专利名称：燃料电池设备以及其方法
技术领域：
本发明涉及由燃料电池供电的设备，更特别地，涉及由燃料电池供电的具有可互换头部的设备。
背景技术：
有些人依赖于许多便携式设备，诸如蜂窝电话或者数字音频播放器。这些设备通常需要使用电池，并且电池必须定期更换或再次充电。电池通常不能持续像用户期望的那样长。而且，当电池用完时，其电压输出趋于衰减，导致诸如手电筒等的设备的输出下降。
在LED(发光二极管)手电筒中，电池电压的变化是个问题，因为LED开始时是亮的，但是随着电池电压下降，其亮度迅速减弱。由诸如碱性电池等电池供电的LED手电筒在光输出很低时通常具有很长的“尾巴”期。由于光输出降到低于给定的“可用”阈值，电池容量因此被浪费。例如，必须忍受低输出，或者必须过早地丢弃电池。这些基于碱性电池的手电筒所得到的体积能量密度经常非常低。虽然可以使用可再充电电池，但可再充电电池可能有很高的自放电速率，这意味着不管手电筒是否打开，电池都随着时间的推移放电。当用户想使用该手电筒时，如果可再充电电池近期没有被充电或者如果自放电速率很高，那么该手电筒可能无法工作。虽然这最多只是不方便而以，但是在紧急情况下，就可能是生死攸关的问题。而且，可再充电电池具有有限的循环寿命。随着再充电循环次数增加，电池容量下降。这对于用户可能是令人沮丧的，因为手电筒的工作时间将下降。替换惯用的可再充电电池也可能是昂贵的。
附图简述
图1是用于说明根据至少一个实施方案构造的燃料电池设备的立体图。
图2是用于说明根据至少一个实施方案构造的单元燃料电池的示意图。
图3是根据至少一个实施方案构造的燃料电池组和补给燃料装置部分的局部剖视图。
图4A是根据至少一个实施方案构造的燃料电池设备的一部分的截面图。
图4B是根据至少一个实施方案构造的燃料电池设备的一部分的截面图。
图5是根据至少一个实施方案构造的燃料电池设备的开关装置的立体图。
图6A是沿图1中6A-6A方向所取的截面图。
图6B是沿图1中6B-6B方向所取的截面图。
图7A是根据至少一个实施方案构造的燃料电池设备的补给燃料端口的截面图。
图7B是根据至少一个实施方案构造的燃料电池设备的补给燃料端口的截面图。
图8说明了用于说明根据至少一个实施方案构造的燃料电池设备和外部设备的立体图。
发明内容
实施方案包括燃料电池设备。一个实施方案包括具有模块化的、可互换的头部分的燃料电池手电筒。附加的模块化头部分可以包括与头部分内的连接器相连的电路。该连接器可包括USB(通用串行总线)型的连接器，并且该燃料电池设备可以适合于给其他设备充电，诸如蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、数字音频播放器等。
这些及其他实施方案、方面、优点和特征一部分将在随后的描述中给出，一部分将通过参考以下的描述和引用的附图或者对其进行的实践，而变得对本领域的普通技术人员来说显而易见。这些方面、优点和特征通过附属的权利要求特定指出的手段、步骤和组合以及它们的等同物来实现和获取。
具体实施方案接下来的详细描述包括对附图的参考，这些附图构成具体描述的一部分。这些图通过图解的方式显示了可以实践本发明的特定实施方案。这些实施方案，此处也被称为“实施例”或“选项”，被充分详细地描述，以使本领域的普通技术人员能够实践本发明。在并不脱离本发明的范围的情况下，可以组合这些实施方案，利用其他实施方案，或者可以做一些结构上和逻辑上的改变。因此，接下来的详细描述不应被作为限制意义来看，本发明的范围由附加的权利要求和它们的等同物来定义。
在本文中，术语“一”用于包括一个或多于一个，术语“或”用于指非排他性的“或”，除非另有指示。此外，应该理解的是，此处所用的并且没有另外定义的措辞和术语，仅出于描述目的，并不出于限制目的。
图1说明了燃料电池设备100的实施例，一个燃料电池手电筒102，诸如LED(发光二极管)手电筒。应该注意的是燃料电池设备100可以包括其他设备，诸如但不限于蜂窝电话、卫星电话，膝上型计算机、计算机配件、显示器、个人音频和/或视频播放器、医疗设备、电视机、发送器、接收器、包括户外照明的发光设备、电子玩具，或者任何其他通常要用到电池的设备。诸如燃料电池手电筒102等的燃料电池设备100包括手柄部分102、致动器(actuator)110，以及一个模块化的头部分140。燃料电池设备的总长可以是例如15厘米长。它也可以是例如从1厘米到40厘米长，或者具有从1立方厘米(cc)到250立方厘米(cc)的体积。在另一个实施例中，燃料电池设备100可以具有约为120立方厘米(cc)的体积。
参考图3，实施例中的头部分140包括产生光输出的光源142(即光产生部件)，诸如LED发射器144和可选的反射器146。在一个选项中，头部分140是可拆卸的，并可以被具有相似功能的另一头部分140或者是具有不同功能的头部分140替换。例如，图8说明了具有模块化的头部分140的燃料电池设备100，该头部分140在其中包括供电调节电路以及连接器148，并通过该连接器148对外部设备供电。在一个实施例中，连接器148是提供5伏输出的USB(通用串行总线)连接器。该模块化的头部分140可用于将燃料电池设备100和其他部件连接，并允许燃料电池设备100对便携式设备进行充电而无需从电力网或发电机处进行，该便携式设备诸如但不限于蜂窝电话150、个人数字助理(PDA)，或者任何可再充电设备。可以提供其他类型的模块化头部，诸如用来提供其他设备的使用的头部，所述其他设备诸如但不限于激光指示器(laser pointer)、风扇、频闪光灯(strobelight)、音乐播放器、或其他任何使用电源的便携式设备。参考图3，头部分140由燃料电池设备100的一个或多个燃料电池160供电。
一个或多个燃料电池160中的每一个都适用于生成电。如果使用了多个燃料电池，则可以将它们并联或串联，或者这两者的某些结合。在一个实施例中，一个或多个燃料电池沿径向排列在网格162的下面。可以使用的燃料电池数目是从1个到50000个燃料电池。在一个实施例中，使用了20个燃料电池来为Luxeon LED发射器供电，该LuxeonLED发射器可从加利福尼亚圣何塞的LumiLED Lighting获取。也可以将许多层微型尺寸的燃料电池连接起来制造燃料电池设备。
燃料电池的实施例包括但不限于氢燃料电池、直接的甲醇燃料电池、改装过的甲醇燃料电池、固态氧化物燃料电池、碱性燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池、质子交换膜燃料电池，或者这些的结合。在燃料电池的另一个实施例中，电化学电池形成在诸如褶皱基板等的基板上。例如，基板材料的薄片为波纹状。第一和第二槽限定在基板材料的相反面上。离子传导区域位于第一和第二槽的公共壁内。在离子传导区域，离子可以穿过第一和第二槽之间的基板材料。
在燃料电池的又一个实施例中，电化学电池或燃料电池具有一个位于反应层下面的载流结构。例如，组芯包括离子交换膜，至少位于离子交换膜第一面上的电传导电化学反应层，以及与电化学反应层电接触的电传导载流结构。电化学反应层的外表面覆盖载流结构的至少一部分。在另一个选项中，薄层电池结构包括离子交换膜，该离子交换膜在其每个面上具有电化学反应层。离子交换膜可以包括一层整体结构，或可以包括由多于一种材料制成的复合层。电载流结构至少部分位于其中一个电化学反应层下面。
在燃料电池的另一个实施例中，燃料电池包括至少两个单元反应器，该反应器彼此相邻设置，构成该紧凑燃料电池的前侧和后侧。该燃料电池还包括与前侧相通的前反应物填充室和与后侧相通的后反应物填充室。至少其中一个反应物填充室包括反应物。
单元反应器包括位于前后处理层之间的前腔室和位于相邻单元反应器后处理层和前处理层之间的后腔室，此处，处理层有助于反应物填充室之间的传输过程。单元反应器还包括置于后处理层上并基本围绕后腔室的前部周边挡板，以及置于前处理层上并基本围绕前腔室的后部周边挡板。每个腔室与燃料电池的对应侧相通。至少一个单元反应器包括至少一个由其中一个处理层、至少一个周边挡板、以及至少一个腔室构成的边框。
参考图2，一个或多个燃料电池包括容纳燃料的燃料填充室172，该燃料是从燃料储存器104获取的。燃料储存器104可选择性地将氢储存在诸如金属氢化物的储氢介质中。可以储存其他燃料，并且可以使用其他燃料储存介质，或者如果例如氢气是以压缩方式储存则根本不用燃料储存介质。金属氢化物，诸如可从Ward Hill，MA的AlfaAesar获取的镧镍，可用于储存氢。其他金属氢化物也是可许的。燃料储存器104可选择性地用作手柄部分102(图1)。其他燃料以及燃料储存材料也是可许的，诸如但不限于甲醇、甲酸、丁烷、化学氢化物、硼氢化合物、储存在碳基储存材料(即碳纳米管、碳纳米纤维、活性碳等)中的氢、压缩氢、或液态氢。
在一个实施例中，每个燃料电池160包括与燃料填充室172相通或连接到燃料填充室172的阳极166，每个燃料电池160进一步包括与氧化剂相通的阴极174。在一个实施例中，周围空气中的氧气用作一个或多个燃料电池160中电化学反应的氧化剂。允许周围空气和一个或多个燃料电池160相通的一个实施例是在燃料电池160上提供一个多孔部件，诸如穿孔网格162(图3)。网格162保护燃料电池160，并且还允许周围空气中的氧气进入一个或多个燃料电池160，其中氧气作为一个或多个燃料电池160的氧化剂。在另一个选项中，诸如塑料盖等的盖164(图1)置于多孔部件的接缝上，如果有多孔部件的话。
再次参考燃料电池160，提供离子交换电容的电解质168将阳极和阴极分开。电解质的非限制性示例包括离子传导膜或液体电解质。电解质168的另一个示例包括聚合物交换部件，诸如离子传导膜，它可从德拉华州维尔明顿的E.I.Dupont Company名为NafionTM获取。
在图2所示的实施例中，燃料电池160a、160b、160c、160d显示为两组两个串联连接的燃料电池之间并联连接。一个燃料电池160a串联至另一个燃料电池160b。第三个燃料电池160c串联至第四个燃料电池160d。不同数目的燃料电池是可许的，并且其他并联和串联的组合也是可许的，以给出不同的电压和电流输出。在另一个实施方案中，所有燃料电池并联连接，而在又一个实施方案中，所有燃料电池串联连接。在再一个实施方案中，燃料电池并联和/或串联连接。在另一个选项中，一个并联-串联的燃料电池堆被分成子堆。在第一个子堆中，单元电池的取向是阴极朝向第一端板。在第二个子堆中，单元电池的取向是阴极朝向第二端板。第一和第二子堆背对背安放。第一和第二子堆中的单元电池的电极性沿相反方向取向。
在一个选项中，负连接将至少其中一个燃料电池160的阳极连接至致动器110，正连接将至少一个燃料电池的阴极连接至致动器110，致动器110可选择性地具有电断开。此外，在图示的实施例中，正连接和负连接将要被供电的设备，诸如光产生部件或光源，与致动器110连接。在该实施例中，部件安放为燃料电池160的轴平行于圆筒形燃料罐104和转动致动器110的主轴。
致动器110操作性地与关闭部件连接，该关闭部件关闭对头部分140的供电。例如，致动器110可以断开至头部分140的电连接。在另一个选项中，致动器110可以例如通过关闭压力调整器180而截断对一个或多个燃料电池160的燃料供给。也可以有一个诸如由致动器110操作的阀门等的关闭部件，当单元没被使用时，该阀门关闭从燃料储存器104流向阳极的燃料流。此类部件有助于延长燃料电池设备的保存期。
除了在燃料储存器104和一个或多个燃料电池160之间提供关闭外，致动器110还可以有选择性地提供电路断开，以断开一个或多个燃料电池160和连接至该一个或多个燃料电池160的负载之间的电连接，所述负载例如是要被供电的部件，诸如LED 144。在一个实施例中，致动器有两个状态，诸如开和关。在另一个实施例中，致动器110有至少三个不同的状态开、关和等待。在一个选项中，致动器110被物理移动，例如通过旋转，以使致动器在不同的设置之间移动。在开状态时，燃料被允许流入一个或多个燃料电池160，并且向诸如LED144等要被供电的部件供电。在关状态，燃料和电供给都从相应的部件上断开。等待设置处于开和关设置之间，在等待设置中，一个或多个燃料电池160和燃料储存器104之间的燃料连接是开通的，但是电连接是断开的。可选择地，为燃料电池设备100提供可视指示器，诸如在外壳上作标记，或指示器LED 112(图1)，用于在致动器110处于等待状态时提供给用户视觉反馈。
致动器110操作性地与压力调整器180连接，如图4A和图4B所示。压力调整器180将燃料的压力，例如来自氢化物的氢气压力，下调至适用于一个或多个燃料电池160的压力。例如，压力调整器可以将最高达200psi的压力下调到约0.5至15psi的压力。图4A、4B和5显示了用于根据燃料电池设备100的实施方案将致动器110连接至压力调整器180的装置的概略图，其中图4A显示压力调整器180(和致动器110)处于关状态，图4B显示压力调整器180处于开状态。
该装置包括其中具有一个或多个沟槽116的圆盘114。圆盘114与致动器110连接，使得当致动器110被移动时，诸如通过旋转被移动，圆盘114被旋转或被移动。带凸缘的部件118，诸如螺钉，被机械连接至压力调整器隔板181上。带凸缘的部件118允许关闭调整器阀门并将其调整至关闭状态。带凸缘的部件118容纳在沟槽116内，并相对于圆盘114定位，使得当带凸缘的部件118如图4A所示被接入沟槽116内时，圆盘181有第一纵向位置，当带凸缘的部件118如图4B所示没有接入沟槽116内时，圆盘181有第二纵向位置。
带凸缘的部件118可以被设置，使得当致动器110位于适当位置时，压力调整器180就被关闭。当致动器110处于开或等待设置时，压力调整器180调整通过管道184馈入到一个或多个燃料电池160的燃料的压力。当致动器110处于关设置时，连接至致动器110的圆盘114通过带凸缘部件118提升调整器隔板181来关闭压力调整器，并且销钉186抵靠密封o型环188，以关闭从燃料储存器104到一个或多个燃料电池160的氢气流。
在一个选项中，压力调整器180总体上置于一个或多个燃料电池160和燃料储存器104之间。诸如o型环190等密封部件将压力调整器180与燃料储存器104的内壁105隔绝。一个或多个燃料电池160安装在从压力调整器180延伸的轴192上。
一个或多个燃料电池160通过使用储存在燃料储存器104中的燃料运行。当一个或多个燃料电池中的燃料用尽时，为了继续使用该燃料电池设备，必须补给燃料。为了将另加的燃料引入燃料电池，提供了补给燃料组件200，如图6A、6B、7A和7B所示。进气口202显示为允许燃料气体流经进气止回阀204，进入燃料储存器104。该补给燃料组件200是压力触发单向阀，允许例如液体燃料等液体流入燃料储存器104。在补给燃料期间，允许燃料流入燃料储存器104，但不允许燃料从燃料储存器流回。
万一燃料储存器104中的压力增得太大，减压阀206允许燃料气体从燃料储存器104内部流出到外面环境中。在一个选项中，位于进气止回阀204中的诸如弹簧210等弹性部件的轴208被安排为近似垂直于燃料储存器104的轴，燃料储存器104的轴取向为指向纸面和指出纸面(in and out of the page)。减压阀206的轴212也被安排为近似垂直于燃料储存器104的轴，该燃料储存器104的轴取向为指向纸面和指出纸面。
有利地，燃料电池手电筒具有相对长的运行时间，以及在基本上不减少运行时间下允许更高的亮度级别。进一步的优势是，只要提供燃料，燃料电池手电筒就提供恒定的光输出，提供更长的可用光运行时间，而无需使用直流电(DC-DC)转换器。这对LED手电筒特别有用，否则该LED手电筒对电压输出水平比较敏感。相对于经常替换电池，燃料电池手电筒进一步提供了为手电筒供电的更经济的方法。燃料电池进一步提供了处理多次补给燃料循环而不影响手电筒运行时间的能力，由于多次补给燃料循环而提供了更长的运行时间。
应该理解的是，上文描述用意在于说明，而不在于限制。通过阅读上文描述，很多其他实施方案对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。因此，其范围的确定应该参见附属的权利要求，以及与此权利要求所赋予的相等同的整个范围。
权利要求
1.一种燃料电池设备，包括一个或多个适用于产生电的燃料电池，其中，一个或多个燃料电池包括阳极、阴极以及将阳极和阴极分开的电解质，该电解质提供离子交换膜；与一个或多个燃料电池连接的燃料供给；可操作性地与燃料供给和一个或多个燃料电池连接的致动器；以及该致动器具有开和关设置，在关设置时，阻止燃料供给向一个或多个燃料电池提供燃料。
2.权利要求1所述的燃料电池设备，还包括连接至一个或多个燃料电池的负载。
3.权利要求2所述的燃料电池设备，其中，负载是光产生部件。
4.权利要求3所述的燃料电池设备，其中，光产生部件是LED。
5.上述权利要求中任一项所述的燃料电池设备，其中，致动器启动燃料电池和电负载之间的电断开。
6.上述权利要求中任一项所述的燃料电池设备，其中，致动器还包括等待设置，在该设置中，燃料阀是开通的，而一个或多个燃料电池和模块化头部分的电连接是断开的。
7.权利要求6所述的燃料电池设备，还包括可视指示器，该可视指示器提供致动器何时处于等待设置的指示。
8.权利要求1所述的燃料电池设备，还包括其内具有燃料的燃料储存器，其中燃料是氢气。
9.权利要求8所述的燃料电池设备，其中，氢气储存在金属氢化物材料中。
10.权利要求1所述的燃料电池设备，还包括具有第一功能的第一模块化头部分，该第一模块化头部分可操作性地与一个或多个燃料电池连接。
11.权利要求10所述的燃料电池设备，其中，第一模块化头部分包括与外部连接器相连的电路，该外部连接器可与外部设备连接。
12.权利要求11所述的燃料电池设备，其中，外部连接器是USB连接器。
13.权利要求1所述的燃料电池设备，还包括补给燃料端口。
14.权利要求1所述的燃料电池设备，还包括设备手柄，其中，该设备手柄在其内包括燃料储存器。
15.权利要求1所述的燃料电池设备，还包括压力调整器，该压力调整器调整所储存的燃料向与一个或多个燃料电池相通的燃料填充室的传输压力。
16.权利要求1所述的燃料电池设备，其中，燃料电池绕设备直径径向安放。
17.一种燃料电池设备，包括一个或多个适用于产生电的燃料电池，其中，一个或多个燃料电池包括阳极、阴极以及将阳极和阴极分开的电解质，该电解质提供离子交换膜；以及一个或多个可操作性地与一个或多个燃料电池连接的可互换、模块化头部，该一个或多个可互换、模块化头部将负载施加到一个或多个燃料电池的电输出上。
18.权利要求17所述的燃料电池设备，其中，至少其中一个模块化头部包括可与外部设备连接的连接器，一个或多个燃料电池通过该连接器对外部设备充电。
19.权利要求17或18所述的燃料电池设备，还包括可操作性地与燃料供给和一个或多个燃料电池连接的致动器，该致动器具有开和关设置，在关设置，阻止燃料供给向一个或多个燃料电池提供燃料。
20.权利要求19所述的燃料电池设备，其中，致动器还包括等待设置，在该设置中，燃料阀是开通的，而一个或多个燃料电池和模块化头部的电连接是断开的。
21.权利要求20所述的燃料电池设备，还包括可视指示器，该可视指示器提供致动器何时处于等待设置的指示。
22.权利要求17所述的燃料电池设备，还包括补给燃料端口。
23.权利要求17所述的燃料电池设备，还包括设备手柄，其中，该设备手柄在其内包括燃料储存器。
24.一种方法，包括改变燃料电池设备的致动器设置，该燃料电池设备包括一个或多个燃料电池，该燃料电池包括阳极、阴极以及将阳极和阴极分开的电解质，该电解质提供离子交换膜，该燃料电池设备还包括燃料供给；将一个或多个燃料电池与燃料供给内的燃料连接；将负载施加到一个或多个燃料电池的电输出上；以及将致动器置于关设置，并断开一个或多个燃料电池和负载之间的电连接。
25.权利要求24所述的方法，其中，将致动器置于关设置包括断开向一个或多个燃料电池的燃料供给。
26.权利要求24或25所述的方法，其中，改变致动器设置包括将致动器置于等待模式。
27.权利要求26所述的方法，其中，将致动器置于等待模式包括断开一个或多个燃料电池和负载之间的电连接，并维持向一个或多个燃料电池的燃料供给。
28.权利要求24所述的方法，还包括将一个或多个燃料电池与负载连接。
29.权利要求28所述的方法，其中，将一个或多个燃料电池与负载连接包括将一个或多个燃料电池与光产生部件连接。
30.权利要求29所述的方法，其中，将一个或多个燃料电池与光产生部件连接包括将一个或多个燃料电池与LED连接。
31.权利要求28所述的方法，其中，将一个或多个燃料电池与负载连接包括连接具有第一功能的第一头部分。
32.权利要求31所述的方法，还包括移去具有第一功能的第一头部分，并连接具有第二功能的第二头部分。
33.权利要求24所述的方法，还包括使用燃料电池设备对外部设备充电。
34.权利要求24所述的方法，还包括通过补给燃料端口向燃料电池设备补给燃料。
35.一种方法，包括从燃料电池设备上移去第一模块化头部分，该燃料电池设备包括一个或多个适用于产生电的燃料电池，其中，一个或多个燃料电池包括阳极、阴极以及将阳极和阴极分开的电解质，该电解质提供离子交换膜；以及用第二模块化头部分做替换。
36.权利要求35所述的方法，其中，移去第一模块化头部分包括移去光产生部件。
37.权利要求35或36所述的方法，其中，用第二模块化头部分做替换包括用与第一模块化头部分功能不同的部件来替换。
38.权利要求35所述的方法，还包括将致动器置于关状态，包括断开至第一或第二模块化头部分的电连接，以及断开燃料供给。
39.权利要求35所述的方法，还包括用第一模块化头部分或第二模块化头部分的至少一个将外部设备与燃料电池设备连接。
40.权利要求39所述的方法，还包括用燃料电池设备对外部设备充电。
41.权利要求39所述的方法，其中，连接外部设备包括将外部设备在USB连接处连接至燃料电池设备。
全文摘要
一种燃料电池设备，包括具有模块化的、可互换的头部分的燃料电池手电筒。附加的模块化头部分包括与头部分内的连接器相连的电路。该连接器包括USB(通用串行总线)型的连接器，并且该燃料电池设备适合于给诸如蜂窝电话、PDA、数字音频播放器等其他设备充电。
文档编号F21L4/00GK101022168SQ200710080178
公开日2007年8月22日 申请日期2007年2月14日 优先权日2006年2月14日
发明者J-L·伊康艾斯, D·拉姆, R·约翰斯顿 申请人:昂斯特罗姆动力公司