CN108054474A - 混合燃料电池 - Google Patents

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Abstract

电力发电机包括具有适合于个体穿戴的截面的容器，所述容器包括纳米多孔绝缘体。燃料电池和燃料电池筒安置于所述容器内。功率管理电子装置由所述容器负载且耦合至所述燃料电池。电荷存储装置由所述容器负载且电耦合至所述功率管理电子装置和所述燃料电池。连接器由所述容器负载且耦合至所述电荷存储装置以向一个或多个电力负载配电。

Description

混合燃料电池
背景技术
电力仍然是徒步士兵面对的最大挑战中的一个。在偏远地区的典型72小时任务中，美国焊料可携带至多70个总共称重大于20磅的单个电池。功率分配/管理系统的新进展，如SWIPES(士兵穿戴综合电力设备系统)已减少携带的电池的数目/类型。
电池形状因数，如CWB(保形可穿戴电池)的改进已改进可穿戴性，但尚未改进电池性能，且电池仍需要每天再充电。士兵，尤其是特别操作员通常不可使用充电设备且仍被迫使用大型重锂原电池。特别操作员可能另外受必须拿出其废电池以避免探测所累。
发明内容
电力发电机包括具有适合于个体穿戴的截面的容器，所述容器包括纳米多孔绝缘体。燃料电池和燃料电池筒安置于所述容器内。功率管理电子装置由所述容器负载且耦合至所述燃料电池。电荷存储装置由容器负载且电耦合至功率管理电子装置和燃料电池。连接器由容器负载且耦合至电荷存储装置以向一个或多个电力负载配电。
方法包括通过绝热容器向基于燃料电池的电力发电机提供环境空气，所述空气向燃料电池的阴极提供氧气且向制氢燃料提供水，其中绝热容器具有适合于个体穿戴的截面且所述容器包括纳米多孔绝缘体，经由制氢燃料产生氢气，向燃料电池的阳极提供氢气，响应于提供的氧气和氢气而经由燃料电池产生电力，且向电荷存储装置验证产生的电力以经由电连接器对绝热容器外部的至少一个电力负载供电。
附图说明
图1是根据示例实施例的瞬态燃料电池装置的透视表示。
图2A是根据示例实施例显示示例尺寸的图1的瞬态燃料电池装置的透视表示。
图2B是根据示例实施例具有图案化电阻器的瞬态燃料电池装置的表面的透视框图表示。
图3是说明根据示例实施例的燃料电池装置筒内部的元件的截面视图。
图4是根据示例实施例的示例燃料电池操作的图示。
图5是根据示例实施例的电力发电机的框图截面视图。
图6是根据示例实施例说明针孔阵列的图5的电力发电机的顶板的俯视图。
图7是根据示例实施例说明顶板中的替代性针孔布置的截面。
图8是根据示例实施例的筒的热绝缘的图示。
图9是根据示例实施例说明空气的计算气体传导性随不同特征系统尺寸的气压而变的图表。
图10是根据示例实施例说明燃料电池装置的温度相对于环境温度的图示。
图11是根据示例实施例说明关于两种不同蒸气的温度相对于压力的图示。
图12是根据示例实施例说明用于执行功率管理和其它功能的电路的框图。
具体实施方式
在以下描述中，参考附图，其构成本文的一部分且其中以说明方式展示可实践的具体实施例。足够详细地描述这些实施例以使所属领域的技术人员能够实践本发明，并且应理解可利用其它实施例，并且可在不脱离本发明的范围的情况下作出结构、逻辑和电性变化。因此，示例实施例的以下描述不应在限制性意义上理解，并且本发明的范围由所附权利要求书界定。
在一个实施例中，本文所述的功能或算法可在软件中实施。软件可由存储在计算机可读媒体或计算机可读存储装置，如一种或多种基于非瞬时性存储器或其它类型的硬件的存储装置(局域或连网)上的计算机可执行指令组成。另外，此类功能对应于模块，所述模块可以是软件、硬件、固件或其任何组合。可视需要在一个或多个模块中执行多个功能，且描述的实施例仅仅是实例。软件可在数字信号处理器、ASIC、微处理器或其它类型的在计算机系统(如个人计算机、服务器或其它计算机系统)上操作的处理器上执行，将此类计算机系统变成专门编程的机器。
电力仍然是徒步士兵面对的最大挑战中的一个。在偏远地区的典型72小时任务中，美国焊料可携带至多70个总共称重大于20磅的单个电池。功率分配/管理系统的新进展，如SWIPES(士兵穿戴综合电力设备系统)已减少携带的电池的数目/类型。
电池形状因数，如CWB(保形可穿戴电池)的改进已改进可穿戴性，但尚未改进电池性能。电池仍需要每天再充电。士兵，尤其是特别操作员通常不可使用充电设备且仍被迫使用大型重锂原电池。特别操作员可能另外受必须拿出其废电池以避免探测所累。
为了解决这些挑战，呈CWB形状因数的瞬态燃料电池(TFC)组合改进的可穿戴性和电气性能，具有终止生命瞬态能力。
图1和图2A说明根据示例实施例的TFC 100的两个透视表示。图1中的较大区域为燃料电池和燃料筒110。筒110包含具有图案化电阻器、瞬态燃料电池和瞬态微粒化LiAlH4燃料的瞬态聚合物包装。筒的一个边缘具有可拆卸电子模块120(非瞬态)，其具有用于向一个或多个负载，如各种电子装置供电的电连接器125。在一个实施例中，电子模块可包括电荷存储装置，如3X Li-离子18650、功率管理电路、容量监测仪/显示器和快速瞬态触发按钮或开关，例如机械、电、光学或其它类型的开关130。连接器125可经调适以与SWIPES功率分配系统介接。
图2A说明经尺寸化以便于个体在野外操作中携带的TFC 100的示例尺寸。在一个实施例中，选择尺寸以提供可便利地插入到人体铠甲口袋中的相当平面或薄截面矩形形状。由于筒由聚合物形成，筒可略微柔性以帮助符合穿戴者的身体。显示的示例尺寸包括194.6mm×221.0mm×17.8mm。17.8mm的薄截面促进将TFC 100插入到人体铠甲口袋中。其它尺寸，如小于20mm或小于25mm，或小于30mm的厚度可适合于个体穿戴。选择的厚度可以是尺寸相对于任务或活动所需的总能量相对于舒适度和个体便利地携带所述筒的能力的折衷。在一些实施例中，TFC 100的特征可包括在40C至93C的温度极值下的操作。3)X(小于＝7.66英寸)、Y(小于＝8.70英寸)、Z(0.50至0.70英寸)的稳定尺寸，和2.6磅的最大重量。4).TFC100应与士兵，或其它类型的穿戴者设备相容。
在一个实施例中，筒为落在人体铠甲后面的薄板。筒可具有紧抱身体的低剖面，且不庞大且不占据大量空间。聚合物材料可用于形成本质上柔性的筒。较小并且柔性的燃料允许筒略微符合身体。
使用瞬态材料和触发器130，瞬态燃料电池可在生命终止时按指令电触发以快速热蒸发(在数秒内)，或在周围环境中在UV曝光下缓慢降解(数天至数周)。
为了使瞬态燃料电池热蒸发，如图2B中的透视表示中所见的一个或多个电阻式加热器210热耦合至瞬态燃料电池，可经由功率管理电路跨越电池直接耦合以将瞬态燃料电池快速加热至足以蒸发瞬态燃料电池的温度。加热元件210可在TFC 100的一个或多个聚合物表面上直接图案化。TFC可经配置以在生命终止时由于热蒸发而按指令电触发(如在数秒或数十秒内)，或由于UV曝光和其它环境条件而在周围环境下经一周或多周缓慢降解。
如图2B中所示，加热元件210可配置为阵列且在表面上方均一地分散以使表面更均一地蒸发。在其它实施例中，其中表面的厚度可变化，加热元件210的密度也可相应地变化以确保均一蒸发。加热元件210的密度可对于表面的较厚部分来说较高且对于表面的较薄部分来说较低。加热元件可通过电池供电，或在燃料电池仍可操作时所产生的电力直接供电，或两者。
任何数目的低温可蒸发聚合物可用于提供瞬态特性，包括聚碳酸酯、丙烯酸树脂、聚丙烯碳酸酯、聚环己烷碳酸酯、聚苯二甲醛等，其具有改变的分子量。聚合物可包括热酸产生剂以降低其分解温度，且可包括光酸产生剂以使得能够在周围环境下在曝露于日光时缓慢分解。
燃料也可通过控制粒化燃料的几何形态而灌输瞬态特性以促进分解。在一个实施例中，微球粒可由5-25％孔隙率的0.5mm-3mm立方体形成。1-50μm的LAH粒度，1-100μm的ZrCl4粒度，1-200μm的LNA(金属氢化物)粒度。在另一实施例中，可使用大球粒，其为5-20mm厚且在x和y轴为20-100mm，具有5-35％的孔隙率，1-50μm的LAH粒度、1-100μm的ZrCl4粒度和1-200μm的LNA(金属氢化物)粒度。在另一实施例中，可使用替代的分离金属氢化物球粒，其为5-20mm厚且在x和y轴为20-100mm，具有0-10％的孔隙率。粒度可为所述范围内的任何子集(即金属氢化物颗粒过滤至100-150μm)。
液压机和模具可用于形成微球粒，如呈具有磨圆边缘的1mm立方体形式的球粒。也可使用略微较小和略微较大球粒，如5至3mm立方体。
瞬态能力使得士兵(且尤其是特别操作员)能够在作战中抛弃废电源而不留下痕迹，且具有最小环境影响。
在其它实施例中，瞬态燃料电池可由展现或不展现瞬态特征的常规塑料(聚丙烯)或薄金属形成。
图3为说明筒110内部的元件的截面视图。在一个实施例中，TFC组件可包括基于具有蒸气反馈的真空纳米多孔二氧化硅的适应性热绝缘体310、20W氢气发生器/燃料调配物315、具有氧气/水选择性渗透膜的瞬态燃料电池320、和一个或多个用于提供氧气和水蒸气的空气入口325。电子模块120可包括功率管理电路330，其可耦合至电荷存储装置335，如电池335。电荷存储装置335可为锂离子电池以向功率管理电路供电、存储由燃料电池产生的能量且向负载供电或在一个或多个负载需要高电流的时段期间取代由燃料电池320向负载提供的电力。在一些实施例中，电子模块120可通过容器，如通过各种板和绝缘材料电耦合至燃料电池。电子模块120可以可拆卸地耦合至TCF组件以易于分离，如经由夹具或各种其它用于可拆卸地附接两个元件的构件。
图4为示例燃料电池400操作的说明。关于燃料电池操作的化学方法和流体流动的描述包括于下文。燃料电池400具有称为包装的筒410，其可在一些实施例中为瞬态的。筒容纳氢化物燃料415和PEM燃料电池420。呈水蒸气形式的水在425处指示为穿过燃料电池到达氢化物燃料415，其产生通过箭头430指示为提供至PEM的阳极侧的氢气。来自环境的氧气(如由箭头435指示)到达PEM的阴极侧。
PEM的阴极侧450处的反应为：1/2O2+2H++2e-→H2O。PEM的阳极侧455反应为：H2→2H++2e-。这导致发电反应：4H2+2O2→4H2O+能量。氢反应为：LiAlH4+4H2O→4H2+固体。净反应为：LiAlH4+2O2→能量+固体。PEM燃料电池将氢气/氧气转化为电力、热量和水蒸气。水蒸气可通过燃料电池回收且用于从燃料415产生更多氢气。燃料电池可电耦合至负载(如在460处指示)以向负载提供产生的电力。负载可为电存储装置，如电池，或可为电气设备，如无线电、传感器、灯和其它需要电功率以进行操作的设备。
一些较新燃料电池利用高度受限的阴极以控制氢气产生速率且使得能够在无一个或多个阀的情况下稳定操作。阴极传导性可经设计以将流向阴极的氧气流的量限制于目标功率电平所需的量。在这样做时，流动到燃料电池中或流出燃料电池的“过量”水的量减少，允许燃料电池在无阀的情况下以稳定方式操作。
为了保证环境湿度小于阴极湿度(水缓慢损失到环境中的条件)时的稳定操作，除化学氢化物燃料以外，阴极受限的燃料电池可含有金属氢化物材料，其提供氢气(不需要与水反应来产生氢气)以抵消损失到环境中的水。
金属氢化物材料具有化学氢化物燃料的大致一半能量密度，和1/10比能，且为了实现高性能(能量密度和比能)，期望限制系统中的金属氢化物的量以提供刚好在低湿度条件下操作所需的量。在一些实施例中，所有氢化物和添加剂可混合在一起。在其它实施例中，金属氢化物可与化学氢化物分离。
从周围环境获得的水(当阴极湿度小于环境湿度时)产生不希望的氢气，其升高系统压力，导致使获得的水平衡(按摩尔比)的增加的氢气渗透损失。获得的额外的水因此间接导致降低的性能(能量密度和比能)。因此需要限制从环境获得的水。
提供在不影响向阴极的氧气流动的情况下限制水损失(或增益)的构件。使用此类构件使得能够减少燃料电池中的金属氢化物的量且增加更高性能化学氢化物燃料。损失较少氢气，从而提高燃料电池系统性能。在一个实施例中，限制水损失的构件包含安置在燃料电池阴极处的氧气/水选择性渗透膜。氧气/水选择性渗透膜减少损失到环境(或从环境获得)的水的量，导致改进的性能且使得能够总体增加基于燃料电池的电力发电机能量密度和比能。
图5为电力发电机500的框图截面视图。电力发电机500可包括容器510，其具有含有大量孔的顶板515，所述孔在一个实施例中可为氧气限制针孔520。容器形成容纳化学氢化物燃料527的腔室525，其也可在一些实施例中含有相对较小量的金属氢化物材料以在低水蒸气可用性的时间期间提供氢气。
燃料电池膜电极组合件530负载于容器内的顶板515与腔室525之间。膜电极组合件530包含涂布于两侧上的质子交换膜与催化剂电极，所述催化剂电极可在各种实施例中经图案化。
第一气体扩散层535负载于燃料电池质子交换膜电极组合件530与顶板515之间。第二气体扩散层540负载于膜电极组合件530与腔室525之间。气体扩散层可包括多孔碳纤维或碳纸，且可包括面向膜电极组合件的侧上的微多孔层。
图6中的顶板515的俯视图中示出的氧气限制针孔520的阵列可经尺寸化以限制供应至燃料电池质子交换膜电极组合件530的阴极侧545的氧气。
氧气/水选择性渗透膜547定位于环境与质子交换膜电极组合件530的阴极侧525之间。在图5中，氧气/水选择性渗透膜547定位于顶板515与气体扩散层535之间，使得氧气能够流动穿过针孔520，且抵抗水蒸气的流动(从环境朝向阴极侧545以及从阴极侧朝向环境)。在其它实施例中，氧气/水选择性渗透膜547可负载于顶板515的环境暴露侧上，或包夹于顶板515中间，所述渗透膜可用匹配的针孔分离成两片(如随后的图中所示)。
在一个实施例中，氧气/水选择性渗透膜包含多孔膜，如聚四氟乙烯(PTFE)，或多孔金属片。O2选择性液体可移动至膜中。O2选择性液体可为硅油，如聚二甲基硅氧烷或二甲基聚硅氧烷，或其组合。多孔膜可具有具有微米和亚微米尺寸的孔隙结构。在其它实施例中，提供氧气/水选择性渗透膜的构件可使用现在已知或在下文中开发的其它材料。
在一个实施例中，氧气限制针孔具有对应于设计点的尺寸以提供选择负载的平均功率，例如500mW。应注意，在一些实施例中，氧气/水选择性渗透膜547可取代针孔调节提供的功率的功能。在此类实施例中，针孔可具有适合于负载所述膜的尺寸和密度，其可具有大于4的选择性值。除氧气/水选择性渗透膜547以外，针孔520也可用以限制从环境大气向电力发电机提供的水蒸气的量。限制来自环境的水蒸气可具有降低湿热条件下的电力发电机操作压力的附加益处，因为较少水到达燃料，限制从燃料过度产生氢气。
在燃料电池质子交换膜电极组合件530阴极侧545处通过氢气和氧气的化学反应产生的水蒸气提供回燃料(如由箭头575指示)且足以保持电力发电机产生设计点平均功率。
一些负载可包括能量存储装置，如超级电容器或可再充电电池，其可利用通过电力发电机提供的平均功率充电。负载可使用存储的能量来提供较高功率的脉冲，如当在负载为无线传感器的情况下传输感测值时。
在一些实施例中，燃料电池反应利用0.5摩尔氢气/摩尔产生的水。空气(环境)中的O2浓度为大致20％，且水浓度通常在1-2％范围内，产生10到20×的氧气:水比率。鉴于这些参数，可对于已知平均功率电平容易地设计向阴极提供氧气的顶板515中的针孔的尺寸和密度。通过使用氧气/水选择性渗透膜547，水比率在测定针孔520的尺寸和密度中变得不太相关。针孔可在一个实施例中具有圆形截面，或可为任何所需形状且可由激光切割、冲压、模制或其它方法形成。各种温度和功率电平的示例孔数目显示于下表1中：
表1：各种温度和功率电平的0.006mil厚顶板中的0.003mil直径孔的数目。
对于具有3mil孔的一半面积的孔来说，可采用两倍多的孔。使用较小孔将导致甚至更多孔达到表1中的各种功率电平，同时可使用较少的较大孔。
在一个实施例中，氧气限制针孔可连接到环境大气以暴露于氧气。氧气/水选择性渗透膜547和(在一定程度上)针孔限制来自环境大气的水蒸气，以使得氧气为由燃料电池质子交换膜所产生的电力的主要调节器。在一个实施例中，氧气限制针孔可经配置以调节提供到燃料电池质子交换膜电极组合件的阴极的氧气以控制产生的电力。通过将针孔置于顶板中，置于环境与第一气体扩散层与燃料电池质子交换膜电极组合件的阴极侧之间，提供用于氧气的极短扩散路径。这也可允许电力发电机的燃料电池部分制造得相当薄，因为可减少或消除氧气、水蒸气或氢气流动的额外路径。
在一个实施例中，阴极层跨越电力发电机连续，其中针孔均一地安置以将氧气分配至阴极层。在图案化阴极层的情况下，针孔可经每一阴极图案对齐或居中以促进氧气分布。在一些实施例中，顶板可含有从针孔延伸的与第一扩散层相邻的通道以帮助将氧气从针孔分布到阴极层。在其它实施例中，第一扩散层提供足够的氧气分布。
在一个实施例中，穿孔支撑板550通过第二扩散层540与底部腔室525之间的容器510负载。穿孔支撑板550含有穿孔以允许氢气和水蒸气在腔室525中的燃料与第二扩散层540之间不受限制地流动，所述第二扩散层与质子交换膜的阳极553侧相邻。在一些实施例中，适合的粘合剂可用于将各种燃料电池层粘附在一起，或所述层可仅负载于顶板515与支撑板550之间。在各种实施例中，容器和板可由金属、聚合物或其它与燃料电池、化学燃料和膜材料相容的材料形成。
在另一实施例中，氢气减压阀555由容器负载且位于腔室中以提供通向环境的减压阀路径以在腔室内的压力超过所选阈值时排出氢气。如果产生相比于可通过燃料电池所消耗更多的氢气，那么可打开阀555以排出氢气。环境条件或负载的较低能量需求可促使产生的过量氢气导致超过阀555的压力阈值的压力。
在一个实施例中，腔室525可用化学氢化物燃料527填充，所述燃料为一种初级水反应性制氢燃料，通过微粒过滤器565与燃料电池质子交换膜电极组合件分离。在各种实施例中，许多不同化学氢化物可用于制氢燃料中，例如AlH3、LiAlH4、LiH、NaAlH4、CaH2和NaH以及其它。包括Li的燃料可实现废燃料块的所需再循环，所述燃料块在一些实施例中在电力发电机中可更换。燃料可以工程改造粒度、分布和受控密度形成。举例来说，燃料可在具有模具的液压机中形成，且含有1至100μm范围内的粒度。在一个实施例中，粒子的尺寸可在5至10μm之间。粒子可全部为相同尺寸，或可具有在以上范围中的一个或多个内的不同粒度范围。在一个实施例中，限制在以上范围之外的粒度以使得不会不利地影响产生的氢气的性能和燃料的利用。
在其它实施例中，可包括金属氢化物材料以用于在不充足的水蒸气可用于满足负载需要时产生氢气。可用氢气逆转或再补给的一些示例金属氢化物包括LaNi5H5、FeTiH2、Mg2NiH4和TiV2H4。
在一个实施例中，制氢燃料组合物可包括金属氢化物(例如晶隙金属间氢化物，如LaNi5-xAlx，其中x为约0至约1)和化学氢化物(例如离子氢化物或共价氢化物，如氢化镁(MgH2)、氢化锂(LiH)、氢化铝(AlH3)、氢化钙(CaH2)、氢化铝钠(NaAlH4)、硼氢化钠(NaBH4)、氢化锂铝(LiAlH4)、氨硼烷(H3NBH3)、二硼烷(B2H6)、氢化钯、LaNi5H6、TiFeH2和其组合)。在一些实施例中，制氢组合物可包括化学氢化物、金属氢化物和路易斯酸(Lewisacid)的均一掺合物。在一些实施例中，制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，如包括金属氢化物的燃料芯块和包括化学氢化物和路易斯酸的均匀混合物的不同燃料芯块。
路易斯酸可为任何适合的路易斯酸，使得制氢组合物可如本文所述地使用。路易斯酸可为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组成的群组：钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、硼、铝、钇、锆、铌、钼、镉、铼、镧、铒、镱、钐、钽和锡。路易斯酸的阴离子可为卤离子。
路易斯酸可选自氯化铝(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)和其组合。路易斯酸可选自氯化铝(AlCl3)、氯化镁(MgCl2)、氯化锆(IV)(ZrCl4)和其组合。路易斯酸可为氯化锆(IV)(ZrCl4)。
产生于燃料筒中的氢气运输至(如由箭头570指示)燃料电池的阳极侧553，且在阳极侧处耗尽，而穿过针孔的环境气流中的氧气在燃料电池质子交换膜电极组合件530的阴极侧545处耗尽。燃料电池在氢气与氧气反应时产生水蒸气和热量，以及电力。在阴极侧545处产生的水蒸气中的一些可继续行进返回到燃料筒(如由箭头575指示)以用于产生更多氢气。
图7为说明顶板710中的700处的替代针孔布置的截面。顶板710可含有大量暴露于环境的开口，其中的一个指示于715处。开口715部分延伸穿过顶板。针孔720可形成于开口715中的一个或多个的底部中。开口715具有比针孔720大的截面。较大截面可适用于预防氧气路径的积垢，积垢可在一些操作环境中对于针孔延伸贯穿顶板710来说有问题。积垢的针孔将导致减少发电，因为氧气流动将进一步受限。通过将针孔的长度减小为较短距离，积垢为不大可能的。在一个实施例中，包括与针孔720相邻的氧气/水选择性渗透膜725。
在其它实施例中，可提供多得多的行和列的针孔且可以与所显示不同的图案分布。尽管在一个实施例中，针孔在膜电极组合件的重复图案上居中，其本身可以不同图案分散。在一些实施例中，多个针孔可分布在膜电极组合件的每一重复图案周围。膜电极组合件也可由不同图案形成，所述图案不必均一。在一个实施例中，所有针孔的总横截面积经选择以满足预期负载的平均功率要求。
利用纳米多孔技术的适应性热绝缘技术使得所需的高温/温度稳定性能够将展示的化学氢化物微燃料电池技术缩放到20W功率，且经军用规格温度范围维持此类功率，提供相对于现有技术水平电池和燃料电池的能量密度、比能和环境范围的革命性增加。
基于真空的热绝缘体提供需要薄绝缘的应用的热阻要求，且可在大范围的常规形状因数中制得。
图8为筒800的热绝缘的图示。在一个实施例中，内部温度可维持在30-90℃的操作范围内。TFC设计产生热量以及电功率，因此足够绝缘将满足操作范围要求。适应性热绝缘体可如下地最优化：实现所需热阻-温度分布、选择最优蒸气产生材料(使得热阻在高温下减少，实现被动反馈的多种有机物中的任一种)、使纳米多孔二氧化硅的配方(例如密度、辐射吸收剂、出于结构稳定性的玻璃纤维)最优化、产生穿孔以向燃料电池提供进气口、开发ALD涂布工艺以密封穿孔同时维持高热阻和开发用于瞬态聚合物包装的不透气涂层以维持足够背景压力。
可形成筒800以使外部板810与内部板815通过纳米多孔材料820间隔开。可形成热绝缘体以使外部板810与内部板815通过纳米多孔材料820间隔开。在一个实施例中，所述板可类似地形成且具有略微不同尺寸，使得内部板815可在外部板810内部嵌套，在其之间产生材料820占据的空间。在一个实施例中，空间可在板之间相当均一。
在一个实施例中，板具有延伸远离板的总体平面部分的指示于825和830处的侧边。侧边825与830之间的距离可与板的总体平面部分之间的距离相同，或可在其它实施例中不同。嵌套板的总体平面部分的形状可为圆形、椭圆形、矩形或任何其它所需形状，如多边形。板的侧边沿总体平面部分的整个周界延伸。在其它实施例中，板的总体平面部分可弯曲(与平面相反)。应注意，尽管板与板的侧边之间的距离在一些实施例中基本上相同，距离可在不需要基本上均一绝缘的其它实施例中变化。
板的侧边的部分840以也在840处的放大视图进一步详细说明。部分840的放大视图说明帮助维持纳米多孔材料820内的真空的密封层850。在一个实施例中，密封层850包括聚合物层855，如聚对二甲苯或其它低导热材料和低导热金属(如铝或NiCr)的金属层860。在其它实施例中包括另一聚合物或另一层。应注意，类似密封层863可用于进气口325，使得所述口325不使外板810和内板815热短路(如放大部分864中所示)。应注意，由于这是框图，孔呈开口形式以明显地显示空气流动穿过进气口325。如果以真实截面形式显示，那么将包括水平线，表示板的延续部分。
在一个实施例中，聚合物或塑料层855的厚度可在大致50至200μm之间。金属层的厚度可为约80nm。密封层850的目的为帮助在板之间的空间内维持真空，所述真空可仅为与绝对真空相对的低压。因此，每一层的厚度可基于用于持续所需时间长度维持真空的材料而变化。由于金属层可能更导热，在一些实施例中，需要利用金属和使板之间的金属导热性最小化的金属的厚度。真空提供低导热性区域K。因此，取决于所需的总体热特性，其可绝对压力与环境压力之间变化。环境压力可对应于大气压，其可随天气条件和海拔高度或深度而变化。在一个实施例中，真空保持在0与100Pa(帕斯卡-牛顿/平方米)之间。应注意，提供显示的部分840以说明密封层850且可能不反映部分840的实际形状。
在一个实施例中，材料820可为烟雾状二氧化硅、玻璃纤维和碳化硅(和任选的吸气剂材料，其用于产生于除气或通过密封部分的泄漏的吸气剂气体)的低密度(200-250kg/m^3)混合物，可按压为常规形状因数壳体，如两个嵌套板810和815。烟雾状二氧化硅混合物填充包含壳体的两个嵌套板之间的间隙。在一个实施例中，混合物为纳米多孔开孔材料以使得大部分由所述材料占据的值为开放的，与闭孔材料相反。小间隙热分离两个板；此间隙可涂布有(一种或多种)薄的低导热性材料且形成如由密封层850指示的气体密封部分。
板之间的空间经抽空，在内板与外板之间形成具有极高热阻的壳体。在一个实施例中，装置870，如基于燃料电池的电力发电机可放置在由两个壳体或所述组的板880和885产生的凹穴875内，且在凹穴内部与周围环境之间提供极高热阻。两组板880、885可在886、887处密封以在装置870周围形成绝缘壳体800。密封部分886表示所述组的板的外板密封在一起，且密封部分887表示所述组的板的内板密封在一起。密封部分886和887可在各种实施例中经由胶合、焊接、粘合或夹持获得。通过按压两个固体板之间的核心绝缘纳米多孔材料820和仅密封小间隙，可产生囊封燃料电池和其它电子装置的薄的常规3-D形状。基于真空纳米多孔二氧化硅的适应性绝缘体可提供常规绝缘体的热阻的大致10倍。
形成如关于图2A在上文所述的具有较薄厚度的绝缘壳体800。绝缘壳体800允许在不引起穿戴者不适的情况下的高操作温度。高操作温度实现较快反应速率和较薄燃料截面，同时维持所需功率输出。如果燃料较厚，那么平均功率将由于燃料中的较长扩散长度而较低。
在一些实施例中，蒸气产生材料包括于材料820中。蒸气产生材料可具有经所需温度范围调节壳体板之间的间隙中的蒸气的导热性的压力相对于温度的关系。
可选择蒸气产生材料以使得蒸气压在所需范围(例如对于纳米多孔二氧化硅，100-1000000Pa)内，其经所需环境温度范围调节蒸气的导热性。示例材料包括环己烷或水蒸气。可取决于二氧化硅的孔径选择不同蒸气产生材料。如果需要不同热阻值或温度范围，那么也可使用除二氧化硅以外的低密度、小孔径材料。其它材料可包括异丙醇、1-丁醇、环己烷、乙醇和乙酸乙酯。在一些实施例中，仅使用示例材料中的一种或仍使用在所需温度下产生蒸气的其它材料。
对于任何特定实施例，可基于应用的所需温度范围和粉末的孔径来选择蒸气产生材料。通过匹配对于所需温度范围的总体压力改变与在给定孔径处产生气体传导性的最大变化的压力范围，本设计可针对给定应用优化。
图9为根据示例实施例说明空气的计算气体传导性随不同特征系统尺寸的气压而变的图表。输入温度为20℃，且孔径在图的顶部处通过线的格式指示，介于10nm至100mm范围内。应注意，使用纳米范围内的孔隙允许对于相同导热性水准在较高压力下操作，其可更容易地实现且经长时间周期维持。
一种形成热壳体的方法为如下：
1)混合烟雾状二氧化硅、碳化硅、纤维玻璃和任选的吸气剂材料以产生纳米多孔材料。应注意，此类混合在本领域中熟知，如在至少三篇论文中所述，如出于热绝缘的纤维烟雾状二氧化硅压制品的干燥粉末加工(Dry Powder Processing of Fibrous FumedSilica Compacts for Thermal Insulation)，Hiroya Abe,*、w Isami Abe、KazuyoshiSato,*和Makio Naito*2005；用于有效真空隔热板(VIP)核心的膨体珍珠岩-烟雾状二氧化硅复合物的热-物理特性的实验表征和评估(Experimental characterisation andevaluation of the thermo-physical properties of expanded perlite-Fumed silicacomposite for effective vacuuminsulation panel(VIP)core)，M.Alama、H.Singha,*、S.Brunnerb、C.Nazirisa 2015；用各种填充材料生产的真空隔热板的性能特性(Performance properties of vacuum insulation panels produced with variousfilling materials)，Metin Davraz*和Hilmi C.Bayrakci 2014。
在一个实施例中，混合物由70-90％大致10μm粒度的烟雾状二氧化硅、1-10％大致0.5μm粒度的SiC粉末和5-15％1-2mm×10μm的玻璃纤维组成。这些在低速(＜1000rpm)下机械混合几分钟。
2)在包含壳体的两个板之间按压二氧化硅混合物。
3)在部分真空(<1000Pa)中，沉积保形涂层(例如10-100μm的聚合物，如聚对二甲苯)以覆盖板之间的间隙中的二氧化硅，从而形成气体密封。
4)在部分真空(<1000Pa)中，沉积金属层(例如10-1000nm的Al、NiCr)以覆盖聚对二甲苯。
5)任选地重复聚合物/金属涂布过程以产生多层密封部分，其进一步降低渗透率(增加使用期限)
在一个实施例中，烟雾状二氧化硅混合物可为2/88/10％SiC/烟雾状二氧化硅/玻璃纤维。
6)任选地，向间隙添加蒸气产生材料。或者，蒸气产生材料可在初始聚合物涂布过程期间通过用所需材料填充沉积腔室(限制条件是其不干扰沉积过程)添加。蒸气也可经由其它方法引入，例如通过在已沉积密封部分之后打破间隙内的材料的胶囊。胶囊可通过任何不会不利地降解密封部分的方法打破，如通过声波或热量。
在一些实施例中，基于纳米多孔二氧化硅的所得适应性绝缘体提供常规绝缘体的热阻的大致10倍。
使用温度依赖性蒸气压使得能够调节热阻。热阻可降低壳体内的高温，允许热量转移至环境。在较低温度下，热阻可增加。
图10为说明燃料电池装置的温度相对于环境温度的图示。在低导热性绝缘设计的情况下，壳体的内部温度可在高环境温度下变得过热，限制燃料电池的操作范围。使用具有适当蒸气压温度特征的适应性绝缘体促进被动温度反馈，扩大操作范围(-30℃至80℃环境)。
图11为说明关于两种不同蒸气，如包括水的蒸气和包括n-C12H5的蒸气的温度相对于压力的图示。
图12为根据示例实施例实施电子模块120的计算机系统1200和其执行的方法的示意框图。所有组件不必用于各种实施例中。呈计算机1200形式的一个示例计算装置可包括处理单元1202、存储器1203、可拆卸存储装置1210和非可拆卸存储装置1212。尽管示例计算装置说明和描述为计算机1200，计算装置可在不同实施例中呈不同形式。举例来说，计算装置可替代地为智能手机、平板计算机、智能手表或其它包括如关于图12所说明和描述的相同或类似元件的计算装置。如智能手机、平板计算机和智能手表的装置一般统称为移动装置。此外，虽然各种数据存储元件说明为计算机1200的部分，但所述存储装置还可或替代地包括经由例如因特网的网络可存取的基于云的存储装置。
存储器1203可包括易失性存储器1214和非易失性存储器1208。计算机1200可包括多种计算机可读媒体，如易失性存储器1214和非易失性存储器1208、可拆卸存储装置1210和非可拆卸存储装置1212，或可接入包括所述计算机可读媒体的计算环境。计算机存储装置包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)和电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器或其它存储器技术、只读光盘(CD ROM)、数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储装置、盒式磁带、磁带、磁盘存储装置或其它能够存储执行本文所述的功能的供执行的计算机可读指令的磁性存储装置。
计算机1200可包括输入端1206、输出端1204和通信接口1216或可接入包括所述装置的计算环境。输出端1204可包括也可充当输入装置的显示装置，如触摸屏。输入端1206可包括触摸屏、触摸板、鼠标、键盘、相机、一个或多个装置专用按钮、集成在计算机1200内或经由有线或无线数据连接耦合到计算机1200的一个或多个传感器和其它输入装置中的一个或多个。计算机可使用通信接口1216在连网环境中操作以连接到一个或多个远程计算机，如数据库服务器，包括基于云端的服务器和存储装置。远程计算机可包括个人计算机(PC)、服务器、路由器、网络PC、对等装置或其它共同网络节点，或其类似物。通信接口1216可包括局域网(LAN)、广域网(WAN)、蜂窝网、WiFi、蓝牙或其它网络。
存储在计算机可读存储装置上的计算机可读指令可通过计算机1200的处理单元1202执行。硬盘驱动器、CD-ROM和RAM为包括如存储装置的非暂时性计算机可读媒体的物品的一些实例。术语计算机可读媒体和存储装置不包括载波。举例来说，计算机程序1218可用于使处理单元1202执行一种或多种本文所述的方法或算法。
现在提供关于具有氧气选择性膜的燃料电池的其它细节。
实例：
1.一种电力发电机，其包含：
具有适合于个体穿戴的截面的容器，所述容器包括纳米多孔绝缘体；
安置于所述容器内的燃料电池和燃料电池筒；
由所述容器负载且耦合至所述燃料电池的功率管理电子装置；
由容器负载且电耦合至功率管理电子装置和燃料电池的电荷存储装置；和
由容器负载且耦合至电荷存储装置以向一个或多个电力负载配电的连接器。
2.根据实例1所述的电力发电机，其中所述电荷存储装置包含可再充电锂基电池。
3.根据实例1到2中任一项所述的电力发电机，其中所述绝缘材料包含包入聚合物中的二氧化硅。
4.根据实例1到3中任一项所述的电力发电机，其中所述电力发电机进一步包含安置于所述燃料电池与环境之间透氧/不透水蒸气的膜。
5.根据实例1到4中任一项所述的电力发电机，其中所述容器由瞬态聚合物形成。
6.根据实例1到5中任一项所述的电力发电机，其中所述容器包含：
经电阻器图案化的可蒸发聚合物衬底；和
将所述电荷存储装置耦合至所述电阻器的开关。
7.根据实例1到6中任一项所述的电力发电机，其中所述绝缘体包含蒸气产生材料以提供适应性热绝缘体。
8.根据实例7所述的电力发电机，其中所述蒸气产生材料响应于增加温度而减小热阻。
9.根据实例1到8中任一项所述的电力发电机，并且进一步包含制氢燃料，其中所述制氢燃料包含粒化化学氢化物。
10.根据实例9所述的电力发电机，其中所述粒化化学氢化物包含具有圆角的立方体。
11.根据实例10所述的电力发电机，其中所述立方体具有0.5mm-3mm的尺寸和5-25％的孔隙率。
12.根据实例9到11中任一项所述的电力发电机，其中所述燃料进一步包含金属氢化物和路易斯酸。
13.根据实例1到12中任一项所述的电力发电机，其中所述容器包含一个或多个进气口以将环境空气提供到所述燃料电池。
14.根据实例13所述的电力发电机，其中所述一个或多个进气口包含密封层以避免所述纳米多孔绝缘体热短路。
15.一种方法，其包含：
通过绝热容器向基于燃料电池的电力发电机提供环境空气，所述空气向燃料电池的阴极提供氧气且向制氢燃料提供水，其中所述绝热容器具有适合于个体穿戴的截面且所述容器包括纳米多孔绝缘体；
经由所述制氢燃料产生氢气；
向所述燃料电池的阳极提供所述氢气；
响应于提供的氧气和氢气而经由所述燃料电池产生电力；且
向电荷存储装置验证所述产生的电力以经由电连接器对所述绝热容器外部的至少一个电力负载供电。
16.根据实例15所述的方法，其中所述环境空气是经由延伸穿过所述绝热容器的密封进气点通过所述绝热容器提供。
17.根据实例15到16中任一项所述的方法，并且进一步包括使所述绝热容器蒸发。
18.根据实例17所述的方法，其中使绝热容器蒸发包含向所述容器上的图案化电阻器提供电力，其中所述容器由可蒸发聚合物衬底形成且所述电力是经由所述电荷存储装置提供。
19.根据实例15到18中任一项所述的方法，其中所述绝热容器包含蒸气产生材料以响应于温度改变而提供适应性热绝缘体。
20.根据实例20所述的方法，并且其进一步包含：
经由所述蒸气产生材料响应于增加温度而减小所述绝热容器的热阻；和
经由所述蒸气产生材料响应于减小温度而增加所述绝热容器的热阻。
尽管上文已详细描述一些实施例，但是其它修改也是可能的。举例来说，图式中所描绘的逻辑流程不需要展示的特定次序或顺序次序来实现所需结果。可提供其它步骤，或可从所描述的流程中去除步骤，并且可向所描述的系统添加其它组件或从所述系统去除其它组件。其它实施例可在以下权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种电力发电机(100、800)，其包含：
具有适合于个体穿戴的截面的容器(110、880、885)，所述容器包括纳米多孔绝缘体(310、820)；
安置于所述容器(110、880、885)内的燃料电池(320、420、530)和燃料电池筒(110、410、810)；
由所述容器(110、880、885)负载且耦合至所述燃料电池(320、420、530)的功率管理电子装置(120、330)；
由所述容器(110、880、885)负载且电耦合至所述功率管理电子装置(120、330)和所述燃料电池(320、420、530)的电荷存储装置(335)；以及
由所述容器(110、880、885)负载且耦合至所述电荷存储装置(335)以向一个或多个电力负载配电的连接器(125)。
2.根据权利要求1所述的电力发电机(100、800)，其中所述电荷存储装置(335)包含可充电锂基电池。
3.根据权利要求1所述的电力发电机(100、800)，其中所述绝缘体(310、820)包含包入聚合物中的二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的电力发电机(100、800)，其中所述容器(110、880、885)包含：
经电阻器(210)图案化的可蒸发聚合物衬底；和
将所述电荷存储装置(335)耦合至所述电阻器(210)的开关(130)。
5.根据权利要求1所述的电力发电机(100、800)，其中所述绝缘体(310、820)包含蒸气产生材料(820)以提供适应性热绝缘体(310、820)。
6.根据权利要求1到7中任一项所述的电力发电机(100、800)，并且进一步包含制氢燃料(315、415、527)，其中所述燃料包含粒化化学氢化物。
7.根据权利要求1到7中任一项所述的电力发电机(100、800)，其中所述容器(110、880、885)包含一个或多个进气口(325)以将环境空气提供至所述燃料电池(320、420、530)。
8.一种方法，其包含：
通过绝热容器(110、880、885)向基于燃料电池的电力发电机提供环境空气，所述空气向燃料电池(320、420、530)的阴极(450)提供氧气且向制氢燃料(325)提供水，其中所述绝热容器具有适合于个体穿戴的截面且所述容器包括纳米多孔绝缘体(310、820)；
经由所述制氢燃料(325)产生氢气；
向所述燃料电池(320、420、530)的阳极(455)提供所述氢气；
响应于提供的氧气和氢气而经由所述燃料电池(320、420、530)产生电力；且
向电荷存储装置(335)验证所述产生的电力以经由电连接器(125)对所述绝热容器外部的至少一个电力负载供电。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述环境空气是经由延伸穿过所述绝热容器(110、880、885)的密封进气点(325)通过所述绝热容器提供。
10.根据权利要求8到9中任一项所述的方法，并且进一步包含通过向所述容器(110、880、885)上的图案化电阻器(210)提供电力而使所述绝热容器(110、880、885)蒸发，其中所述容器(110、880、885)由可蒸发聚合物衬底形成且所述电力是经由所述电荷存储装置(335)提供。
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