CN101268577B - 氢气和电力发生器 - Google Patents

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Abstract

一种装置，它使用需要的氢气流和从燃料电池电源获得的用于运转的电力。另外，燃料电池产生的水可循环以用于氢气发生，所述氢气发生可被该装置利用，并进而由燃料电池扩展以进一步发电。该装置可以是气相色谱仪、流体校准机构、火焰离子化检测器或诸如此类。

Description

氢气和电力发生器
背景
本申请是2003-12-29提交的题为“Micro Fuel Cell”的美国专利申请序列号10/750,581，在此收作参考，的部分继续，并要求其权益。
本发明涉及供某一装置使用的氢气的发生，具体地说涉及该装置用的氢气和电力的发生。
本发明可能涉及美国专利6,393,894B1，2002-05-28授予，题为“GasSensor with Phased Heaters for Increased Sensitivity”，在此将其收作参考。
概述
本发明涉及用于装置的氢气和电力的发生，所述装置使用氢气和电力来运转。另外，发电的副产物可循环用于进一步的氢气和电力发生。
附图简述
图1是与一种既使用氢气也使用电力的装置，例如，流体色谱仪一体化的氢气和电力发生器的示意图；
图2类似于图1，区别是该装置是一种带有预浓缩器并具有电力储存的色谱仪；
图3表示氢气和电力发生器的另一种配置；
图4表示可与本发明发生器联合使用的流体分析仪；
图5和图6显示用于流体分析仪的加热器结构的两张视图；以及
图7显示一种微气体分析仪，其可具有结构上整合在分析仪中的氢气和电力发生器。
描述
存在需要氢气气流和电力使其运转的电池驱动装置，例如，扫描天然气泄漏的现场便携式FID(即，H2-火焰离子化检测器)，它或者作为独立便携式FID，或者作为GC(气相色谱仪)检测器的一部分，以及微型GC。这些装置可具有绑在一侧的H2或H2-N2气罐，该气罐一般又大又重，需要定期更换或再灌注并可能产生滞期费(demurrage charges)。另外，该便携式装置可能使用沉重的电池，这可能使得使用这样的仪器做8小时一班的检漏工作变得很累人。
本发明可提供一种特殊氢气燃料电池形式的较好氢气源。该电池可能更紧凑(即具有较高能量密度)，摆脱了沉重带压钢罐，除了氢气之外还产生电力，储存此种能量以方便冷启动或供高峰电力的需要，从而不再需要沉重的8小时电池。该发生器可循环使用它产生的水。
本发明的发生器可提供燃料电池用氢气。该发生器可将1.4cm3LiAlH4和1.6cm3 H2O转化为2000cm3氢气。该转化过程从化学上可表示为
LiAlH4+4 H2O＞＞4 H2+Al(OH)3+LiOH(1)ΔH(形成)kJ/mol：
-117.2-4×285.83＞＞0-1273-487-19.2＝-518.7kJ。
随后，该氢气可在燃料电池内产生约128Wh电能。该燃料电池的能量密度可为目前市售供应锂电池的1.5-2倍高。一种范例锂电池可在尺寸上近似于″C-cell″电池。此种C-cell电池可以是TekcellTM CR123A3伏电池，直径为1.7cm，长3.5cm，体积约8cm3，重17g。其功率输出可为约4.2Wh或0.48mW达一年。一种拽取功率(power draw)能为约10W的较大电池的尺寸为约300cm3。可能存在一种为下述平均拽取功率设计的燃料电池：
Figure S2006800187647D00021
2毫安(mA)，相当于功率0.6V×2mA＝1.2mW(毫瓦)。
作为说明例子，一个微气体分析仪的氢气和功率需要可为约3cm3/min，可折合2000cm3维持约650min，这可能超过用不大于平均0.25W使微气体分析仪运转的目的。等价于约3cm3/min的功率可被表述为下面的等价物。1法拉第(96,500Cb)对应于1mol，因此可认为(96500Cb×3V)等价于22,415cm3，就是说，3cm3/min相当于(3/22415)(96500*3/60)＝0.646W。
微燃料电池能让化学燃料与从水扩散而来的自然水起反应，因为在发生器内它不需要液体泵。该装置可产生约0.1cm3/min H2。要产生3cm3/min H2，就将需要使水的传递速度变为30倍。这在利用水蒸气的自然扩散的情况下可能是可行的，如果将电池中的Gore-TexTM膜面积增加到约2″×2″。或者可增设一个水泵。水泵送速率可能需要为约4×10-5cm3/s。
为节能要克服的另一个挑战是让产生的氢气兼具有H2载气泵的功能并替代该泵。如果待分析的是空气样品并且其标的被分析物需要预浓缩，则可能在样品注入到氢气气流中以后至少在H2-载气中进行分离。一种有利的方面可能是，该发生器在压力下可产生H2。另一个方面可能是，燃料电池可顶着真空吸入H2，靠的是与来自空气的氧气起反应生成水的亲和力，水一旦凝结后，因体积缩小，能少许降低燃料电池内的绝对压力。以上过程基于以下反应。
2H2+O2+4.83N2＞＞2H2O(液)+4.83N2。
该反应可造成原始体积或压力的约4.83/7.83＝0.617倍的体积缩小。这表现为，H2燃料电池能顶着此种压差促使上述反应。目前的H2发生速率可能仅受限于水(液态或气态)透过所示Gore-TexTM膜的渗透速率，从而可能造成一种连续但无控制的H2和电力的发生，尤其是如果控制向H2发生器的水供应速率的气动阀中有泄漏的话，正如在图3中所示。
发生器系统可具有图1和2的单元块，借以操作某种装置，例如FID的GC，或者任何其它既需要氢气也需要电力的装置。图4显示一种可利用氢气和电力的范例微GC的例子。图2中的括号26和35分别显示氢气和电力发生器，和由电力驱动并消耗氢气的装置。非一次性或非可再充电部件可结合到装置包中，诸如电能储存装置，后者可能不作为发生器包的一部分。可将发电控制画成类似的方框，以便当储存已满并且装置不需要电力时就不再发出任何电力。
该传感器系统可具有一次性(或可再充电)“电池”或发生器，由它们产生和提供氢气给各个单独的“装置”，随后该氢气返回并被用于发生器以便还通过公知的氢燃料电池技术产生电能。氢气发生器可提供诸如FID和/或微气体分析仪或气体校准系统之类装置所需的氢气和电力。该气体发生器可利用含氢化学品。含氢化学品可以是水和金属氢化物。在该发生器与装置的组合中，该装置可非破坏性地利用所产生的氢气，然后将它返回到发生器中。在发生器中，可将返回的氢气送到燃料电池以发电。所产生的电力可存储在储存装置中，后者可以是以下装置之一或多种：电容器、超电容器和可再充电电池。燃料电池所产生的水可循环到氢气发生器中以制造更多的氢气，并从而减少水储存的重量和体积。氢气流量和压力的控制可根据装置拽取的功率进行调节。利用需要使用的氢气所产生的多余电力可储存起来。这部分电力可在不需要氢气流期间被用于数据处理、无线传输，和/或适当装置部件的加热/退火/再生。
发生器-装置系统的优点可包括，一种既发生氢气又产生电力的一次性或可再充电“电池”。该系统可节省空间、减轻重量和减少总功率消耗，这对于可移动便携式装置来说乃是首要的优点。系统的储能功能可使传感器能在发生器延迟的期间启动，减少当氢气需要量超过相关的电力发生时发生器的电力浪费，并在不需要氢气流的情况下进行数据处理和传输。同样，在该系统中，水从燃料电池循环返回到氢气发生块中可减少用于水储存的重量和体积。
图1是一种用于需要氢气和电力的装置的发生器10的示意图。范例装置19可以是(相位)微GC系统。第一块11可包含含有液态水的体积12。横跨包含体积12的块11可以是Gore-TexTM膜13或等价材料，以及相对体积12的膜13的另一侧的体积14。在体积14中，可以是水蒸气，后者可经通道15流入到具有含LiAlH4的体积17的块16中。水蒸气和LiAlH4之间的化学反应可生成氢气(以及副产物Al(OH)3和LiOH(1)。从块16，氢气可穿过通道18流入到能利用氢气和电力的装置19中。从装置19，氢气可经通道21流入到燃料电池22中。空气可能经通道23引入到燃料电池22中。该燃料电池，由于这些成分作用的结果，可产生被送入到装置19以便使它运转的电力24。燃料电池22的副产物可以是水和N2。水可凝结为液体并通过管子25被喂入到块11的体积12中，这又可造成透过膜而形成水蒸气的过程，正如上面所述。来自燃料电池22的水可直接喂入到块13的体积14中。
图2显示具有带有水再利用的氢气和电力发生器25的系统20的另一幅示意图，该系统用于驱动具有预浓缩器27的相位微GC 40。块11和16可按照类似于图1的系统10的那些块的方式运转。燃料电池28类似于燃料电池22，但它具有进入到储存和控制方框29的输出，后者可将来自燃料电池28的能量储存起来并提供电力控制，以便当储存已满并且连接它的装置35那时又不需要电力时将不产生电力。电力24可从储存和控制方框29进入相位微气体分析仪40。空气可经通道31进入燃料电池28。可以存在Gore-TexTM膜32以便将来自燃料电池反应的副产物水和N2分离，使得水可以进入体积33并且N2可经通道34流出燃料电池28。水可经通道36流出燃料电池28并进入块11，其中液态水进入体积12，同时水蒸气进入体积14。
装置35可由预浓缩器27和相位加热器微气体分析仪40组成。样品和空气可分别经通道37和38进入到预浓缩器27中。预调理的样品65可注入，或者经过小孔39从预调理器27进入气体分析仪40。分析仪40可以经通道18获得来自产生H2的块16中的化学反应的H2气体。分析仪40可利用氢气作为其过程中的载气，随后将氢气经通道41送到燃料电池28去，其中电池28可在反应中利用它，根据需要产生更多的电能。
在图2中，在燃料电池28和/或储存控制方框29的输出处还可能存在计量表61，用于测量电力，并与储存和控制方框29相连接。可设有压力传感器、流量传感器和/或分别位于通道15、18和41，并连接储存和控制方框29的阀62、63和64。凭借这些传感器和阀以及储存和控制方框之间的输入和输出，可基于如下因素调节作为氢气流量和压力的控制的这些物件：分析仪40从燃料电池22拽取的功率、数据处理、无线传输和/或加热、退火/再生或适当装置和/或机构及其部件等。
图3显示一种氢气发生器的组合30的示意图，它基于来自燃料室41的LiAlH4、氢气和水室42和相联系的燃料电池44。燃料室41可具有燃料46和残余物的容器45。燃料46可包括LiAlH4，它可在室41(如经阀板47准许的)内与水蒸气43结合生成氢气，阀板则可由被隔膜(diaphragm)49推动的连接结点48驱动到敞开位置。隔膜49可安装到柔性但气密的膜51上，从而允许隔膜49移动进而相对于阀座52打开或关闭阀板47，如给燃料电池44供应氢气而输出电力所需要的。氢气也可由室41经通道53提供。空气可经通道54提供到燃料电池44的室42中。电力24可来自燃料电池44。阀板47和阀座52可形成通常关闭或打开的阀，最终取决于对来自燃料电池44的电力24的需要。隔膜49可依靠容器55的膜51内外压差来驱动阀板47，而压差可能依赖于通道53和/或54的闭合。室42可具有跨越容器55的底部连接的Gore-TexTM膜56，从而形成可装有水的体积57。膜56可允许蒸气从体积57移动到体积42和41。燃料电池可输出端子58与59间的电压，以提供电力24。
图4揭示微气体仪器115的某些方面。仪器115可以是流体组成传感器、分析仪或色谱仪，并具有浓缩器224、分离器226、各种各样的检测器227、225、228和泵151、153。浓缩器可具有“相位”加热器阵列，它们在流体流道中在彼此相对不同的时刻启动。该仪器115可涉及相位加热器阵列结构，并涉及应用诸如传感器、分析仪或色谱仪之类的结构，用以识别和定量分析流体组分。具有此种(相位)加热器构型的此种仪器115可视为或称作“相位”装置。术语“相位”也可视为“用于改善检测的相位加热器阵列结构”的缩略语。
样品物流125可从管道或管子119喂入仪器115的输入，正如图4所示。可存在颗粒过滤器143用以去除进入仪器115的流体125物流中的污垢和其它颗粒。流体125的部分145可流过差示热导检测仪(TCD)或化学传感器(CRD)或光-电离化传感器/检测器(PID)或可测定光-电离化电流的其它装置227的第一支路，同时流体125的部分147则流过管子149到达泵151。通过在紧邻检测器227的进口设置T型管，可实现延迟非常短的采样，因为较高的流量147有助于缩短过滤器吹洗时间。泵151能造成流体147从颗粒过滤器143的输出流过管子149并从泵151排出。泵153可实现流体145经过管子157而流过传感器的流动。对于图4的系统115，还可存在附加的或1个泵，和各种不同管子或管道结构或配置。氢气可起到流体145中的样品的载体作用。
流体145可流过浓缩器224、流过流量传感器225以及分离器226。从分离器226出来，流体145可流经传感器或检测器228并流出管子229，该段管子可连接到管子157和泵153。流体145可离开泵153。浓缩器224可具有加热器，该加热器随着流体145自己的流动而以相同的速率顺序地打开或者加热器打开速度以致在流体145中产生热脉冲。该热脉冲可以与流体145穿过通道的流动相同的速率或相位穿过浓缩器224的通道132。随着浓缩流体145流过分离器226，它可为了分离的目的而被加热。该加热器可视为“相位加热器”。控制器230可连接到浓缩器224以控制元件120、122，...124和126的加热相位，以便在流体145的流动中提供浓缩的热脉冲。控制器230还可连接到分离器226、传感器和/或检测器227、225和228上。控制器230可连接到泵151和153。来自检测器225、227和228的数据可送往控制器230去处理。
图5是部分传感器仪器115的示意图，代表图4中浓缩器224或分离器226的一部分。传感器仪器可包括基材112和收集器230。收集器230可以或者可以不结合到基材112中。基材112可具有位于其上的多个薄膜加热器元件120、122、124和126。虽然在图中仅画出4个加热器元件，但可设置任何数目加热器元件，例如，介于2-1000个之间，但典型情况在20-100的范围。加热器元件120、122、124和126可由任何合适的电导体、稳定的金属或合金薄膜制成，例如，镍-铁合金。加热器元件120、122、124和126可设在薄、低热物质(low thermal mass)、低-平面内热导的支撑件130上，正如在图6中所示。支撑件或膜130可由Si3N4或其它合适或类似材料制成。加热器元件可由铂或其它合适或类似材料制成。
基材112可具有明确界定的单通道相位加热器机构141，它具有用于接受样品流体物流145的通道132，正如图6所示。基材112可具有规定的、用于接受流样品流体145的通道132。该通道可借助选择性腐蚀支撑件130底下的硅通道晶片基材112制成。通道132可包括进口134和出口136。
传感器仪器还可包括许多在通道132内的互动元件以便它们暴露在流样品流体145。每个互动元件可与对应的加热器元件相邻布置，即，尽可能紧密地接触。例如，在图6中，互动元件140、142、144和146可设在通道132内支撑件130的下表面上并分别与加热器元件120、122、124和126相邻。还可有其它通道，连同附加的互动薄膜元件，只不过在本说明例子中未表示出来。互动元件可由任何数目在液相或气相色谱法中普遍使用的薄膜构成。
图7显示微分析仪800的放大透视图。分析仪800可具有通道和一系列沿着通道布置的加热器。加热器可以一种顺序的方式接通，以便随着流体流过通道而连续地加热一部分样品流体。加热器可提供沿着通道以与这部分样品流体流过通道的速度近似相等的速度移动的热脉冲。加热器可逐渐累积地加热这部分样品流体。可存在连接到该流体分析仪的预浓缩器。
分析仪800的包或模块860的横向尺寸可为约2cm×1.3cm。模块860可以是一摞晶片或芯片。包的垂直尺寸，对于约1.8cm3体积来说，可为约0.7cm。模块860的下部可以是控制器835，它包含控制电子设备851芯片、数据采集和分析852芯片和高频驱动电子设备853芯片。下部可具有约3mm的厚度。中间部分854可包括预浓缩器826、浓缩器823、第一分离器824、第二分离器825、仪表831、832和834以及至少一个通道和相位加热器20、22、24，...，26。部分或晶片854可以或可以不包括ITMS 849。分光光度计849可位于单独芯片或一摞芯片上。中间部分854可具有约1mm的厚度。上部可包含第一泵821、第二泵822和过滤器827。上部可具有约3mm的厚度。在模块860的下部的底部可以是用于数据传输和控制微分析仪800的无线通讯电子设备的层或部分856。该层856可具有约3mm的厚度和具有与模块860近似相等的横向面积。层856下面，可以是氢气发生器-电池系统857的部分或电源组(power pack)或支架，具有约3.8mm的厚度和与模块860近似相等的横向面积。发生器系统857可更厚(例如，10mm)或更薄，取决于分析仪800需要的电力、再充电之间要求的时间以及电池技术(例如，锂)。如果所有的部分，包括无线电子设备和电池，都连接在一起，则总厚度可为约1.38cm，从而形成约3.6cm3的体积。对尺寸的要求可以放宽，如果不需要格外紧凑的话。在后一种情况下，上部连同泵一起，可具有小于25cm2的面积和小于10mm的厚度。用于无线通讯的部分856可具有小于25cm2的面积和小于10mm的厚度。具有控制器的下部835可具有小于25cm2的面积和小于10mm的厚度。中间部分854可具有小于25cm2的面积和小于10mm的厚度。氢气发生器系统的部分857或其支架可具有小于25cm2的面积。以上尺寸可替代地小于2.5cm2，而不是25cm2。
在本说明书中，某些事情可能是假定或预计性的，尽管是以其它方式或时态叙述的。
虽然已就至少一个说明例子对本发明做了说明，但许多变换和修改方案在本领域技术人员研读了本说明书以后将自然浮现。因此，应指出，从现有技术的角度应对所附权利要求做尽可能宽泛的解释，以致涵盖所有此类变换和修改方案。

Claims (23)

1.一种发生器系统，包括：
氢气发生器；
连接到氢气发生器的电力发生器；以及
连接到氢气发生器和电力发生器的需要氢气气流和电力使其运转的电池驱动装置。
2.权利要求1的系统，其中：
氢气发生器给电力发生器提供作为燃料的氢气；
氢气发生器给该装置提供氢气；
并且
电力发生器给该装置提供电力。
3.权利要求2的系统，其中该装置选自火焰离子化检测器、气相色谱仪、气体校准装置及其任意组合。
4.权利要求2的系统，其中氢气发生器包括至少一种含氢化学品。
5.权利要求4的系统，其中至少一种含氢化学品选自水和金属氢化物。
6.权利要求2的系统，其中该装置以非破坏性方式使用来自氢气发生器的氢气，并将氢气送回到氢气发生器。
7.权利要求2的系统，其中该装置以非破坏性方式使用来自氢气发生器的氢气，并将该氢气送给电力发生器作为燃料以产生电力。
8.权利要求7的系统，还包括电力储存机构。
9.权利要求8的系统，其中电力储存机构选自电容器、超电容器、可再充电电池及其任意组合。
10.权利要求7的系统，该系统进一步包括燃料电池，其中：
所述燃料电池产生被送往氢气发生器的水；并且
氢气发生器利用该水产生氢气。
11.权利要求8的系统，还包括连接到电力储存机构和电力发生器的控制器。
12.权利要求11的系统，还包括：
连接到电力发生器的输出和控制器的电力传感器；以及
连接到电力发生器的氢气输入和控制器的氢气流传感器。
13.一种发生系统，包括：
氢气发生器；
连接到氢气发生器的燃料电池；和
连接到氢气发生器和燃料电池的需要氢气气流和电力使其运转的电池驱动流体分析仪。
14.权利要求13的系统，其中：
氢气发生器给流体分析仪提供氢气；并且
燃料电池给流体分析仪提供电力。
15.权利要求14的系统，其中流体分析仪包括：
通道；和
多个沿着通道分布的加热器；并且
其中：
多个加热器以顺序的方式接通以便随着样品流体流过通道连续地加热部分样品流体；并且
多个加热器提供以约等于部分样品流体流过通道的速度的速度沿着通道移动的热脉冲。
16.权利要求15的系统，其中多个加热器累积地加热该部分样品流体。
17.权利要求15的系统，还包括连接到流体分析仪的预浓缩器。
18.一种发生器系统，包括：
容器，它具有覆盖第一端的隔膜和第二端；
位于容器中间并连接到隔膜的阀，其中该阀将容器分隔为靠近隔膜的第一室和靠近第二端的第二室；
位于容器的第二室中的燃料电池；以及
位于第一室内的燃料支架，
其中所述发生器系统还包括利用氢气和电力来运转的电池驱动的装置和第二室内靠近第二端并把第二室分隔为第一和第二分室的膜，
其中第二分室靠近第二端，和第二分室用于接受由燃料电池产生的水并用于容纳水；并且所述第二室中的膜用于允许水蒸气从第二分室进入第一分室，并且
阀打开以便让水蒸气进入第一室并与支架中的燃料起反应并产生氢气，从而该氢气通过阀进入第二室并作为燃料电池的燃料用以产生电力；以及
阀关闭以阻止水蒸气进入第一室并阻止氢气进入第二室，
其中所述装置接受由容器经小孔来的氢气以及由燃料电池来的电力。
19.权利要求18的系统，其中该装置以非破坏性方式利用氢气并将氢气送回到容器中。
20.权利要求19的系统，其中该装置选自火焰检测器、流体色谱仪、和流体色谱仪、和气体校准机构。
21.一种发生供需要氢气气流和电力使其运转的电池驱动的装置用的氢气和电力的方法，包括：
1)提供水；
2)将水转化为蒸气；
3)让蒸气与燃料结合以产生氢气；
4)将氢气喂入到该装置中；
5)将氢气从该装置送往燃料电池；
6)利用燃料电池由氢气产生电力；
7)将电力提供给存储系统；
8)将电力提供给该装置；
9)将燃料电池产生的水转化为蒸气；以及
10)以任意顺序根据需要重复方法的动作3-9。
22.权利要求21的方法，其中该装置选自火焰检测器、流体色谱仪和流体校准机构。
23.权利要求21的方法，其中产生氢气的燃料是LiAlH4。
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