用于氢发生器的燃料单元的制作方法

用于氢发生器的燃料单元的制作方法
【专利摘要】公开了用于氢发生器的燃料单元和制造该燃料单元和氢发生器的方法。通过将包含含氢材料的多个燃料粒(50A-50J)布置在基板(52)上制造燃料片(50)，并且通过移动(例如，弯曲)一部分燃料片(50)以将粒置于彼此相邻，使得相邻粒的相邻面位于基本上平行的平面，将一个或多个燃料片形成为非圆柱形燃料片组件。由一个或多个燃料片组件产生非圆柱形燃料单元。燃料单元可以可更换地布置在氢发生器中，并且可选择性地加热燃料粒以按需要产生氢气。
【专利说明】用于氢发生器的燃料单元

【技术领域】
[0001]本发明涉及用于氢发生器的燃料单元，以及制造燃料单元和在氢发生器中使用该 燃料单元以提供氢气的方法。

【背景技术】
[0002]对于燃料电池组作为便携式电子设备的电源的兴趣已经增加。燃料电池是电化学 电池，其使用来自电池外部的材料作为用于正电极和负电极的活性材料。因为燃料电池不 必须包含全部的用于产生电的活性材料，所以与其他类型的电池组相比，相对于产生的电 能的量，燃料电池可制造为具有小的体积。
[0003] 燃料电池可根据使用的电解质的类型分类，典型地为五种类型中的一种：质子交 换膜燃料电池（PEMFC)、碱性燃料电池（AFC)、磷酸燃料电池（PAFC)、固体氧化物燃料电池 (S0FC)和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC)。这些类型的燃料电池中的每一种都可使用氢和氧 分别作为燃料电池负电极（阳极）和正电极（阴极）的活性材料。氢在负电极被氧化，和 氧在正电极被还原。离子穿过非导电性的离子可渗透隔板，并且电子经过外电路以提供电 流。
[0004] 在一些类型的氢燃料电池中，氢由提供至燃料电池的负电极侧的含氢燃料形成。 在其他类型的氢燃料电池中，氢气从燃料电池外的源提供至燃料电池。
[0005] 燃料电池系统可包括燃料电池组，其包括一个或多个燃料电池（例如，燃料电池 堆），和燃料源，比如燃料罐或氢发生器。提供氢气至燃料电池的氢发生器可以是燃料电池 系统的整体部分，或它们可被可移除地联接至燃料电池系统。当消耗了产氢反应物时，可移 除的氢发生器可用另一个更换。可移除的氢发生器可以是一次性的（旨在仅一次性使用）。 可移除的和永久地安装的氢发生器均为可再填充的（旨在使用多次）以更换消耗的反应物 材料。
[0006] 使用多种初始材料和启动氢气释放的多种方法，氢发生器可产生氢。当含氢材料 反应时，可放出氢气。含氢材料的例子包括液态或气态碳氢化合物（比如甲醇）、氢化物 (比如金属氢化物和化学氢化物）、碱金属硅化物、金属/硅胶、水、醇、稀酸和有机燃料（比 如N-乙基咔唑和全氢芴）。在存在催化剂、热或酸或其组合的情况下，当反应物混合在一起 时，含氢化合物与另一反应物反应以产生氢气。可加热含氢材料以释放氢气，比如在热化学 分解反应中。
[0007] 在选择用于氢发生器的反应物时，可考虑以下：(a)当不使用氢发生器时，其长时 间段内的稳定性，（b)便于启动制氧反应或其他氢释放，（c)必须提供维持氢气释放的能量 的量，（d)需要的最高操作温度，和（e)每单位体积和每单位质量的含氢材料（一种或多 种）可产生的氢的总体积。
[0008] 为了在长时间段内提供氢，而不在氢发生器内形成非常高的压力，期望基于需要 产生氢。这可通过控制氢气从含氢材料（一种或多种）的释放实现，比如通过每次仅反应 有限的量。虽然这可通过将含氢材料分割成少量实现，但是这会增加制造过程的成本和复 杂性，并且可需要作为材料的相邻量的热绝缘的这种事项以及更复杂控制。
[0009]本发明的目标是提供具有一个或多个以下特征的氢发生器：每单位质量和每单位 体积的氢发生器能够广生总量大的氢气，能够控制氢的释放以基于需要提供氢，而不产生 过量的内部压力，能够在期望的最高温度或以下操作，能够用新材料更换废材料，长期耐久 性和可靠性，并且能够容易地和经济地制造。


【发明内容】

[0010]通过本发明实现以上目标和其他优势，其中使用高速制造方法可进行至少一部分 用于产生燃料单元的过程，并且所得的燃料单元和在其中使用其的氢发生器是体积高效 的。
[0011]因此，在本发明的一个方面中，提供了制造用于氢发生器的燃料单元的方法，该方 法包括步骤：a_提供片形式的基板；b_提供包括含氢材料的燃料，当加热时含氢材料释放 氢气；c·将燃料的多个粒布置在基板上以形成一个或多个燃料片，其中每个粒具有一个或 多个面，在相邻粒之间布置有间隙；d.通过移动第一和第二燃料片部分的至少一个将粒置 于彼此相邻，使得相邻粒的相邻面位于基本上平行的平面，由一个或多个燃料片形成非圆 柱形燃料片组件；和e.由一个或多个燃料片组件产生非圆柱形燃料单元。实施方式可包括 一个或多个以下特征：
[0012] ?移动第一和第二燃料片部分包括布置第一和第二燃料片部分，这样第一燃料片 部分上的粒朝向第二薄片部分上的粒；第一燃料片部分上的至少一个粒可置于第二燃料片 部分上的两个相邻粒之间的间隙中；
[0013] ?移动第一和第二燃料片部分包括弯曲基板以在两个相邻粒之间形成成角的或弯 曲的部分；
[0014] ?基板从辊或折叠堆提供；
[0015] ?通过流延、挤出、压缩、模塑、喷射、沉积、涂覆、辊涂覆、印刷和层压的一种或组合 将粒布置在基板片上；
[0016] ?形成燃料片的步骤包括使燃料片卷成卷，和形成燃料片组件的步骤包括从该卷 进料燃料片；
[0017] ?在组装之前，当基板布置为平面时，相邻粒的相邻面是平行的；粒可具有垂直于 相邻面的平面的矩形横截面；粒可具有垂直于相邻面的平面的正方形横截面；燃料片组件 可包括一堆粒；
[0018] ?在组装之前，当基板布置为平面时，相邻粒的相邻面是不平行的；粒可具有垂直 于相邻面的平面的梯形横截面；粒可具有垂直于相邻面的平面的三角形横截面；
[0019] ?燃料单元是棱柱形燃料单元；
[0020] ?该方法进一步包括形成燃料片组件周围的外壳；该外壳可包括具有差的热导率 和差的电导率的材料；该外壳可包括具有良好热导率和良好电导率的材料的截面；
[0021] ?一个或多个燃料片被组装为具有布置在相邻粒之间的热绝缘体；
[0022] ?-个或多个粒被布置在基板片的每个相对面上；和
[0023] ?燃料单元是便携式的。
[0024] 在该发明的第二方面中，提供了产生氢气的方法，该方法包括以下步骤：a.提供 片形式的基板；b.提供包括含氢材料的燃料，当加热时含氢材料释放氢气；c.通过将燃料 的多个粒布置在基板上形成燃料片，每个粒具有一个或多个面,在相邻粒之间布置有间隙； d.通过移动第一和第二燃料片部分的至少一个将粒置于彼此相邻，使得相邻粒的相邻面位 于基本上平行的平面，由一个或多个燃料片形成非圆柱形燃料片组件； e.由一个或多个燃 料片组件产生非圆柱形燃料单元；f.将燃料单元布置在氢发生器中；和g.选择性地加热所 述粒以从其中的燃料释放氢气。
[0025] ?通过多个加热器进行所述加热；多个加热器的每个可布置在燃料单元中，并且可 布置每个加热器以加热至少一个粒；该方法可进一步包括将加热器布置在相邻粒的相邻表 面之间；多个加热器的每个可布置在氢发生器中；
[0026] ?该方法进一步包括在相邻粒的相邻表面之间布置热导体以从加热器传导热至 粒；和
[0027] ?该方法进一步包括从氢发生器移除废燃料单元，并且在氢发生器中布置新燃料 单元。
[0028]在该发明的第三方面中，提供了用于氢发生器的燃料单元，通过包括以下步骤的 方法制造该燃料单元：a.提供片形式的基板；b.提供包括当加热时释放氢气的含氢材料的 燃料A通过将燃料的多个粒布置在基板上形成燃料片，每个粒具有一个或多个面，在相 邻粒之间布置有间隙;和d.通过移动第一和第二燃料片部分以放置相邻粒，使得相邻粒的 相邻面位于基本上平行的平面，由一个或多个燃料片形成非圆柱形燃料片组件；和由一个 或多个燃料片组件产生非圆柱形燃料单元。
[0029]在本发明的另一方面中，提供了包括如上所述的燃料电池组和氢发生器的燃料电 池系统。在一种实施方式中，该燃料电池系统是便携式的。
[0030] 附图简述
[0031] 在附图中：
[0032]图1A是第一种实施方式燃料片的平面图；
[0033]图1B是如图1A中所显示、形成燃料片组件的两个燃料片的平面图；
[0034]图2A是第二种实施方式燃料片的平面图；
[0035]图2B是图2A中形成燃料片组件的燃料片的平面图；
[0036]图3A是第三种实施方式燃料片的平面图；
[0037]图3B是图3A中形成燃料片组件的燃料片的平面图；
[0038]图4A是第三种实施方式燃料片的平面图；
[0039]图4B是图4A中形成燃料片组件的燃料片的平面图；
[0040]图Μ是第三种实施方式燃料片的平面图；
[0041]图5B是图5A中形成燃料片组件的燃料片的平面图；
[0042]图6是第一种实施方式燃料单元的截面的平面图；
[0043]图7是第二种实施方式燃料单元的截面的平面图；
[0044] ? SA是y:种实施方式辦斗单元外壳的一部分的横截面棚；
[0045] S部是J三种实施方式燃料单元的外壳的一部分的横截面视图；和 _63 _ 8C H种实施方式燃料单元的外壳的-部分的横截醒图。
[0047] 发明详述
[0048] 通过本发明实现了以上目标。根据该发明的燃料单元可用于氢发生器，其为氢消 耗系统比如燃料电池系统的一部分。氢发生器是产生氢气的制氢气装置。氢气可被燃料电 池组消耗以产生用于电子设备的电。优选地，氢发生器是便携式的，单独或作为燃料电池系 统的部分。如本文所使用，便携式装置容易通过个人移动，而不需要使用提升或运输设备 (例如，起重机、手推车、叉车或类似物）。
[0049] 燃料单元包含当加热至足够的温度时释放氢气的一种或多种含氢材料（以下称 作燃料）。为了使每单位体积和重量经济地产生大量的氢气，使用可经历热分解反应的反 应物是有利的，当加热时，其产生氢气。该热分解反应可产生比例如经历水解反应的相同量 (每摩尔、每单位重量或每单位体积）的反应物更大量的反应物气体。优选的燃料不需要昂 贵的催化剂以经历期望的制氢反应。
[0050] 为了提供经济的氢发生器，期望能够用新燃料单元更换使用过的燃料单元，而不 是更换整个氢发生器。这使得氢发生器的耐用组件被使用许多次。为了最大化该效果，期 望并入如氢发生器或系统剩余部分的可再用部分（以下称作容器）实际的那么多的可再用 组件，并且限制燃料单元中组件的数目至实际的程度。对于占用相对大体积和/或相对昂 贵的此类物品，这尤其如此。理想地，燃料单元将仅包含制氢反应物和最小的外壳。然而， 由于实际原因，它可期望包括燃料单元中的其他成分和组件。
[0051] 氢发生器包括配置为接收一个或多个燃料单元的容器，并且包含氢发生器的至少 一些其他组件。在一些情况中，可期望使那些其他组件的至少一些部分位于容器外部，比 如在氢消耗系统内的其他地方。容器可包括其本身的壳体，尤其如果该容器旨在从其移除 或当在系统剩余部分的外部使用时。如果氢发生器被永久地包含在该系统内，分离的容 器壳体可能是不期望的。例如，该系统的一部分可充当容器壳体的全部或部分。容器壳 体具有足够的机械强度和对于氢发生器预期暴露的环境的抗性，尤其对于高温和燃料及 其副产物。金属比如铝、钢和不锈钢、陶瓷和抗高温聚合物比如聚苯硫醚、丙烯腈-丁二 細 -本乙細、聚酿謎酬、聚酿醜亚胺、聚氧节基亚甲基_?醇（polyoxybenzylmethylenglycol anhydride) (Bakelifc_)、环氧树脂、酚醛树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯和三聚氰胺可适用于 壳体。在一些实施方式中，容器可由差的热导体（例如，小于1〇瓦/米·开尔文，并且优选 地小f 1瓦/米?开尔文）材料制成以保护燃料电池系统的剩余部分，和/或使设备和用 户免受在氢发生器内产生的热。如果期望，热绝缘可被添加至燃料电池系统或设备中的氢 发生器、壳体内、壳体周围或其他地方。真空，比如在容器壁（一层或多层）的空腔中，可提 供热绝缘。热绝缘可保护氢发生器的组件、燃料电池系统的其他部分、与该燃料电池系统结 合使用的设备、和/或用户。
[0052]容器包括可向其中插入燃料单元的一个或多个腔。腔可包括用于以下的特征：将 燃料单元在特定方向对齐，提供与燃料单元的热和/或电接触，和/或提供容器和燃料单元 之间的氢气流动路径。例如，腔可包括与燃料单元的零件协作以允许燃料单元仅在期望的 方向插入腔内的一个或多个突起，突起可提供与燃料单元的电和/或热接触，或一个或多 个关起可延伸进入燃料单兀的凹陷区以从燃料单元的内部向外提供热。容器可以是可关闭 的以将燃料单元保持在腔内，并且它可以是可密封的，以排除来自外部环境的气体并且包 含加压的氢气。如果在操作氢发生器期间内部压力增加，那么期望壳体中包括减压孔以在 压力到达太高前释放气体（即，防止壳体不期望地打开或爆炸）。
[0053]在燃料单元中产生的氢气流动通过与系统剩余部分接合的氢出口。氢发生器也可 包括用于向其提供氢和与系统接合的多个配件、阀和电连接。可期望在氢流动路径中提供 一个或多个过滤器或净化装置（以下称为过滤器）以从氢去除固态或气态副产物（比如燃 料电池毒物）和/或未反应的反应物。过滤器可位于燃料单元内、容器内和/或在氢发生 器和系统剩余部分之间的界面处。当燃料单元被更换时，燃料单元内的过滤器被更换。可 期望提供位于燃料单元外部、用于周期性更换过滤器的进出口。适用于过滤器的材料的例 子包括硅石、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、二氧化硅气凝胶、刚玉、氧化铝、玻璃、玻璃棉、矿物 棉、多孔玻璃、珍珠岩和聚合物，比如聚酰亚胺和环氧-胺复合物，以及合适的气体净化装 置（比如离子交换树脂）。可能放置过滤器，这样它们也提供热绝缘。
[0054]氢发生器也包括用于将电能转化至热能以加热燃料的一种或多种启动器。在多种 实施方式中，启动器可包括电加热器、静电发生器或电磁发生器。合适的能量源的例子包括 原电池组、第二电池组、燃料电池组、电容器和公共设施的一种或组合。虽然能量源可包括 在燃料单元内（例如，当能量源是必须被频繁更换的低容量的小电池组时），但是优选地， 能量源在燃料单元外部，比如在容器中、设备中的其他地方、或设备外部。容器中的电路可 运送电能至启动器。启动器（一种或多种）优选地位于燃料单元外部（例如，在容器中）， 在此它们可被再使用。在一些实施方式中，启动器（一种或多种）可位于燃料单元内，尤其 是当启动器仅占据小体积并且便宜时。
[0055]优选的启动系统包括一种或多种电加热器，比如电阻加热器。电阻加热器可包括 金属或合金比如镍-铬、铁-铬-铝、铜-镍和钨。外部加热器（在燃料单元外部）与燃料 单元的热传导部分处于热接触，使得由加热器产生的热通过任何壳体传导至燃料单元的内 含物。例如，加热器或中间热导体可从腔的表面（例如，侧壁、端壁或可去除的壁截面，比如 门）突出以接触燃料单元。为了提供良好的热接触，燃料单元可以与加热器或中间热导体 紧密配合。在一种实施方式中，加热器或中间热导体偏压抵靠燃料单元。这可通过配置加 热器作为偏压部件和/或放置作为良好热导体的中间偏压部件例如在加热器和燃料单元 之间处于热接触实现。使用偏压部件可在加热器和燃料单元之间提供良好热接触，而不妨 碍从腔插入或去除燃料单元，并且可补偿在使用期间燃料单元的膨胀或收缩。如果加热器 在内部，它与能量源处于电连接，比如通过容器中与燃料单元中对应的电触头电接触的电 端线。端线可以以与以上描述的用于外部加热器和中间热导体的相似的方式偏压抵靠燃料 单元。电触头可位于燃料单元或燃料单元外壳的电传导部分中，或电触头可从燃料单元伸 出以与端线接触。
[0056] 静电启动系统使用施加至一组或多组间隔开的正端线和负端线的电势以伴随离 散静电放电事件启动期望的反应，反应物直接地响应施加的电势，或间接地响应由产生的 火花产生的热。容器中的正端线和负端线与在燃料单元的相对面上的燃料单元外壳的电传 导部分电接触。静电放电事件在外壳的充当电极的两个电传导部分之间产生。为了在容器 中的端线和燃料单元外壳的相邻部分之间提供良好的电接触，端线可偏压抵靠燃料单元外 壳，比如通过将端线配置为偏压部件。这可在端线和燃料单元外壳之间提供良好的电接触， 而不妨碍燃料单元从腔插入或去除。 t〇〇57] 电磁启动系统使用流动通过一个或多个初级线圈的交流电，以在次级线圈中引起 快速振荡的交流电（感应加热），或在燃料单元中引起次要部件材料中极性分子的快速振 荡偶极子旋转（电介质加热）。在次级线圈或部件中移动分子的碰撞加热次级线圈或部件。 如果能量源是直流电源，转换器可用于将电流转化至交流电。交流电的合适的功率范围可 以从约50至约100瓦特。在燃料电池系统中，交流电功率典型地是燃料电池组额定功率的 小部分。例如，初级线圈的合适的驱动频率可以在约1〇至约 75KHz的范围内。初级线圈 是在包含燃料单元的整个腔周围延伸的多匝线圈，以使电压最大化和降低初级线圈中的电 流，并且使初级线圈中的产热、欧姆损耗和半导体开关损耗最小化。初级线圈可位于一部分 容器上（例如，在其表面上，在其表面凹进或从其表面突出），其中它可以与燃料单元中的 次级线圈或次要部件对齐，使得它可在次级线圈或部件中引起交流电或偶极子旋转。可选 地，初级线圈可位于燃料单元中，比如在外壳的外表面上，或在外壳的内部表面上或附近， 与能量源电接触，比如在外壳中或从外壳突出的电触头和容器中相应的端线之间。用于电 动机或变压器线圈的材料，比如铜、铝、铁和其合金，通常适用于初级线圈。如果使用导线， 它可以绕在非金属线轴上。树脂，比如适用于电动机或变压器线圈浸渗的树脂，可用于结合 初级线圈的外皮。
[0058] 如下进一步详细描述，多种启动器可用于提供选择性地加热一个或多个燃料单元 中全部燃料量的有限量的能力。这可有助于基于需要产生氢气和使在间歇使用期间的响应 时间最小化，而不在氢发生器内产生过量的压力。例如，单个启动器可与燃料单元内分开量 的燃料相关，并且可控制选择的启动器的操作以仅在期望量的反应物内启动反应。这可需 要将燃料单元与容器中单个启动器或接触端线对齐。作为备选方案，启动器可在腔内移动 以与选择部分的燃料单元对齐。这可用较少的启动器提供控制的氢气产生，但是增加了移 动启动器需要的机构的体积和成本。
[0059] 氢发生器包括可优选地从容器中相应的一个腔或多个腔插入和去除的一个或多 个燃料单元。每个燃料单元具有一种或多种当加热至临界温度或更高时能够释放氢气的分 开量的燃料。燃料可包括在混合物中，混合物优选地为高密度固态混合物，而不是气态、液 态或凝胶。燃料和混合物可以为适合的形式，比如粉末状的、颗粒状的或形成固态体比如 粒、丸、片、晶片或块状。如本文所使用，术语"粒（pellet)"用于指分开量的燃料或燃料混 合物，不论其组成、形式、大小或形状。可调整粒的大小和形状以产生期望量的氢气，以体积 有效的方式安装在燃料单元内，促进启动，防止相邻量的交叉启动，促进产生的氢的释放等 等。粒可以以多种方式彼此分开，比如通过包含在单个隔间中，和/或通过间隙、涂层、热绝 缘和类似物间隔开。
[0060]粒包含至少一种含氢材料。可包括多于一种含氢材料。当加热时可释放氢气的燃 料的例子是：亚胺基锂（Li2NH)、氨基锂（LiNH2)、卤化铵（例如，NH4F、NH 4C1或凡％(：12)加化 学氢化物（例如，LiH、LiBH4、NaBH 4、LiAlH4 或 NaAlH4)、铝烷（A1H3)、氨硼烷（NH3BH3)、氨硼 烷加化学氢化物（例如，铝烷或硼肼复合物比如二硼烷肼（n 2h4(bh3)2))、硝酸铵（Nh 4N〇3)加 二铵癸硼烷（B1QH1Q(NH4) 2)和其他材料，比如具有氢插入在其中的石墨烯和碳纳米管。燃料 的选择可受其他因素的限制，比如它们的物理和化学性质；使用的启动系统的类型；期望 的操作温度范围，不论氢气的释放是放热的或吸热的；反应副产物的组成、形式和性质；等 等。
[0061]粒也可包含一种或多种添加剂。添加剂的例子包括粘合剂（例如，丙烯酸酯和苯 乙烯嵌段共聚物）、稳定化合物（例如，固体碱）、热传导性材料（例如，金属、石墨、和其组 合物和复合物）、如下描述的引燃材料、热传导涂覆或层、热绝缘涂覆或层等等。优选地催化 剂不包括在反应物混合物中。
[0062]-在燃料单元中包括引燃材料是期望的，尤其是如果燃料是吸热的。当加热时，引燃 材料进行放热反应，并且可用于与启动系统结合以提供启动氢气从燃料释放的热。引燃丰才 料可提供许多优势。引燃材料必须被加热以反应的温度可低于氢气从燃料释放的最低开始 温度，这减少了启动系统的生热需要。因为引燃材料进行放热反应，它可降低在燃料单元使 用期间必须提供至启动器的能量的总量，尤其是如果在吸热的热分解反应中释放氢。引燃 材料可布置在粒内或与其接触。例如，引燃材料可以是燃料混合物的成分，引燃材料可以^ 与包含燃料的层分离的粒层，或引燃材料可以是分离的粒，其与包含燃料的粒热交流。当引 燃材料与燃料分离时，作为分离层或作为分离粒，包含引燃材料的部分可与包含反应物的 部分交替。例如，包含燃料的每一部分可具有引燃材料的相邻部分；可布置包含引燃材料的 部分与包含燃料的多个部分相邻。如果期望，引燃材料可贴近燃料单元的表面以促进启动 器的启动。一部分引燃材料可从启动点向外延伸以促进在燃料单元的远程部分加热燃料。 (在一些实施方式中，包含反应物的部分和包含引燃材料的部分都包含反应物和引燃材料， 但是不同的比例。在这些实施方式中，包含较高比例的燃料的部分被称为包含反应物的部 分，和包含较高比例的引燃材料的部分被称为包含引燃材料的部分）。当它们反应时，一些 类型的引燃材料也将产生氢气，有助于增加燃料单元可提供的氢的总量。引燃材料的例子 包括铁粉末或 TiH2 加 KC104、Μη02 加 LiAlH4、Ni 加 Al、Zr 加 PbCr04、Fe203 加 A1 (铝热剂） 和LiAlH4加 NH4C1。应当理解，本文提及在制氢反应物中启动反应包括在燃料单元包括引 燃材料的实施方式中在引燃材料中启动制热反应。
[0063]燃料单元包含多个粒，粒布置在一个或多个基板片上以形成一个或多个燃料片。 粒可具有多种几何形状，比如正方形、长方形、三角形、梯形和平行四边形。燃料片可以多种 方式在燃料单元内排列。例如，可移动燃料片使得每个粒在一个或多个粒的一层或多层。燃 料·或燃料混合物的粒可以以多种方式形成，比如流延、挤出、压缩、模塑、喷射、沉积、涂覆、 辊涂覆、印刷、层压等等。粒可形成并且然后布置在基板上，或它们可在基板上形成。燃料 片可形成具有多种形状和配置的燃料片组件，如下进一步详细描述。在其上布置粒的基板 可用作燃料单元中的其他目的。例如，基板可以是燃料单元壳体的部分；提供结构支持以提 供强度或气流路径；提供导电性或导热性或电绝缘或热绝缘；等。基板也可提供可能是需 要的或有利的特征，比如良好的电导率或热导率、差的电导率或热导率、结构强度和过滤。 [00 64] 燃料单元可包括外壳以包含燃料以及至少非气态副产物。外壳将具有足够的强度 以及化学和热稳定性，以在使用之前运输、储存和操作期间、在使用期间、和在去除和后续 操作期间,这么做。可用于外壳的材料的例子包括金属箔、聚合物膜、层压物比如金属/塑 料层压物、和铸造或模制的套管。当仅外壳的部分可以或必须是电或热传导或非传导时，层 压物和铸造或模制的套管可以是有利的。例如，导电区可通过嵌件模塑金属构件在非传导 外壳中形成，并且导电区可通过经由外塑料层中的开口暴露中心金属层在金属/塑料层压 物中形成。金属/塑料层压物的例子包括金属比如铝、镍、铜和钢，和聚合物比如聚酯、尼 龙、聚丙烯和聚乙烯。高温塑料和热固塑料可用于铸造或模制的套管；例子包括聚酰亚胺比 如KAPTON? (来自杜邦公司（DuPont))和聚醚醚酮（PEEK)聚合物。通过任何合适的方 法或多种方法可封闭外壳，比如通过折叠和/或重叠、机械地封闭、密封（例如，用粘合剂、 热密封、超声波）等等。使用的启动系统的类型也可要求外壳包括其他性质（例如，电或热 传导或绝缘）。除了按需要释放氢例外，外壳保持闭合或密封也是期望的。这可要求使用 氢出口阀和/或包含至少一些内部压力的性能。封闭或密封外壳可使内含物避免暴露于环 境（例如，避免暴露于氧和潮湿），容纳在使用燃料单元之前可产生的少量的氢，和在从燃 料单元释放污染物之前促进其从氢气去除。
[0065]可期望包括在外壳附近或作为外壳的部分的热绝缘体以在将使用过的燃料单元 从氢发生器移除时保护用户。外壳本身可以是或包括（例如，作为其层）差的热导体，或可 在外壳的外部或内部提供热绝缘层。可适合作为热绝缘体的材料的例子包括硅石、二氧化 硅、氮化硅、碳化硅、二氧化硅气凝胶、刚玉、氧化铝、玻璃、玻璃棉、矿物棉、多孔玻璃、珍珠 岩和聚合物比如聚酰亚胺和环氧-胺复合物。氢发生器可包括防止热燃料单元从氢发生器 移除的装置。例如，可用传感器监测温度，并且闭锁机构可维持在闭锁位置以防止打开门而 移除燃料单元。 '
[0066]为了基于需要提供氢气，而不在氢发生器内形成高的内部压力，燃料单元（一个 或多个）包含多个粒，其中氢气的释放可基于选择性单个地启动。这可通过使用控制系统 与启动系统结合实现，启动系统包括可位于燃料单元（一个或多个）中的单个燃料单元和 /或单个粒或粒组内的或与其对齐的多种启动器和/或可移动的启动器。启动器（一种或 多种）可以与单个粒或粒组对齐或是可对齐的。
[0067]控制系统可控制从源至启动系统的能量供给。例如，通过监测燃料电池系统内的 压力、燃料电池堆的一种或多种电特性、或电子设备的一种或多种电特性，控制系统可确定 对于氢的需要和/或需要的氢流动速度。控制器可与设备或燃料电池堆通信以确定何时需 要较多的氧。控制系统可完全地或部分地布置在氢发生器或系统（例如，燃料电池堆或由 燃料电池堆驱动的电子设备）中，或其任何组合。控制系统可包括微处理器或微控制器； 数字、模拟和/或混合电路；固态和/或机电转换设备；电容器、传感仪器、计时器等等。相 同或不同的控制系统也可用于其他目的，比如确定合适的或批准使用的氢发生器和燃料单 元，防止不合适的或未批准的氢发生器和燃料单元的使用，通过燃料电池组控制在燃料电 池系统和设备中电池组的充电，计算和提供燃料单元（一个或多个）的剩余容量的信息，记 录关于使用燃料单元、氢发生器、燃料电池系统和设备的历史信息，防止氢发生器在不安全 条件下的操作，和其他目的。
[0068]每种类型的启动系统具有某些特征和要求以及优势和劣势。选择的启动系统的类 型可基于以下考虑，比如启动系统和燃料电池系统的其他组件的大小、复杂性、制造容易程 度、材料要求，期望的反应物的类型和其他，如以上和以下进一步详细描述。
[0069]如上所述的外部电加热器启动系统需要具有外壳的燃料单元，该外壳的至少一部 分具有良好热导率（例如，铝、铜和不锈钢），以便于来自加热器（一个或多个）的热被传导 至燃料单元内而热损失最小。内部电加热器启动系统需要通过一部分外壳或通过贯穿外壳 延伸的电触头例如直接地与燃料/燃料混合物良好电接触。可期望限制每个热传导部分， 使得它与仅一个或若干个选择的粒（一个或多个）热交流，以便于防止来自一个加热器的 热量启动多于选择的粒（一个或多个）。可期望在燃料单元内包括热导体以提供良好热传 递至粒的远程部分（与外壳或加热器不接近的部分）。这种内部热导体可与期望的粒的内 (远程）表面直接接触，或它可被至少部分地嵌入在粒内。具有相对大的与粒接触的表面的 热导体（例如，平板而不是细导线）可以是期望的。虽然其他类型的材料（例如，热管、负 载金属粉末的模塑的热固性材料和石墨）可以是合适的，但对于热导率、热稳定性、化学稳 定性和机械强度而言，金属比如铜、培、银和不锈钢可以是有利的。粒的热导率越大，电加热 器启动系统可越有效。热导率取决于包括反应物和任何添加剂二者的反应物混合物的热导 率。粒内的热导率可以用多种方式增强，比如通过在反应物混合物中包括热传导添加剂比 如金属粉末或纤维，和通过使用具有良好热导率的反应产物（例如，铝金属）的反应物（例 如，铝烷（A1H3))。当燃料单元包括内部加热器时，通过将加热器远离燃料单元的外表面放 置可增强加热效率。
[0070] 根据本发明的燃料单元很好地适用于期望使制造成本最小化的高速制造。可进料 大片或条形式的片，优选地自动地，使用多种方法的任何一种在短时间段内可将大量的粒 布置在片（一个或多个）上，并且可进一步处理所得的燃料片（一个或多个）以形成燃料 片组件和燃料单元。燃料片可直接进料至后续制造操作，或可收集它们（例如，以片或卷形 式）用于后续使用。
[0071] 对于许多应用，具有大体上棱柱形状而不是圆形或圆柱形形状的燃料单元和氢发 生器是有利的，例如，是更加体积有效的。本发明也很好的适用于制造具有大体棱柱形状的 燃料单元，其具有基本上平的表面（例如，虽然边、角等可以是圆形的，并且连接器和类似 物可从燃料单元突出）。
[0072]例如，基板片以单个片形式或由一卷或一圈材料提供。基板材料的选择基于期望 的性质，比如其耐热性、耐化学性、挠性、热导率、电导率等。粒可预成形、进料并施加至基板 片（例如，通过压缩或用粘合剂粘附），或粒可直接在基板上形成（例如，通过合适的涂覆、 层压或印刷过程），从而形成燃料片。粒可布置为多种类型的阵列，比如但不限于单行或多 行。每个粒具有至少一个基本上平坦面。该平坦面可以是从基板延伸的面，或另一面，比如 基本上平行于基板的面，在相邻粒之间具有间隙（即，空间或空隙）。任选地，粒或其部分 可被比如热绝缘、热绝缘或引燃材料覆盖或涂覆。然后，燃料片可直接进料至燃料片组装过 程，或燃料片可被切成后续提供至燃料片组装过程的条或更小的燃料片。
[0073]通过移动燃料片部分以将粒置于彼此相邻，使得相邻粒的相邻面位于基本上相同 的平面，一个y、多个燃料片可形成燃料片组件。这可通过结合分离的燃料片、通过弯曲基板 以形成相邻粒之间的角或半径实现。移动片重新放置粒，这样相邻粒的相邻的基本上平坦 面处于基本上平行的平面。在一种实施方式中，相邻粒在分离的基板片上，并且相对于另一 个^动一个燃14片将一个基板部分上的一个或多个粒放置抵靠其他基板部分的粒之间的 间隙或在f间隙中。在另一实施方式中，相邻粒在单个基板片的部分上，并且粒通过弯曲基 板重新放直：因为所得的燃料片组件中的相邻面为基本上平行的平面，在相邻粒之间的界 面处很少或没有兰间浪费，并且燃料单元的体积效率可以最大化。在又另一实施方式中，燃 料片组件包括分^的燃料片，其至少一个被弯曲以重新放置粒。 _4]棚邻粒表面之间的麵可布置一种或多种其他材料和，或组件。优选地，这些 其他t料和、/或组件将在界面处具有均匀的厚度，以使浪费的空间最小化。这也很好的适 用于尚速制造方法，因为这些材料和组件可以以条或单个片形式进料，或可使用例如涂覆 方法施加它们。 _5]在-种实施方式中，在粒之间可提供_獅y獅雜。这可防止-个粒_ --------;__ιυ/丄丄 气释放的启动导致不期望的相邻粒中氢气释放的启动，例如，由于在一个粒内应用的电能 或热能或产生的热量被传导至相邻粒。
[0076] 在另一实施方式中，电或热传导性材料可布置在粒之间。当燃料或燃料混合物是 差的电^热导体时，这是尤其有利的。传导性材料可提供电能或热能更有效的传导至距离 启动器较远的粒部分，尤其是当启动器不在燃料单元内时。通过从燃料单元的内部提供热， 传导性材料也可有助于更有效的加热燃料。
[0077] 在又另一实施方式中，启动系统的零件，比如加热部件，可布置在粒之间，提供比 如果那些组件仅布置在粒的外表面上或与其相邻更有效的加热。
[0078]在图1A、2A、3A、4A和5A中图解了燃料片的多个实施方式，并且在图?β、2Β、3Β和 4B中分别图解了由其形成的燃料片组件的实施方式。在这些实施方式的每一个中，粒的数 目、大小、形状和间隔可改变，燃料片组件中燃料片的配置也可改变。粒显示为全部面基本 上为平面，并且全部相邻面在基本上为平行的平面中。然而，应当理解，尽管全部相邻面为 平的和在平行的平面中是优选的，但是没有重新放置至与相邻粒的相应面相邻的那些面不 必是平的或在平行的平面中。在燃料片组件中显示了相邻粒的相邻面之间的空间，但是空 间不是必要的。任选的燃料单元组件，比如绝缘体、导体和加热启动器，可布置在那些空间 内，例如，如以上所公开和在图6和7中所图解。
[0079]图1A显示了燃料片10,其多个粒14具有面并且布置在基板片12上。如图 1B中 所显不，例如，通过放置燃料片10,使得粒14朝向彼此，分离的燃料片1〇可以在燃料片组 件中结合。可放置粒14,使得在一个燃料片1〇上的粒 14布置于在其他燃料片10上的粒 14之间的间隙中。相邻粒具有基本上为平的相邻面,并且相邻面位于基本上平行的平面，使 得相邻面之间的间隙是均匀的。粒14显示为具有三角形横截面，但是横截面可具有其他形 状，比如正方形、长方形、梯形、平行四边形等。
[0080]在另一实施方式中，燃料片组件可以由单个燃料片形成。在图2A和2B中图解了 这种实施方式。此处粒24A和24B布置在单个基板22上。粒24A和24B具有平坦的顶表 面，如在图2A中所定向，和在图邪中弯曲基板 22使得粒24B相对于图2A倒置，这样它们 的先前顶部平坦表面与粒24A的顶部平坦表面相邻，粒24B的相邻表面在基本上平行于粒 24A平面的平面中。在图 2A和邪中显示的实施方式的变型中，粒24A和24B具有平行的相 邻面，如图2A中所定向。粒ΜΑ和24B可被充分地间隔开，以便当折叠燃料片20以形成燃 料片组件时粒24B被布置在粒 24A之间的间隙中。在其他变型中，除图2A和2B中显示的 矩形形状以外，粒可具有其他横截面形状。
[0081]图3A和3B显示了另一实施方式，其中粒34A至34F布置在基板32上以形成燃料 片30,并且燃料片30弯曲成手风琴或Z-折叠样式以形成图3B中显示的燃料片组件。粒 34A至34F被重新放置，使得粒34B和34D的平坦面分别与粒34C和34E的平坦面相邻，那 些相邻面在基本上平行的平面。图3B中粒34A至34F布置为堆叠。在该实施方式的变型 中，粒可具有其他横截面形状，各个层可具有多于一个粒以形成多于一个堆叠，并且在一层 中的一个或多个粒可布置在相邻层的粒之间的间隙中。
[0082] 在图4A和4B中显示了图Μ和3B中实施方式的进一步变型。在该实施方式中， 燃料片40具有粒44A、44C和44E布置在基板42的一侧，并且粒44B、44D和44F布置在基 板42的相对侧。基板42 -侧的粒可以与基板42的相对侧的粒直接相对地形成，但是可能 -_____丄丄/丄丄 是其他布置。
[0083]在图5A中显示了燃料片50的又另一实施方式，其中粒5〇A至 5〇j布置在基板上 52,并且基板52在许多地方弯曲以形成图5B中的燃料片组件。
[0084]图6和7显示了燃料单元的实施方式的局部平面图，所述燃料单元包括如上所述 的燃料片形成的燃料片组件。图6中，粒64布置在基板62 (-个或多个）上，以形成一个 或多个燃料片6〇,其中燃料片部分朝向彼此，在顶部燃料片部分的粒布置在底部燃料片 部分的两个粒Μ之间的间隙中。一个或多个其他燃料单元组件册和册可布置在相邻粒 的相邻面之间的空间。例如，组件6 6可以是热导体或加热部件。组件68可以是热绝缘层。 图7中，粒74布置在基板72上以形成燃料片 70。弯曲燃料片70以重新放置粒74成堆叠。 一个或多个其他燃料单元组件 76和78可布置在相邻粒74的相邻面之间的空间。例如，组 件7 6可以是热导体或加热部件。组件界可以是热绝缘层。类似组件可包括在包含以上公 开的任何实施方式的燃料单元中，包括但不限于图1A和化至 5A和5B中的那些。
[0085]如以上所公开，燃料单元可具有多种外壳，比如金属、塑料或复合金属和塑料薄 片，或成形的、铸造的和模制的套管。金属可提供通过外壳的良好电导率和热导率，并且塑 料可提供电绝缘和热绝缘。例如，复合金属和塑料薄片外壳 80A(见图8A中显示的局部横 截面）具有多层82和84。金属层82可被夹入塑料层84之间。可去除塑料层84的部分 以暴露金属层82的部分。如果塑料层84由差的电和热传导性材料制成，和金属层 82由具 有良好的电导率和热导率材料制成，在外壳80A的两侧暴露金属层82可提供通过其中金属 层82是暴露的外壳80A的良好电导率和热导率。如果期望具有通过外壳 80B的良好电导 率和热导率的多个区域（见图8B中显示的局部横截面），金属层82的每个区域可以是不连 续的，由塑料层84环绕。类似地，成形的、铸造的或模制的套管可由金属（例如，为了提供 良好电导率和热导率）、塑料（例如，为了提供差的电导率和热导率）或金属和塑料的复合 物（例如，为了提供仅通过套管的选定区域的良好的电导率和热导率）制成。例如，复合套 管80C的一段的横截面，如图 8C中局部横截面显示的。套管80C由塑料材料82制成，金属 嵌件84在套管壁中。金属嵌件84在套管80C的两面暴露，以提供通过金属嵌件84但不通 过环绕的塑料82的良好的电导率和热导率。
[0086] 实践该发明的那些人和本领域技术人员将理解对该发明可做出多种修改和改进， 而不背离本公开概念的精神。通过权利要求和法律允许的阐释宽度确定给予的保护范围。
【权利要求】
1. 一种制造用于氢发生器的燃料单元的方法，所述方法包括以下步骤： a. 提供片形式的基板； b. 提供燃料，其包括当加热时释放氢气的含氢材料； c. 将所述燃料的多个粒布置在所述基板上以形成一个或多个燃料片，其中每个粒具有 一个或多个面，在相邻粒之间布置有间隙；和 d. 通过移动第一和第二燃料片部分的至少一个将粒置于彼此相邻，使得相邻粒的相邻 面位于基本上平行的平面，由所述一个或多个燃料片形成非圆柱形燃料片组件；和 e. 由一个或多个所述燃料片组件产生非圆柱形燃料单元。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中移动所述第一和第二燃料片部分包括布置所述第 一和第二燃料片部分，使得所述第一燃料片部分上的粒朝向所述第二片部分上的粒。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述第一燃料片部分上的至少一个粒置于所述第 二燃料片部分上的两个相邻粒之间的间隙中。
4. 根据上述权利要求任一项所述的方法，其中移动所述第一和第二燃料片部分包括弯 曲所述基板以在两个相邻粒之间形成成角的或弯曲的部分。
5. 根据上述权利要求任一项所述的方法，其中在组装之前，当所述基板布置为平面时， 相邻粒的相邻面是平行的。
6. 根据权利要求1至4任一项所述的方法，其中在组装之前，当所述基板布置为平面 时，相邻粒的相邻面是不平行的。
7. 根据上述权利要求任一项所述的方法，其中所述燃料单元是棱柱形燃料单元。
8. 根据上述权利要求任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括在组装的燃料片周 围形成外壳。
9. 根据上述权利要求任一项所述的方法，其中所述一个或多个燃料片被组装为具有布 置在相邻粒之间的热绝缘。
10. 根据上述权利要求任一项所述的方法，其中一个或多个粒布置在所述基板片的相 对面上。
11. 根据上述权利要求任一项所述的方法，其中所述燃料单元是人便携式的。
12. -种产生氢气的方法，所述方法包括以下步骤： a. 提供片形式的基板； b. 提供燃料，其包括当加热时释放氢气的含氢物质； c. 通过将所述燃料的多个粒布置在所述基板上形成燃料片，每个粒具有一个或多个 面，在相邻粒之间布置有间隙； d. 通过移动第一和第二燃料片部分的至少一个将粒置于彼此相邻，使得相邻粒的相邻 面位于基本上平行的平面，由一个或多个所述燃料片形成非圆柱形燃料片组件； e. 由一个或多个所述非圆柱形燃料片组件产生非圆柱形燃料单元； f. 将所述燃料单元布置在氢发生器中；和 g. 选择性地加热粒以从其中的所述燃料释放氢气。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述加热通过多个加热部件进行。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述多个加热部件的每个布置在所述燃料单元 中，并且布置每个加热部件以加热至少一个粒。
15. 根据权利要求13或14所述的方法，其中所述方法进一步包括在相邻粒的相邻表面 之间布置所述加热器部件。
16. 根据权利要求13或14所述的方法，其中所述多个加热部件的每个布置在所述氢发 生器中。
17. 根据步骤12至16任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括在相邻粒的相邻表 面之间布置热导体以从所述加热部件传导热至所述粒。
18. 根据步骤12至17任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括从所述氢发生器移 除废燃料单元，并且在所述氢发生器中布置新燃料单元。
19. 一种用于氢发生器的燃料单元，所述燃料单元通过包括以下步骤的方法制造： a. 提供片形式的基板； b. 提供燃料，其包括当加热时释放氢气的含氢材料； c. 通过将所述燃料的多个粒布置在所述基板上形成燃料片，每个粒具有一个或多个 面，在相邻粒之间布置有间隙； d. 通过移动第一和第二燃料片部分以放置相邻粒，使得相邻粒的相邻面位于基本上平 行的平面，由一个或多个所述燃料片形成非圆柱形燃料片组件；和 e. 由一个或多个所述燃料片组件产生非圆柱形燃料单元。
【文档编号】H01M8/06GK104285327SQ201380023857
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年3月5日 优先权日:2012年3月7日
【发明者】C·R·赫德尔斯顿, T·J·克梅蒂奇, R·A·朗汉, C·E·罗, M·R·斯托拉德, J·L·斯蒂米特斯, M·D·范达堡 申请人:智能能源公司