气由至少一条管路从氢气发生器到燃料电池；引导所有残留水蒸气和所有残留氢气由至少一条回路从燃料电池到水蒸气发生器。
26.根据权利要求22的方法，其中水蒸气发生器包括一个至少部分被填充以水蒸气的腔室。
27.根据权利要求22的方法，其中所说的水蒸气和所说的氢气从水蒸气发生器到燃料电池之间的流通至少由一个阀门所控制。
28.根据权利要求22的方法，其中所说的基本上非流体物质包括一种选自碱金属，氢化钙，氢化锂，氢化铝锂，硼氢化钠等，以及它们的混和物中的物质。
29.根据权利要求22的方法，其中所说的基本上非流体物质包括硼氢化钠。
30.根据权利要求22的方法，其中所说的基本上非流体物质以粉末状，颗粒状或片状的形式存在。
31.根据权利要求22的方法，进一步，包括一个利用泵将所说的水蒸气和已有的氢气从所说的水蒸气发生器输送到所说的氢气发生器中的过程。
32.根据权利要求22的方法，进一步，包括一个利用加热器加热燃料电池的过程。
33.根据权利要求22的方法，包括一个引导水蒸气从水蒸气发生器到氢气发生器的过程，这一过程由水蒸气发生器内的可拉伸隔膜提供的压力完成。
34.根据权利要求22的方法，进一步，包括一个装置以引起的水蒸气从水蒸气发生器到氢气发生器的初始流动过程，这一装置连接在所说的水蒸气发生器，所说的氢气发生器，或所说的燃料电池至少其中之一。
35.在一种改进的产生电力的方法中，其中水和氢气被引导从水储存器到燃料电池；水和所有残留氢气被引导从燃料电池回到水储存器；水和氢气被引导流过氢气发生器，氢气发生器分别同燃料电池和水储存器相连接，并且氢气发生器至少部分被填充以一种可以与水发生反应产生氢气的物质，在这里，改进部分包括水是以水蒸气的形式与一种基本上非流体物质相接触，发生反应并产生氢气。
全文摘要
一种改进的利用燃料电池产生电力的系统。更具体而言，该系统利用水蒸气与一种基本上非流体物质发生反应产生氢气，然后将产生的氢气输送到燃料电池中，由燃料电池产生电力。利用水蒸气替代液体水与非流体生成氢气物质发生反应，这样可以阻止非流体物质的结块和副产物沉积于非流体物质上，从而保证了氢气的连续不断地产生。
文档编号H01M8/02GK1575258SQ02821068
公开日2005年2月2日 申请日期2002年8月27日 优先权日2001年8月28日
发明者R·A·伍德 申请人:霍尼韦尔国际公司