CN101263080B - 发电机截流阀 - Google Patents

Abstract

一种发电机具有氢产生燃料和燃料电池，燃料电池具有将氢产生燃料从周围环境分离的质子交换膜。阀布置在燃料电池和周围环境之间，从而通过阀的激励可控地防止水进入或离开燃料电池。在一个实施例中，多个燃料电池围绕燃料以圆设置，且阀是具有相应于燃料电池的多个开口的可旋转环形闸阀。

Description

发电机截流阀

背景技术

在一些基于燃料电池的发电机中，氢气从以水存在的燃料吸取且然后引导到燃料电池内以产生电。在这样发电机中，甚至在电力没有从发电机提取时，氢气也可能泄漏到周围环境。当氢气遗失时，水迁移回到燃料以代替由产生氢气的反应消耗的水。如果该过程持续，能量从发电机缓慢地排泄，减少从发电机可得到的用于有用发电的总体能量。

许多这种基于氢燃料的发电机被认为包括复杂的燃料处理，且需要占据显著体积的部件。这种发电机可以限制为相对大的、高功率应用。当前本领域中需要较轻重量和较小尺寸的电源，以应用于例如便携式电子设备、无线传感器、战场应用、以及无人航空器。当未使用时，这种电源应当具有相对长的保存寿命。希望增加当前电源的能量容量，从而减少电源更换间隔且/或增加运行寿命，同时也减少电源的尺寸和重量。

发明内容

发电机具有氢产生燃料和燃料电池，燃料电池具有将氢产生燃料从周围环境分离的质子交换膜。阀布置在燃料电池和周围环境之间，从而通过阀的激励水被可控地防止进入燃料电池。在一个实施例中，多个燃料电池围绕燃料以圆设置，且阀是具有相应于燃料电池的多个开口的可旋转环形闸阀。

附图说明

图1是具有根据示例实施例的截流阀的发电机的截面示意图；

图2是具有根据示例实施例的截流阀的可替换发电机的截面示意图；

图3A是根据示例实施例的图1中所图示的发电机的角的截面示意图；

图3B是根据示例实施例的图2中所图示的发电机的角的截面示意图；

图4是具有根据示例实施例的截流阀的燃料电池的示意图；

图5是对于根据示例实施例的发电机的功率输出对时间的曲线图；

图6是从电池到周围环境的进口的示意图，图示根据示例实施例的截流阀的位置；

图7是包含多个根据示例实施例的燃料电池的圆柱形发电机的局部截面图；

图8是具有截流阀的可替换发电机的截面图。

具体实施方式

在以下说明书中，参考形成其部分的附图，且其中以图示方式显示可以实施的特定实施例。这些实施例充分详细地描述以允许本领域中技术人员实施本发明，且应当理解的是，可以采用其它实施例，且可以进行结构、逻辑和电气改变而不偏离本发明的范围。因此，以下说明书不理解为限制意义，且本发明的范围由所附权利要求书限定。

提供一种电力发电机，其通过具有吸湿的水汽，固体燃料物质的反应内部地产生氢气，该氢气在燃料电池中与来自空气的大气氧气反应产生电能。在燃料电池中，氢气和氧气的反应也产生水分子作为副产品。这些产生的水从燃料电池作为水汽被动地扩散到包含固体燃料物质的燃料室，其中它与燃料物质反应产生氢气。产生的电能可以用于提供电力给连接到发电机的大的或小的设备，取决于发电机的尺寸。本发明的发电机对于提供电力给小型设备尤其有用，例如电连接到发电机的一个或更多燃料电池的阳极和阴极的无线传感器、蜂窝式电话或其它的手持电子设备。

图1和2图示用于实施本发明的过程的可替换的发电机装备的截面图。如图1和图2中所示，电力发电机10包括壳体36、装配在壳体36内的至少一个燃料电池14、与壳体36装配用于存储燃料物质44的至少一个燃料室12、以及在壳体36内从至少一个燃料电池14延伸到燃料室12的腔24。腔24允许氢气从燃料室12流动到燃料电池14，且允许水汽从燃料电池14流动到燃料室12。燃料电池14从氢气和来自空气的氧气反应产生电和燃料电池水。大气氧气通过至少一个空气进口20进入壳体36内。氧气然后行进到燃料电池14，其中它与氢气反应，产生电和水分子。该类型的燃料电池称为质子交换膜(PEM)燃料电池，也已知为聚合物电解质膜燃料电池。

在一个实施例中，每个空气进口20形成为适于包括截流阀21的形状。因而，空气进口20形状可以为矩形或圆形，符合与截流阀21匹配的要求。截流阀也显示在图2，3A和3B中。截流阀的进一步细节在图6中以600显示。截流阀21可以运行将燃料电池从所有周围环境水截断，当它不使用时有效地关闭燃料电池且停止发电和用完其燃料。阀可以手动地运行，或另外按照希望被控制。在一个实施例中，每个空气进口20形成为带有截流阀，在进一步的实施例中其也可以用于周围环境水流动到燃料的可控限制，以及完全截断这种流动。

如图4中所示，典型的PEM燃料电池包括电解质膜42，其定位在膜的一侧上的正极或阴极16和膜的另一侧上的负极或阳极18之间。在典型的氢-氧PEM燃料电池行为中，氢燃料(例如氢气)通过流场板被引通到阳极，而氧气被引通到燃料电池的阴极。在阳极，氢被分离成正的氢离子(质子)和带负电的电子。电解质膜仅允许带正电的离子通过其到阴极。而带负电的电子替代地必须沿外部回路行进到阴极，产生电流。在阴极处，电子和带正电的氢离子与氧组合形成水分子。

在发电机内侧，在燃料电池的阳极18侧上，提供氢或氮气的最初冲洗以从发电机内移除残留的氧。该氢或氮冲洗的目的在于从发电机的阳极移除残留的氧，从而防止氢和氧的潜在爆炸性混合物产生在发电机内，其中该混合物能够容易地由燃料电池阳极上的催化剂点火。可替换地，发电机可以通过从发电机外侧的大气湿度渗透水分子，通过空气进口20，且进入发电机而开始。也可以增加最初量的非燃料电池水到发电机，以大致小于由燃料电池产生的燃料电池水的量的量，以与燃料物质44反应且开始产生氢气。这种启动水可以增加到发电机，例如，通过燃料室12中的开口，例如入口46，或通过另一合适的装置，例如通过空气进口20。然而，本发明的过程和装备设计为没有外部提供的供水运行，即系统是无水的，除了由燃料电池产生的水和存在于发电机外的大气中的水分子。没有包含的或连接的供水，例如水室或水容器，以提供水以与氢燃料物质反应。与常规系统相比，该设计的结果是发电机的能量密度和比能的显著改进。因此，由于氢-氧反应确实产生相应于所产生的电能的需要的水，本发明提供连续的、自调节的过程，其中使用化学计量的量的再循环水和固体燃料。

该过程是被动的运行，没有主动受控的阀或泵。更特定地，一旦在燃料电池14中水作为氧-氢反应的副产品形成，产生的水被动地往回扩散通过燃料电池14，进入腔24且到燃料室12。允许该被动扩散部分由于一个或更多的水保持区22，部分由于腔24内的低湿度，以及燃料电池堆的结构。水保持区22在图3A和3B中突出显示，其提供图1和2中所示的发电机的角图。如在此所使用的，且如图3A和3B中所示，水保持区22包括从空气进口20延伸到每个燃料电池阴极16的通道。水保持区22存在于产生燃料电池水的每个燃料电池14处。由于水保持区22的几何形状，燃料电池产生的水分子流出空气进口的扩散水损失被阻止，从而维持在燃料电池阴极16处水汽的高浓度。水保持区22引起产生的水分子积聚在阴极16处，在阴极16和空气进口20之间生成高湿度区域，而不损失水分子到周围环境空气。

该摩尔流量能够更具体地由以下方程描述：

$J_A=\frac{D_{\mathrm{AB}}*(P_{A1}-P_{A2})}{R*T*(Z_2-Z_1)}$

水汽从阴极16到周围环境空气的传输，以及氧气从周围环境空气到阴极16的传输均是扩散受控过程。A的摩尔通量，或摩尔流量为J_A，其中A是希望的种类，即水或氧气。水或氧气的摩尔通量是扩散率D_AB、点1和点2之间的分压差(P_A1-P_A2)、气体常数R、开氏温度T、以及点1和2之间的距离(Z₂-Z₁)的函数。此外，通量按面积定义，单位kgA/m²sec(千克A每m²秒)。

扩散系数是种类的通量与它的浓度梯度之间的比例常数。扩散系数D_AB指的是种类A在种类B中的扩散系数。在当前情况下，它指的是水汽在空气中的扩散系数，或者氧气在空气中的扩散系数。大的扩散系数将得到大的通量值，且小的扩散系数将得到小的通量值。在室温和通常室内湿度下，氧气在空气中的扩散系数大约为0.21cm²/sec，而在室温和湿度下，水汽在空气中的扩散系统大约为0.24cm²/sec。

分压是由于该混合物的一种成分的气体混合物的总体压力的部分。大的分压差将产生相对大的种类通量，而小的分压差将产生相对小的通量。水保持区设计为给定小的分压差，例如大气氧气分压的大约10％到大约20％，以获得希望的功率水平需要的氧气通量。

气体常数是玻尔兹曼常数和阿伏加德罗常数的乘积。开氏温度影响有关种类的通量。较高的温度往往降低通量，而较低的温度往往增加通量。因而，气体的扩散，且通过扩展，它们的分压差，能够通过调节通道几何形状而被控制。

如图1和2所示的发电机设计为允许足够的氧气从周围环境空气扩散通过空气进口20且到阴极16，仅具有小的压降，例如大气氧气压力的10％到20％。如果运行在高压下，发电机具有高的氢气渗透损失且因而减少的寿命。

将氢气和氧气转换成水的化学反应(2H₂+O₂→2H₂O)对消耗的每摩尔氧气生成两摩尔水。此外，水汽在空气中的扩散率和氧气在空气中的扩散率类似。因此，水汽的分压差必须粗略地为氧气的分压差的两倍以维持平衡。因此，具有上述比例的本发明的发电机维持潮湿的环境而不是将产生的水分子损失到发电机外的大气。

在腔24内，燃料电池14的阳极18侧上，由于燃料物质44的湿气吸附的吸湿性质，存在相对低湿度的区域。因此，在阴极16处的水产生和保持产生了湿气浓度梯度和气体压差，其引起水分子以水汽形式往回扩散通过燃料电池14，进入腔24且到燃料室12。该水汽然后与燃料物质44反应，产生氢气。产生的氢气将然后通过腔24且到燃料电池阳极18，其中它将与氧气反应再次产生水分子。该循环可以可选地持续直到所有的燃料物质44被消耗。

在发电机的运行期间，更多产生的水汽将扩散回到腔内而不是离开空气进口损失。另外，燃料电池输出直接取决于到燃料电池的氧气和氢气反应物的流量，和因而水汽到燃料室的流量。因此，燃料电池输出正比于水保持区的面积和它的长度比。在本发明的实施例中，对于一个实施例中的单个燃料电池，每单位功率的区面积对区长度比为从大约0.01cm/mW到大约0.05cm/mW功率输出。如果包含多个燃料电池，该每单位功率的区面积对区长度比除以共用反应物的燃料电池数量。

如果水保持区22的几何形状过于限制而不允许足够的氧气扩散到燃料电池14，发电机将运行在降低的功率。特定地，在大于0.05cm²面积/1cm长度的区面积对长度比时，过多的水汽将扩散出空气进口，且在小于0.01cm²面积/1cm长度的区面积对长度比时，没有足够的氧气将到达燃料电池来以高效率运行。对在壳体内从燃料电池延伸到燃料室的腔的几何形状也是如此，其允许氢气从燃料室流动到燃料电池，且其允许水汽从燃料电池流动到燃料室。

在另一实施例中，发电机10可以进一步包括至少一个阀26以调节氢气从燃料室12到燃料电池14的流动，且调节水汽从燃料电池14到燃料室12的通路。如图1和2所示，阀26定位在燃料室12和燃料电池14之间的腔24内。在本发明的实施例中，阀26包括气动阀，其通过所述腔24内的气体压力控制，气动地调节水汽到燃料室12的传导。在一个实施例中，阀26包括气动激励的柔性隔板30，其具有可以在支撑件50处固定到发电机壳体36的周边；定位为与隔板30相对的阀盘28；以及结合阀盘28和隔板30的杆连接器。当阀盘28接触密封件38时，阀26在关闭位置，防止水汽到达燃料室12。可替换地，当阀盘从密封件38分离时，阀在打开位置，允许水汽到达燃料室12且允许产生的氢气到达燃料电池14。密封件38可以包括壳体36的部分。支撑件50也可以包括壳体36的部分。如图1和2所示，燃料电池或数个燃料电池14也可以通过支撑件50装配在壳体内侧。

阀的组成部件的尺度可以非常小，但可以关于阀的特定应用变化。隔板厚度和直径应当在取决于希望的功率输出的一定范围内。在本发明的一个实施例中，隔板30包括薄的圆形板，具有从大约1cm到大约3cm，或从大约1cm到大约2cm的直径。阀盘28可以具有从大约0.2cm到大约1cm，或从大约0.2cm到大约0.5cm的直径。在本发明的一个实施例中，杆连接器可以包括螺钉或螺栓，但将隔板30连接到阀盘28的任何其它装置是合适的，从而该阀能够在打开和关闭位置之间更替。

阀的激励可以通过施加在隔板30上的内部气体压力控制。当装备的内部气体压力由于产生氢气升高时，隔板30将弯曲或稍微向外推进。这引起连接器拉阀盘28靠着密封件38，关闭阀且防止附加的水汽流动到燃料室12。阀关闭时，氢产生中止。这也防止内部气体压力进一步升高。当氢气被消耗时，例如被燃料电池14，内部气体压力下降，允许阀盘28脱离密封件38且打开阀。因此，氢气自动地以其消耗的速率产生。

在本发明的一个实施例中，发电机10经由气动阀26通过维持固定的压力运行。发电机10应当能够在降低的功率输出时运行降至低的周围环境压力，且在全功率输出时升至理论上无限的周围环境压力。在本发明的实施例中，当在关闭位置时，装备的内部H₂压力为从大约0kPa到大约1000kPa。当没有氢气被燃料电池使用时，阀将完全关闭，且将打开满足氢气消耗速率所要求的量。在本发明的一个实施例中，发电机的内部压力总是维持在大约100kPa，其中当压力降低到低于大约10kPa时，阀将稍微打开，直到内部压力升至或大于大约500kPa，引起阀关闭。对于诸如便携式电子设备或无线传感器的小规模应用，运行压力可以从大约0.5atm(大约50kPa)到大约2atm(大约202kPa)。

总体上，发电机10通过使用气动阀26维持固定压力运行，通常高于周围环境几个psi。在一个实施例中，发电机10能够在降低的功率输出时运行降至低的周围环境压力，且在全功率输出时升至理论上无限的周围环境压力。

在使用时，发电机10可以维持在从大约-40℃到大约85℃的运行温度，或在进一步的实施例中，从大约-20℃到大约50℃，或从大约0℃到大约50℃或从大约20℃到大约50℃。

为本发明的目的，术语“水汽”不包括蒸汽。虽然“水汽”和“蒸汽”都是水的形式，但是每个具有非常不同的属性和用途。例如，机车能够由蒸汽驱动，但不会如本发明一样靠存在于潮湿空气中的水汽运行。本质上，“水汽”是个体的水分子的气体，其可以在任何温度自然地在水的本体，包括冰上方形成，或可以自然地出现在周围环境空气中。它具有低的分压，因此它包含相对少的水分子，除非形成它的水被加热。另一方面，“蒸汽”由通过加热水至沸腾产生的微小热水滴构成。蒸汽比15℃的水汽包含大约100倍多的水分子，自然地以高的力和速度膨胀，且大量的水能够沸腾并作为蒸汽传输。水汽存在于日常的空气中且比蒸汽或液体水包含更少数量的水分子，且通过自然扩散非常缓慢地移动。仅非常小的数量的水能够以水汽形式传输。为了说明，单个水滴在室温下通常花一个小时汽化，而整壶水能够在大约20分钟内沸腾成蒸汽。另外，蒸汽驱动的发电机需要可以从其产生蒸汽的供水或水源。与此对比，本发明通过排除这种水源而对相关技术提供改进。因此，本发明的装备和过程设计为使用水汽在低运行温度下，而不是使用蒸汽在高运行温度下起作用。

如图1和2中所示，发电机10可以进一步包括与空气进口20结合的约束件32，调节大气氧气和大气水分子扩散到发电机内。由于存在的对在阴极16处产生的水汽的向外扩散的阻抗，该约束件也有助于提高燃料电池阴极16处的湿度。这种增加的湿度改进燃料电池的运行。该约束件包括疏水性膜，其对大气氧气是大致可渗透的，但对水汽是大致不可渗透的，该膜大致阻碍燃料电池水流入大气。用于具有希望属性的该氧气可渗透、水汽不可渗透的膜的合适的材料包括含氟聚合物材料，例如氟化乙烯丙烯(FEP)、过氟烷氧基，以及含非氟聚合物材料，例如定向聚炳烯(OPP)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和环烯烃共聚物(COCs)。一种氧气可渗透、水汽不可渗透的膜材料包括氟化乙烯丙烯。此外，对一些实施例，膜可能不能单独允许足够的氧气渗透到阴极。因此，在约束件32中可以提供小的开口48(参见图2)以允许额外的大气氧气和大气水分子进入腔内，以扩散到燃料电池阴极或多个阴极。然而，该开口也可以引起一些水汽扩散出发电机10。需要的开口尺寸是功率水平、扩散路径长度、以及希望的分压降的函数。该开口的尺寸非常小且可以包括膜的整个表面面积的从大约0.001％到大约1％。

燃料室12内的大致非流体物质可以包括粉末、微粒或小球形式的材料且可以为碱金属、氢化钙、氢化锂、氢化铝锂、硼氢化锂、硼氢化钠及其组合物。合适的碱金属非排他地包括锂、钠和钾。用于该非流体物质的一种材料是氢化铝锂。燃料物质可以为固体的、多孔的材料，其允许气体和水汽扩散。另外，非流体物质也可以与氢产生催化剂组合，以催化水汽和非流体物质的反应。合适的催化剂非排他地包括钴、镍、钌、镁和合金及其组合物。

如图1和2中所示，燃料室12可以用多孔水汽膜34确定边界。接附到壳体36且与燃料室12并置的该膜34必要地对水汽是可渗透的，以允许水汽进入燃料室12内且与固体燃料物质反应，从而产生氢气。它也必要地对氢气是可渗透的，以允许产生的氢气进入腔24内且回到燃料电池14。用于具有这样的双重属性的该水汽膜34的合适材料非排他地包括包含含氟聚合物的多孔聚合物、包括诸如膨胀的Teflon

的膨胀的聚四氟乙烯(ePTFE)叠层。示例ePTFE叠层为由W.L.Gore&Associates，Inc.of Edlaware制造的GORE-TEX

，以及由BHAtechnologies of Delaware制造的eVENT

。

特别参考图2，其为具有与图1的发电机相比带有更大的表面面积的空气进口的本发明的可替换发电机的截面示意图。类似地，在该实施例中，疏水性膜32可以放置在空气进口20处，其对大气氧气是大致可渗透的，但对水汽是大致不可渗透的。然而，为了允许将水分子从大气中的自然空气湿度吸入，小的开口48(例如大约0.008cm²)可以切入膜32内。该开口48也允许额外的氧气扩散到燃料电池阴极。在本发明的实施例中，当在具有至少大约5％的相对湿度的环境中时，本发明的发电机将表现最佳，其中性能将随增加的湿度改进。

图2的实施例可以包括气动阀26，其可以包括网形隔板30和与阀26的网形隔板30并置的可渗透水的、不可渗透氢气的膜40。网形隔板30对水汽是可渗透的且可以从诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯的聚合材料或诸如不锈钢的金属形成。用于该可渗透水的膜40的合适的可渗透水的材料包括全氟化聚合物，例如全氟磺酸离子键聚合物。同样合适的有环氧化物和氯丁二烯橡胶。可渗透水的膜可以包括从EI DuPont deNemours&Co.of Delaware的商标Nafion商业可得的全氟磺酸离子键聚合物膜。由于它具有使它非常稳定的氟化的构架，具有磺酸侧链以支持高离子电导性，Nafion可以用于一个实施例中。可渗透水的、不可渗透氢气的膜40允许水汽扩散到燃料室12而不将水汽通过电解质膜42。与如果水仅通过燃料电池本身恢复相比，它为水汽渗透到燃料室内提供大面积的路径且可以允许燃料电池14运行在更高的电流密度。类似的材料形成至少一个燃料电池14的电解质膜42。

因此，从图2中可以看出，该发电机10为燃料电池产生的水分子从燃料电池阴极16传输到燃料室12提供双重的途径。具体地，在图2的实施例中，在燃料电池14中氢气和大气氧气的反应在燃料电池阴极16处导致产生燃料电池水，且从而产生电。该产生的燃料电池水被保持在水保持区22且可以通过往回扩散通过燃料电池14，或通过从水保持区22扩散且渗透通过网形隔板30和可渗透水的膜40再进入腔24。

图5提供本发明的小规模微型发电机的功率输出对时间的曲线示例。在不同实施例中，本发明的微型发电机可以产生从大约1微瓦到大约100毫瓦，或从大约1微瓦到大约1000毫瓦的功率输出，以及从大约0.1W-hr/cc到大约10W-hr/cc的能量密度。本发明的更大的发电机可以产生从大约1瓦到大约100瓦的功率输出水平以及从大约0.1W-hr/cc到大约10W-hr/cc的能量密度。

图6图示在通道或开口607内具有阀605的示例燃料电池600，阀605可以用于燃料610和周围环境615之间，以当燃料电池未使用时，防止水从周围环境到达燃料。在一个实施例中，阀605定位在周围环境和PEM膜620之间引导的开口中。阀可以手动地运行，或可以使用来自燃料电池的动力关闭。这种阀能够用静电的、气动的、压电的、或磁的(螺线管)激励器自动地运行。在一个实施例中，阀是闸阀。在进一步的实施例中，阀可以为球形阀、闸阀、蝶形阀、球阀、或其它类型的阀。

燃料电池600不需要包括前述实施例中所图示的调节阀。它可以为简单的燃料电池，具有氢产生燃料610和PEM膜620，一侧暴露到周围环境615以及由燃料610产生的氢气。

在进一步的实施例中，截流阀605包括隔板，其可以在打开和关闭位置之间静电地移动。在又一进一步的实施例中，它可以为与开口607中的相应螺纹匹配的带螺纹的元件。为了打开阀，带螺纹的元件拧松。为了关闭阀，带螺纹的元件被往回拧紧到位。在一个实施例中，当关闭时，阀提供密封。

在图7中图示的是具有多个燃料电池的本发明的圆柱形发电机10的局部截面图。如图7中所示，在一个实施例中，多个燃料电池14围绕发电机10的圆周定位。燃料电池14的数量可以变动，例如所示的5，或8。可以使用更少或更多的燃料电池14。本发明的发电机10也可以包括入口46，通过其燃料物质44可以可选地补充。可替换地，当燃料物质44被消耗时，发电机可以被处理，类似于电池。发电机10的每个组装的组成部件可以进一步封装在合适的中空结构中，例如由合适材料形成的管，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(未示出)，该封装件也可以用合适的帽(未示出)盖在顶部和/或底部表面上，该帽可以是可去除的且可以由与该封装件类似或不同的材料形成。发电机10也可以包括至少一个电连接器，设备可以通过其电连接到发电机10。如图1中所示，在本发明的实施例中，设备52(示意性地表示，未按比例画出)可以通过电连接器54和56电连接到发电机10，该电连接器54和56可以连接到燃料电池的阴极和阳极。

电连接器54和56也在图7中图示。在包含多个燃料电池的实施例中，多个燃料电池可以串连连接，且可以连接到从发电机壳体36突出的单组电连接器54和56。在本发明的一个实施例中，发电机10包括八个互相连接的燃料电池。

发电机10和阀26的每个部件可以由合适的聚合材料、金属或由发电机和阀的有意用途的要求确定的其它材料制作。一种示例材料非排他地包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。发电机10的组成部件的尺度可以非常小，但也可以关于发电机10的用途而变化。这种无水的、微型发电机的外部尺度为长度从大约1mm到大约100mm，宽度从大约1mm到大约100mm，以及深度从大约1mm到大约100mm，或在进一步的实施例中，长度从大约1mm到大约25mm，宽度从大约1mm到大约25mm，以及深度从大约1mm到大约25mm。这种无水的、微型发电机能够包含一个或更多燃料电池14，该燃料电池尺寸范围从大约0.1mm²到大约5000mm²。本发明的无水的、微型发电机也能够包含从大约0.1mm³到大约15,625cm³的体积容量。更大的发电机可以具有长度、宽度和深度高达至少大约50cm或更大的尺度，燃料电池面积高达至少大约5000cm²或更大且发电机体积高达至少大约0.125m³或更大。虽然这些尺度用于一个实施例，它们可以广泛地变化且不意在限制。如本领域中技术人员能够以本发明的发电机想要运行的方式确定的，发电机的每个组成部件的尺度可以类似地变化。

在图7中，到每个燃料电池的通道710，712，714，716，和718提供到周围环境的通路。具有相应开口730，732，734，736，和738的可旋转环725或多开口闸阀通过相对于通道旋转环725使得开口和通道不对齐，提供诸如到每个燃料电池的截流阀功能，如图7中所示。将环725旋转对齐开口和通道提供燃料电池到周围环境的通路，以提供附加的水，例如以水汽形式，从而允许燃料电池重新产生电。

图8是可替换的发电机800的截面图，具有氢产生燃料810和基于质子交换膜的燃料电池820，燃料电池820可控地暴露到周围环境和由燃料810产生的氢气。在不同的实施例中，燃料电池820可以包括在一层或更多层中的一个或更多燃料电池。在一个实施例中，压力调节阀布置在氢产生燃料810和燃料电池820之间。阀包括布置在氢产生燃料的第一侧上的压力响应柔性隔板825，以及连接用于就位在板840上的阀板835的活塞或杆830。板840可以联接到发电机箱845且具有环形座圈850，以实现与阀板835的密封接触。

在进一步的实施例中，滑阀855或其它类型的阀联接在燃料电池820和周围环境之间。诸如滑阀激励器860的激励器联接到滑阀855，以在打开位置和关闭位置之间移动阀，打开位置允许氧气从周围环境空气或可控源到达燃料电池820，关闭位置如果没有完全也大致防止氧气到达燃料电池820。

在一个实施例中，隔板825设计为具有足以在燃料和板阀840之间生成希望的氢气压力的弹簧常数。阀调节水汽在燃料电池和燃料之间的扩散。阀的弹簧常数因而确定发电机内部和环境，也称为周围环境之间的压差。

应当进一步理解的是，虽然已经描述图示不同结构的几个实施例，这些结构不意在限制。以大致类似的方式进行的其它设计变型，即能够用包括固体燃料物质的氢-氧燃料电池产生有用水平的电的无水发电机包含在本发明的范围内。

提供摘要以符合37C.F.R.§1.72(b)，以允许读者快速地确定技术披露的性质和要旨。提交的摘要应当理解为它不用于解释或限制权利要求书的范围或涵义。

Claims (10)

1.一种发电机(10，800)，包括：

氢产生燃料(44)；

燃料电池(14，600，800)，其设置于氢产生燃料(44，810)与周围环境之间，所述燃料电池(14，600，800)具有质子交换膜(42，820)，质子交换膜(42，820)将氢产生燃料(44，810)从周围环境分离；以及

布置在燃料电池和周围环境之间的第一阀(21，725，855)，从而水被可控地防止进入和离开燃料电池的单个开口(20，730，732，734，736，738)。

2.根据权利要求1所述的发电机，且进一步包括定位在氢产生燃料和燃料电池之间的第二阀(28，835)。

3.根据权利要求2所述的发电机，其中燃料电池包括以环设置的多个燃料电池(14)，且其中第一阀包括多开口闸阀(725，855)。

4.根据权利要求3所述的发电机，其中多开口闸阀(725)被旋转以可选地将阴极(16)暴露到周围环境或从周围环境阻断。

5.根据权利要求2所述的发电机，第二阀(28，835)是联接到压力响应柔性隔板(48，825)的压力调节阀。

6.根据权利要求5所述的发电机，其中当氢产生燃料(44，810)和燃料电池(14，600，800)之间的压力大于预定水平时，压力调节阀联接到座(38，840，850)，从而当氢产生燃料和燃料电池(14，600，800)之间的压力低于预定水平时，它允许氢产生燃料(44，810)暴露到燃料电池。

7.一种发电机(10，800)，包括：

氢产生燃料(44，810)；

以环设置的多个燃料电池(14，600，800)，其中燃料电池设置于氢产生燃料与周围环境之间，每个燃料电池具有质子交换膜(42，820)和通向周围环境的开口(710，712，714，716，718)，所述质子交换膜(42，820)设置于燃料电池的正极与负极之间

可旋转环阀(725)，其具有相应于燃料电池的开口(710，712，714，716，718)的开口(730，732，734，736，738)，从而通过旋转环阀，水被可控地防止进入燃料电池。

8.根据权利要求7所述的发电机，其中环阀(725)围绕燃料电池(14)联接在周围环境和燃料电池的质子交换膜(42，840)之间。

9.根据权利要求7所述的发电机，其中燃料电池的开口(710，712，714，716，718)包括从质子交换膜通到燃料电池的开口到周围环境的通道。

10.一种发电机(10，800)，包括：

氢产生的装置(44，810)；

燃料电池(14，600，800)，其设置于氢产生燃料(44，810)与周围环境之间，所述燃料电池(14，600，800)具有质子交换膜(42，820)，质子交换膜(42，820)将氢产生燃料(44，810)从周围环境分离；以及

用于可控地防止水进入和离开燃料电池(14，600，800)的单个开口(20，730，732，734，736，738)的装置(21，725，855)。

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