专利名称：硅化物做燃料的发电机及其相关方法
技术领域：
本发明的实施方案涉及硅化物做燃料的氢发生器和发电机。更具体而言，本发明的实施方案涉及碱金属硅化物做燃料的发电机。
背景技术：
燃料电池例如PEM燃料电池利用简单的化学反应将氢和氧化合成水，在该过程中产生电流。通常，可以通过燃料例如氢化铝锂和水汽之间的化学反应来产生氢。在阳极，氢分子被铂催化剂离子化，并放出电子。质子交换膜(PEM)使质子可以流过，但是电子就不行。结果，氢离子流过PEM到达阴极，而电子流过外部电路。随着电子经过外部电路，它们可以通过给电装置例如电马达、电灯或者电路供电而做有用功。在阴极，电子和氢离子与氧结合形成水。该反应的副产物是水和热。
现在发电机中使用的燃料例如金属氢化物具有较差的能量密度。用纯碱金属作为燃料理论上可以提高燃料的能量密度，但是会自燃，并且难以处理和储存。传统的燃料需要容积大和/或可靠性高的储存容器，这在很多应用中也是出于安全的考虑。
发明内容
本发明的实施方案涉及包括一个或多个燃料电池和燃料的发电机，其中该燃料包括碱金属硅化物。实施方案还涉及燃料电池，该燃料电池包括阴极集电器、电耦接到阴极集电器的阴极、与燃料接触的阳极。该燃料包括碱金属硅化物。该燃料电池还包括电耦接到阳极的阳极集电器以及与阴极和阳极都接触并隔开阴极和阳极的电解质膜。
实施方案还涉及氢发生器，该氢发生器包括密封有碱金属硅化物的燃料腔体和形成至少一部分腔体壁的膜。当该碱金属硅化物与通过该膜的水接触时，就产生氢。还记载了制造发电机的方法。
图1示出根据一些实施方案的本发明发电机的横截面示意图，所述发电机没有与发电机的空气入口结合的透氧不透水汽的膜。
图2示出根据一些实施方案的本发明发电机的横截面示意图，所述发电机具有与发电机的空气入口结合的透氧不透水汽的膜。
图3A示出根据一些实施方案的在图1中所示发电机的一角的横截面示意图，示出空气入口和燃料电池阴极之间的保水带(water retention zone)。
图3B示出根据一些实施方案的在图2中所示发电机的一角的横截面示意图，示出空气入口和燃料电池阴极之间的保水带。
图4示出根据一些实施方案的燃料电池的示意图。
图5示出根据一些实施方案的本发明发电机的功率输出与时间关系的曲线图。
图6示出根据一些实施方案的水汽从一个位置到另一个位置的摩尔流量的示意图。
图7示出根据一些实施方案的结合多个燃料电池的本发明圆柱形发电机的俯视图。
图8示出根据一些实施方案的燃料电池的截面侧视图。
图9a、9b和9c示出根据一些实施方案在燃料电池中使用的栅格状阀的三个位置。
图10示出根据一些实施方案利用图9a、9b和9c的阀的圆柱形燃料电池。
图11示出根据一些实施方案利用碱金属硅化物燃料的燃料电池系统的示意图。
图12示出根据一些实施方案使用发电机的方法。
图13示出根据一些实施方案制造发电机的方法。
具体实施例方式
在下面的说明中，参考形成本文一部分的附图，附图中示出了可以实践的说明性具体实施方案。充分详细地描述这些实施方案以使本领域技术人员可以实践本发明，并且可以理解，可以利用其它的实施方案，并且可以在不偏离本发明范围的情况下进行结构、逻辑和电变化。因此，下面的描述不是限制的意思，并且本发明的范围由所附的权利要求限定。
为了提高采用燃料电池的发电机中所使用的燃料的能量密度，碱金属硅化物可以与水或者水汽发生反应而产生氢。碱金属硅化物的一些例子是非自燃性的，并且和纯碱金属相比可以更容易利用和处理。
该燃料可以包括一种或者多种碱金属硅化物，并且例如可以和氢混合。碱金属硅化物是包括碱金属和硅的化合物。碱金属的例子可以是锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)和钫(Fr)。保持一种或多种碱金属原子与一种或多种硅原子键合的键可以包括例如共价键、离子键或者金属引力。一种碱金属硅化物的例子是NaxSiy，其中x和y是表示形成稳定配合物(complex)的Na和Si原子的可能组合的整数。其它的例子可以是具有硅的NaK合金。具体的示例性化合物可以是M-SG粉，例如Stage IINa-SG，从SiGNa Chemistry购买，LLC，530 E.76th Street，Suite 9E，New York，NY 10021。例如，碱金属硅化物可以是粉状或者凝胶状。该示例性的化合物由于它们在空气中不会点燃或者氧化，所以在开放的大气环境下容易处理。而且，该化合物在合理的时间范围内不会降解。该碱金属硅化物快速而高效地和水或者水汽反应产生氢气。而且，不需要催化剂来产生氢气。碱金属硅化物燃料可以和此处公开的任何实施方案一起使用。
电子发电机可以通过水汽和碱金属硅化物燃料的反应在内部产生氢气，该氢气在燃料电池处和来自空气中的大气的氧发生反应产生电能。氢和氧的反应还产生水分子作为燃料电池的副产物。这样产生的水可以作为水汽从燃料电池无源扩散到包含燃料物质的燃料腔或者腔体，在那里，它和燃料物质发生反应产生氢气。产生的电能可以用于给连接到发电机的大的或者小的装置供电，这取决于发电机的大小。本发明实施方案的发电机对于给微型装置供电尤其有用，例如电连接到包括一个或多个燃料电池的发电机的阳极和阴极的无线传感器、手机或者其它手持电子装置。
该硅化物燃料还可以用于氢发生器，独立于发电机或者和发电机形成一体。氢发生器的例子可以是封入腔体的硅燃料，至少一部分该腔体包括渗透膜。例如该膜可透水和氢。来自环境中的水可以透过该膜并和吸湿性硅化物发生反应产生氢。例如，该过程可以是无需调节的或者通过阀调节压力的。例如氢可以接触一个或者多个燃料电池以完成发电机。
图1和2示出用于执行本发明工艺的可选发电机装置的横截面图。如图1和图2所示，电子发电机10包括外壳36、安装在外壳36中的至少一个燃料电池14、和外壳36一起安装的用于保存燃料物质44的至少一个燃料腔12以及在外壳36内部从该至少一个燃料电池14延伸到燃料腔12的腔体24。腔体24允许氢气从燃料腔12流入到燃料电池14，并且允许水汽从燃料电池14流入到燃料腔12。燃料电池14由氢气和来自空气的氧气的反应产生电和燃料电池水。大气中的氧通过至少一个空气入口20进入外壳36。然后氧气进入到燃料电池14，在燃料电池14中，它和氢气发生反应，而产生电和水分子。在此使用的燃料电池称为质子交换膜(PEM)型燃料电池，还称为聚合物电解质膜。
从图4可以看出，典型的PEM燃料电池包括电解质膜42，该电解质膜42位于该膜一侧的负电极或者阴极16和该膜另一侧的正电极或者阳极18之间。在典型的氢-氧PEM燃料电池行为中，氢燃料(例如氢气)通过流场板达到阳极，而氧被引导至燃料电池的阴极。在阳极，氢分解成带正电荷的氢离子(质子)和带负电荷的电子。电解质膜仅允许带正电荷的离子通过它到达阴极。反之，带负电荷的电子必须通过外电路到达阴极，而产生电流。在阴极，电子和带正电荷的氢离子与氧结合形成水分子。
在该发电机内，在燃料电池的阳极18侧，可以提供起始氢气冲洗(flush)从而从发电机内部除去剩余的空气。这个起始的氢气冲洗有双重目的，因为它还在燃料电池与大气的氧发生反应，在燃料电池阴极16产生起始量的电能和产生起始量的燃料电池水。这种起始量的燃料电池水然后再回收并与燃料物质44发生反应。可选择地，本发明的过程可以通过发电机外部大气湿气的水分子通过空气入口20渗透到发电机中来启动。还可以给发电机添加起始量的非燃料电池水，该量远低于燃料电池产生的燃料电池水的量，从而与燃料物质44发生反应并启动产生氢气。这种起动水可以例如通过燃料腔1 2中的开口例如入口46添加到发电机，或者通过其它合适的装置例如通过空气入口20添加到发电机。但是，本发明的过程和装置设计为在没有外部提供的水供给的情况下工作，即该系统除了燃料电池产生的水和发电机外部的大气中存在的水分子之外是无水的。没有结合的或者连接的供水系统，例如水箱或者水池，从而提供和氢燃料物质发生反应的水。这与传统的系统相比，带来发电机能量密度和比能的大量提高。因此，该发电机可以有连续、自调节的过程，因为氢-氧反应正好产生相应于产生的电能的所需水，其中使用化学计量量的再循环水和燃料。
该过程还可以是被动的，在没有主动控制阀或泵的情况下运转。更具体而言，一旦在燃料电池14形成水作为氢-氧反应的副产物，产生的水就通过燃料电池14被动地扩散回到腔体24和燃料腔12。这种被动的扩散部分由于一个或多个保水带22而和部分由于腔体24内的低湿度而成为可能。提供图1和2所示发电机的一角的视图的图3A和3B突出了保水带22。在这里使用时，如图3A和3B所示，保水带22包括从空气入口20延伸到每个燃料电池阴极16的沟槽。保水带22存在于产生燃料电池水的每个燃料电池14。由于保水带22的几何形状，阻止了燃料电池产生的水分子到空气入口外部的扩散水损失，因而在燃料电池阴极16维持高的水汽浓度。保水带22使产生的水分子积聚在阴极16，在阴极16和空气入口20之间产生高湿度区域，而不是将水分子损失到周围的空气中。这种摩尔流速可以参考图6通过下面的等式用更多的特征来说明JA=DAB*(PA1-PA2)R*T*(Z2-Z1)]]>水汽从阴极16输送到周围的空气和氧从周围的空气输送到阴极16都是扩散控制的过程。A的摩尔流量或者摩尔流速是JA，其中A是所需的物种，例如水或氧。水或氧的摩尔流量是扩散系数DAB，在点1和点2之间的分压差(PA1-PA2)，气体常数R，以K计的温度T，点1和点2之间的距离(Z2-Z1)的函数。而且，流量限定为单位面积，单位是 (A的千克数，每m2sec)。
扩散系数是物种的流量与其浓度梯度的比例常数。扩散系数DAB是指物种A在物种B中的扩散系数。在现在的情况下，它是指水汽在空气中的扩散系数，或者氧在空气中的扩散系数。大的扩散系数将得到大的流量值，小的扩散系数将得到小的流量值。在室温和通常的室内湿度下，氧在空气中的扩散系数是大约0.21cm2/sec，而在室温和湿度下，水汽在空气中的扩散系数是大约0.24cm2/sec。
分压是气体混合物中一种成分引起的该混合物总压力的分数。大的分压差将产生相对大的物种流量，而小的分压差将产生相对小的流量。保水带设计为产生小的分压差，例如是大气氧的分压大约10％到20％，从而获得所需电能值所要求的氧流量。
气体常数是波耳兹曼常数和阿伏加德罗数值的乘积。开尔文温度影响关注的该物种的流量。高温会减小流量，而低温会增加流量。因此，气体的扩散以及延伸到它们的分压差可以通过调节沟槽的几何形状来控制。
参考图6，为了控制点1和点2之间的气体扩散，可以改变隔开该两点的沟槽的几何形状。例如，如果隔开点1和点2的沟槽面积参加，点1和点2之间的扩散就增加，并且相反，如果该面积减小，扩散就减少。点1和点2之间的距离就不同，增加点1和点2之间的距离导致减少的扩散，减少点1和点2之间的距离导致更多的扩散到空气入口20外。
如图1和2可以看出，本发明的发电机设计为使足够的氧从环境空气通过空气入口20扩散到阴极16，而只有小的压降，例如是大气氧压的10％到20％。如果在高压下工作，发电机将具有高的透氢损失，因而缩短寿命。
将氢和氧转化为水的化学反应(2H2+O2→2H2O)每消耗1摩尔氧，就产生2摩尔水。而且，水汽在空气中的扩散和氧在空气中的扩散相似。因此，水汽的分压差必须是氧的分压差的大约两倍，以保持平衡。因此，具有上述比例的本发明的发电机保持湿润的环境，而不是散失产生的水分子到发电机外部的大气中。
在腔体24中，在燃料电池14的阳极18侧，由于燃料物质44的吸湿性而吸收湿气，从而存在相对低湿度的区域。因此，在阴极16的水产生和保持会产生使水分子以水汽的形式通过燃料电池14往回扩散入腔体24并到达燃料腔12的湿气浓度梯度和气压差。然后这种水汽和燃料物质44发生反应，产生氢气。产生的氢气然后将穿过腔体24并到达与氧发生反应的燃料电池阳极18，从而再次产生水分子。这种循环将任选地继续，直到耗尽所有的燃料物质44。
在发电机工作期间，更多产生的水汽将扩散回该腔体，而不是损失到空气入口外部。而且，燃料电池输出直接依赖于氧和氢反应物到燃料电池的流动，因此依赖于燃料腔的水汽的流动。因此，燃料电池输出与保水带面积与其长度的比成正比。在本发明的实施方案中，对于单个燃料电池来说，单位功率的带面积与带长度的比可以是从大约0.01cm/mW到大约0.05cm/mW的功率输出。如果结合多个燃料电池，将这个单位功率的带面积与带长度的比除以共用该反应物的燃料电池的数量。
如果保水带22的几何形状太受限制从而无法使充足的氧扩散到燃料电池14，发电机将以降低的功率工作。具体而言，在带面积与长度比大于0.05cm2面积/1cm长度时，过多的水汽将扩散到空气入口外部，在带面积与长度比小于0.01cm2面积/1cm长度时，到达燃料电池的氧会不足从而无法高效地工作。对于在从燃料电池到燃料腔延伸的外壳内的腔体的几何形状也是一样的，该燃料腔允许从燃料腔到燃料电池的氢气流进入，并且允许从燃料电池到燃料腔的水汽流进入。
在另一个实施方案中，发电机10可以还包括至少一个阀26，用于调节从燃料腔12到燃料电池14的流动氢气，还用于调节从燃料电池14到燃料腔12的水汽的通道。如图1和2所示，阀26位于燃料腔12和燃料电池14之间的腔体24内。在本发明的实施方案中，阀26包括气动阀，该气动阀由所述腔体24内的气压控制，气动调节水汽到燃料腔12的传导率(conductance)。阀26可以包括气动驱动的柔软膜片30，该柔软膜片30的周边可以在支撑物50处固定到发电机外壳36；设置为与膜片30相对的阀盘28；以及连接阀盘28和膜片30的棒状连接器。当阀盘28与密封件38接触时，阀26处于封闭的位置，防止水汽到达燃料腔12。可选择地，当阀盘和密封件38隔开时，阀处于打开的位置，使水汽可以到达燃料腔12并使产生的氢气可以到达燃料电池14。密封件38可以包括一部分外壳36。支撑物50可以还包括一部分外壳36。如图1和2所示，一个或多个燃料电池14可以通过支撑物50安装在外壳内。
阀的元件部分的尺寸可以非常小，但是可以根据阀的特定应用而改变。膜片厚度和直径可以根据所需的功率输出而在特定的范围内。在本发明的一个实施方案中，膜片30可以包括直径从大约1cm到大约3cm、从大约1cm到大约2cm的薄圆盘。阀盘28可以具有从大约0.2到大约1cm、从大约0.2cm到大约0.5cm的直径。在本发明的实施方案中，棒状连接器可以包括螺丝或者螺栓，但是将膜片30连接到阀盘28的任何其它手段都合适，这样使得阀可以在开口和闭合位置之间变换。
阀的驱动可以通过作用在膜片30上的内部气压来控制。随着该装置的内部气压由于产生氢气而上升，膜片30将弯曲或略向外推。这使得连接器向密封件38推阀盘28，闭合阀并防止额外的水汽流到燃料腔12。由于阀闭合，氢的产生停止。这样还防止内部气压进一步上升。随着氢耗尽，例如被燃料电池14耗尽，内部气压下降，使阀盘28与密封件38脱离并且打开阀。因此，以氢气消耗的速度自动地产生氢气。
在本发明的实施方案中，通过气动阀26保持固定的压力使发电机10工作。发电机10应当能以更小的功率输出在低压环境下工作，并且以全功率输出高到在理论上无限的环境压力下工作。在本发明的实施方案中，在处于闭合位置时，装置的内部H2压力是从大约0kPa到大约1000kPa。当燃料电池不使用氢气时，该阀将完全关闭，并且将打开满足氢气消耗速度所需的量。在本发明的实施方案中，发电机的内部压力一直保持大约100kPa，其中当压力下降到大约10kPa以下时，阀将略微打开直到内部压力上升到大于或等于大约500kPa，使阀闭合。对于小型应用例如便携式电子装置或者无线传感器，工作压力可以是从大约0.5atm(大约50kPa)到大约2atm(大约202 kPa)。
通常，通过利用气动阀26维持固定的压力使发电机10工作，通常是大于环境几psi。发电机10可以以更小的功率输出在低于环境压力的情况下工作，并且以全功率输出在高到在理论上无限的环境压力下工作。
例如，在使用时，发电机10可以在从大约-40℃到大约85℃、从大约-20℃到大约50℃、从大约0℃到大约50℃和从大约20℃到大约50℃的工作温度操作。
对于本发明的目的，术语“水汽”不包括蒸汽。而“水汽”和“蒸汽”都由水形成，各具有非常不同的性能和使用。例如，机车可以用蒸汽驱动，但是在潮湿空气中存在的水汽的作用下不会工作，和本发明一样。就其本身，“水汽”是可以在任何温度下在水体包括冰的上方自然形成的独立水分子的气体，或者是可以在环境空气中自然存在的独立水分子的气体。它具有低分压，因此包含相对少的水分子，除非加热形成它的水。另一方面，“蒸汽”由通过加热水到沸腾后产生的微小热水滴组成。蒸汽比15℃下的水汽包含的水分子多大约100倍，以高压高速自然膨胀，并且大量的水可以沸腾并以蒸汽的形式跑出去。水汽存在于每天的空气中，并且比蒸汽或者液态水包含数量少得多的水分子，并且通过自然扩散而非常缓慢地移动。只有非常少量的水可以以水汽的形式传输。举例说明，一滴水在室温下通常需要一小时来蒸发，而一整壶水可以在大约二十分钟内沸腾为蒸汽。而且，蒸汽驱动的发电机将需要用来产生蒸汽的水供给或者水源。相反，本发明通过省略这种水源而提供对现有技术的改进。因此，本发明的装置和方法设计为利用水汽在低工作温度下工作，而不利用蒸汽在高工作温度下工作。
如图1和2所示，发电机10可以还包括与空气入口20结合的节流器(restriction)32，来调节大气氧和大气水分子扩散到发电机中。这种节流器还有助于由于对在阴极16产生的水汽扩散的阻抗而增加燃料电池阴极16的湿度。这种增加的湿度改善燃料电池的工作。该节流器可以包括充分地透过大气氧气，但是非常不透过水汽的疏水性膜，该膜充分地阻断燃料电池水流入大气。用于具有所需性能的这种可透氧、不可透水汽的膜的适当材料包括含氟聚合物材料和不含氟聚合物材料，该含氟聚合物材料包括象氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基(perfluoroalkoxy)，该不含氟聚合物材料包括象取向聚丙烯(OPP)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和环状烯烃共聚物(COC)。可透氧、不可透水汽的膜材料可以由例如氟化乙烯丙烯制成。而且，对于一些实施方案，仅仅是该膜不能使足够的氧渗透到阴极。因此，可以在该节流器32中设置小开口48(参见图2)，以使外部环境氧和大气水分子进入到腔体中，从而扩散到燃料电池的一个或多个阴极。但是，这种开口也导致一些水汽扩散到发电机10外部。所需的开口尺寸是功率水平、扩散路径长度和所需分压降的函数。这种开口的尺寸可以是尺寸非常小，并且可以包括占该膜整个表面积的大约0.001％到大约1％。
在燃料腔12内的充足的非流体物质可以包括粉状、颗粒状或者小球状的材料，并且可以是碱金属硅化物。碱金属硅化物是包括碱金属和硅的化合物。碱金属的例子可以是锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)和钫(Fr)。保持一种或多种碱金属原子与一种或多种硅原子键合的键可以包括例如共价键、离子键或者金属引力。碱金属硅化物的例子是NaxSiy，其中x和y是表示形成稳定配合物的Na和Si原子的可能组合的整数。其它的例子可以是具有硅的NaK合金。具体举例的化合物可以是M-SG粉，例如Stage IINa-SG，从SiGNaChemistry购买，LLC，530 E.76th Street，Suite 9E，New York，NY 10021。例如，碱金属硅化物可以是粉状或者凝胶状。所举例的化合物由于它们在空气中不会点燃或者氧化，所以在开放的大气环境下容易处理。而且，该化合物在合理的时间范围内不会降解。该碱金属硅化物快速而高效地和水或者水汽反应产生氢气。而且，不需要催化剂来产生氢气。碱金属硅化物燃料可以和此处公开的任何实施方案一起使用。
如图1和2所示，燃料腔12可以以多孔水汽膜34作为边界。连接到外壳36并和燃料腔12毗邻的这个膜34必须透水汽，因而使水汽可以进入燃料腔12并和燃料物质发生反应以产生氢气。它还必须可以透氢气，从而使产生的氢气可以进入腔体24和回到燃料电池14。用于具有这种二象性的这种水汽膜34的适当材料非排它性地包括多孔聚合物，该多孔聚合物包含含氟聚合物，所述含氟聚合物膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)层压体例如膨胀Teflon。ePTFE层压体的例子包括由Delaware的W.L.Gore&Associate公司制造的GORE-TEX以及由Delaware的BHA technologies制造的eVENT。
参考图2，尤其是与图1的发电机相比具有表面积更大的空气入口的本发明备选发电机的横截面示意图。类似地，在这个实施方案中，充分透大气氧气但不充分透水汽的疏水性膜32可以放在空气入口20处。但是，为了使来自大气中的天然空气湿气的水分子进入，可以在膜32中打开小开口48(例如大约0.008cm2)。这种开口48也将使外部氧可以扩散到燃料电池阴极。在本发明的实施方案中，在相对湿度至少是大约5％的环境中，本发明的发电机将工作得最好，其中性能将随着湿度的增加而提高。
图2的实施方案还包括气动阀26，该气动阀26可以包括网状膜片30和透水、不透氢的膜40，该膜40与阀26的网状膜片30并置在一起。该网状膜片30可透水汽并且由例如聚对苯二甲酸乙二醇酯的聚合材料形成，或者由例如不锈钢的金属形成。用于这种透水的膜40的合适的透水材料包括例如全氟磺酸盐离聚物的全氟化聚合物。还合适的是环氧化物和氯丁二烯橡胶。透水膜可以包括可以从Delaware的EI DuPont de Nemour&Co.买到商标为Nafion的全氟磺酸盐离聚物膜。可以使用Nafion，因为它具有氟化骨干，这使它非常稳定，磺酸侧链得到高离子传导性。透水、不透氢的膜40使水汽可以扩散到燃料腔12，而水汽不穿过电解质膜42。它为水汽提供大面积的通道从而渗透到燃料腔中，并且可以使燃料电池14在比水仅仅通过燃料电池本身回收时更高的电流密度下工作。类似的材料形成至少一个燃料电池14的电解质膜42。
因此，从图2可以看出，这个发电机10提供燃料电池产生的水分子从燃料电池阴极16传输到燃料腔12的双重路径。具体而言，在图2的实施方案中，氢气和大气氧在燃料电池14中发生反应导致在燃料电池阴极16产生燃料电池水，因而产生电能。这种产生的燃料电池水保持在保水带22中，并且可以通过燃料电池14扩散回去，或者通过从保水带22扩散以及通过网状膜片30和透水膜40渗透，从而再进入腔体24。
图7所示的是具有多个燃料电池的本发明的圆柱形发电机10的顶视图。如图7所示，多个燃料电池14位于发电机10圆周的周围。本发明的发电机10还可以包括入口46，通过该入口46，可以任选地补充燃料物质44。可选择地，当燃料物质44耗尽时，可以和电池组类似方式处置该发电机。每个组装的发电机10的元件部分还可以装在合适的中空结构中，例如由合适材料形成的管，象聚对苯二甲酸乙二醇酯(未示出)，这种封装物可以在顶部和/或底部表面用合适的盖(未示出)盖上，该盖可以除去并且可以由和该封装物相似或者不同的材料形成。发电机10还包括至少一个电连接器，通过该电连接器，装置可以电连接到发电机10。如图1所示，装置52(示意性地示出，没有按比例画出)通过电连接器54和56电连接到发电机10，该电连接器54和56连接到燃料电池的阴极和阳极。图7也示出了电连接器54和56。在结合多个燃料电池的实施方案中，该多个燃料电池可以串联连接，并且可以连接到从发电机外壳36突起的单组电连接器54和56。在本发明的实施方案中，发电机10包括八个互联的燃料电池。
发电机10的每个部分和阀26可以由合适的聚合材料、金属或其它材料制成，具体由发电机和阀的使用要求确定。材料可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。发电机10的元件部分的尺寸可以非常小，但是也可以根据发电机10的使用而改变。例如，这种无水、微型发电机的外部尺寸可以是大约1mm到大约100mm长，大约1mm到大约100mm宽，大约1到大约100mm深；大约1mm到大约25mm长，大约1mm到大约25mm宽，大约1到大约25mm深。例如，这种无水、微型发电机可以结合一个或多个燃料电池14，该燃料电池的尺寸可以在大约0.1mm2到大约5000mm2的范围内。本发明的无水、微型发电机还可以包含大约0.1mm3到大约15625cm3体积容量。大型发电机的尺寸可以大到长、宽和深至少为大约50cm或者更长、更宽和更深，燃料电池面积大到至少大约5000cm2或者更大，发电机体积大到至少大约0.125m3或者更大。这些尺寸可以较大地变化并且不受限制。发电机每个元件部分的尺寸可以类似地变化，这可以由本领域技术人员以使本发明的发电机按需要工作的方式来确定。
已经发现图1和2所示的每个实施方案在没有提供非燃料电池水源的情况下呈现导电性。图5和下面的实施例1提供本发明小尺寸、微型发电机的功率输出与时间关系的曲线图的例子。本发明的微型发电机可以产生从大约1微瓦到大约100毫瓦、从大约1微瓦到大约1000毫瓦的功率输出，和从大约0.1W-hr/cc到大约10W-hr/cc的能量密度。本发明的大型发电机可以产生从大约0.1瓦到大约100瓦的功率输出，和从大约0.1W-hr/cc到大约10W-hr/cc的能量密度。
还应当理解，尽管图1和2解释的实施方案示出了本发明的发电机装置，但是这种结构不是限制性的。在本发明的范围内包括以基本类型的方式进行的其它设计变型方案，即能用包括碱金属硅化物的氢-氧燃料电池产生有用电流水平的无水发电机。
下面的例子用于解释本发明。
实施例1给图1所示的发电机提供起始氢气冲洗。起始冲洗从发电机腔体排空空气，并且之后由燃料电池消耗，产生电能和副产物水。随着这种起始氢气冲洗的消耗，在内部持续产生氢气和电能。测量整个时间内发电机的功率输出。图5示出结果，它是发电机功率输出与时间关系的曲线图。功率输出初始设置为50微瓦，但是之后上升到170并且然后上升到210微瓦，在210微瓦处维持30天测试的持续时间。在测试的第一个20天，环境实验室空气相对湿度在大约10到20％之间变化。实验室气温是大约23℃。估计在工作的大概第一天内耗尽起始氢气冲洗。对于这个无水工作，所需的水通过燃料电池本身往回渗透。内部气压稳定在工作功率值的范围内，并且阴极水的量正好是任何功率值的量。由于省去了必须负载的液体水，水再循环得到的可能净增益是系统体积和重量减少的大约2倍，减少了成本和复杂性并且更安全。由于在阴极上空气的湿度还获得了更好的PEM水合作用。
图8示出燃料电池发电系统810，其具有燃料容器811、网状、打孔的板或层、栅格等等这种类型的阀812连接到压敏膜片813，还具有用于设计为提供电能的燃料电池814的大量元件。该元件可以包括阴极电极816、阴极气体扩散层815、膜817、阳极气体扩散层820以及阳极电极818。在本实施例中，燃料电池可以在图8中块状结构810的一侧(或者图8的顶部)。在燃料电池组件810的下部可以是燃料容器811，该燃料容器可以包含大量氢化铝锂或者其它的电池燃料。分压可以使大气氧进入腔体826。而没有用于大气氮的分压。大气可以是干的和吸入一些水。氧可以在多个元件或者电池814的阴极816侧进入。质子可以从阳极818移到阴极16。可以有水汽，该水汽具有分压但是通过膜保持该水汽。可以从H2剥离电子，导致质子从阳极电极18通过阳极气体扩散层820、膜817和阴极扩散层815到达阴极816。电子可以构成从阳极818通过电阻负载819并流到阴极816的电流，在阴极816，电子、质子和氧形成水汽。层817可以是透水汽的电解质膜。在阴极，可以是透氧、不透水汽的膜。可以有不同的方法设计燃料电池814。
阀812可以定位为调节水防止相对于图8中组件810的取向而下行，但是不防止H2上行。水可以是在阴极产生的产物。可以有元件或电池814数量的不透气层，以防水或水汽通过，而允许质子通过电池移动。当水汽遇到来自容器811的燃料时，就会产生氢。
图9a、9b和9c示出在本发明燃料电池设计中阀的动作。图9a中的阀可以打开。膜片913可以将阀912移到打开位置，另一方面，如图9c所示将阀912移到闭合位置。该阀可以具有部分打开的位置，如图9b所示。阀912可以具有两个网状、栅格或板状部件921和922。这些部件可以是其它的形式或者设计以影响在这里所述的动作。部件921可以相对于燃料电池组件或系统810静止。部件22可以位于部件921上或者和它相邻。这些部件921和922可以是其中具有大量开口923的板等等。该开口可以是例如以对称的图案布置在两个板921和922中的小矩形的形式。板922盖在板921上，开口923可以对准，使得物质可以流过该对板921和922，如图9a所示。板922可以相对于板921向左移，并且开口923将变为部分闭合，如图9b所示。如果板922再向左移，在板921和922重叠彼此的开口的部分，开口923可以为闭合，如图9c所示。
板922可以通过压敏的膜片913移动。如果最接近板922的体积926中电池组件部分的物质的压力升高，如图9a、9b和9c所示，然后膜片913会从接近板922的腔体积926凸出。连接在膜片913的大致中心924的可以是连接到板922的联动装置925。当由于压力而在中心924凸出(到图的左侧)时，联动装置925会同样将板922向(图中的)左推，以响应提高的压力而减少流过该板的物质或气体流。如果压力提高得更多，那么膜片913会进一步向外膨胀到它停止，因而使板922自己的不开口区域重叠板921的开口923，并且板921自己的不开口区域重叠板922的开口，并有效地阻止物质(例如水汽)流通过板921和922。随着板922附近的腔926内压力减小，那么膜片913可能开始回到凸出更少的状态，并且通过联动装置925推动板922，使得两个板921和922的一部分开口923不被遮盖或者未闭合。腔926内的压力进一步减小将导致膜片913返回到其初始的开口位置，因而移动板922，使板921和922的开口923对准，因而板中没有开口923被任何板有效地遮掩。而且，随着腔926的压力增加，阀912开始闭合，并且随着腔926的压力下降，阀912开始打开。因此，流过阀912的流量将决定于腔926的压力。这个方法可以通过阀调节来自腔926的气体流量或体积。
图9a、9b和9c所示的阀机构可以设计为如图10所示圆柱形燃料电池装置1030。该机构还可以设计为具有一些其它形状的燃料电池发电机组件。在图10中，燃料体积或者供给可以在圆柱形的中心。在电池1014和燃料供给容器或者腔1011之间可以是圆柱形滑阀1012。该阀可以是栅格、网状、打孔材料等等的两个圆柱形套筒，该套筒同轴并彼此相邻。圆柱形阀的部件1021和1022可以彼此相对滑动以打开和闭合阀1012(就像图9a-9c中的部件921和922)。在周边滑阀1012外部可以是一个或多个燃料电池1014(和图8的燃料电池814类似)。
用于操作圆柱形阀1012的膜片1013可以位于圆柱形腔1026的端部并连接到阀1012的部件1021或1022。膜片1013可以对腔1026内的压力敏感，如果压力增加，阀1012的一个部件1021和1022将通过相连的膜片1013相对于另一个移动，从而闭合阀1012，并且如果压力下降，然后阀1012将至少逐步打开，因而监测流到一个或多个燃料电池1014的水汽量。本发明的燃料电池组件810和1030的示意性例子的相同设计和操作可以应用于其它形状的燃料电池组件。
燃料电池组件810、910和1030的腔826、926和1026可以密封，并且燃料可以通过具有可移动盖1027的开口添加，盖1027与燃料腔1011相邻或者是燃料腔1011的一部分，当盖在适当的位置时密封腔1026。
燃料电池1014可以具有位于负电极或阴极16和正电极或阳极1018之间的电解质膜1017。氢燃料(即氢气)可以通过流场板1021和1022引导到阳极1018，而氧引导到燃料电池的阴极1016。在阳极1018，氢可以剥离为正的氢离子(质子)和负电子。电解质膜可以仅允许质子通过它到阴极1016。相反电子可以作为电流通过外部电路1019引导到阴极1016。在阴极1016，电子和质子可以和氧结合形成水分子。
一旦水作为燃料电池1014的氧-氢反应的副产物形成，产生的水就通过燃料电池被动地扩散回到腔体1026中，到达燃料腔或者容器1011。在燃料电池1014阳极1018侧的腔体1026内，由于燃料容器1011内燃料物质的湿气吸收性，会存在相对低湿度的区域。因此，在阴极1016保持的水会产生水汽浓度梯度和气压差，使水分子以水汽的形式通过燃料电池1014扩散回腔体1026中并到达燃料腔1012。这种水汽会和容器1011的燃料发生反应并产生氢气。产生的氢气然后穿过腔体1026并到达燃料电池阳极1018，在那里，它和氧发生反应，从而再次产生水分子。这种循环会持续直到腔1011中所有的燃料耗尽。
燃料电池发电机系统1030会利用阀1012调节水汽从燃料电池1014到容器1011的通道，并调节从燃料容器1011产生氢气。阀1012可以位于燃料容器1011和燃料电池1014之间的腔体1026内。阀1012可以是通过腔体1026内的气压控制的气动阀，在那里，气动调节它以控制水汽运送到燃料容器1011。阀1012可以是可滑动、具有开口的板1022，该板1022与具有类似开口1023的另一个板1021相邻，在闭合或打开阀1012时，它们彼此重叠，这在说明书另外的地方已经说明。当阀1012处于闭合位置时，它可以防止水汽到达燃料容器1011。可选择地，当阀1012处于打开位置时，它可以允许水汽到达燃料容器1011，并使产生的氢气可以到达燃料电池1014。在本说明书中以单数形式提到的燃料电池1014同样还指一个以上的燃料电池。
阀1012的启动可以由作用在膜片1013上的内部压力控制。随着腔体1026的内部气压由于产生氢气而上升时，膜片1013会弯曲或者略微推出。这会使得联动装置(linkage)1025推动可滑动的阀板1022，并相对于板1021移动它，闭合阀1012并防止附加的水汽流到燃料容器1011。随着阀1012闭合，会停止氢的产生。这种位置还防止内部气压进一步上升。随着氢的消耗，例如被燃料电池1014消耗，内部气压会下降，使膜片1013可以回到更松弛的状态并打开阀1012。滑阀1012板1022从完全打开到完全闭合可以移动大约一毫米。它会消耗膜或膜片1013上大约4psi(27kPa)到6psi(42kPa)的压力从而完全闭合阀1012。因此，会以氢气消耗的速度自动地产生氢气。
图11示出根据一些实施方案利用碱金属硅化物燃料的燃料电池系统1100的示意图。可以通过与可移动阀板1118(在放大部分示出)接触的固定阀板1110用系统1100封入碱金属硅化物燃料1108。可以操作可移动的阀板1118以使燃料1108释放到阳极层1112、燃料电池压体1114和阴极层1116。可移动的阀板1118还可以有助于系统1100内部的水处理。燃料电池系统1100还包括阳极输出电极1106和阴极输出电极1104。柔软膜片1102可以用于控制可移动阀板1118的移动。柔性膜片1102可以响应其中封入燃料1108的腔体的内部气压。
图12示出根据示例性实施方案使用发电机的方法1200。碱金属硅化物1202可以接触或者和水或水汽发生反应1204，从而充分地产生氢1206。氢1206然后与一个或多个燃料电池接触1208，从而产生电能1210以及副产物水1212和热1214。产生的电能1210可以被外部装置存储或利用。副产物水1212和热1214可以抛弃或者回收用于其它的过程。
图13示出根据示例性实施方案制造发电机的方法1300。形成一个或多个燃料电池1302。形成燃料存储区域为接触该一个或多个燃料电池1304。碱金属硅化物燃料可以设置在燃料存储区域1306。
尽管已经参考很多实施方案具体示出和说明了本发明，但是本领域技术人员容易理解，可以在不脱离本发明精神和范围的情况下进行各种改变和调整。说明的权利要求将覆盖公开的实施方案、上面已经讨论的可选择的形式及其所有的等价物。
根据37C.E.R.§1.72(b)提供摘要以使读者快速地确定技术公开的特性和精神。在摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或意思的情况下提交摘要。
权利要求
1.一种发电机，包括一个或多个燃料电池；和燃料，其中该燃料包括碱金属硅化物。
2.权利要求1的发电机，其中所述碱金属硅化物包括硅和选自锂、钠、钾、铷、铯和钫中的一种或多种碱金属。
3.权利要求1的发电机，其中所述碱金属硅化物包括硅和钠的化合物。
4.权利要求1的发电机，其中所述碱金属硅化物包括钠钾合金和硅。
5.权利要求1的发电机，其中所述碱金属硅化物包括粉末。
6.权利要求1的发电机，其中所述碱金属硅化物包括凝胶。
7.权利要求1的发电机，还包括将燃料与该一个或多个燃料电池隔开的一个或多个阀。
8.一种燃料电池，包括阴极集电器；电耦接到阴极集电器的阴极；与燃料接触的阳极，其中该燃料包括碱金属硅化物；电耦接到阳极的阳极集电器；以及与阴极和阳极都接触并隔开阴极和阳极的电解质膜。
9.权利要求8的燃料电池，其中所述碱金属硅化物包括硅和选自锂、钠、钾、铷、铯和钫中的一种或多种碱金属。
10.权利要求8的燃料电池，其中所述碱金属硅化物包括硅和钠的化合物。
11.权利要求8的燃料电池，其中所述碱金属硅化物包括钠钾合金和硅。
12.权利要求8的燃料电池，其中所述碱金属硅化物包括粉末。
13.权利要求8的燃料电池，其中所述碱金属硅化物包括凝胶。
14.权利要求8的燃料电池，其中所述燃料还包括氢。
15.一种氢发生器，包括其中封入了碱金属硅化物的燃料腔体；和形成至少一部分腔体壁的膜；其中当该碱金属硅化物与通过该膜的水接触时，就产生氢。
16.权利要求15的氢发生器，其中所述碱金属硅化物包括硅和选自锂、钠、钾、铷、铯和钫中的一种或多种碱金属。
17.权利要求15的氢发生器，其中所述碱金属硅化物包括硅和钠的化合物。
18.一种使用发电机的方法，该方法包括使硅化物碱金属燃料和水发生反应，充分地产生氢；和使氢与一个或多个燃料电池接触，充分地产生电产品以及副产物水和热。
19.权利要求18的方法，其中反应包括接触。
20.一种制造发电机的方法，该方法包括形成一个或多个燃料电池；形成与该一个或多个燃料电池接触的燃料存储区域；和在燃料存储区域内设置碱金属硅化物燃料。
全文摘要
本发明涉及硅化物做燃料的发电机及其相关方法。本发明的实施方案涉及这样的发动机，该发动机包括一个或多个燃料电池和燃料，其中该燃料包括碱金属硅化物。
文档编号H01M8/24GK101093894SQ200710105368
公开日2007年12月26日 申请日期2007年4月10日 优先权日2006年4月10日
发明者S·J·埃克霍夫, D·W·尼尔森 申请人:霍尼韦尔国际公司