CN1489798A - 用于燃料电池氢化物存储容器的充氢系统 - Google Patents

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Abstract

用于燃料电池金属氢化物存储罐(100)的配套充氢系统(5)。水容器(100)向电解器(20)提供水(15)，水在电解器中转变成氢气(22)和氧气(24)。氢气被干燥(26)然后存储在收集器(30)中。当金属氢化物存储罐需要补充时，使用者将其与充气系统相连。热交换器(55)在存储的氢气的转移之前加热燃料电池氢化物存储罐，并在存储的氢气的转移过程中冷却燃料电池氢化物存储罐。存储在收集器中的氢气通过泵(60)快速转移至氢化物存储罐，并以金属氢化物的形式装载在罐中。

Description

用于燃料电池氢化物存储容器的充氢系统
技术领域
本发明一般涉及燃料电池，尤其涉及用于向燃料存储容器快速充入氢燃料的系统。
背景技术
近年来，几乎所有电子器件都得以小型化和轻量化，尤其是便携式电子器件。这一进步能够得以取得，部分地是因为新的电池化学(例如能够在更小的容器中包容更多能量的镍-金属氢化物、锂离子、锌-空气，以及锂聚合物)的发展。然而，由于这些都是二次或可充电电池，它们在容量耗尽时需要进行充电。这通常通过将电池与充电器相连来进行，充电器将交流电(通常为110伏AC)转换成低压直流电(通常为2-12伏DC)。充电周期通常要持续至少1-2小时，更一般地要持续4-14小时。尽管这些新电池相对于前代电池来说是一个极大的进步，但是它们依然受限于复杂的充电方法和低的充电速度。
已有人进行尝试以用小型燃料电池代替电解电池。简单地说，燃料电池将氢分子催化转换成氢离子和电子，然后通过一层膜将电子析出作为能量，同时将氢离子氧化形成H2O，排出副产物水。燃料电池的极大进步在于在小的封装(与电池相比)中产生总量大得多的能量的潜在能力。然而，在被消费者普遍接受之前，还需要找到一个既好又实际的方法来解决如何向耗尽的燃料电池补充氢燃料的问题。已有人尝试用甲醇作为氢的来源，通过使用外部系统催化转换或“重组”甲醇来得到氢。在现有技术水平上，直接用甲醇驱动的燃料电池还只是处在实验室阶段，还需要克服很大的技术障碍。即使兴登堡灾难已过去了七十年，消费者依然保有对氢燃料的戒心，因此没有提供氢以补充已耗尽的燃料电池的基础设施。这样，尽管燃料电池的能量转换部分已改进到了能够在小型设备上进行商业使用的地步，但是还需在商业上实现如何向消费者安全地提供少量的氢的问题。
附图简述
单独绘出的附图是根据本发明用于燃料电池金属氢化物存储罐的配套充氢系统的图示。
优选实施方案详述
用于燃料电池金属氢化物存储罐的配套充氢系统。储水箱向电解器提供水，水在电解器中转换成氢气和氧气。氢气存储在收集器中，在存储之前或之后对其进行干燥。当需要补充金属氢化物存储罐时，由用户将其与再充系统相连。在转移所存储的氢气之前，由热交换器对燃料电池储氢罐进行加热，然后在转移所存储的氢气时冷却燃料电池储氢罐。存储在收集器中的氢气快速转移到储氢罐中并以金属氢化物的形式装载在罐中。虽然本说明书与确定了本发明全新特征的权利要求一起做了定论，但是可以相信，结合附图考虑下面的描述将能更好地理解本发明的结构、工作方法和优点。
现在参看附图，用于燃料电池金属氢化物存储罐的配套充氢系统5由几个部件组成。容器10装有一定量的水15，它将陆续转换成氢和氧。当然，容器10可以采用很多形式，例如开口容器、罐子、囊、箱、池，等等。另外，可用与例如地方水源或其它高纯水源相连的供水线(未示出)代替容器10。供水线可以是永久连接的或者是可拆卸的。水15在电解器20中水解成氢和氧。电解(也称为水解)众所周知是一种复分解反应，包括水分裂成离子以及弱酸或基或这二者的形成。通过在浸入水中的铂正极和铂负极中通入直流电而使这一反应发生。总的分解反应为：
在负极处产生氢离子，组合成H2分子，作为氢气22聚集在水的表面上。在正极处同样产生氧离子并组合成O2分子24，类似地聚集在水的表面上。氧气可以收集起来，也可以排入大气。在使用压缩氧气作为氧化剂源(而不是环境空气)的燃料电池系统中，应当以类似于收集和存储氢的方法收集和存储氧。然而，在大多数情形中，氧将简单地排入大气中。通过使氢气22通过干燥器26除去所有残余水汽而使其得到干燥。要使燃料电池稳定工作，具有干燥的氢源是很重要的。气体可以在存储进收集器之前就进行干燥，也可以在向金属氢化物罐中充气的过程中进行干燥，干燥的方法可以有很多种，但是我们建议采用像硅胶或3埃分子筛这样的商用干燥剂，因为它们容易获得并且在耗尽时容易更换或再生。氢气22(干燥过的或未干燥过的)存储在收集器30中。收集器30规定为存储系统，可采用多种结构，例如可扩展气囊、压缩容器，或具有活塞能以大气压或略高于大气压的压力存储氢的容器。电解器20处由氢气22的产生而产生的压力可用来将氢气“泵”入收集器30并在压力下存储。当然，这一压力是有限的，如果希望存储更多的氢气，就需要将其压缩并存储在更高的压力下。这可通过在收集器30中加入机械压缩器来实现。压缩器(未示出)压缩氢以使其能存储在刚性加压容器中。压缩氢的存储需要必备的安全考虑，这里假设技术熟练的读者将在压缩氢的处理中坚持众所周知的安全预防措施。
当使用者的燃料电池中的氢化物存储容器100变空并需要补充时，将其与配套充氢系统5相连，容纳在收集器30中的氢气22通过阀门62快速进入氢化物存储容器100。为清楚起见，应当指出，氢化物存储容器100是使用者的燃料电池系统的一部分，它可以集成在燃料电池中，也可以是可拆卸部件，例如具有快速脱开的容器。氢化物存储容器100通常充满以金属氢化物形式存储氢燃料的材料，而不是氢气。这样，当氢气充入使用者的氢化物存储容器100时，它发生一个化学反应将改材料转变成金属氢化物。熟练的技术人员将能理解，以金属氢化物的形式可以安全地存储大量的氢。例如，许多现代的电化学充电电池使用镍金属氢化物作为存储电化学能的媒介，这一材料非常类似于氢化物存储容器100中所用的材料。由于氢-金属氢化物反应是放热的(产生热量)，故而安置热交换器55以移除反应产生的热量。充气过程中冷却氢化物存储容器100使得可以进行快速充气。从充电速率的立场来看，与现在的电池相关的长充时间相比，使用我们的发明的充电时间更为有利。例如，以每小时5.25瓦特时的充电速率，一个7伏1500毫安时容量的无线电电池大约需要两个小时来充电。物理尺寸与上述电池相当的现有技术的7伏燃料电池系统具有大约10倍于前者的容量，提供15000毫安时的容量，但是使用本发明可在十(10)分钟内进行充电，充电速率是每小时630瓦特时。
热交换器55还可以包括加热系统。随着时间推移和使用，氢化物存储容器100中的材料可能聚集了污染物，损失一些氢化物存储容量，通常的损失量在10-15％。可使用本发明按下面的方法对材料进行净化和“更新”。热交换器55工作在“加热”模式，在充气之前加热氢化物罐100，排出残余氢和其它污染物，同时一个可选的真空泵60通过放气阀62排出污染物。然后，冷却氢化物罐100并如前述那样进行充气。
在替代实施方案中，充气计40监控并测量进入耗尽的燃料电池罐100的氢气总量。充气计最简单的形式就是一个流量计。为了给出可商用的封装，上述整个系统可选地容纳在外壳70中，它类似于现在的桌面电池充电器，体积通常小于或等于一个立方英尺。这样，对安全性比较注意的消费者可拥有小型、简单、有效的方法来对耗尽的燃料电池罐进行快速充电。我们的发明给出的燃料电池充电时间最多可以比现在的电化学电池充电方法快100倍。由于水和电是补充该系统仅需的原料，我们的发明实际上可以以最小的成本在任何地方使用。
尽管已说明并描述了本发明的优选实施方案，但是很显然，本发明并不局限于此。对于熟练的技术人员来说，只要不超出所附实施方案确定的本发明的精神和范围，将可以有多种调整、改变、变化、替代和等效。例如，此刻示出和描速的发明还可与其它基于氢的燃料电池存储系统——例如碳纳米纤维或纳米管存储系统，以及压缩氢气存储容器——一起使用。

Claims (14)

1.用于燃料电池氢化物存储容器的充氢系统，包含：
电解器，将液态水水解成氢气和氧气，所述电解器与供水源相连；
氢气收集器；
干燥器，置于电解器和氢气收集器之间并与这二者相连；以及
其中电解器产生的氢气在干燥器中干燥，然后存储在收集器中，从而当使用者将燃料电池氢化物存储容器连接到充氢系统上时，存储的氢气从收集器快速转移到氢化物存储容器中，以金属氢化物的形式保留在氢化物存储容器中。
2.根据权利要求1的系统，进一步包含热交换器，以在存储的氢的转移过程中冷却所连接的燃料电池氢化物存储容器。
3.根据权利要求1的系统，进一步包含热交换器，以在存储的氢的转移之前加热所连接的燃料电池氢化物存储容器，其中在加热过程中使用泵来排空燃料电池氢化物存储容器。
4.根据权利要求1的系统，其中使用泵来排空燃料电池氢化物存储容器。
5.根据权利要求4的系统，进一步包含热交换器，以在存储容器的排空当中加热所连接的燃料电池氢化物存储容器，并在存储的氢的转移过程中冷却所连接的燃料电池氢化物存储容器。
6.根据权利要求1的系统，进一步在电解器上包含一个出口，以将电解器产生的氧排出到周围环境中。
7.根据权利要求1的系统，其中收集器进一步包含压缩器。
8.根据权利要求1的系统，进一步包含充气计，用于测量转移到燃料电池氢化物存储容器中的氢的总量。
9.根据权利要求1的系统，其中该系统容纳在体积小于或等于一个立方英尺的桌面外壳中。
10.用于燃料电池氢化物存储容器的配套充氢系统，包含：
供水源，与用于将液态水转变成氢和氧气的电解器相连；
储氢装置，包含收集器和压缩器；
干燥器，置于电解器之后；以及
其中电解器产生的氢气存储在储氢装置中；
热交换器，在存储的氢气的转移之前加热燃料电池氢化物存储容器，并在存储的氢气的转移过程中冷却燃料电池氢化物存储容器；
其中使用者将燃料电池氢化物存储容器与充氢系统相连时，所存储的氢气快速转移到氢化物存储容器中并以金属氢化物的形式装载在容器中。
11.根据权利要求7的系统，进一步在电解器上包含一个出口，以将电解器产生的氧排出到周围环境中。
12.根据权利要求7的系统，进一步包含充气计，用于测量转移到燃料电池氢化物存储容器中的氢的总量。
13.根据权利要求7的系统，进一步包含真空泵。
14.用于燃料电池氢化物存储容器的充氢系统，包含：
电解器，将液态水水解成氢气和氧气，所述电解器与一个供水源相连；
氢气收集器；以及
其中电解器产生的氢气存储在收集器中，从而当使用者将燃料电池氢化物存储容器连接到充氢系统上时，存储的氢气从收集器快速转移到氢化物存储容器中，以金属氢化物的形式保留在氢化物存储容器中。
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