专利名称：用于产生电能的燃料电池系统及方法
技术领域：
本发明总体上涉及燃料电池，更具体地说，本发明涉及消耗气态含氢燃料并产生电能和水的燃料电池。
背景技术：
典型地，燃料电池在利用空气中的氧气与氢气通过公知的电化学原理进行电化学结合而产生电能的正常发电过程中会生成水。本发明申请人的美国专利第4,863,813号、Re34,248；第4,988,582号和第5,094,928号中描述了便利的用于能量转换的燃料电池。在本文所述类型的燃料电池中，室温下的含氢物质(例如，氢气和氧气的气体混合物)被直接转化成直流电能，水是唯一的反应产物。
在一个这样的具体说明性燃料电池中，在由镀铂的非渗透性基片构成的电极上沉积了由假勃姆石制成的电解膜，该电解膜可透过亚微米级厚度的气体，并具有离子导电性。电解膜的顶面上沉积了一层铂，以形成燃料电池的另一电极，这个电极是多孔的足以使气体混合物能够进入到电解膜中。在氢气/空气的混合气体中，这样的燃料电池可提供约为1伏的输出电压的有效电流。虽然碱性燃料电池所提供的电压和电流足以用于许多实际中感兴趣的应用情形，但本发明的申请人认识到，需要设计出一种适用各种燃料电池的小型氢源，尤其是适用于便携式电子设备的应用情况，例如，膝上型计算机和移动电话。与蓄电池相比，带有轻质、低容量氢源的燃料电池的适当组合可以提供一种适用于便携式电子设备应用的、经过改进的电源。
多种具有高含氢量的化学氢化物材料可与水反应以生成氢气。化学氢化物和与其反应而形成燃料电池所用的氢气所需要的水的化合重量和化合体积被称为燃料的“比能”含量，它通常用瓦特小时(能量含量)除以化学氢化物加上它所需的反应物水的重量或体积来计量。因此，每千克瓦特小时或每升瓦特小时都是燃料电池所用燃料的比能的实例。在便携应用情况中，燃料电池及其燃料将从高比能燃料的使用中受益，从而将降低燃料电池系统的装载重量和体积。
本发明的申请人认为，由于燃料电池在其发电的正常过程中生成水作为副产物，因此，消除了装载额外的水的必要，能够利用该副产物水作为与化学氢化物反应的反应物的燃料电池将有利于提高燃料电池系统的比能。于是，燃料电池系统中只需要装载一种反应物，即化学氢化物。本发明的申请人认为，能够耐受与其燃料供应相混合的空气的燃料电池将尤其得益于这种生成氢气的方法。本发明的申请人还认为，最好有一种对这种燃料电池系统中氢气的生成速率进行控制的化学方法。本发明的申请人进一步认为，便携式燃料电池系统将得益于一种用来收集在通常的发电过程中所产生的水的装置，从而避免在工作燃料电池附近的潮湿和溢流。
发明内容
本发明实现了带有氢燃料的燃料电池的操作，其中，氢燃料由化学燃料(例如，化学氢化物)与来自燃料电池的副产物水的反应而得。这种加燃料方法与适当的燃料电池的结合构成了一种被称为燃料电池系统的装置，其特征在于，它仅要求外部的氧气或空气供给，并且其比能密度高于那种要求单独或额外的水源的燃料电池系统的比能密度。通过内部利用燃料电池自身的水产物，本发明改善了燃料电池与符合本发明原理的燃料供给装置在其中相结合的燃料电池系统的性能、控制性和安全性。装置的改进性能的特征在于较高的比能含量(以重量和体积度计)。这种改进通过消除了加入额外的用来与化学氢化物反应生成氢气的水的需要而得以实现。
本发明的另一优点在于，它可以通过控制给化学氢化物的供水，来控制氢气生成的速率。与含氢化学燃料进行反应所需的供水通过所要求的电能进行控制。在本发明中，在其工作过程中产生水蒸气的燃料电池与适当的化学氢化物(被定义为含氢燃料，可在与燃料电池相同的环境条件下与水蒸气反应以产生氢气)相结合，除了由燃料电池供应的水外，它不需要单独的水源。在本发明中，从燃料电池排出的水蒸气被导向包含适当的化学氢化物材料的容器中，在该容器中，它反应形成氢气，所生成的氢气随后被提供给燃料电池的阳极，以维持电能的生成。
然而，典型的燃料电池在阴极或正极上产生的是与空气混合的水，因此，这种典型的燃料电池排出的气体与化学氢化物反应后的产物将包含氢气和空气。在这些典型的燃料电池设计中，燃料要求基本上没被空气所污染。因此，在燃料电池要求氢气在其阳极或负极处基本未被空气污染的情况下，最好有一种将水蒸气从空气中分离或者将氢气从空气中分离的附加装置，以使只有基本上未混合空气的氢气输送到燃料电池的阳极上。
有利地，对于不仅产生水蒸气、而且要求空气和氢气混合而产生电能的燃料电池来说，它将尤其从本发明中受益，这是由于这种燃料电池的操作不要求将水从空气中分离或者将氢气从空气中分离。这种燃料电池的实例在本申请的发明人的美国专利第4,863,813号、Re34,248；第4,988,582号和第5,094,928号中进行了描述。这种与本发明相结合的燃料电池将构成一个优选的实施方式。将有利地从本发明受益的其他燃料电池将是另一种能够产生不与空气混合的水的燃料电池，例如，一种在电池的阳极、或负极侧生成水的燃料电池，在阳极或负极侧还通常伴随有氢气，这是一个固态氧化物燃料电池的实例。
由于燃料电池产生的副产物水与所产生的电能的量成正比，因而本发明中的供水可通过电能需求来调节。在本发明中，优选地，化学燃料(例如，化学氢化物)这样选择，使其要求的反应物水的量与燃料电池产生的量相同，以维持燃料电池的工作。这因此也防止了产生氢气的过量而亏本的生产，从而可作为一种控制，这对于节约剩余化学氢化物材料以及对于安全性都是有利的。同样，优选地，在燃料电池提供的供水足以使所有的化学氢化物起反应的基础上选择化学氢化物。对于一定量的生成电能而言，当使用优选的化学氢化物时，燃料电池使用所需的氢气生成速率可通过燃料电池产生的水的量被完全平衡。当电能需求增加时，可产生更多的电流，伴随生成更多的水，其通过与化学氢化物的反应而导致产生更多的氢气，以维持较高的电能需求量。当电能需求降至零时，所生成的水的量也相应地降至零，结果，氢气的量同样降至零，这就提供了一种贮存和运输氢气的安全方法。因此，本发明有利地提供了一种对所产生的氢气的量进行高效而安全控制的方法。
本发明的另一优点是固态含氢燃料的使用，它可以有效地吸收来自燃料电池的产物水，从而避免了来自工作燃料电池出口附近的潮湿和溢流。多种无机化学氢化物可与水蒸气反应而生成氢气，并且生成固体产物，这是本发明的一种有益的“水管理”方法。本发明进一步的附带优点的特征在于，它提供了一种测量燃料的剩余能量含量的方法。对于使用本发明的燃料电池来说，氢气的产生可能伴随有化学氢化物容器内的重量和体积增加。这种物理变化可通过简单的重量测定或体积测定方法来监控，以提供一种对化学氢化物进行的反应的程度、以及因此对系统的剩余能量含量的范围。
通过结合附图阅读以下对本发明的详细描述，本领域技术人员将很容易明白本发明的前述已经其他的目的、特征和优点。
图1是根据本发明的原理的燃料电池系统的简化示意图；以及图2是示出在图1所示的燃料电池系统的操作过程中使用空气作为氧气源发生的反应的示例图。
具体实施例方式
结合有燃料供给的燃料电池图1中示出了根据本发明的燃料电池系统的示例。该燃料电池系统包括装在燃料容器2中的含氢燃料1，例如，NaBH4化学氢化物燃料。燃料容器2具有入口3，用于将主要以水蒸气形式存在的水导入容器2中，以便与含氢燃料1进行反应而生成氢气，氢气经过出口4排出容器1。
燃料电池外壳5的内部设置有燃料电池6，它可以是本申请的发明人的美国专利第4,863,813号、Re43,248；第4,988,582号和第5,094,928号中所描述的那种类型，这些专利的全部公开内容构成了本发明公开内容的一部分，并结合在本文中作为参考。图1中示出了一个这样的燃料电池6的实例，它由一种混合气体燃料电池构成，具有非渗透性基片18、非渗透性或渗透性催化(触媒)电极17、渗透性离子导电及电子绝缘的电解膜16(在本申请的发明人的先前专利中被称作固态电解体)和渗透性催化电极15。根据在现有的专利披露内容(与这些文件所述专利披露内容一起使用的术语薄膜燃料电池源自这些现有专利)，催化电极15和17以及电解膜16通常都是较薄的。相反，由于基片18对薄膜燃料电池进行机械支撑，因此与薄膜燃料电池相比，它通常较厚。基片18还可以是有效导电性的。燃料电池6设置有一对引线6a、6b，用来提取燃料电池所产生的电能，引线6a、6b以本领域公知方式与燃料电池电极相连。燃料电池外壳5设置有氧气入口7，用于将氧气导入外壳中；氢气入口8，用于将氢气引入外壳中；以及出水口9，用于将水从外壳中排出。优选地，在氧气入口7中设置入口阀10，用来控制氧气的流入。
在图1所示的实施方式中，燃料容器2的出口4通过导管11直接与燃料电池外壳5的氢气入口8相连。通过这种方式，燃料容器2的内部与燃料电池外壳5的内部连通，以使燃料1所产生的氢气可通过出口4排出，并通过导管11和氢气入口8导入到燃料电池外壳5中。在该实施方式中，另一导管12将燃料电池外壳5的出水口9与燃料容器2的入口3连通。这使得在燃料电池6的工作过程中产生的水能够被导入到燃料容器2中，用来与含氢燃料1反应。如果需要的话，可沿导管12设置放空阀14。
在操作过程中，氧气或空气通过入口阀10(处于打开位置)和氧气入口7导入到燃料电池外壳5中，并与经过氢气入口8导入的氢气混合，以形成燃料电池6所需的混合气体，从而生成电能，所生成的电能沿着与燃料电池电极相连的引线6a、6b传递。通过燃料电池6生成相应量的水蒸气，并通过出水口9从燃料电池外壳5排出，然后通过导管12经由入口3传送到含氢燃料1。水蒸气在燃料容器2与含氢燃料1进行反应，并生成更多的被传输给燃料电池6的氢气，以维持电能的生成。
虽然入口7和8及出口9的主要目的是分别使主要的燃料电池反应物氧气和氢气及产物水通过，但实际上，其他的气体也可伴随这些主要的反应物和产物。举例来说，除了水以外，未被燃料电池6反应的气体(包括没有反应的氧气和氢气)可通过出口9传送，然后以未反应状态通过燃料1、容器2、出口4、导管11、和入口8传送到燃料电池外壳5中。如果将空气用作氧气源，那么氮气也将以未反应状态通过在图1中所示的及在图2中进一步示出的燃料电池系统的各个部件而传送。由于正常的燃料电池工作，空气将最终成为氧气耗尽的形式。
为了保持定向的流动模式，在入口阀10打开的情况下，氧气或空气可通过氧气入口7压入燃料电池外壳5中。这可通过使用由燃料电池6产生的部分电能而实现。可能还需要结合放空阀14，以使能够除去来自燃料电池外壳5的氧气耗尽的空气，并通过氧气入口7用富氧空气来代替。
图1中的装置的变体可包括除去阀10和14、以及除去出口4、入口8及导管11和12，这样，燃料电池外壳5被直接连接到燃料容器2。设置在燃料电池外壳5中的一个或多个开口(例如，出口9)将与设置在燃料容器2中的相似开口(例如，入口3)对准，以使通过氧气入口7扩散的空气将与从燃料容器2中扩散的氢气相混合，从而提供燃料电池6产生能量所需的混合气体环境，并且，从燃料电池外壳5扩散的水蒸气将进入到燃料容器2中与含氢燃料1反应。这种装置变体将使一种更为简单的设计成为可能，并产生较低的能量水平，适合用于低动力便携式设备，例如蜂窝式便携无线电话。在蜂窝式便携无线电话的传输过程中所需的较高的能量水平可由小型电池提供，通过低动力燃料电池系统而稳定带电。
根据本发明的另一方面，燃料容器2可拆卸地被连接在燃料电池系统中，这样，它能够被除去并用一个新的燃料容器所替换。为此，可以采用任意合适的可拆卸连接方式，例如螺纹连接或者螺栓结合法兰的连接方式，来将燃料容器2的入口3和出口4可拆卸地连接到导管11和12。在不使用出口4、入口8、及导管11和12的实施方式中，燃料容器2将可拆卸地直接连接到燃料电池外壳5，以使燃料电池外壳5的出口9可直接与燃料容器2的入口3连通。如果需要的话，可分别在外壳5和容器2中设置多个经过对准的出口9及入口3。可供选择地，可以保留导管12，在这种情况下，只需要将燃料容器2的入口3可拆卸地连接到导管12。通过这种方式，用废燃料容器2可被除去，并用一个新燃料容器替换。
图1的燃料电池系统中涉及的反应顺序如图2中的气体流程图所示燃料电池6中燃料容器2中总反应总反应表示，图1所示的燃料电池系统仅从一种外部反应物(氧气，很容易从空气中得到)产生电能，并且，除了针对电能产生而内部所需的氢气之外，没有过量的氢气产生。该反应还说明，燃料电池的电池所产生水的量足以使所有的化学氢化物材料起反应。水和氢气产生的内部循环可通过电能的外部需求量来直接控制和调节，这使得系统本质上变得安全。该循环可具有以下的特征对于所产生的给定量的电能，当使用适当的化学氢化物时，燃料电池使用所需的氢气生成速率可由电池产生的水的量完全平衡。当电能需求增加时，可产生更多的电流，伴随生成更多的水，导致产生更多的氢气，以维持较高的电能需求量。当电能需求降至零时，所生成的水的量也相应地降至零，结果，氢气的量同样降至零，这使得系统在入口阀10关闭的情况下，很安全地进行氢气的贮存和运输。
对于能够在暴露于空气和2％～4％氢气的混合气体中产生电能的燃料电池，例如美国专利第4,863,813号、Re43,248；第4,988,582号和第5,094,928号中所描述的，将尤其受益于本发明，因为空气对水蒸气的承载能力具有同样的范围，即，在20～30℃的温度范围下水蒸气含量为2％～4％。这种特别的优势所产生的原因是因为，在如上所示的反应中，给定数目的水分子与化学氢化物的反应可产生相同数目的氢气分子，因而将所生成的氢气的量自然控制在2％～4％的范围之中，这个范围通常被认为是空气中氢气的允许用量，这对于在便携式电子设备应用中尤其有用，例如移动电话和膝上型计算机。此外，将水以蒸气形式供应是一种最有效地利用化学氢化物燃料的有利方法。
如图1所示，当燃料电池系统没有使用时，入口阀10可以阻止空气或者氧气不经控制地进入到系统中。入口阀10通常包括关闭阀，当燃料电池6不再输送功率时，该阀门利用机械或电方式启动。当燃料电池6没有工作产生电能时，放空阀14也将关闭。
本发明通过一个入口及出口系统将燃料电池与化学燃料结合在一起，这消除了供应外水来与化学氢化物反应的需要。因此，本发明的燃料电池系统在重量上减轻以及在体积上减小了对应于不需要的水的量，对于硼氢化钠来说，这相当于节约了大约三分之二的重量和体积。这一点对于便携应用来说明显具有优势。基于硼氢化钠的含氢量自身(不包括反应物水的体积或者重量)的比能密度大约为6300瓦特小时/升和5900瓦特小时/千克。其他的化学氢化物如果根据本发明来使用，可能提供更高的能量密度。
燃料多种适当的无机化学氢化物可与水以平衡方式进行反应，以有益于本发明，并生成氢气，下面给出了这种反应的一些实例。
这些都是适用于本发明的适宜燃料的实例。对它们的选择同样将依赖于以下的因素，包括它们的比能密度、与水蒸气反应的速率、与水蒸气反应的完整性、温度等等。足够高的比能密度可通过使用锂基氢化物得到，例如LiBH4，它的能量密度约为10,000瓦特小时/升及10,000瓦特小时/千克。如果将它用在本发明中，那么该能量密度将大大高于常用的燃料电池燃料，例如甲醇，并且高于较重的金属氢化物，与本发明中使用的与水反应生成氢气的化学氢化物燃料相反，这种氢化物吸附并脱附氢气。
本发明的优选实施例将包括通过燃料电池提供的水蒸气利用尽可能多的化学氢化物燃料的装置。如果从燃料电池供应到化学氢化物的水处于汽化态，将有助于渗入固态的化学氢化物块中，与液态水相比，能够实现更为一致的可用固态化学氢化物的反应程度(高度利用)。具体来说，蒸气态的水降低了固态化学氢化物颗粒物质的蒸气路径阻塞的发生，否则的话，它将通过阻止水与化学氢化物的内部颗粒的进一步接触而降低系统的能量密度。
将化学氢化物的颗粒与可以增进水蒸气的进入和渗透的惰性材料进行混合是有利的。对化学氢化物的粒度和粒度分布的明智选择对于高度利用来说同样有利。增加化学氢化物燃料对水蒸气的孔隙率可通过将化学氢化物制成薄片或薄膜形式来实现，各个薄片或薄膜之间的空隙应是水蒸气很容易进入，从而促进化学氢化物的反应达到较高的程度及均匀性。固态化学氢化物燃料的反应速度可通过在化学氢化物中加入添加剂而升高，例如用于反应的催化剂，包括加入钌或含酸的化合物。
通过选择那种当温度升至不可接受水平时将熔化并向剩余的化学氢化物燃料蔓延的聚合物，向化学氢化物颗粒中加入可熔聚合物对于安全性来说是有利的，这将阻止障碍物进一步与引入的水蒸气反应，从而降低水蒸气与化学氢化物燃料的反应速率。
虽然可以预期，主要的氢源是通过含氢燃料与水的反应得到，但随着燃料逐渐发生反应，氢气的生成速率可能减小，因此，燃料电池可能要求补充氢气供给，以维持没有减小的功率输出。
水管理及处置所有的利用氢气和氧气产生电能的燃料电池都会生成水，在环境温度下，所生成的水将浓缩并聚集在电极上，由于阻碍了反应气体流到电极的催化表面上，因而降低了电极的性能。这一点通常可通过增加气流来取代水来防止。本发明不需要增加气流即可除去水蒸气，并且通过在燃料电池邻近区域用作“干燥”剂而从内部减少冷凝水的形成。这在靠近人体和设备的燃料电池应用情形中尤其有利，它们非常容易受湿气形成的影响。
本发明预期通过机械装置除去已经用废的化学氢化物燃料以及化学反应生成的水。经过设计，可以简单有效地除去图1中的燃料容器2，并将其用装有未反应化学氢化物的容器所替换。对本发明来说，对用废硼氢化钠(一种固态硼砂)的处置不成问题。
虽然本发明的优选实施例已经参照混合气体燃料电池进行了描述，但应该理解的是，本发明并不仅限于此，它能够通过广泛地使用任意类型的消耗氢气并产生水作为反应产物的燃料电池来实施。例如，本发明可以使用那些在阴极和阳极要求不同的电化学反应物或者不同的电化学反应物浓度的燃料电池来实施，只要这些燃料电池消耗的是氢气，并且生成水作为反应产物。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种产生直流电能的方法，包括以下步骤操作燃料电池，以使外部供给的氧气与氢气进行电化学结合，以产生直流电能和作为反应产物的水；引导所述水通过与所述水反应的含氢燃料，以生成氢气；以及引导所述氢气至所述燃料电池，以维持所述燃料电池的操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池为薄膜燃料电池。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过操作所述燃料电池生成的水主要以水蒸气形式存在；并且，所述含氢燃料与所述水蒸气反应以生成氢气。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述燃料电池为薄膜燃料电池。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述含氢燃料为化学氢化物。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述化学氢化物选自由NaBH4、CaH2、LiBH4、和LiAlH4组成的组。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述含氢燃料为化学氢化物。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述化学氢化物选自由NaBH4、CaH2、LiBH4、和LiAlH4组成的组。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述含氢燃料相对于所述燃料电池进行选择，以使通过操作所述燃料电池生成的水足以充分地使所有的所述含氢燃料起反应。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，通过操作所述燃料电池生成的水与所述含氢燃料反应而生成足够的氢气，以在不需要添加外部供给的氢气的情况下维持所述燃料电池的操作。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述含氢燃料包括一种或多种添加剂，以增加和/或降低所述含氢燃料与水的反应速率。
12.一种用于产生直流电能的燃料电池系统，包括外壳，具有氧气入口、氢气入口、和出水口；燃料电池，设置在所述外壳中，用于将经过所述氧气入口引入的氧气与经过所述氢气入口引入的氢气进行电化学结合以产生直流电能，并生成作为反应产物的水；含氢燃料，与所述出水口连通，用于与经过所述出水口排出的水反应以生成氢气；以及导管，将所述燃料电池与所述氢气入口互相连接，用于将由所述含氢燃料生成的所述氢气引导至所述燃料电池，以维持所述燃料电池的操作。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，进一步包括燃料容器，所述燃料容器内包含所述含氢燃料，所述燃料容器具有与所述出水口连通的入口和与所述导管连通的出口。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中，所述燃料容器可从所述燃料电池系统中拆除，并可利用另一包含含氢燃料的燃料容器替换。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，将所述燃料容器可拆卸地与所述外壳连接。
16.根据权利要求13所述的燃料电池系统，进一步包括另一导管，所述另一导管将所述外壳的所述出水口与所述燃料容器的所述入口互相连接。
17.根据权利要求16所述的燃料电池系统，进一步包括沿所述另一导管设置的放空阀。
18.根据权利要求17所述的燃料电池系统，进一步包括用于控制氧气经过所述氧气入口的引入的入口阀。
19.根据权利要求12所述的燃料电池系统，进一步包括用于控制氧气经过所述氧气入口的引入的入口阀。
20.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中，所述含氢燃料为化学氢化物。
21.根据权利要求20所述的燃料电池系统，其中，所述化学氢化物选自由NaBH4、CaH2、LiBH4、和LiAlH4组成的组。
22.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池包括混合气体燃料电池。
23.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池包括薄膜燃料电池。
24.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中，所述含氢燃料包括一种或多种添加剂，以增加和/或降低所述含氢燃料与水的反应速率。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池系统，包括设置在燃料电池外壳(5)内部的燃料电池(6)，用来将外部供给的氧气与氢气进行电化学结合，以产生直流电能，并且生成水作为反应产物。包含在燃料容器(2)中的含氢燃料(1)(如化学氢化物)接收副产物水，并且与其反应以生成氢气，将氢气输送至燃料电池(6)，从而在不需要添加外部供给的氢气的情况下，维持燃料电池的操作。氢气的供给与燃料电池的结合导致了重量及体积上的减小，以及对氢气的生成的内部化学控制，以维持电力的产生和内部水的管理，这样，液态水的排出可大为减少。
文档编号H01M8/04GK1706064SQ200380101657
公开日2005年12月7日 申请日期2003年10月15日 优先权日2002年10月17日
发明者克里斯托弗·K·戴尔 申请人:克里斯托弗·K·戴尔