无人机系统（uas，又名无人机）的运行时间受限于它们的电源。uas的现有技术使用具有范围从~200到300wh/kg的比能的轻量锂离子/聚合物电池，使得能够实现大约20-60分钟的飞行时间。包括基础设施检查（例如，道路、桥梁、功率线路、轨道、管道等）和包裹递送在内的新兴应用可能被期望在电池充电上具有更长飞行时间。在一些实例中，为了诸如使uas在商业上可行，期望大于六小时的飞行时间。
高效的能量存储和利用面对着许多阻碍。用于可随身携带的电源和微型飞行器的质子交换膜（pem）燃料电池需要轻量、小尺寸和高速率的氢源。诸如金属氢化物、气瓶中的压缩氢气或催化水硼氢化物氢气发生器之类的商业上可得的氢源能够进行高速率氢气生成，但它们是沉重且体积大的。
虽然一些氢气发生器是轻量的并且具有小尺寸，但是它们不能够以对于许多应用而言足够高的速率来生成氢气。
技术实现要素：
一种基于燃料电池的功率发生器，其包括：燃料电池元件；水交换器元件；氢气发生器元件；环境空气路径，其被配置成接收环境空气以及跨越燃料电池元件的阴极侧来提供环境空气、从燃料电池元件接收水以及向水交换器元件提供湿空气；以及再循环氢气空气路径，其被配置成从氢气发生器元件接收氢气、经过燃料电池元件的阳极侧将氢气提供给水交换器元件以及将湿氢气往回提供给氢气发生器。
一种方法，其包括：经由环境空气路径将环境空气经过燃料电池的阴极侧传递到水交换器；从燃料电池的阴极侧收集水以及向环境排出空气和氮气；经由再循环氢气路径将氢气经过燃料电池的阳极侧传递到水交换器，其中水交换器将水从包括阴极流的环境空气路径传输到包括阳极流的再循环氢气路径；以及将水传递到氢气发生器来向再循环氢气路径添加氢气以及经由再循环氢气路径将氢气经过燃料电池的阳极侧进行传递。
附图说明
图1是根据示例实施例的具有经过燃料电池和氢气发生器的再循环氢气路径的功率发生器的示意性示图；
图2是根据示例实施例的利用再循环氢气路径的功率发生器的概念性横截面；
图3是图示了根据示例实施例的示例水交换器操作原理的用于功率发生器的水交换器的透视图；
图4是根据示例实施例的示例水交换器的透视剖视图；
图5是根据示例实施例的利用功率发生器的无人机系统（uas）的透视图；
图6是图示了根据示例实施例的与锂离子电池进行比较的基于燃料电池的功率发生器性能的图表；
图7是图示了根据示例实施例的在放电期间由于反应产物中的氧气积累而导致的基于燃料电池的功率发生器比能减少的图表；
图8是图示了根据示例实施例的在两个替换的kwh燃料电池设计与锂离子电池之间的能量密度差的图表；
图9是图示了图8的两个燃料电池设计的特性的图表；
图10是图示了根据示例实施例的打开的电池存储箱的uas的透视图；
图11是图示了燃料电池组的所选层的块横截面图，其是根据示例实施例的基于氢燃料电池的功率发生器的横截面图；
图12是图示了根据示例实施例的对基于燃料电池的功率发生器的多个元件的温度进行控制的方法的路程图；
图13是根据示例实施例的用于执行针对基于氢燃料电池的功率发生器的控制方法的专门编程的电路或处理器的框图。
具体实施方式
在以下说明书中，对形成其一部分的附图做出参考，并且其中作为说明示出了可以被实践的具体实施例。足够详细地描述了这些实施例，以使得本领域技术人员能够实践本发明，以及要理解的是，可以利用其他实施例以及在不偏离本发明范围的情况下做出结构改变、逻辑改变和电学改变。因此，示例实施例的以下描述不要被理解为限制的意义，以及由所附权利要求来限定本发明的范围。
在一个实施例中，可以以软件来实现本文中所描述的功能或算法。软件可以由计算机可执行指令组成，该计算机可执行指令被存储在诸如一个或多个非临时性存储器或其他类型的基于硬件的存储设备（本地的或联网的）之类的计算机可读存储设备或计算机可读介质上。此外，这样的功能对应于模块，该模块可以是软件、硬件、固件或其任意组合。可以按照期望在一个或多个模块中实行多个功能，以及所描述的实施例仅是示例。软件可以在数字信号处理器、asic、微处理器或者其他类型的处理器上执行，该其他类型的处理器在诸如个人计算机、服务器或其他计算机系统之类的计算机系统上操作，从而将这样的计算机系统变成专门编程的机器。
无人机系统（uas，又名无人机）的运行时间受限于它们的电源。uas现有技术使用具有范围从~200到300wh/kg的比能的轻量锂离子/聚合物电池，使得能够实现大约20-60分钟的飞行时间。包括基础设施检查（例如，道路、桥梁、功率线路、轨道、管道等）和包裹递送在内的新兴应用需要更长的飞行时间以便在商业上是可行的。在各种实施例中，包括燃料电池的高比能电源可以被用于诸如uas之类的电池供电的设备，该高比能电源能够提供的运行时间是现有技术锂电池的10-12倍。一些实施例可以提供六到十二小时或者更长的飞行时间。
混合燃料电池功率发生器在指定的负载功率分布下提供运行时间改善和能量效率。此外，在不对操作温度范围或者环境和安全性能做出折衷的情况下，混合燃料电池功率发生器可以比先前的能量存储设备大幅更轻，并且可以具有更低的预计生存周期成本。运行时间上的革命性改善在于创新性燃料电池技术及其基于不需要净水消耗以便维持其操作的铝氢化锂（lah）的燃料化学，从而消除了对于水燃料贮器的需要，这使得电源能够与具有水（燃料、稀释剂或溶剂）的机载存储的其他常规化学氢化物或直接甲醇燃料电池相比是大幅更小且更轻的。
在图1中以示意性形式在100处图示了基于燃料电池的功率发生器。在一个实施例中，功率发生器100包括燃料电池110和氢气发生器115。环境空气路径120被配置成使环境空气行进经过燃料电池110的阴极侧。燃料电池110中的反应将水添加到环境空气路径120，向氢气发生器115提供水，该氢气发生器115包含响应于暴露于水而释放氢气的一个或多个燃料，该水可以以湿气形式的形式。氢气发生器115将释放的氢气提供给再循环氢气路径125，该再循环氢气路径125行进经过燃料电池110的阳极侧来提供氢气。来自再循环氢气路径125的氢气与来自环境空气路径120的氧气在燃料电池110中发生反应，产生水蒸汽和热作为反应副产物，由在环境气流路径120内流动的空气将该水蒸汽和热从燃料电池去除。氮气和剩下的氢气继续通过再循环氢气路径120。
在一个实施例中，将由燃料电池110生成的电力被提供用于在一个或多个电池中进行存储，该一个或多个电池诸如是锂离子可再充电电池。电源管理电路135可以利用诸如由萨夫特美国股份有限公司（saftamericainc.）制造的锂离子电池之类的超高功率可再充电电池120，其能够应对具有显著瞬时波动的各种负载功率分布。其他可再充电电池可以被用于另外的实施例中。
在一个实施例中，基于燃料电池的功率发生器100具有系统配置（在一个实施例中以x590形状因数电池包来实现），以及在图1中示意性描绘了操作原理。在一个实施例中，氢气发生器115是可更换且一次性的“燃料盒”单元，其为h2/氧气质子交换膜（pem）燃料电池110生成h2，以及在一个实施例中，永久性单元包括：（pem）燃料电池110、作为与外部负载相对接的输出级的锂离子再充电电池130、以及电源管理模块135，该电源管理模块135控制电子和流体控制电路（控制多个风扇）来在变化的负载和环境条件下动态地感测和优化功率发生器100。
在各种实施例中，基于燃料电池的功率发生器100可以包括以下创新方面中的一项或多项：
·燃料电池与锂离子可再充电电池之间的混合使总能量和提取效率最大化，以满足具有瞬态的负载功率分布；
·超高功率锂离子可再充电电池，其使得能够实现高功率管理效率；
·无水燃料电池操作从其阴极清除蒸汽形式的水，并且将其用作h2生成过程中的燃料，使得能够实现比ba5590锂电池更长的运行时间和更轻的重量；
·高燃料能量密度（>3100whr/升）和比能(>3300whr/kg)
·宽泛的环境操作和存储范围
·基于lah的燃料化学（水蒸汽驱动反应），以及工程燃料配方（颗粒大小和孔隙率），其使得能够实现在高功率下>95%的燃料利用率
·可更换且一次性的燃料盒配置，其使得能够实现进一步增强的运行时间和重量优势，以获得延长的任务持续时间和降低的寿命周期成本
·用于不间断电源的可热插拔的燃料盒。
环境空气充当混合燃料电池功率发生器100的氧气源、用于水蒸汽燃料的载气以及用于燃料电池组和h2发生器的冷却剂气体。第一风扇140经由入口142从环境抽取新鲜空气、经由环境空气路径或通路120使新鲜空气在燃料电池组的阴极侧上循环。由于燃料电池110反应是放热的，所以燃料电池110的温度增加，如可以由在144处表示的被放置为测量燃料电池110的温度的第一温度传感器所测量的那样。燃料电池110的燃料电池设定点温度被指示为60℃，其已经被发现是由于增加的质子传导性而使燃料电池110最有效地起作用的温度。在另外的实施例中，设定点可以在60℃与80℃之间变化，并且取决于配置和具体材料而可以进一步变化。针对不同燃料电池可以在实验上确定针对燃料电池的不同最佳设定点，并且可以发现该不同最佳设定点在上文所指定的范围之外。控制电子设备135可以使用pid型控制算法来控制第一风扇140速度，以将燃料电池温度维持在其设定点处。其他控制算法可以被用在另外的实施例中，这样的建模和任何其他类型的算法足以通过控制第一风扇140速度来将温度控制成设定点。
环境空气路径120继续通过具有第二风扇150的第一热交换器145，以及然后通过水交换器155。水交换器155在如在157处指示的水交换器设定点温度下最佳地进行操作，157还表示被配置成感测水交换器157的温度的温度传感器。水交换器157从离开热交换器145的暖湿空气中提取水，并且在160处将热干废气排放到环境。可以以与风扇140相同的方式控制热交换器145的风扇150，以维持暖湿空气到水交换器155的气流，从而将水交换器157维持在其设定点温度下，该设定点温度在一个实施例中是40℃，并且在一些实施例中可以从40℃变化到60℃，或者取决于所利用的水交换器的类型而在该范围之外。
氢气发生器115还具有设定点温度，在该设定点温度下其最有效率地进行操作，如在163处表示的，163还表示被适当放置的温度传感器。氢气发生器经历放热反应，并且具有被示为80℃的最佳操作设定点，但是取决于所使用的氢气发生器的组成该最佳操作设定点可以从60℃到100℃进行变化或者在该范围之外。可以以与用于其他风扇的方式类似的方式（诸如pid型控制算法）经由控制电子设备135通过改变氢气路径风扇或泵165的速度来控制氢气发生器温度。各种风扇的更快操作通常降低了对应元件的温度。
氢气路径125没有在燃料电池处终止（dead-end），因为这可能导致反应副产物的积累，诸如燃料电池中的氮气积聚导致燃料电池中的氢气不足和性能下降。反而，氢气路径125继续经过燃料电池，防止氮气的积聚并且向燃料电池提供连续氢气流。氢气路径125将热干h2运送到具有由控制电子设备控制的风扇175的氢气路径热交换器170，以基于温度传感器157将热干h2的温度降低成向水交换器155提供的暖干h2。在一些实施例中，可以将热交换器170放置在氢气发生器与燃料电池之间的气流路径中，以更好地优化燃料电池的温度。在另外的实施例中，温度传感器157可以包括在热交换器145和170与水交换器157之间的环境路径和氢气路径两者中测量温度的多个不同的温度传感器。这样不同的温度传感器可以被用于独立地控制风扇150和175中的任一，以在适合于水交换器的设定点的温度下提供它们的废气。在另外的实施例中，热交换器风扇的控制可以是互相依赖的，以将水交换器维持在期望的设定点。水交换器155因此从环境路径接收暖湿空气，以及从再循环氢气路径接收暖干h2，以及向氢气发生器提供湿h2，同时向环境排出可以包括氮气的热干废气。
将三个元件示为具有它们最有效率地进行操作所处的不同设定点，这三个元件是水交换器155、氢气发生器115和燃料电池110。每个都被示为具有由风扇速度所控制的温度的不同设定点。该控制可以对于每个元件而言是独立的，或者在利用基于模型的控制算法的一些实施例中，可以基于该模型来互相依赖地提供该控制。
在另外的实施例中，温度被控制的元件中的一个或多个可以包括加热器，诸如由电池供电的电阻式加热器，以当正在启动基于pem燃料电池的功率发生器时对元件最初进行加热。虽然在没有附加加热器的情况下元件将达到操作范围，但是加热器可以辅助一个或多个元件来更快速地达到最佳操作温度，使得功率设备能够更快速地以全功率进行操作。
在一个实施例中，当气体从环境路径120和再循环氢气路径125经过燃料电池组时，氧气被燃料电池消耗，以及水蒸汽和废热被吸收。氢气路径125中的热干h2和环境路径120中的水蒸汽和空气包括氮气。
当空气穿过h2发生器时，其还从燃料吸收废热。可以将燃料电池组中生成的电功率馈送给功率管理电路135，该功率管理电路135调节该功率并且将其提供给由触点180指示的负载。除了先前所描述的温度传感器之外，一套传感器可以遍及系统100测量湿度和压强。由传感器以及电负载和锂离子可再充电电池120的充电状态所提供的数据可以被控制电子设备135用来确定和设定各种风扇速度，以将元件的温度控制到对应的设定点。
在各种实施例中，还可以监测燃料消耗，并且可以在混合燃料电池功率发生器包装上显示剩余容量。在一个实施例中，可以通过优化的lah燃料形成（孔隙率、颗粒大小/分布、速率增强添加剂）来实现大于95%的燃料利用率。
在一些实施例中，lah水反应生成大量热（150kj/mollah、放热），导致燃料中的温度升高。可以与对电池组上的气流进行控制一起监测温度，以将温度维持在用于最佳操作的期望设定点处。
由于较慢的反应动力学和较低的电解液导电率，电化学系统功率性能在低温（-40℃）下可能显著降低。混合燃料电池可以通过以下方式来避免冻结问题：1）使用蒸汽形式的水；2）调整气流来防止水蒸汽凝结；以及3）使用由燃料电池组和h2发生器生成的热来调控燃料电池组和燃料棒的温度。
在一些实施例中，可以使用与saftba5590上所使用的类型一致的改性聚苯醚（noryl）塑料包装。可以使用许多不同类型的塑料和提供了低重量的其他材料，该低重量对于发生器的操作参数和环境条件尚且是足够耐受的。
在一个实施例中，氢气发生器115是适用于可随身携带的电源和微型飞行器应用的高速率氢气发生器，其提供的氢气是相同大小和重量的商业上可得的氢源的4-5倍。可以使用诸如lah之类的许多不同的产氢燃料。在另外的实施例中，产氢燃料可以包括lialh4、naalh4、kalh4、mgalh4、cah2、libh4、nabh4、lih、mgh2、li3al2、caal2h8、mg2al3、碱金属、碱土金属、碱金属硅化物或其任意组合。
如本文中所使用的术语“关于”可以允许在所陈述的值或所陈述的范围限度的例如10%内、5%内或1%内的值或范围上的可变化性程度，以及包括确切的所陈述的值或范围。
如本文中所使用的术语“基本上”指代大部分或大多数，如在至少大约50%、60%、70%、80%、90%、95%、96%、97%、98%、99%、99.5%、99.9%、99.99%或至少大约99.999%或更多之中，或者100%。
用于燃料电池的产氢组合物
在各种实施例中，本发明提供了用于燃料电池的产氢组合物。产氢组合物可以包括氢化物和路易斯酸。产氢组合物可以与水组合来生成氢气。与产氢组合物接触以生成氢气的水的物相可以是任意合适的物相，诸如液态水（例如，处于纯态、稀释态或者诸如具有溶解于其中的一种或多种化合物或溶剂）或者气态水（例如，任何合适浓度下的水蒸汽）。所生成的氢气可以被用作用于耗氢燃料电池的燃料。
产氢组合物可以是以任意适合的形式。产氢组合物可以是以松散粉末或压缩粉末的形式。产氢组合物可以是以颗粒或球芯块（例如，压缩成球芯块的粉末或颗粒）的形式。产氢组合物可以具有任意合适的密度，诸如大约0.5g/cm3到大约1.5g/cm3，或者大约0.5g/cm3或更少，或者小于、等于或大于大约0.6g/cm3、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4g/cm3或大约1.5g/cm3或者更大。
在一些实施例中，当与水接触时，与包括更少路易斯酸或不包括路易斯酸的对应产氢组合物相比，该产氢组合物形成更少（例如，每质量的所形成氢的更小质量）的非氢物质。在氢产生期间形成更少或根本不形成的非氢物质可以是产氢组合物中的氢化物的水合物（例如，水合氢氧化物）。通过避免在产氢期间产生不需要的（例如，非氢）物质，每质量的产氢组合物所产生的氢量可以大于包括更少路易斯酸或不包括路易斯酸或者包括更少金属氧化物或不包括金属氧化物的对应产氢组合物的氢量。
在一些实施例中，当与水接触时，与包括更少路易斯酸或不包括路易斯酸的对应产氢组合物相比，该产氢组合物以更高的速率形成氢。例如，当与给定质量的水接触时，给定质量的该产氢组合物与对于同样质量的包括更少路易斯酸或不包括路易斯酸或者包括更少金属氧化物或不包括金属氧化物的对应产氢组合物与同样质量的水接触来产生同样摩尔数量的氢气所需要的时间量相比，可以在更少的时间内形成给定摩尔数量的氢气。产氢组合物的实施例的产氢速率可以超过包括更少路易斯酸或不包括路易斯酸或者包括更少金属氧化物或不包括金属氧化物的对应产氢组合物的速率任意适合的量；例如，与包括更少路易斯酸或不包括路易斯酸的对应产氢组合物相比，该速率可以大于1倍大，大于、等于或小于大约20倍大，或者是大约2.5至大约7.5倍大，或者是大约2倍大或更小，或者小于、等于或大于大约2.5倍大，是3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、9、10、11、12、13、14、15、16,18或者大约20倍或者更多倍大。
在一些实施例中，产氢组合物基本上不含元素金属。在一些实施例中，产氢组合物基本上不含元素铝。
氢化物
产氢组合物可以包括一种或多种氢化物。该一种或多种氢化物可以形成任意合适比例的产氢组合物，诸如大约50wt%至大约99.999wt%、大约70wt%至大约99.9wt%、大约70wt%至大约90wt%，或者大约50wt%或更少，或者小于、等于或大于大约52wt%、54、56、58、60、62、64、66、68、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、92、94、96、98、99、99.9、99.99或者大约99.999wt%或更多。
氢化物可以是任意适合的氢化物，以使得可以如本文中所描述的那样使用产氢组合物。氢化物可以是下述化合物，在该化合物中一个或多个氢中心（例如，一个或多个氢原子或者包含一个或多个氢原子的基团）具有亲核性、还原性或碱性性质。氢化物中的氢原子可以被键合到更正电性的元素或基团。例如，氢可以选自离子氢化物（例如，与诸如碱金属或碱土金属之类的正电性金属结合的氢原子）、共价氢化物（例如下述化合物，其包括共价键合的氢并且作为氢化物进行反应，以使得氢原子或氢中心具有亲核性质、还原性质、碱性性质或其组合）、金属氢化物（例如，存在于金属或合金内的填隙氢化物）、过渡金属氢化物络合物（例如，包括可以被分类为共价氢化物或填隙氢化物的化合物，诸如包括氢原子与过渡金属之间的单键）或其组合。
氢化物可以选自氢化镁(mgh2)、氢化锂(lih)、氢化铝(alh3)、氢化钙(cah2)、铝氢化钠(naalh4)、硼氢化钠(nabh4)、铝氢化锂(lialh4)、氨硼烷(h3nbh3)、乙硼烷(b2h6)、氢化钯、lani5h6、tifeh2及其组合。氢化物可以选自铝氢化锂(lialh4)、氢化钙(cah2)、铝氢化钠(naalh4)、氢化铝(alh3)及其组合。氢化物可以是铝氢化锂(lialh4)。
在一些实施例中，产氢组合物仅包括单一氢化物并且基本上不包括其他氢化物。在一些实施例中，产氢组合物仅包括选自铝氢化锂(lialh4)、氢化钙(cah2)、铝氢化钠(naalh4)和氢化铝(alh3)的一种或多种氢化物，并且基本上不包括其他氢化物。在一些实施例中，产氢组合物仅包括铝氢化锂(lialh4)，并且基本上不包括其他氢化物。在一些实施例中，产氢组合物可以基本上不包括金属原子直接结合到氢原子的简单氢化物。在一些实施例中，产氢组合物可以基本上不包括氢化锂和氢化铍。
在一些实施例中，产氢组合物可以基本上不包括：铝(al)、砷(as)、硼(b)、钡(ba)、铍(be)、钙(ca)、镉(cd)、铈(ce)、铯(cs)、铜(cu)、铕(eu)、铁(fe)、镓(ga)、钆(gd)、锗(ge)、铪(hf)、汞(hg)、铟(in)、钾(k)、镧(la)、锂(li)、镁(mg)、锰(mn)、钠(na)、钕(nd)、镍(ni)、铅(pb)、镨(pr)、铷(rb)、锑(sb)、钪(sc)、硒(se)、硅(si)、钐(sm)、锡(sn)、锶(sr)、钍(th)、钛(ti)、铊(tl)、钒(v)、钨(w)、钇(y)、镱(yb)、锌(zn)、锆(zr)的氢化物，包括(ch3)甲基基团的有机阳离子的氢化物，或其组合。在各种实施例中，产氢组合物可以基本上不包括以下各项中的一种或多种：氢化锂(lih)、氢化钠(nah)、氢化钾(kh)、氢化镁(mgh2)、氢化钙(cah2)、铝氢化锂(lialh4)、硼氢化钠(nabh4)、硼氢化锂(libh4)、硼氢化镁mg(bh4)2、铝氢化钠(naalh4)或其混合物。
在一些实施例中，产氢组合物包括金属氢化物（例如，填隙金属间氢化物）。金属氢化物可以将氢可逆地吸收到它们的金属晶格中。金属氢化物可以是任意适合的金属氢化物。金属氢化物可以是lani5、lani4.6mn0.4、mnni3.5co0.7al0.8、mnni4.2co0.2mn0.3al0.3、tife0.8ni0.2、cani5、(v0.9ti0.1)0.95fe0.05、(v0.9ti0.1)0.95fe0.05、lani4.7al0.3、lani5-xalx（其中x为大约0至大约1），或者其任意组合。金属氢化物可以是lani5-xalx，其中x为大约0至大约1（例如，从lani5到lani4al）。金属氢化物可以形成任意适合比例的产氢组合物，诸如大约10wt%至大约99.999wt%，或者大约20wt%至大约99.5wt%，或者大约10wt%或更少，或者少于、等于或大于大约15wt%、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、99.5、99.9、99.99或者大约99.999wt%或更多。可以将通过引用将其整体结合于本文中的美国专利no.8,172,928中所描述的任意金属氢化物包括在当前的产氢组合物中。
产氢组合物可以包括金属氢化物（例如，填隙金属间氢化物，诸如lani5-xalx，其中x为大约0到大约1）和化学氢化物（例如，离子氢化物或共价氢化物，诸如氢化镁(mgh2)、氢化锂(lih)、氢化铝(alh3)、氢化钙(cah2)、铝氢化钠(naalh4)、硼氢化钠(nabh4)、氢化铝锂(lialh4)、氨硼烷(h3nbh3)、乙硼烷(b2h6)、氢化钯、lani5h6、tifeh2，及其组合）两者。在一些实施例中，产氢组合物可以包括化学氢化物、金属氢化物和路易斯酸的均匀混合物。在一些实施例中，产氢组合物可包括与化学氢化物和路易斯酸的混合物分离的金属氢化物，诸如包括金属氢化物的燃料球芯块以及包括化学氢化物和路易斯酸的密切混合物的不同的燃料球芯块。
包括化学氢化物、金属氢化物和路易斯酸的产氢组合物可以包括任意适合比例的化学氢化物，诸如大约0.5wt%至大约65wt%，或者大约0.5wt%或更少，或者小于、等于或大于大约1wt%、2、3、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60，或者大约65wt%或更多。包括化学氢化物、金属氢化物和路易斯酸的产氢组合物可以包括任意适合比例的金属氢化物，诸如大约20wt%至大约99.5wt%，或者大约20wt%或更少，或者小于、等于或大于大约25wt%、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、96、97、98、99，或者大约99.5wt%或更多。包括化学氢化物、金属氢化物和路易斯酸的产氢组合物可以包括任意适合比例的路易斯酸，诸如大约0.1wt%至大约20wt%，或者大约0.1wt%或更少，或者小于、等于或大于大约0.5wt%、1、2、3、4、5、6、8、10、12、14、16、18，或者大约20wt%或更多。在一个示例中，产氢组合物包括5vol%lani5-xalx（其中x为大约0至大约1），并且是大约60.9wt%的laalh4、大约15.2wt%的zrcl4和大约23.8wt%的lani5-xalx。在另一示例中，产氢组合物包括95vol%的lani5-xalx（其中x为大约0至大约1），并且是大约0.7wt%的lialh4、大约0.2wt%的zrcl4和大约99.1wt%的lani5-xalx。
路易斯酸
产氢组合物包括一种或多种路易斯酸。该一种或多种路易斯酸可以形成任意适合比例的产氢组合物，诸如产氢组合物的大约0.001wt%至大约50wt%，大约0.1wt%至大约30wt%，大约10wt%至大约30wt%，大约0.001wt%或更少，或者小于、等于或大于大约0.01wt%、0.1、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、32、34、36、38、40、42、44、46、48，或者大约50wt%或更多。
路易斯酸可以是任意适合的路易斯酸，以使得可以如本文中所描述的那样使用产氢组合物。路易斯酸可以是无机化合物或有机金属化合物，其中路易斯酸的阳离子选自由以下各项组成的组：钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、硼、铝、钇、锆、铌、钼、镉、铼、镧、铒、镱、钐、钽和锡。路易斯酸的阳离子可以是卤化物。路易斯酸可以选自氯化铝(alcl3)、溴化铝(albr3)、氟化铝(alf3)、氯化亚锡(ii)(sncl2)、溴化亚锡(ii)(snbr2)、氟化亚锡(ii)(snf2)、氯化镁(mgcl2)、溴化镁(mgbr2)、氟化镁(mgf2)、氯化锆(iv)(zrcl4)、溴化锆(iv)(zrbr4)、氟化锆(iv)(zrf4)、氯化钨(vi)(wcl6)、溴化钨(vi)(wbr6)、氟化钨(vi)(wf6)、氯化锌(zncl2)、溴化锌(znbr2)、氟化锌(znf2)、氯化铁(iii)(fecl3)、溴化铁(iii)(febr3)、氟化铁(iii)(fef3)、氯化钒(iii)、溴化钒(iii)、氟化钒(iii)及其组合。路易斯酸可以选自氯化铝(alcl3)、氯化镁(mgcl2)、氯化锆(iv)(zrcl4)及其组合。路易斯酸可以是氯化锆(iv)(zrcl4)。
金属氧化物
在各种实施例中，产氢组合物可以包括一种或多种金属氧化物。在一些实施例中，产氢组合物可以不包括金属氧化物。一种或多种金属氧化物可以形成任意适合比例的产氢组合物，诸如大约0.001wt%至大约20wt%的产氢组合物，大约1wt%至大约10wt%，或者大约0.001wt%或更少，或者小于、等于或大于大约0.01、0.1、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18，或者大约20wt%或更多。
金属氧化物可以是任意适合的金属氧化物，以使得可以如本文中所描述的那样使用产氢组合物。金属氧化物可以是氧化锆(iv)、氧化铪(iv)、氧化钛(iv)或其组合。金属氧化物可以是氧化钛(iv)。
耗氢燃料电池可以包括阳极、阴极以及将阳极和阴极分离的电绝缘离子导电电解质（例如，诸如质子交换膜或pem之类的膜），其中阳极与阴极中的至少一个经受化学反应，该化学反应消耗氢并且生成跨电极的电势。在一些实施例中，燃料电池的阴极消耗氢气并且生成电子和氢离子。氢离子可以跨越电解质行进到阴极，同时电子可以经由将阳极连接到阴极的电路而行进至阴极。在阴极处，氢离子可以与氧气和由阳极产生的电子发生反应来形成水。
水蒸汽在氢气发生器中与化学氢化物燃料发生反应，并且在放热反应中生成氢。如在图1中图示的，将氢运送到pem燃料电池以生成电能。不是将氢气路径终结，而是使氢气路径沿着pem燃料电池继续，并且使氢往回再循环通过氢气发生器。氢气发生器100与燃料电池系统对接，并且可以被包含在诸如容器之类的可更换且一次性的（可回收的）盒体中。这些盒体可以提供在某种程度上与先前的电池和燃料电池系统相比在能量上具有显著改善的低成本能量源，因为在仅更换盒体的同时可保留燃料电池系统。在一个实施例中，功率发生器100在几何形状上可以是圆柱体的。
图2是利用了如先前在图1中以示意性形式图示的pem205和再循环氢气路径210的功率发生器200的概念性横截面。氢燃料包括金属氢化物（如在215处指示的lanial）和化学氢化物（如在220处指示的lialh4）两者。该燃料可以包括如上文所描述的一种或多种不同的产氢燃料。
在225处示出循环风扇，并且将其用来将各种元件的温度控制到对应的元件设定点。在230处示出环境路径。在240处示出处于功率发生器200的底部的冷却风扇。将燃料电池和水回收膜绕着功率发生器的外周缠绕，在一些实施例中该功率发生器可以是以盒体的形式。在一个实施例中，将燃料电池/水回收膜245绕着燃料盒的外周缠绕。环境空气路径230中的风扇将水传输到水回收膜并且还冷却燃料。氢气路径中的风扇向燃料电池提供氢、将水从水回收膜传输到燃料并且冷却燃料。在图1中示出了这些风扇。在燃料盒的底部上的冷却风扇240还可以控制氢气发生器的温度。
在各种实施例中，可以以与锂电池相比具有改善性能的各种微型燃料电池形状因数来实现基于燃料电池的功率发生器，该改善性能可以是3-5倍小、5-10倍轻并且具有高度可扩缩的形状因数、能量和电学特性。可以将燃料电池性能优点扩展到kw功率水平，其对于uas、ugv、uuv应用而言是理想的。在一个实施例中，使用基于燃料电池的功率发生器可以使得能够实现与针对锂离子电池的50分钟相比的在uas中8-12小时的飞行时间，这可以是锂离子电池的10-12倍长，从而导致具有出色的能力和稳定性的几乎无声的、长续航时间的isr平台。
图3是图示了根据示例实施例的示例水交换器操作原理的用于功率发生器的水交换器300的透视图。水交换器由以下各项组成：具有在一个方向上的气流的多个管或者通道310，其与具有在相反方向上的气流的通道315相邻。可以将通道形成为具有壁的层，将该层进行堆叠并且允许水蒸汽在其间传输。水分子可以被吸收到nafion®管的壁中并且被传输到干气蒸汽。可以由相反侧面上的水蒸汽分压上的差来驱动该传输过程。
图4是根据示例实施例的示例水交换器400的透视剖视图。水交换器400被图示具有与阳极流相对应的干氢气入口410和湿氢气出口420，与阴极流相对应的湿空气入口415和干空气出口425。在水交换器中将水从阴极流传输到阳极流。在一个实施例中，fctm系列加湿器可以被用于水交换器155。
图5是根据示例实施例的利用功率发生器的无人机系统（uas）500的透视图。可以将基于燃料电池的功率发生器适配成满足针对长续航时间vtolisr系统操作的已公布的要求。两个示例设计点包括针对以下两种设计的预计燃料电池性能：1200w功率、8kwh能量和1200w功率、12kwh能量。
图6是在600处图示了根据示例实施例的与锂离子电池进行比较的基于燃料电池的功率发生器性能的图表。燃料电池性能与锂离子电池相比是有利的，相比锂离子电池的~50分钟，在uas中提供8-12小时的预计运行时间。燃料电池提供了锂离子电池飞行时间的~10-12倍。
图7是图示了根据示例实施例的在放电期间由于反应产物中的氧气积累而导致的基于燃料电池的功率发生器比能减少的图表700。在放电期间由于反应产物中的氧气积累而导致燃料电池比能减少。针对两种设计，初始（寿命开始）值的范围是从~2500到300wh/kg。针对两种设计，最终（寿命结束）值的范围是从~1500到1650whr/kg。电池比能恒定在~220wh/kg处。在分析中计及燃料电池可变质量（以及所得到的功耗）。
图8是图示了根据示例实施例的在两种替换的kwh燃料电池设计和锂离子电池之间的能量密度差的图表800。
图9是图示了图8的两种燃料电池设计的特性的图表900。
与针对锂离子的~300wh/l相比，针对两种设计，燃料电池能量密度的范围是从1400到1800wh/l。燃料电池能量密度可以是锂离子的4-6倍。
图10是图示了根据示例实施例的打开的电池存储箱1010的uas1000的透视图。铰接的盖子1015被示为打开。在一个实施例中，存储箱1010提供用于燃料电池集成的空间和冷却。基于燃料电池的功率发生器将提供功率，从而导致了具有出色能力和稳定性的几乎无声的长续航时间isr平台。使用利用从燃料电池充电的电池的混合功率发生器将提供适合于上述功能的电功率的速率。与长续航时间相结合的多种功能提供了最大的操作价值和灵活性。
图11是图示了示例燃料电池组的所选层的块横截面图。注意的是，这只是燃料电池组的一个示例，并且在另外的实施例中也可以利用其他燃料电池组。示出了开始于所选层的顶部和氧气流通道1110。利用粘结层1130使阴极电极1115与气流通道1110相邻，之后是被适配成与每个电池相对应的气体扩散层1120。然后膜电极组件层1140被设置来接收来自气流通道1110（其是多孔的）的并且穿过第一侧面上的气体扩散层1130的氧气。来自膜电极组件层1140的另一侧面上的氢气流通道1145的氢气穿过阳极电极层1145和由粘结层1155附着在膜电极组件层1140与气体扩散层1150之间的气体扩散层1150。氢气和氧气在膜电极组件层1140处发生反应来产生电力，该电力由阳极电极层和阴极电极层传导。气流通道之间的层在交替于氢气流通道与氧气流通道之间的接续气流通道之间进行翻转和重复。
图12是图示了根据示例实施例的对基于氢pem燃料电池的功率发生器的元件的温度进行控制的流程图1200。在一个实施例中，功率管理电路135（也被称为控制器）执行功能来控制风扇速度以及因此控制所选元件的温度，如上文所描述的那样。
在1210处，控制器获得关于在氢气和环境空气路径的所选部分处的各种元件和/或气体或流体的温度的来自多个传感器的数据。在1220处，基于所接收到的传感器值生成用以控制风扇的信号，以将元件的温度控制到它们对应的设定点。如所提到的，控制算法可以基于标准pid型控制算法，其可以涉及比例、积分和微分控制中的一个或多个。如果燃料电池组的温度较高，则可以增加环境空气路径风扇速度来帮助对燃料电池组进行冷却。在1230处，控制器周期性地重复方法1200。如果使用可编程数字控制，则周期性意指接连地重复该方法。如果使用模拟控制，则周期性可以意指连续控制。
图13是根据示例实施例的用于执行针对基于氢燃料电池的功率发生器的控制方法的专门编程的系统的框图。系统的硬件和操作环境的一个实施例包括以计算机1300的形式的通用计算设备（例如，个人计算机、工作站或服务器），其包括一个或多个处理单元1321、系统存储器1322以及系统总线1323，该系统总线1323将包括系统存储器1322在内的各种系统部件操作地耦合到处理单元1321。可以仅存在一个或者可以存在多于一个处理单元1321，以使得计算机1300的处理器包括单个中央处理单元（cpu）或多个处理单元，其通常被称为多处理器或并行处理器环境。在各种实施例中，计算机1300是常规计算机、分布式计算机或任何其他类型的计算机。
系统总线1323可以是使用各种各样的总线架构中的任意总线架构的包括存储器总线或存储器控制器、外围总线和本地总线在内的若干类型的总线结构中的任意。系统存储器还可以被简单称为存储器，以及在一些实施例中包括只读存储器（rom）1324和随机存取存储器（ram）1325。可以将包含诸如在启动期间帮助在计算机1300内的元件之间传输信息的基本例程的基本输入/输出系统（bios）程序1326存储在rom1324中。计算机1300进一步包括：硬盘驱动器1327，其用于从硬盘（未示出）读取和写入到硬盘；磁盘驱动器1328，其用于从可移除磁盘1329读取或写入到可移除磁盘1329；以及光盘驱动器1330，其用于从诸如cdrom或其他光学介质之类的可移除光盘1331读取或写入到可移除光盘1331。
硬盘驱动器1327、磁盘驱动器1328和光盘驱动器1330分别与硬盘驱动器接口1332、磁盘驱动器接口1333和光盘驱动器接口1334耦合。驱动器以及它们相关联的计算机可读介质提供了对用于计算机1300的计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的非易失性存储。应当由本领域技术人员理解的是，可以在示例性操作环境中使用可以存储可由计算机访问的数据的任意类型的计算机可读介质，其诸如是磁带盒、闪速存储卡、数字视频盘、伯努利盒式磁带、随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）、独立盘的冗余阵列（例如，raid存储设备）等等。
可以将多个程序模块存储在硬盘、磁盘1329、光盘1331、rom1324或ram1325上，该多个程序模块包括操作系统1335、一个或多个应用程序1336、其他程序模块1337以及程序数据1338。用于实现本文中所描述的一个或多个过程或方法的编程可以驻留于任意一个或任意数量的这些计算机可读介质上。
用户可以通过诸如键盘1340和定点设备1342之类的输入设备将命令和信息输入到计算机1300中。其他输入设备（未示出）可以包括传声器、操纵杆、游戏手柄、卫星接收器、扫描仪等等。通常通过耦合到系统总线1323的串行端口接口1346来将这些其他输入设备连接到处理单元1321，但是也可以通过诸如并行端口、游戏端口或通用串行总线（usb）之类的其他接口来连接。可以经由诸如视频适配器1348之类的接口将监视器1347或其他类型的显示设备连接到系统总线1323。监视器1347可以为用户显示图形用户界面。除了监视器1347之外，计算机典型地包括诸如扬声器和打印机之类的其他外围输出设备（未示出）。
计算机1300可以使用与诸如远程计算机1349之类的一个或多个远程计算机或服务器的逻辑连接来在联网环境中进行操作。通过耦合到计算机1300或者是计算机1300的一部分的通信设备来实现这些逻辑连接；本发明不限于特定类型的通信设备。远程计算机1349可以是另一计算机、服务器、路由器、网络pc、客户端、对等设备或其他公共网络节点，并且典型地包括相对于计算机1300的i/o在上文所描述的元件中的许多或所有，虽然仅已经图示了存储器存储设备1350。图13中描绘的逻辑连接包括局域网（lan）1351和/或广域网（wan）1352。这样的联网环境在办公室网络、企业范围计算机网络、内联网和互联网中都是常见的，其是所有类型的网络。
当在lan联网环境中使用时，通过网络接口或适配器1353将计算机1300连接到lan1351，该网络接口或适配器1353是一种类型的通信设备。在一些实施例中，当在wan联网环境中使用时，计算机1300典型地包括调制解调器1354（另一类型的通信设备）或任何其他类型的通信设备（例如，无线收发器），以用于在广域网1352上建立通信（诸如互联网）。将可以是内部的或外部的调制解调器1354经由串行端口接口1346连接到系统总线1323。在联网环境中，可以将相对于计算机1300所描绘的程序模块存储在远程计算机或服务器1349的远程存储器存储设备1350中。要理解的是，所示出的网络连接是示例性的，以及可以使用用于通过任何适合的交换机、路由器、插座和功率线路来在计算机之间建立通信链接的其他装置和通信设备，该通信链接包括混合光纤同轴电缆连接、t1-t3线路、dsl、oc-3和/或oc-12、tcp/ip、微波、无线应用协议以及任何其他电子介质，因为这些是由本领域普通技术人员所已知和理解的。
在另外的实施例中，功率管理与控制电子设备包括温度与功率输出传感器，其由控制电子设备使用来将泵/风扇速度控制为维持理想的温度和功率输出。控制电子设备可以被配置成维持针对这样的温度和功率输出的设计点，或者可以利用基于从基于标称pem燃料电池的功率发生器的操作所获得的经验数据而参数化的一个或多个公式。
在一个实施例中，燃料电池对一个或多个锂离子电池进行充电，该锂离子电池用来给诸如uas之类的负载提供功率。该电池与简单地直接利用燃料电池相比提供了用以供应更高且更具动态水平的功率的能力，直接利用燃料电池可能响应较慢并且通常不能够提供高水平电流，该高水平电流可能对于以期望方式（诸如在承载负载的同时进行充分加速）操作uas而言是必需的。
示例：
1.在示例1中，一种基于燃料电池的功率发生器包括：燃料电池元件；水交换器元件；氢气发生器元件；环境空气路径，其被配置成接收环境空气以及跨越燃料电池元件的阴极侧来提供环境空气、从燃料电池元件接收水以及向水交换器元件提供湿空气；以及再循环氢气空气路径，其被配置成从氢气发生器元件接收氢气、经过燃料电池元件的阳极侧将氢气提供给水交换器元件以及将湿氢气往回提供给氢气发生器。
2.示例1的基于燃料电池的功率发生器，以及进一步包括可再充电电池，其被耦合到燃料电池元件来接收来自燃料电池元件的电力以及将电力提供给负载。
3.示例1-2中的任一项的基于燃料电池的功率发生器，以及进一步包括：燃料电池温度传感器，其被放置为感测燃料电池元件的温度；以及环境空气路径风扇控制器，用以接收来自燃料电池元件温度传感器的温度信息，以及控制环境空气路径风扇速度来将燃料电池元件温度维持在所选的温度。
4.示例3的基于燃料电池的功率发生器，其中该燃料电池元件所选的温度为60℃。
5.示例3的基于燃料电池的功率发生器，其中燃料电池元件所选的温度在60℃与80℃之间。
6.示例1-5中的任一项的基于燃料电池的功率发生器，以及进一步包括：氢气发生器元件温度传感器，其被放置为感测氢气发生器元件的温度；以及再循环氢气空气路径风扇控制器，用以接收来自氢气发生器元件温度传感器的温度信息，以及控制再循环氢气空气路径风扇速度来将氢气发生器元件温度维持在所选的温度。
7.示例6的基于燃料电池的功率发生器，其中氢气发生器元件所选的温度是80℃。
8.示例6的基于燃料电池的功率发生器，其中氢气发生器元件所选的温度在60℃与100℃之间。
9.示例1-8中的任一项的基于燃料电池的功率发生器，以及进一步包括：水交换器元件温度传感器，其被放置为感测水交换器元件的温度；再循环氢气空气路径热交换器，其具有与水交换器元件耦合的被设置在氢气空气路径中的风扇；环境空气路径水热交换器元件，其具有与水交换器元件耦合的被设置在环境空气路径中的风扇；以及风扇控制器，用以接收来自水交换器元件温度传感器的温度信息，以及控制热交换器风扇速度来将水交换器元件温度维持在水交换器所选的温度。
10.示例9的基于燃料电池的功率发生器，其中水交换器元件所选的温度为40℃。
11.示例9的基于燃料电池的功率发生器，其中水交换器元件所选温度在40℃至60℃之间。
12.示例1-11中的任一项的基于燃料电池的功率发生器，其中水交换器元件被耦合为接收来自环境空气路径的暖湿空气、来自再循环氢气空气路径的暖干氢气，向环境排出热干空气，以及经由再循环氢气空气路径将湿氢气提供给氢气发生器元件。
13.在示例13中，一种方法包括：经由环境空气路径将环境空气经过燃料电池的阴极侧传递到水交换器，从燃料电池的阴极侧收集水以及向环境排出空气和氮气，经由再循环氢气路径将氢气经过燃料电池的阳极侧传递到水交换器，其中水交换器将水从包括阴极流的环境空气路径传输到包括阳极流的再循环氢气路径，以及将水传递到氢气发生器来向再循环氢气路径添加氢气以及经由再循环氢气路径将氢气经过燃料电池的阳极侧进行传递。
14.示例13的方法，以及进一步包括：感测燃料电池的温度，以及控制环境空气路径中的空气速度来将燃料电池维持在燃料电池设定点温度。
15.示例14的方法，其中燃料电池设定点温度为60℃。
16.示例14的方法，其中燃料电池设定点温度在60℃与80℃之间。
17.示例13-16中的任一项的方法，以及进一步包括：感测氢气发生器的温度，以及控制再循环氢气空气路径中的空气速度来将氢气发生器维持在氢气发生器设定点温度。
18.示例17的方法，其中氢气发生器设定点温度为80℃。
19.示例17的方法，其中燃料电池设定点温度在60℃至100℃之间。
20.示例13-19中的任一项的方法，以及进一步包括：感测水交换器的温度，以及控制再循环氢气路径和环境空气路径中的热交换器的风扇来将水交换器温度维持在水交换器设定点温度。
21.示例20的方法，其中水交换器设定点温度为40℃。
22.示例20的方法，其中水交换器设定点温度在40℃至60℃之间。
虽然上文已经详细描述了一些实施例，但是其他修改也是可能的。例如，附图中描绘的逻辑流程不需要所示出的特定次序或按顺序的次序来实现合期望的结果。可以向所描述的流程提供其他步骤，或者可以从所描述的流程消除步骤，以及可以将其他部件添加到所描述的系统或者从所描述的系统中移除部件。其他实施可以在所附权利要求的范围内。