氢产生筒和便携式氢发生器的制作方法

专利名称：氢产生筒和便携式氢发生器的制作方法
技术领域：
在过去的世纪之中，能量的需要成指数增长。特别是，已经普及了使用电能的装置。用于这种装置的能量传统上由燃烧碳氢化合物来产生，从而产生随后通过地区或局部电力网分配。但是燃烧碳氢化合物产生污染。
背景技术：
另外，现在制造的许多电子装置是便携式或无线的。这种装置需要紧凑和便携式的电源。通常使用电池组为这种便携式电子装置供电。但是，电池组在用完之后必须丢弃或重新充电。如果使用的电池组是可重新充电的，该电池组通常连接在充电器上。该充电器接着插入固定的出口并从局部电网中获得电力以便充电电池组。
随着对于更干净或更方便的电源的兴趣的增加，燃料电池已经变得更广泛并更先进。对于燃料电池的研究和开发已经继续到某种推测，在供电方面燃料电池将与电池组竞争以用于不同的大型或小型的便携式装置。
燃料电池使用氢和氧之间的电化学反应来产生电和热。燃料电池可与电池组类似地制成，但它们可在始终供电的同时进行“充电”。燃料电池提供可以用来驱动马达、灯和任何电气装置的DC(直流)电压。质子交换膜(PEM)燃料电池由于其低操作温度和便携应用的适应性特别实用。
不幸的是，与传统燃料相比，使用在燃料电池中的主要反应物的氢传统上难以储存和分配。以前试图从不同反应物中产生氢已经面临许多挑战，例如反应中的沉淀物、反应的活性、低产量和缺乏效率。一旦产生，氢通常压缩并储存在罐中。但是，这种氢罐具有低的重量储存效率并处于高压之下。
因此，氢最好在燃料电池附加某处产生，而不在集中化的生产设施中产生。因此，为了有效，燃料电池的氢产生最好是简单、紧凑、可以携带并相对便宜。另外，用于燃料电池的氢发生器最好与该燃料电池形成整体使得该燃料电池控制该氢发生器。由于氢的需要随着燃料电池需要产生的能量输出的变化而变化，这是有用的。

发明内容
在许多可能的实施例之一中，本发明提供一种氢产生筒，该筒最好包括弹壳、壳体内的氢产生化学反应物和释放壳体内产生的氢的出口。
在另一实施例中，本发明提供一种便携式氢发生器，该发生器包括容纳多个氢产生筒的腔室以及用于有选择地操作腔室内的氢产生筒的控制电子装置。该筒在控制电子装置的控制下单独产生氢。


附图表示本发明的不同实施例，并作为说明书的一部分。所示的实施例是本发明的实例并不限制本发明的范围。
图1是传统PEM燃料电池装置的未组装的透视图；图2是按照本发明的实施例的氢产生筒的分解视图；图3是按照本发明的实施例的氢产生筒供能的燃料电池系统的透视图；图4是按照本发明的实施例的氢产生筒供能的燃料电池系统的剖视图；图5是表示按照本发明的实施例操作图4所示系统的方法的流程图。
在附图中，相同的参考标号表示类似(不需要相同)的元件。
具体实施例方式
燃料电池通常由使用的电解质的类型来分类。该电解质是特殊处理的致密材料，它只传导离子并不传导电子。
当前认为PEM燃料电池是最有前途的便携式燃料电池技术之一，并使用任何燃料电池的最不复杂反应之一。参考图1，PEM燃料电池通常包括四个基本元件阳极20、阴极22、电解质(PEM)24、布置在电解质24每侧上的催化剂26。
阳极20是燃料电池的负极接线柱并传导从氢分子释放的电子，使得电子可作为外部电路21中的电流。阳极20包括在其中蚀刻的通道28以便将氢气尽可能均匀地分布在催化剂26的表面上。通过释放电子，氢分子变成氢离子。
阴极22是燃料电池的正极接线柱并具有在其中蚀刻的通道30以便将氧(通常是空气)分配在催化剂26的表面上。阴极22还将电子从外部电路21传导到催化剂26，其中电子与氢离子和氧重新组合形成水。在理想的条件下，水是PEM燃料电池的唯一副产品。
催化剂26通常是薄薄地涂覆在碳素纸或织物上的铂颗粒。催化剂26通常是粗糙和多孔的，以便增加暴露于氢或氧的铂的表面面积。但是，希望是进一步增加催化剂的表面面积而不增加催化剂的尺寸。催化剂26有助于氧和氢进行反应。在操作燃料电池中，PEM24夹在阳极20和阴极22之间。
燃料电池的操作将在下面进行描述。加压的氢气H2进入阳极20的一侧的燃料电池。当H2分子与铂催化剂26接触时，它分成两个H+离子和两个电子e-。电子传导通过阳极20，此处它们通过外部电路21，该电路可以通过电路去作有用的工作(例如转动马达和点亮灯泡23)并返回燃料电池的阴极22的一侧。
同时，在燃料电池的阴极22的一侧，氧气O2被迫通过催化剂26。在有些PEM燃料电池系统中，O2源可以是空气。当O2被迫通过催化剂26时，它形成两个氧原子，每个原子具有强的负电荷。该负电荷通过PEM24吸引两个H+离子，此处它们与氧原子和来自外部电路的两个电子组合以便形成水分子H2O。
刚刚描述的PEM燃料电池反应只产生大约0.7伏的电压；因此，为了将电压升高到更有用的水平，经常组合许多单独的燃料电池以便形成燃料电池组。
PEM燃料电池特别在相对低的温度(大约80℃/176°F)下操作，使得它们快速加热，并且由于它们不需要能够抵抗与产生电力相关的高温的任何特殊材料，使得它们容纳在便宜的容纳结构中。
图2时氢产生筒110的分解视图。氢产生筒110容纳在壳体中。最好是，该壳体是标准弹壳101。如这里和权利要求中使用的那样，弹壳限定为通常用来制造弹药的壳体或弹夹，即用于枪支的子弹的一部分。
可用来容纳氢产生筒的弹壳101的实例是0.223步枪的弹壳，它是军事人员最常使用的弹药的类型。出于一致、实用和方便，0.223弹壳经常使用在军队中。用于容纳氢产生筒的非常普通和实用的其他弹壳包括9mm、50BMG以及45ACP口径弹壳。
在典型的弹夹中，壳体101用来容纳以特定量加载的火药颗粒以便提供特定冲力。位于筒底部的底火用来点燃火药。壳体101通过弹心或弹头密封在顶部或减缩端上，弹头通常由铅或类似材料制成。
通过在弹壳101中制造氢产生筒110，可以完全利用现有装备和技术，因此降低总体成本并减少氢产生筒的开发和制造时间。例如，可以使用壳体的制造设备、制造方法、工具、机床和分配网络用于氢产生筒。用来制造标准弹壳的现有制造技术、材料和机床可以用来制造氢产生筒的壳体。熟知弹壳制造的雇员可以使用其经验来制造用于氢产生筒的壳体。可以使用弹壳的包装和分配渠道来包装和分配氢产生筒。熟知弹壳的使用者可以帮助使用者使用这里描述的氢产生筒。用来保持和载有弹夹的背心或皮带上的弹带可以用来制造氢产生筒。此外，几乎所有情况下，用过的弹壳便于收集并再次使用。因此，图2所示的氢产生筒110最好使用并制在弹壳101中。
筒110还包括加热元件100。加热元件100可以是加热氢产生筒110内容物的任何元件。在一个实施例中，加热元件100是化学激活的化合物或加热芯。在另一实施例中，该加热元件是机械驱动的底火。在另一实施例中，加热元件100是电阻元件。采用该电阻元件，电流通过产生热的电阻元件100。使得壳体101的内容物达到点燃温度的加热足以开始所需的化学反应以便产生氢。
壳体101最好容纳任何一种热激活并产生氢的化合物，例如胺硼烷。如这里使用和所附权利要求中那样，用来在氢产生筒110内产生氢的任何化学化合物将称为反应物。
该反应物通常压制成小粒以便增加单位容积的氢产生量。这使得从单个高度致密的小粒中产生大量的氢。小粒(未示出)接着放置在筒壳体101中。在一个实施例中，小粒围绕加热元件100形成以便改善驱动性能和总体效率。
弹壳101的顶部或减缩端通过只允许氢气通过的过滤器103密封。过滤器103屏蔽掉任何颗粒或来自化学反应的残留物。为此使用的过滤器和其他实施例例如描述在美国专利No.4,468,263中。过滤器103最好通过过滤器保持器102固定在壳体101上。
在许多情况下，反应物在特定压力下更有效地进行反应。压力释放阀104固定在过滤器103之上以便保持所需压力。高压止回阀或类似的阀机构可以代替压力释放阀104。一旦化学反应达到最佳压力时，压力释放阀104释放产生的氢。当化学反应继续时，压力阀104在筒110内保持最佳压力并释放多余的氢以便于使用。在有些实施例中，筒内的压力可以达到3000psi。
假设标准0.223弹壳具有1.92cc的容积，根据胺硼烷产生氢的化合物的平均密度如美国专利No.4,157,927所述如下计算90%(1.2gcc)+10%[74%(5.2gcc)+26%(1.07gcc)]=1.49gcc.]]>因此，可得到的反应物的质量大约是反应物的2.9g。根据胺硼烷基化合物产生氢的单位重量是17.65％。大约0.51g的H2可以从2.9g可得到的反应物中产生。每个筒产生H2的容积V对于标准的温度和压力(STP)来说可便于计算V=(0.51g)(.08205latmgmoleK)(gmole2.018g)(298K1atm)]]> 燃料的比能含量大致为(33,300W-hkg)(.1765)=5877W-hkg;]]>其中33,300W-h/kg是纯氢的比能。
假设寄生能量损耗为10％并且燃料电池效率为60％的情况下负载为20W，燃料电池的操作时间(t)可如下计算t=(2.9g1000gkg)(5877W-hkg20W)(60minh)0.9**0.6]]>对于支承七个氢产生筒的系统来说大约是28分钟或3小时。
采用这些假设的效率，燃料具有有效的比能为5877W-hkg0.9**0.6=3174W-hkg.]]>在这种情况下，如果系统总体导致系统对燃料的重量分配是2∶1，剩下的能量含量将始终大约是1058(W-h)/kg。通过比较，对于锂离子电池组的最大比能的估算值是大约172(W-h)/kg。
图3是氢产生筒供能的燃料电池系统120的透视图。在此系统中，多个所述氢产生筒110加载到系统中以便产生用于嵌置燃料电池的氢。可以得到多个氢产生筒110使得使用者选择多少氢和或能量将由该系统产生。
氢产生筒供能的燃料电池系统120包括接收氢产生筒110的筒容座122。筒容座122限定为任何腔室、紧固件、保持件或其他接收氢产生筒110并将其固定便于使用的装置，此后称为腔室122。所示实施例具有保持七个氢产生筒110的腔室122。另外，腔室122可包括启动氢产生筒110的加热元件的接点。
氢产生筒供能的燃料电池系统120由外壳123包围。外壳124确保该系统在所有时间内安全操作并将使用者与氢产生工艺中使用的化学反应物分开。外壳123可以是任何能够经受与PEM燃料电池的正常使用相关的操作压力和温度。在一个实施例中，外壳123是塑料的。在另一实施例中，外壳123是例如铝的金属。外壳123足以耐用以便承受室外使用的严酷环境。
氢产生筒供能的燃料电池系统120的顶部由盖121密封。盖121最好可拆卸或进行铰接以便需要时便于插入和拆卸氢产生筒110。最好是，盖121紧密的密封贴靠外壳123的壁，从而提供有效的压力密封。该系统使得氢产生筒110在没有显著影响系统操作的情况下更换。
外壳123最好装备有使得空气输入燃料电池的风扇入口124。风扇入口124可以是外壳123的穿孔或装有栅格的部分。如图4所示，风扇134可定位在风扇入口124之后以便将空气抽入系统。
一旦由图3所示的系统产生，氢可接着输入燃料电池，最好结合到图3所示的系统内或输送到用于不同用途的不同装置中。另外的实施例可包括将氢输送到不同装置中的输出口。
图4是图3所示的氢产生筒供能燃料电池系统120剖视图。结合图3对于系统部件进行的重复描述将在描述图4时省略。系统120包括不同的控制电子装置以便调整系统120的操作，其包括提供安全和有效的方法。控制电子装置130控制在筒110中产生氢，并调整最好是PEM燃料电池的燃料电池136内氢的使用。
控制电子装置130可包括用于临时驱动氢产生筒的加热元件直到燃料电池136开始产生电力的内部电池。作为选择，燃料电池136可具有机械启动的底火以便提供短电流或小的化学反应，从而开始胺硼烷的反应。系统120最好包括将燃料电池136内产生的电力输送到其他装置的口。
另外，当每个氢产生筒110启动时，控制电子装置130最好进行监测和控制。盖121可含有多个使得电流在控制电子装置1230的控制下通过选择的氢产生筒110的电阻元件的接点。在有些实施例中，系统120使得多个筒110同时启动以便增加氢的产量。
在有些实施例中，控制电子装置可包括用于控制和监测系统操作元件的用户界面。用户界面使得使用者选择有多少筒启动、点燃时间、输出能量水平和是否将产生的氢输送到外部装置。用户界面还可提供关于系统操作和可得到资源的信息。
一旦氢产生筒110开始释放氢，其他通过总管135输送到积累器131。总管135从氢排出筒110到积累器131的位置输送氢。总管135使得多个筒110同时释放氢到积累器131。
积累器131是氢气的存储区域。积累器131使得氢储存并接着按照所需消耗计量到燃料电池136。与发射0.223的Remington步枪弹夹造成的51000psi的平均压力相比，反应压力可高达3000psi。当燃料电池136工作时，氢通过积累器总管132输送以便在燃料电池136内使用。
氢产生筒供能燃料电池系统120最好包括热交换器137。热交换器137使得废热从燃料电池136释放以便在系统内保持最佳温度。在有些实施例中，热交换器137可装备有不同的用于增大表面面积并起冷却作用的销。从燃料电池136排出的热和副产品最好在排出系统外部之前由热交换器137冷却。
图5时表示操作图4所示系统的方法的流程图。该方法以使用者将单个或多个氢产生筒插入系统150来开始。使用者随后关闭盖来密封系统使得使用者接着选择何时启动氢产生系统151。
该系统在筒启动时启动。筒启动出现在控制电子控制装置启动加热元件时，例如将电流输送到电阻元件152，因此加热筒以及相应的化学反应物。当温度增加时，化学反应开始在筒内进行153。当反应进一步进行时，氢在筒内由反应物产生并且压力开始增加154。压力增加直到多余的氢通过过滤器155释放为止。当多余的氢继续通过过滤器155释放时，化学反应此时继续在筒内进行。氢接着输送到积累器156，此处它可临时储存以便使用。
当有效的氢产生筒用完时，使用者通过控制电子装置获得提示以便选择是否需要更多的氢157。另外，一旦该过程开始，默认的机构将自动运动到下一个氢产生筒。如果使用者确定需要更多的氢157，控制电子装置启动不同筒的加热元件152。该过程接着如上所述继续。
但是如果不需要更多的氢157，使用者可选择将储存在积累器内的氢输送到分开的装置中158。如果使用者选择输送氢158，氢从积累器输送到外部装置161。通过默认或由使用者确定，产生的氢不输送到外部装置158。而是，氢从积累器输送到系统的燃料电池。氢接着在嵌置PEM燃料电池的电力产生过程中使用159。如果需要，由燃料电池产生的电力接着输送到外部装置160。
以上描述只是说明和描述本发明的实施例。而不打算将本发明限制在任何所述的特定形式中。根据所述教导可以进行许多变型和改型。打算的是本发明的范围由以下权利要求限定。
权利要求
1.一种氢产生筒，其包括弹壳；所述壳体内的氢产生化学反应物；以及释放所述壳体内产生氢的出口。
2.如权利要求1所述的筒，其特征在于，所述出口包括压力释放阀。
3.如权利要求1所述的筒，其特征在于，其还包括布置在所述出口内以便过滤从所述氢产生化学反应物产生的氢的过滤器。
4.如权利要求3所述的筒，其特征在于，其还包括固定所述过滤器的过滤器保持器。
5.如权利要求1所述的筒，其特征在于，所述氢产生化学反应物是胺硼烷。
6.如权利要求1所述的筒，其特征在于，其还包括布置在所述壳体内的加热元件。
7.如权利要求6所述的筒，其特征在于，所述加热元件是电阻元件。
8.如权利要求6所述的筒，其特征在于，所述加热元件是机械点燃器。
9.如权利要求6所述的筒，其特征在于，所述加热元件是化学加热芯。
10.如权利要求6所述的筒，其特征在于，所述氢产生化学反应物围绕所述加热元件压紧。
11.如权利要求1所述的筒，其特征在于，所述氢产生化学反应物形成为一个或多个小粒。
12.如权利要求1所述的筒，其特征在于，所述弹壳是任何的0.223、50BMG、45ACP或9mm壳体。
13.如权利要求1所述的筒，其特征在于，所述筒是可重新使用的。
14.一种便携式氢发生器，其包括用于接收多个氢产生筒的腔室；以及用于有选择地操作所述腔室内的所述氢产生筒的控制电子装置，其中所述筒在所述控制电于装置的控制下单独产生氢。
15.如权利要求14所述的发生器，其特征在于，其还包括用于收集和输送从所述氢产生筒产生的氢的总管。
16.如权利要求15所述的发生器，其特征在于，其还包括连接在所述总管上以便储存由所述筒产生并由所述总管收集的一定容积的氢的积累器。
17.如权利要求14所述的发生器，其特征在于，其还包括用于所述腔室并在所述控制电子控制装置和所述多个筒之间包括电连接装置的盖。
18.如权利要求14所述的发生器，其特征在于，每个所述氢产生筒包括弹壳；所述壳体内的氢产生化学反应物；以及释放所述壳体内产生氢的出口。
19.如权利要求18所述的发生器，其特征在于，所述出口包括压力释放阀。
20.如权利要求18所述的发生器，其特征在于，其还包括布置在所述出口内以便过滤从所述氢产生化学反应物产生的氢的过滤器。
21.如权利要求20所述的发生器，其特征在于，其还包括固定所述过滤器的过滤器保持器。
22.如权利要求18所述的发生器，其特征在于，所述氢产生化学反应物是胺硼烷。
23.如权利要求18所述的发生器，其特征在于，其还包括布置在所述壳体内的加热元件。
24.如权利要求23所述的发生器，其特征在于，所述加热元件是电阻元件。
25.如权利要求23所述的发生器，其特征在于，所述加热元件是机械点燃器。
26.如权利要求23所述的发生器，其特征在于，所述加热元件是化学加热芯。
27.如权利要求23所述的发生器，其特征在于，所述氢产生化学反应物围绕所述加热元件压紧。
28.如权利要求23所述的发生器，其特征在于，所述控制电子装置有选择地驱动所述筒的所述加热元件。
29.如权利要求28所述的发生器，其特征在于，所述控制电子装置包括用于有选择地为所述筒的所述加热元件供电的电池。
30.如权利要求18所述的发生器，其特征在于，所述氢产生化学反应物形成为一个或多个小粒。
31.如权利要求18所述的发生器，其特征在于，所述弹壳是任何的0.223、50BMG、45ACP或9mm壳体。
32.如权利要求14所述的发生器，其特征在于，所述控制电子装置还包括使得使用者控制所述便携式氢发生器的用户界面。
33.如权利要求14所述的发生器，其特征在于，其还包括用于冷却所述发生器内部的风扇。
34.如权利要求14所述的发生器，其特征在于，其还包括用于通过所述筒产生的氢产生电力的整体式燃料电池。
35.如权利要求34所述的发生器，其特征在于，其还包括用于散去由所述燃料电池产生的热的热交换器。
36.一种制造氢产生筒的方法，该方法包括将氢产生化学反应物放置在弹壳中，该壳体具有用于释放所述壳体中产生的氢的出口。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，其还包括在所述出口内设置压力释放阀。
38.如权利要求36所述的方法，其特征在于，其还包括在所述出口内设置过滤器以便过滤由所述氢产生化学反应物产生的氢。
39.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述氢产生化学反应物是胺硼烷。
40.如权利要求36所述的方法，其特征在于，其还包括在所述壳体内设置加热元件。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，其还包括在所述加热元件周围压紧所述氢产生化学反应物。
42.如权利要求36所述的方法，其特征在于，其还包括将所述氢产生化学反应物形成为一个或多个小粒。
43.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述弹壳是任何的0.223、50BMG、45ACP或9mm壳体。
44.一种产生氢的方法，该方法包括用容纳在弹壳内的氢产生化学反应物进行氢产生反应，该壳体具有用于释放所述壳体中产生的氢的出口。
45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，其还包括过滤由所述氢产生化学反应物产生的氢。
46.如权利要求44所述的方法，其特征在于，所述氢产生化学反应物是胺硼烷。
47.如权利要求44所述的方法，其特征在于，其还包括加热所述反应物以便引起所述反应。
48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，所述加热通过控制电子装置有选择地进行，该电子装置控制多个布置在多个弹壳内的加热装置。
49.如权利要求44所述的方法，其特征在于，其还包括将所述氢产生化学反应物形成为一个或多个小粒。
50.如权利要求44所述的方法，其特征在于，所述弹壳是任何的0.223、50BMG、45ACP或9mm壳体。
51.如权利要求48所述的方法，其特征在于，其还包括收集所述弹壳内产生的氢以便于燃料电池使用。
52.一种产生氢的系统，其包括容纳氢产生反应的装置；容纳在所述装置内以便进行所述反应的氢产生化学反应物；其中容纳所述反应的装置在高达大约3000psi的压力下进行所述反应。
53.如权利要求52所述的系统，其特征在于，所述容纳装置包括具有用于释放所述壳体中产生的氢的出口的弹壳。
54.如权利要求52所述的系统，其特征在于，其还包括用于加热所述反应物以便开始所述反应的装置。
55.如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述氢产生化学反应物是胺硼烷。
56.如权利要求52所述的方法，其特征在于，其还包括多个用于包括所述反应的所述装置。
57.如权利要求56所述的方法，其特征在于，其还包括有选择地控制所述多个包括所述反应的装置内的所述反应的装置。
全文摘要
一种氢产生筒最好包括弹壳、该壳体内的氢产生化学反应物和释放壳体内产生氢的出口。便携式氢发生器最好包括接收多个氢产生筒的腔室和有选择地操作腔室内的氢产生筒的电子控制装置。筒在控制电子装置的控制下单独产生氢。
文档编号C01B3/00GK1518151SQ0313274
公开日2004年8月4日 申请日期2003年9月30日 优先权日2003年1月29日
发明者A·R·阿瑟, A R 阿瑟, P·哈丁 申请人:惠普开发有限公司