專利名稱：用于燃料電池氫化物存儲容器的充氫系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及燃料電池，尤其涉及用于向燃料存儲容器快速充入氫燃料的系統(tǒng)。
背景技術：
近年來，幾乎所有電子器件都得以小型化和輕量化，尤其是便攜式電子器件。這一進步能夠得以取得，部分地是因為新的電池化學(例如能夠在更小的容器中包容更多能量的鎳-金屬氫化物、鋰離子、鋅-空氣，以及鋰聚合物)的發(fā)展。然而，由于這些都是二次或可充電電池，它們在容量耗盡時需要進行充電。這通常通過將電池與充電器相連來進行，充電器將交流電(通常為110伏AC)轉換成低壓直流電(通常為2-12伏DC)。充電周期通常要持續(xù)至少1-2小時，更一般地要持續(xù)4-14小時。盡管這些新電池相對于前代電池來說是一個極大的進步，但是它們依然受限于復雜的充電方法和低的充電速度。
已有人進行嘗試以用小型燃料電池代替電解電池。簡單地說，燃料電池將氫分子催化轉換成氫離子和電子，然后通過一層膜將電子析出作為能量，同時將氫離子氧化形成H2O，排出副產物水。燃料電池的極大進步在于在小的封裝(與電池相比)中產生總量大得多的能量的潛在能力。然而，在被消費者普遍接受之前，還需要找到一個既好又實際的方法來解決如何向耗盡的燃料電池補充氫燃料的問題。已有人嘗試用甲醇作為氫的來源，通過使用外部系統(tǒng)催化轉換或“重組”甲醇來得到氫。在現(xiàn)有技術水平上，直接用甲醇驅動的燃料電池還只是處在實驗室階段，還需要克服很大的技術障礙。即使興登堡災難已過去了七十年，消費者依然保有對氫燃料的戒心，因此沒有提供氫以補充已耗盡的燃料電池的基礎設施。這樣，盡管燃料電池的能量轉換部分已改進到了能夠在小型設備上進行商業(yè)使用的地步，但是還需在商業(yè)上實現(xiàn)如何向消費者安全地提供少量的氫的問題。
附圖
簡述單獨繪出的附圖是根據(jù)本發(fā)明用于燃料電池金屬氫化物存儲罐的配套充氫系統(tǒng)的圖示。
優(yōu)選實施方案詳述用于燃料電池金屬氫化物存儲罐的配套充氫系統(tǒng)。儲水箱向電解器提供水，水在電解器中轉換成氫氣和氧氣。氫氣存儲在收集器中，在存儲之前或之后對其進行干燥。當需要補充金屬氫化物存儲罐時，由用戶將其與再充系統(tǒng)相連。在轉移所存儲的氫氣之前，由熱交換器對燃料電池儲氫罐進行加熱，然后在轉移所存儲的氫氣時冷卻燃料電池儲氫罐。存儲在收集器中的氫氣快速轉移到儲氫罐中并以金屬氫化物的形式裝載在罐中。雖然本說明書與確定了本發(fā)明全新特征的權利要求一起做了定論，但是可以相信，結合附圖考慮下面的描述將能更好地理解本發(fā)明的結構、工作方法和優(yōu)點。
現(xiàn)在參看附圖，用于燃料電池金屬氫化物存儲罐的配套充氫系統(tǒng)5由幾個部件組成。容器10裝有一定量的水15，它將陸續(xù)轉換成氫和氧。當然，容器10可以采用很多形式，例如開口容器、罐子、囊、箱、池，等等。另外，可用與例如地方水源或其它高純水源相連的供水線(未示出)代替容器10。供水線可以是永久連接的或者是可拆卸的。水15在電解器20中水解成氫和氧。電解(也稱為水解)眾所周知是一種復分解反應，包括水分裂成離子以及弱酸或基或這二者的形成。通過在浸入水中的鉑正極和鉑負極中通入直流電而使這一反應發(fā)生?？偟姆纸夥磻獮?
在負極處產生氫離子，組合成H2分子，作為氫氣22聚集在水的表面上。在正極處同樣產生氧離子并組合成O2分子24，類似地聚集在水的表面上。氧氣可以收集起來，也可以排入大氣。在使用壓縮氧氣作為氧化劑源(而不是環(huán)境空氣)的燃料電池系統(tǒng)中，應當以類似于收集和存儲氫的方法收集和存儲氧。然而，在大多數(shù)情形中，氧將簡單地排入大氣中。通過使氫氣22通過干燥器26除去所有殘余水汽而使其得到干燥。要使燃料電池穩(wěn)定工作，具有干燥的氫源是很重要的。氣體可以在存儲進收集器之前就進行干燥，也可以在向金屬氫化物罐中充氣的過程中進行干燥，干燥的方法可以有很多種，但是我們建議采用像硅膠或3埃分子篩這樣的商用干燥劑，因為它們容易獲得并且在耗盡時容易更換或再生。氫氣22(干燥過的或未干燥過的)存儲在收集器30中。收集器30規(guī)定為存儲系統(tǒng)，可采用多種結構，例如可擴展氣囊、壓縮容器，或具有活塞能以大氣壓或略高于大氣壓的壓力存儲氫的容器。電解器20處由氫氣22的產生而產生的壓力可用來將氫氣“泵”入收集器30并在壓力下存儲。當然，這一壓力是有限的，如果希望存儲更多的氫氣，就需要將其壓縮并存儲在更高的壓力下。這可通過在收集器30中加入機械壓縮器來實現(xiàn)。壓縮器(未示出)壓縮氫以使其能存儲在剛性加壓容器中。壓縮氫的存儲需要必備的安全考慮，這里假設技術熟練的讀者將在壓縮氫的處理中堅持眾所周知的安全預防措施。
當使用者的燃料電池中的氫化物存儲容器100變空并需要補充時，將其與配套充氫系統(tǒng)5相連，容納在收集器30中的氫氣22通過閥門62快速進入氫化物存儲容器100。為清楚起見，應當指出，氫化物存儲容器100是使用者的燃料電池系統(tǒng)的一部分，它可以集成在燃料電池中，也可以是可拆卸部件，例如具有快速脫開的容器。氫化物存儲容器100通常充滿以金屬氫化物形式存儲氫燃料的材料，而不是氫氣。這樣，當氫氣充入使用者的氫化物存儲容器100時，它發(fā)生一個化學反應將改材料轉變成金屬氫化物。熟練的技術人員將能理解，以金屬氫化物的形式可以安全地存儲大量的氫。例如，許多現(xiàn)代的電化學充電電池使用鎳金屬氫化物作為存儲電化學能的媒介，這一材料非常類似于氫化物存儲容器100中所用的材料。由于氫-金屬氫化物反應是放熱的(產生熱量)，故而安置熱交換器55以移除反應產生的熱量。充氣過程中冷卻氫化物存儲容器100使得可以進行快速充氣。從充電速率的立場來看，與現(xiàn)在的電池相關的長充時間相比，使用我們的發(fā)明的充電時間更為有利。例如，以每小時5.25瓦特時的充電速率，一個7伏1500毫安時容量的無線電電池大約需要兩個小時來充電。物理尺寸與上述電池相當?shù)默F(xiàn)有技術的7伏燃料電池系統(tǒng)具有大約10倍于前者的容量，提供15000毫安時的容量，但是使用本發(fā)明可在十(10)分鐘內進行充電，充電速率是每小時630瓦特時。
熱交換器55還可以包括加熱系統(tǒng)。隨著時間推移和使用，氫化物存儲容器100中的材料可能聚集了污染物，損失一些氫化物存儲容量，通常的損失量在10-15％?？墒褂帽景l(fā)明按下面的方法對材料進行凈化和“更新”。熱交換器55工作在“加熱”模式，在充氣之前加熱氫化物罐100，排出殘余氫和其它污染物，同時一個可選的真空泵60通過放氣閥62排出污染物。然后，冷卻氫化物罐100并如前述那樣進行充氣。
在替代實施方案中，充氣計40監(jiān)控并測量進入耗盡的燃料電池罐100的氫氣總量。充氣計最簡單的形式就是一個流量計。為了給出可商用的封裝，上述整個系統(tǒng)可選地容納在外殼70中，它類似于現(xiàn)在的桌面電池充電器，體積通常小于或等于一個立方英尺。這樣，對安全性比較注意的消費者可擁有小型、簡單、有效的方法來對耗盡的燃料電池罐進行快速充電。我們的發(fā)明給出的燃料電池充電時間最多可以比現(xiàn)在的電化學電池充電方法快100倍。由于水和電是補充該系統(tǒng)僅需的原料，我們的發(fā)明實際上可以以最小的成本在任何地方使用。
盡管已說明并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但是很顯然，本發(fā)明并不局限于此。對于熟練的技術人員來說，只要不超出所附實施方案確定的本發(fā)明的精神和范圍，將可以有多種調整、改變、變化、替代和等效。例如，此刻示出和描速的發(fā)明還可與其它基于氫的燃料電池存儲系統(tǒng)——例如碳納米纖維或納米管存儲系統(tǒng)，以及壓縮氫氣存儲容器——一起使用。
權利要求
1.用于燃料電池氫化物存儲容器的充氫系統(tǒng)，包含電解器，將液態(tài)水水解成氫氣和氧氣，所述電解器與供水源相連；氫氣收集器；干燥器，置于電解器和氫氣收集器之間并與這二者相連；以及其中電解器產生的氫氣在干燥器中干燥，然后存儲在收集器中，從而當使用者將燃料電池氫化物存儲容器連接到充氫系統(tǒng)上時，存儲的氫氣從收集器快速轉移到氫化物存儲容器中，以金屬氫化物的形式保留在氫化物存儲容器中。
2.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，進一步包含熱交換器，以在存儲的氫的轉移過程中冷卻所連接的燃料電池氫化物存儲容器。
3.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，進一步包含熱交換器，以在存儲的氫的轉移之前加熱所連接的燃料電池氫化物存儲容器，其中在加熱過程中使用泵來排空燃料電池氫化物存儲容器。
4.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中使用泵來排空燃料電池氫化物存儲容器。
5.根據(jù)權利要求4的系統(tǒng)，進一步包含熱交換器，以在存儲容器的排空當中加熱所連接的燃料電池氫化物存儲容器，并在存儲的氫的轉移過程中冷卻所連接的燃料電池氫化物存儲容器。
6.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，進一步在電解器上包含一個出口，以將電解器產生的氧排出到周圍環(huán)境中。
7.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中收集器進一步包含壓縮器。
8.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，進一步包含充氣計，用于測量轉移到燃料電池氫化物存儲容器中的氫的總量。
9.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)容納在體積小于或等于一個立方英尺的桌面外殼中。
10.用于燃料電池氫化物存儲容器的配套充氫系統(tǒng)，包含供水源，與用于將液態(tài)水轉變成氫和氧氣的電解器相連；儲氫裝置，包含收集器和壓縮器；干燥器，置于電解器之后；以及其中電解器產生的氫氣存儲在儲氫裝置中；熱交換器，在存儲的氫氣的轉移之前加熱燃料電池氫化物存儲容器，并在存儲的氫氣的轉移過程中冷卻燃料電池氫化物存儲容器；其中使用者將燃料電池氫化物存儲容器與充氫系統(tǒng)相連時，所存儲的氫氣快速轉移到氫化物存儲容器中并以金屬氫化物的形式裝載在容器中。
11.根據(jù)權利要求7的系統(tǒng)，進一步在電解器上包含一個出口，以將電解器產生的氧排出到周圍環(huán)境中。
12.根據(jù)權利要求7的系統(tǒng)，進一步包含充氣計，用于測量轉移到燃料電池氫化物存儲容器中的氫的總量。
13.根據(jù)權利要求7的系統(tǒng)，進一步包含真空泵。
14.用于燃料電池氫化物存儲容器的充氫系統(tǒng)，包含電解器，將液態(tài)水水解成氫氣和氧氣，所述電解器與一個供水源相連；氫氣收集器；以及其中電解器產生的氫氣存儲在收集器中，從而當使用者將燃料電池氫化物存儲容器連接到充氫系統(tǒng)上時，存儲的氫氣從收集器快速轉移到氫化物存儲容器中，以金屬氫化物的形式保留在氫化物存儲容器中。
全文摘要
用于燃料電池金屬氫化物存儲罐(100)的配套充氫系統(tǒng)(5)。水容器(100)向電解器(20)提供水(15)，水在電解器中轉變成氫氣(22)和氧氣(24)。氫氣被干燥(26)然后存儲在收集器(30)中。當金屬氫化物存儲罐需要補充時，使用者將其與充氣系統(tǒng)相連。熱交換器(55)在存儲的氫氣的轉移之前加熱燃料電池氫化物存儲罐，并在存儲的氫氣的轉移過程中冷卻燃料電池氫化物存儲罐。存儲在收集器中的氫氣通過泵(60)快速轉移至氫化物存儲罐，并以金屬氫化物的形式裝載在罐中。
文檔編號H01M8/06GK1489798SQ02804293
公開日2004年4月14日 申請日期2002年1月16日 優(yōu)先權日2001年1月29日
發(fā)明者羅納德·J·凱利, 史蒂文·D·普拉特, 西瓦庫馬·穆圖斯沃米, 羅伯特·W·彭尼西, D 普拉特, W 彭尼西, 羅納德 J 凱利, 馬 穆圖斯沃米 申請人:摩托羅拉公司