CN1288780C - 用于向电子设备特别是便携式电子设备供电的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池(2)，它包括一阳极(12)和一阴极(10)，电解质(18)置于阳极和阴极之间。存储了大量氢并能够通过燃烧分解的固态本体(20)与烟火组件(24，26)相连，以释放氢并使氢与阳极(12)接触。组件(38)俘获环境空气，以使环境空气与阴极(10)接触。在嵌在电子设备(2)中的寻址组件(28)的控制下点燃烟火组件(24，26)。由燃烧固态本体(20)引起的温升再吸收了氢和氧之间交换产生的过剩水。固态本体(20)由可更换的卡状支撑件(22)支撑。

Description

用于向电子设备特别是便携式电子设备供电的燃料电池
技术领域
本发明涉及用于提供电能的独立器件(autonomous devices)。本发明的目的是获得一种用于如移动电话等的便携式的电子设备或带有电子存储器或类似部件的自耗器件。
本发明特别涉及一种为便携式的电子设备提供电能的自耗器件，此器件包括一燃料电池，该燃料电池包括设置在阳极和阴极之间的电解质、存储氢的组件、将存储的氢输送到阳极的组件、俘获环境空气并使俘获的空气与阴极接触的组件、控制氢的释放的组件以及消除电池产生的剩余水的组件。
背景技术
设计便携式电子设备的一个目标是保证这些电子设备重量轻和尺寸小，尤其希望尺寸小，以使携带和操作方便。此目标特别要考虑通常由较重并且体积大的可充电的蓄电池构成的电源组件引起的问题。实际上增长设备的自激时间(autonomy time)也与增加这些组件的尺寸和重量有关。这使得设计者不得不在设备的自激时间与为电池留出的空间及电池重量之间寻求折衷方案。值得注意的是，这种折衷方案还得考虑蓄电池的再充电时间，这对用户也是一种限制。
因此，现有的设计往往将精力集中在蓄电池上，例如，以尺寸小和重量轻为代价换取自激时间尽可能最长的锂蓄电池。当然，还应该看到，对这些电池充电的时间仍然很长，并且需要使用可拆卸的辅助设备，或者充电器。因为用户需要将这些辅助设备就近放置，否则将不能给蓄电池充电，所以，产生了额外的限制。
据此，解决上述问题的另一措施是：为便携式电子设备配备如不可再充电的电池之类的自耗电源组件。然而，这种解决方案的缺点是电子设备的运行费用过于高昂。此外，用完即丢弃包含有毒物质的这些组件也不适当地提高了废物处理费用。
用于自激产生电能的燃料电池已广为人知。这类燃料电池使电极(阳极和阴极)与作为燃料的氢接触，燃料氢借助电解质与作为燃烧剂的氧接触。但使用于这些燃料电池的氢达到所要求的状态也存在问题。根据提出的第一种解决方案，通过水的电解作用获得燃料电池工作所需要的氢和氧。根据其它解决方案，通过气体或甲醇的等离子体重整(plasma reforming)形成氢。由于或者很难使水存储件和电子设备匹配或者在氢制备或存储装置与便携式电子设备固有的限制之间不能兼容，使得这些燃料电池很难用作嵌入便携式电子设备内的电源，。
文献EP-A-788,172和GB-A-2,164,637披露了使用金属氢化物作为氢储存元件的内容。
发明内容
本发明要解决的技术问题主要是提出一种解决上面提到的便携式电子设备的电源组件的尺寸和重量问题的措施。
为解决上述主要问题，本发明提供了一种为便携式电子设备提供电源的自耗器件，包括一燃料电池，该燃料电池包括设置在阳极和阴极之间的电解质、存储氢的组件、将存储的氢输送到阳极的组件、俘获环境空气并使俘获的空气与阴极接触的组件、控制氢释放的组件以及消除电池产生的剩余水的组件，其特征在于：上述存储氢的组件由至少一个固态本体形成，该固态本体由可以燃烧的材料形成，该材料被烟火组件点燃后释放出气态氢。
除上述主要技术问题外，从本发明涉及的初始创造性的措施出发，本发明还要具体解决下述问题：
a)提供一种向电子设备供电的独立器件，使向电子设备输送电能的时间限制为对电子设备有利的时间。
b)提供一种向重量轻小尺寸的电子设备提供电能且废料处理方便的自耗组件(consumable means)。
c)提供一种结构适合嵌入电子设备并且适合于电子设备使用的燃料电池。
本发明的具有创造性的措施在于：以常规的方式将嵌入的燃料电池产生电能特别是提供给便携式电子设备。本发明提供的燃料电池包括以下特点：氢包含在至少一个由通过燃烧能分解的固体燃料制成的本体(body)中，而氧气通过俘获环境中的空气而获得。
通过烟火组件(pyrotechnic means)点燃固体燃料，以使其分解释放出氢。不难想到，这些烟火组件应与操作它的控制组件相连。
根据本发明的另一特点，优选设置多个固体燃料体，每个燃料体相对独立，分别连接到各烟火组件包括的点燃组件上。将上述点燃组件设置成通过分别点燃不同的固体燃料体分级地释放包含在器件中的总氢量。根据本发明的这一特点，控制组件特别包括寻址组件，用于寻址(addressing)与活化组件(activating means)相连的点燃组件。最好用测量电子设备可得到的电能的组件控制上述活化组件。当检测到最小可得到的电能阈值时和/或当向电子设备供给使其工作所需要的电能时，向电子设备输送电能。
值得一提的是，在设有多个固体燃料体的优选情况中，每个固体燃料体的含氢量可以相同也可以不同。通过测量电子设备可得到的电能的组件方便地控制寻址组件顺序地点燃特定的固体燃料体，其优点是，点燃固体燃料体时能够按需要准时地输送适量的氢。
通过再吸收组件消除在氢和氧之间的电化学反应过程中产生的超过需要的剩余的水。这类组件优选包括以上提到的烟火组件，因为烟火组件可使温度升高，从而引起生成的水蒸发。应该指出，如果需要，这类再吸收组件还可包括附加的吸收产生的水的组件，例如包括一个多孔体或蜂窝体(alveolar body)。因此，应该强调的是，本发明的设置能够自发地将残留的水用于本发明的燃烧单元(combustion cell)的运行，过剩的水则被消除。这种自发地使用残留物尤其可使电极和电解质保存在潮湿的环境中，并能保护电子设备不增生太多的热量。还应该看到，这种安排提高了本发明的燃烧单元的效率。
上述俘获环境空气的组件优选通过抽气和/或排气使器件周围的空气流穿过氧气室的组件，氧气室的一个壁至少部分由阴极构成。这种设置使得阴极与环境空气接触，更具体地说是与空气中的氧气接触。
本实施方式中的俘获组件为环境空气流动组件，就这类组件能将已蒸发或未蒸发的水运送到除去器件中的水的组件和/或上面提到的附加的吸收组件来说，上述环境空气流动组件的附加优点是至少部分地构成了以上提到的水再吸收组件。不难发现，这些环境空气流动组件还可以防止温度不合适地升高。
可将上述含氢的固体燃料体放置在至少一个支撑件内。根据其中设有多个固体燃料体的那一优选实施方式，按照不同的变型，上述固体燃料体或者可放置在各支撑件中或放置在一个总支撑件内，或者如果可能的话，根据固体燃料体各自的含氢量将它们分组放置在容纳固体燃料体的一些支撑件中。上述支撑件通向用于释放氢的一膨胀室(expansion chamber)，该膨胀室的一个壁至少部分由阳极构成。
借助置于阳极和阴极之间的电解质，阳极和阴极之间发生质子交换。将电极制造成与待供电的电子设备的成对连接组件接触。根据各可供选择的实施方式，电子设备可具有直接提供的电能或者配备存储燃料电池供给的电能的缓冲组件，以便调节电子设备使用的电能。这些缓冲组件具体设置在燃料电池和待供电的电子设备的电子组件之间。不难理解，在备有缓冲组件的情况中，这些组件的缓冲电能存储量与现有的配备于便携式电子设备上的类似组件的缓冲电能存储量一样少。
应该指出，这些缓冲电能存储组件优选与以上提到的测量电子设备可得到的电能的组件相连。
再参考本发明的总的结构定义，本发明提供的是向便携式电子设备提供电能的自耗器件。该器件主要由燃料电池构成，该燃料电池包括：
a)至少一个阳极和至少一个阴极，分配到每对的电解质置于两者之间；
b)至少一个存储大量氢的固体燃料体，该固体燃料体能够通过燃烧分解；
c)俘获环绕支撑件的环境空气并使俘获的空气与阴极接触的组件；
d)点燃固体燃料体以释放氢并使氢和阳极接触的烟火组件；
e)控制点燃烟火组件的组件；
f)消除氢和氧之间交换产生的水的组件；
g)使电极和电子设备的电源电路相互接触的组件。
最终这种独立和自耗的电能产生源能为便携式电子设备及其使用者提供完全安全的电能。
根据本发明的重要特点，优选设置多个固体燃料体。上述烟火组件包括分配给各固体燃料体对应的多个点燃组件。上述控制组件包括寻址上述多个与烟火组件的活化组件相连的点燃组件的组件。应该指出，若采用这种设置，可以考虑优选用测量电子设备可得到的电能的组件控制上述活化组件的运行。
当然，也不难看出，最好由用户根据需要通过相应的手工控制组件单独地或相互配合地控制上述操作。
根据本发明与方便使用上述器件有关的另一特点，将固体燃料体放置在可更换的特别是和卡的形状一样扁平的支撑件的最厚部分中。还值得指出的是，可以利用支撑件的形状来提高本发明的燃料电池的效率和/或容量。上述卡状支撑件优选为普通信用卡大小(面积约46cm2，厚度约1毫米)。当氢存贮体(hydrogen reserve)耗尽时，可更换卡状支撑件。不难理解，除固态本体的支撑件外，器件的各种元件、组件以及各支撑件都嵌在待供电的电子设备(2)中。当然，也还要指出，根据另一可能的可供选择的实施方式，在不脱离以上介绍的总原则的前提下，本发明器件的所有组件可以嵌在整个可更换的支撑件中。此时，通过将电极连接到电子设备的相应装置的组件形成使电极与适合于电子设备的分布电路接触的组件。这些连接组件和将烟火组件连接到需要的控制组件的组件从支撑件中露出。
根据另一措施，本发明还涉及用于燃烧电池的氢存储体，它包括优选为卡形的可更换支撑件。该支撑件构成容纳至少一个存储大量氢的固体燃料体的容器，上述固体燃料体能够通过燃烧分解并从支撑件中排出，以便特别能使释放的氢在位于待供电的电子设备内的膨胀室内扩散。另外，上述支撑件还包括：
a)至少一个分配到上述固体燃料体的点燃组件；
b)用于激活(activating)点燃组件的活化组件；
c)用于机械连接到待供电的电子设备的容易更换的组件。
应该注意，支撑件和电子设备之间的组装很紧凑，电子设备或可更换的支撑件包括例如密封组件，以便将支撑件封闭在设于电子设备中的氢膨胀室内。
对于以上提到的各优选实施方式，支撑件还包括连接组件，它们与待供电的电子设备的成对的连接装置配合工作，以使活化组件与嵌在电子设备中的控制组件或寻址组件接触。值得指出的是，最好这些连接组件和用于机械连接到电子设备的组件为相同的组件。
还要指出，上述电解质例如可为聚合物隔膜，例如Nafion(Dupont deNemours注册的商标)。而电极例如可由碳基材料构成。
根据本发明的也涉及这类燃料电池的另一措施，与本领域中的常规做法确实不同，本发明不是例如由存储水的电解作用或从压力下的存储材料中提供氢，而是由能够通过燃烧分解的固体燃料体提供氢。因此，通常可以考虑将本燃料电池中的氢存储在能够通过燃烧分解的至少一个固体燃料体内，该燃料电池包括点燃固体燃料体以将氢释放到与阳极接触的膨胀室内的烟火组件。借助于俘获空气并使俘获的空气与阴极接触的组件从环境空气中俘获氧。
按照这种安排，由于几乎不存在水并且可以放心地存储氢存储体两个原因，本燃料电池适用于十分安全地向便携式电子设备供电。
附图说明
下面参考附图对优选实施方式进行说明，通过下面的说明能更好地理解本发明，并且对相关的细节也能了解得更清楚。其中：
图1-3示意地表示了根据本发明各可供选择的实施方式的器件。
具体实施方式
附图中所看到的是为装入便携式电子设备而设计的燃料电池2。至少一阳极12，12’与氢膨胀室14，14’的内部容积接触，而至少一阴极10，10’与含有氧的空气流动室16，16’的内部容积接触。至少一电解质18，18’处于每对阳极和阴极10，12和10’，12’之间。
一组含氢的固态本体例如20，20’设置在形成支撑件22的中部区域。每一个固态本体20，20′配有一个点燃组件24，24’，以便通过寻址组件28控制活化组件26有选择性地使上述固体燃料体燃烧。包含在待供电的电子设备2的电子装置中的这些寻址组件28本身受测量电子设备可得到电能的组件30控制。
通过缓慢燃烧，含氢的固态本体20，20’释放出气态氢。当烟火材料被激活时，通过燃烧使烟火材料释放出氢而形成氢气。
应该指出，与烟火组件24，26，28相关的连接组件32和待供电的电子设备2的成对连接装置34一起工作。还应该指出，电子设备2附加地包括置于电子设备2和本发明的燃料电池之间的缓冲电能存储体36，以便在工作时调节供给电子设备的电能。
此外，本发明的电池包括俘获环境空气并使空气进入氧气室16，16’内的组件38，38’。这些组件38，38’例如可以是通过文丘里效应使自然空气在这些室16，16’内流动的组件。过滤筛46可防止不希望的颗粒进入。
氢和氧之间交换产生并且没有被器件使用的剩余水通过蒸发再次吸收。这种蒸发是由于固体燃料体含氢的固态本体20，20’的燃烧和电化学反应发出的热引起的温升而引起的。水蒸气通过俘获环境空气流动组件38，38’从燃料电池中排出。值得一提的是通过吸收剂组件例如40，40’可以完全吸收水。
在图3示出的另一实施方式中，燃料电池的所有组件被可拆卸的共用支撑件4支撑。在图1和图2示出的优选实施方式中，仅含氢的固态本体被可拆卸的支撑件22支撑，本发明上述器件的其它组件嵌在电子设备2中。
在图1和图2中，电子设备包括一用于密封地安装固态本体20的支撑件22的外壳。例如借助特别是置于支撑件22和电子设备2之间和电极10，10’和12，12’的端部的密封件(例如42或44)可以获得密封性。不难理解，与支撑件22相应的的支撑件构成固体燃料体20的收容部分，固体从该部分露出。该支撑件22为常规的信用卡形状的扁平支撑件。
根据这些图中示出的支撑件22的各实施方式，该支撑件具有约3.5到4cm2的面积。由于将燃料不起化学反应地装成一体(inert packaging)和分块放置(sectoring materials)，一个支撑件能够容纳约0.4克的含氢的固态本体。对应于此可释放出约0.052克的氢，能够送出0.53Wh的电能。送出的上述量例如对于蜂窝式便携无线电话在正常操作条件下约能提供通话使用2小时。
选择性隔膜51与阳极12，12’相连，它由能将含氢的固态本体20，20’与湿气隔开同时允许H2穿过的材料构成。
在图3中，连接件6，6’从支撑件4中露出与配备在电子设备2上类似的连接装置8，8’结合工作，用于向该电子设备提供电源。

Claims (17)

1.一种为便携式电子设备提供电源的自耗器件，包括一燃料电池，该燃料电池包括设置在阳极(12)和阴极(10)之间的电解质(18)、存储氢的组件、将存储的氢输送到阳极(12)的组件、俘获环境空气并使俘获的空气与阴极(10)接触的组件(38)、控制氢释放的组件以及消除电池产生的剩余水的组件(38，40)，其特征在于：上述存储氢的组件由至少一个固态本体(20)形成，该固态本体(20)由可以燃烧的材料形成，该材料被烟火组件(24，26)点燃后释放出气态氢。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：构成上述固态本体(20)的材料包括烟火材料。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的器件，其特征在于：它包括多个固态本体(20)和控制组件(28，30)，上述烟火组件包括分配到各固态本体(20)的点燃组件(24)，上述控制组件(28，30)包括寻址组件(28)，该寻址组件(28)用于寻址与上述烟火组件的活化组件(26)相连的点燃组件。
4.根据权利要求3所述的器件，其特征在于：上述活化组件(26)在测量电子设备(2)可得到的电能的组件(30)的控制下运行。
5.根据权利要求3所述的器件，其特征在于：它包括用于存储上述燃料电池产生的电能并设置在该燃料电池和电子设备(2)的电子装置之间的缓冲组件(36)。
6.根据权利要求1或2中任一项所述的器件，其特征在于：上述俘获环境空气的组件(38)为使空气流过氧气室(16)的组件，所述氧气室(16)的一个壁至少部分由阴极(10)构成。
7.根据权利要求1或2中任一项所述的器件，其特征在于：上述固态本体(20)容纳在通向用于释放氢的膨胀室(14)的支撑件(22)中，膨胀室的一个壁至少部分由阳极形成。
8.根据权利要求1或2中任一项所述的器件，其特征在于：上述用于消除氢和氧之间交换产生的剩余水的组件(38，40)包括再吸收组件。
9.根据权利要求8所述的器件，其特征在于：上述再吸收组件包括用于吸收所产生的水的组件(40)或者用于使环境空气流过氧气室(16)的组件(38)，氧气室(16)具有一个至少部分由阴极(10)形成的壁。
10.根据权利要求1或2中任一项所述的器件，其特征在于：上述固态本体(20)安装在可更换的支撑件(22)的最厚部分中，除固态本体的支撑件外，器件的各种元件、组件以及各支撑件都嵌在待供电的电子设备(2)中。
11.根据权利要求1或2中任一项所述的器件，其特征在于：上述电解质(18)是一种聚合物隔膜，阴极(10)和阳极(12)由碳基材料构成。
12.根据权利要求1或2中任一项所述的器件，其特征在于：一选择性隔膜(51)与阳极(12，12’)相连，该膜由能将含氢的固态本体(20，20’)与湿气隔开同时允许氢穿过的材料构成。
13.一种燃料电池，所述燃料电池包括阳极(12)和阴极(10)，该燃料电池的燃料为氢，该氢燃料借助电解质(18)与氧形式的燃烧剂接触，其特征在于：
氢存储在至少一个通过燃烧能够分解的固态本体(20)内，上述燃料电池包括用于点燃固态本体(20)以将氢释放到膨胀室(14)内而与阳极(12)接触的烟火组件(24，26)，以及
借助俘获空气并使俘获的空气接触阴极(10)的组件(38)从环境空气中俘获氧。
14.根据权利要求13所述的燃料电池的应用，将电能提供给便携式电子设备。
15.用于根据权利要求13所述的燃料电池的氢存储体，其特征在于：它包括一形成容纳至少一个存储大量氢的固态本体(20)的容纳部分的可更换的支撑件(22)，上述固态本体(20)能够通过燃烧分解并从支撑件(22)中露出，以便能够使释放的氢在位于待供电的电子设备内的膨胀室(14)内扩散，上述支撑件还包括：
a)至少一个分配到固态本体(20)的点燃组件(24)，
b)用于激活点燃组件的活化组件(26)，
c)用于机械连接到待供电的电子设备(2)的容易更换的组件(32)。
16.根据权利要求15所述的燃料电池的氢存储体，其特征在于：上述支撑件(22)还包括与电子设备(2)的成对连接装置(34)结合工作的连接组件(32)，以便使活化组件(26)与嵌在电子设备中的控制组件(30)和寻址组件(28)接触。
17.根据权利要求16所述的燃料电池的氢存储体，其特征在于：上述连接组件(32)和将支撑件(22)机械连接到电子设备(2)的组件为相同的组件。
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