利用氣凝膠催化劑的氫氣發生器的製作方法

2023-06-09 04:38:21

專利名稱：利用氣凝膠催化劑的氫氣發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及生成用於燃料電池的氫氣的方法和系統。具體地，本發明涉及氫氣發生裝置，該氫氣發生裝置包括塗覆有具有良好分散性的催化劑的有機氣凝膠，其加速了放出熱量並釋放氫氣的氫化物-水的氧化反應。本發明還涉及能夠維持反應直到所有反應物大體上耗盡的反應室。
背景技術：
燃料電池是直接將反應物(即燃料和氧化劑)的化學能量轉化為直流電(DC)的設備。對於很多應用來說，燃料電池比常規發電(例如燃料化石燃料)和可攜式能量存儲裝置(如鋰離子電池)更加高效。一般而言，燃料電池技術包括多種不同的燃料電池，例如鹼性燃料電池、聚合物電解質燃料電池、磷酸燃料電、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池和酶燃料電池。 目前，更重要的燃料電池可分為幾個大類，即(i)利用壓縮氫氣(H2)作為燃料的燃料電池；( )利用醇類(如甲醇CH3OH)、金屬氫化物(如硼氫化鈉NaBH4)、碳氫化合物或重組為氫燃料的其他燃料的質子交換膜(PEM)燃料電池；(iii)可直接使用非氫燃料的PEM燃料電池和直接氧化燃料電池；及(iv)在高溫下直接將碳氫化合物燃料轉化為電力的固態氧化物燃料電池(SOFC)。壓縮氫氣一般在高壓下保存，因此難於控制。此外，通常需要大型儲罐，而且不能將其做得足夠小以用於消費性電子產品。傳統的重新格式化燃料電池需要重組器和其他汽化和輔助系統以將燃料轉化為氫，從而與燃料電池中的氧化劑反應。最新的進展使得重組器或重新格式化燃料電池有希望用於消費性電子產品。最常見的直接氧化燃料電池是直接甲醇燃料電池或DMFC。其他直接氧化燃料電池包括直接乙醇燃料電池和直接原碳酸四乙酯燃料電池。DMFC有希望應用於消費性電子產品中，在DMFC中，甲醇與燃料電池中的氧化劑直接反應。SOFC將碳氫化合物燃料(如丁烷)在高溫下轉化以產生電力。SOFC需要相對高的在1000°C範圍內的溫度以便發生燃料電池反應。另一種液體燃料是聯氨，其可以是無水的或者處於其一水化合物形態。聯氨可溶於水並分解以在存在水的情況下形成氫，具體如下N2H4H2CHH2O — 2H2+N2+2H20對於不同類型的燃料電池，產生電力的化學反應也不同。對於DMFC來說，直接甲醇燃料電池在每個電極上的化學-電反應和總反應描述如下陽極上的半反應 CH30H+H20 — C02+6H++6e"
陰極上的半反應1. 502+6H++6e" — 3H20燃料電池總反應CH3OH+1 · 502 — 0)2+2H20由於氫離子(H+)通過PEM從陽極遷移到陰極，而且自由電子(e_)不能通過PEM，因此，電子流過外部電路，由此產生通過外部電路的電流。外部電路可用於驅動許多有用的消費性電子產品，特別是例如移動或蜂窩電話、計算機、個人數字助理、手提電腦和電動工具。DMFC在美國專利5，992，008和5，945，231中有所描述，通過引用將這兩項專利的全文併入本文中。通常，PEM由聚合物製成，例如可商購於Dupont的Nafion 或其他合適的薄膜，Nafion 是厚度大約為0. 05mm-0. 50mm的全氟磺酸聚合物。陽極通常由利用沉積在其上的催化劑薄層(例如鉬釕合金)支撐的鐵氟龍碳紙製成。陰極通常是氣體擴散電極， 其中，鉬粒子附著在薄膜的一側。在另一種直接氧化燃料電池中，硼氫燃料電池(DBFC)反應如下陽極上的半反應BH4-+80H- — B02-+6H20+8e-陰極上的半反應202+4H20+8e- — 80H-化學金屬氫化物燃料是大有前途的，這是由於它們擁有相對較高的能量密度，即燃料每一質量或體積含氫的量。在化學金屬氫化物燃料電池中，硼氫化鈉被重組，反應如下NaBH4+2H20 —(熱或催化劑)—4 (H2) + (NaBO2)陽極上的半反應H2 — 2H++2e"陰極上的半反應2 (2H++2e0 +O2 — 2H20該反應合適的催化劑包括鉬和釕、以及其他金屬。重組硼氫化鈉所產生的氫燃料在燃料電池中與氧化劑(如O2)進行反應以產生電力(或電子流)，水作為副產品產生。該重組過程也產生了副產品硼酸鈉(NaBO2)。硼氫化鈉燃料電池在美國專利4，261, 956中描述，通過引用將該項專利的全文併入本文中。已知的氫氣發生器的一個缺點在於上述的硼氫化物-水的氧化反應產生不期望的硼酸鹽副產器，這限制了從硼氫化物釋放氫。因此，期望得到一種能夠從化學金屬氫化物燃料中最大限度地釋放氫的氫氣發生器裝置。

發明內容
本發明涉及氫氣發生裝置，包括容納水性組分(例如水或甲醇和添加劑)的貯存器、容納固態燃料組分(例如金屬氫化物和添加劑)的燃料隔間以及包括分散在氣凝膠平臺上的催化劑的反應室。第一流體路徑將水性組分(優選地是加壓的)引入燃料隔間，固態燃料組分在燃料隔間中溶解以形成水性燃料混合物。第二流體路徑將水性燃料混合物引入反應室中，以在氣凝膠催化劑的加速下通過氧化反應產生氣體(例如氫)。
在優選實施方式中，氣凝膠催化劑位於反應室內，該反應室既收集氫氣又收集副產品。反應室(優選地包括柔性容器)包含足夠量的水以將副產品維持在水性狀態，並由此防止可能阻塞氣凝膠催化劑上的孔的沉澱形成。反應室優選地維持在特定的溫度和/或壓強下，以最小化水發生過度蒸發的可能性和副產品沉澱的潛在性。


附圖是本發明說明書的一部分，並將結合附圖描述本發明，附圖中相似的參考標號表示不同視圖中相似的部件，附圖中圖1是根據本發明的制氣裝置橫截面示意圖；圖2是創造性的溶解器的分解圖；圖3是另一創造性的溶解器的分解圖；圖4是示出了水的三相的溫度-壓強圖示；及圖5是表明水合作用是溫度的函數的圖示。
具體實施例方式如附圖和下文的描述可知，本發明涉及燃料供應，該燃料供應存儲燃料電池的燃料。甲醇和其他醇類可用於許多種燃料電池中，特別是例如DMFC、酶燃料電池和重組燃料電池。燃料供應可包含其他類型的燃料電池燃料，例如乙酯或酒精；金屬氫化物，例如硼氫化鈉；可重組為氫的其他化學品；或者可提升燃料電池的性能或效率的其他化學品。燃料也包括氫氧化鉀(KOH)電解質，其可與金屬燃料電池或鹼燃料電池一起使用，並可存儲在燃料供應裝置中。對於金屬燃料電池來說，燃料是KOH電解質反應溶液中所含的液載鋅粒子的形式，並且池腔中的陽極是由鋅粒子形成的微粒陽極。KOH電解質溶液公開於2003年4 月 24 日、公開號為 2003/0077493、題為「Method of Using Fuel Cell System Configured to Provide Power to One or More Loads」的美國專利申請中，通過引用將該申請全文併入本文中。燃料也可包括甲醇、過氧化氫和硫酸的混合物，該混合物渡過形成於矽晶片上的催化劑，從而產生燃料電池反應。此外，燃料包括甲醇、硼氫化鈉、電解質和其他化合物的共混物或混合物，其他化合物例如在美國專利6，554，877,6, 562，497和6，758，871中描述的化合物，通過引用將這些專利全文併入本文中。另外，燃料包括部分溶解在溶劑中、部分懸浮於溶劑中的組合物(這些組合物在美國專利No. 6，773，470公開)以及既包括液態燃料又包括固態燃料的組合物(這些組合物在公開號為US2002/0076602的美國專利中公開)。 合適的燃料也在共有的於2006年12月21日公開的國際公開號為WO 2006/135, 895、題為 "Fuels for Hydrogen-Generating Cartridges」的專利中描述。通過引用將這些參考文獻的全文併入本文中。燃料也可包括碳氫化合物燃料，包括但不限於丁烷，煤油，酒精和天然氣，如記載於 2003 年 5 月 22 日公開的公開號為 2003/0096150、題為「Liquid Hereto-Interface Fuel Cell Device」的美國專利申請中的燃料，通過引用將該申請全文併入本文中。燃料也可包括與燃料反應的液態氧化劑。因此，本發明不限於任何類型的燃料、電解質溶液、氧化劑溶液或包含在供應裝置中或由燃料電池系統使用的液體或固體。本文所使用的術語「燃料」包括可在燃料電池或燃料供應中反應的所有燃料，包括但不限於上述的所有合適的燃料、電解質溶液、氧化劑溶液、氣態、液態、固態和/或化學品(包括添加劑和催化劑及其混合物)。 如上所述，優選的燃料包括金屬氫化物，例如硼氫化鈉(NaBH4)和水。本文所使用的術語「燃料供應」包括但不限於一次性盒、可再填充/可重複使用的盒、容器、駐留在電子設備中的盒、可移除的盒、電子設備外部的盒、燃料箱、燃料填充箱、其他存儲燃料的容器以及連接到燃料箱和容器的管。下文結合本發明的示例性實施方式描述了盒，應該注意的是，這些實施方式也可應用於其他燃料供應，並且本發明不限於燃料供應的任何具體類型。本發明的燃料供應也可用於存儲不用在燃料電池中的燃料。這些應用可包括但不限於存儲用於建立在矽晶片上的微型燃氣渦輪發動機的碳氫化合物和氫，這在The Industrial Physicist (2001 年 12 月 /2002 年 1 月)第 20-25 頁中的"Here Come the Microengines "中有所描述。如本發明所使用的，術語「燃料電池」也可包括微型引擎。其他應用可包括為內燃機存儲傳統燃料和碳氫化合物，例如用於袖珍且實用打火機的丁烷以及液化丙烷。合適的已知制氫裝置公開於美國專利7，329，470、公開號為US2005-0074643A1的美國專利申請、公開號為2006-0174952 Al的美國專利申請、公開號為2006-0191198 Al的美國專利申請和國際公開號為W02006/135，895的國際申請。通過引用將這些參考文獻的全文併入本文中。本發明涉及包括氣凝膠催化劑的制氫裝置，氣凝膠催化劑加速放出熱量並釋放氫氣的氫硼化物-水的氧化反應，包括但不限於下述反應(1)X (BH4) y+2H20 — X (BO2) +4 (1)其中，X包括但不限於第IA或第IIA主族中的金屬，例如Na，Mg，Li，K或類似物， 或其組合，y是表示X的化合價的數字。如圖1所示並如下文詳細描述的那樣，本發明包括若干其他結構創新，其設計為最大化氫氣的生成並最小化流體阻力。本文所使用的術語「氣凝膠」涉及低密度的多孔材料，其優選地通過下述方法製備形成凝膠，且隨後多凝膠中去除液體並大體上保持凝膠結構。通常，氣凝膠是氣體散布在非晶固體中的一種結構，非晶固體由形成小的連通孔的互連粒子組成。具體地，如本文所使用的，在氣凝膠結構中(1)平均孔直徑在大約2nm-50nm之間，其通常由0. 01-0. 99的相對壓強範圍內的隊的多點BJH(Barrett、Joyner和Halenda)吸收曲線確定(「BJH方法」測量直徑為l-300nm的那些孔的平均孔徑並且不考慮大孔)；並且(2)總孔容積的至少50% 包括孔直徑為l-300nm的孔。在美國專利7，005, 181中進一步論述了氣凝膠，通過引用將該專利全文併入本文中。已知的各種不同的氣凝膠合成物包括但不限於無機、有機或有機無機混合物。無機氣凝膠可基於金屬烷氧化物，如矽(S.S.Kistler，Nature，1931，127，764 * S. S. Kistler, U. S. Pat. No. 2，093，454)、鋁(S. J. Teichner 等人，Adv. Colloid Interface Sci. 1976,5,245)和各種碳化物(C. I. Merzbacher 等人，J. Non-Cryst. Solid，2000，285， 210-215)。有機氣凝膠包括但不限於聚氨酯氣凝膠(G. Biesmans等人，1998，225，36)、間苯二酚甲醛氣凝膠(R. W. Pekala, U. S. Pat. No. 4，873，218)、酚醛氣凝膠(D. Albert 等人， U. S. Pat. No. 7，005，181)和聚醯亞胺氣凝膠(W. Rhine et al.，U. S. Pat. No. 7，074，880)。
氣凝膠可商購於若干供貨源，包括Cabot公司(麻薩諸塞州，比勒瑞卡)、Aspen Aerogel 有限公司(麻薩諸塞州，Northborough, )、Hoechst, A. G.(德國)和 American Aerogel公司(紐約，羅切斯特)。在優選實施方式中，本發明使用有機氣凝膠(例如酚醛氣凝膠)，如在Albert等人的『181號專利中描述的氣凝膠以及可商購於American Aerogel公司的AEROBLACK 。 更具體地，優選的有機氣凝膠通過在『181號專利中描述的兩步聚合步驟製備。第一步包括使羥基芳香或高分子樹脂(如酚醛樹脂，優選的為酚醛清漆樹脂，例如GP-2018C，其可商購於喬治亞州的迪凱特的Georgia-Pacific Resins有限公司)與溶劑中的至少一種親電交聯劑(例如醇類，如甲醇)反應。溶劑包括至少一種化合物，其是用於溶解有機前體、沉澱交聯產品並用於在第二步(即乾燥)中加強固體網(solid network)的液體。這種加強互連性的機制可包括加強氫鍵合和/或共價修飾，該共價修飾加強聚合物骨架以最小化(優選地是防止)乾燥期間的分解和收縮。該反應可在存在促進聚合和/或交聯的催化劑(例如無機酸，如氫溴酸)的情況下發生。第二步包括乾燥以移除液體成分。不同於本領域已知的其他方法，乾燥步驟不需要超臨界萃取並且/或者不會導致實質上的降解。超臨界萃取方法選擇性地可單獨使用或與其他乾燥方法結合使用。上述的兩步聚合方法產生可用作催化劑載體或平臺的氣凝膠，由於其展示了最佳的表面特性，例如多孔性和大表面面積值。通常，氣凝膠的催化電位與氣凝膠的開放腔室結構和表面積成比例。因此，本發明所使用的氣凝膠包括開放腔室結構，其中，大於80%的腔室或孔是開放式的，優選的大於90的腔室或孔是開放式的，更優選地大體上大約100%的腔室或孔是開放式的。類似的，本發明所使用的氣凝膠的表面積大於大約100m2/g，優選在大於大約250m2/g，更優選地大於大約500m2/g，更優選地大於大約1000m2/g。由於本發明所使用的氣凝膠具有這種多孔性和大表面積，因此催化劑可沉積(例如通過機械捕集和/或化學鍵)的位置或孔的數量非常多，從而有利有硼氫化物-水氧化反應。催化劑可一般地由下述公式限定MaXb其中，M是過渡金屬陽離子，X是共價、離子地或通過氫鍵合與金屬結合的基團，「a〃和〃 b〃是根據需要平衡M的化合價的從1到6的整數。合適的過渡金屬陽離子包括但不限於鐵(II) (Fe2+)、鐵(III) (Fe3+), Ι (Co2+)、 鎳(II) (Ni2+)、鎳(III) (Ni3+)、釕(III) (Ru3+)、釕(IV) (Ru4+)、釕(V) (Ru5+)、釕(VI) (Ru6+)、 釕(VIII) (Ru8+)、銠(III) (Rh3+)、銠(IV) (Rh4+)、銠(VI) (Rh6+)、鈀(Pd2+)、鋨(III) (Os3+)、鋨 (IV) (Os4+)、鋨(V) (Os5+)、鋨(VI) (Os6+)、鋨(VIII) (Os8+)、銥(III) (Ir3+)，銥((IV) (Ir4+)、 銥((VI) (Ir6+)、鉬(II) (Pt2+)、鉬(III) (Pt3+)、鉬(IV) (Pt4+)、鉬(VI) (Pt6+)、銅(I) (Cu+)、銅 (II) (Cu2+)、銀(I) (Ag+)、銀(II) (Ag2+)、金(I) (Au+)、金(III) (Au3+)、鋅(Zn2+)、鎘(Cd2+)、汞 (I) (Hg+)、汞(II) (Hg2+)、鉭(Ta)及類似物。合適的X基團可包括但不限於氫化物(Η_)、氟化物(F_)、氯化物(Cl_)、溴化物(Br_)、碘化物(Γ)、氧化物(02_)、硫化物(S2—)、氮化物(N3—)、磷化物(P4—)、次氯酸鹽 (cio—)、亞氯酸鹽(Cio2-)、氯酸鹽(αο3-)、高氯酸鹽(αο4_)、亞硫酸鹽(so32-)、亞硫酸氫鹽 (HS03_)、硫酸鹽(S042_)、硫酸氫鹽(HS04_)、氫氧化物(0H_)、氰化物(CN_)、硫氰酸鹽(SCN_)、氰酸鹽(0CN_)、過氧化物(022_)、錳酸鹽(Μη042_)，高錳酸鹽(MnCV)、鉻酸鹽(Cr042_)、重鉻酸鹽(Cr2O72O、碳酸鹽(C032_)、碳酸氫鹽(HC03_)、磷酸鹽(P042_)、磷酸氫鹽(ΗΡ04_)、磷酸二氫鹽(H2PO4-)、亞磷酸鹽(PO32-)、亞磷酸氫鹽(HPO3-)、次磷酸鹽(PO2-)、鋁酸鹽(Al2O42-)、砷酸鹽(As043_)、硝酸鹽(N03_)、亞硝酸鹽(N02_)、醋酸鹽(CH3C00_)、草酸鹽(C2042_)、醇化物 (CH3(CH2)nCT,其中η是從0-大約19的整數)及類似物。本文所使用的術語「氣凝膠催化劑」涉及氣凝膠與一種或多種催化劑的組合物。在優選實施方式中，氣凝膠催化劑通過將催化劑(優選地酸催化劑，如CoCl2和RuCl3)沉積到合適的氣凝膠上形成。在一個例子中，0. 25克CoCl2，0. 15克RuCl3和IOml水或以其類似比例混合以形成催化劑溶液。0. 5克氣凝膠基質被加熱，並隨後以催化劑溶液的良好分散性的形式被滲透。因此，滲透的氣凝膠在真空環境下且在溫度大約140-160°C的情況下被乾燥大約2-4小時。如圖1所示，在優選實施方式，制氫或制氣裝置10包括至少三個隔間用於存儲水性組分Iio的貯存器100、容納固態化學金屬氫化物燃料組分210的溶解器200和容納氣凝膠催化劑310並發生反應以產生氣體(例如氫)的反應室300。根據本發明，反應室300位於遠離固態燃料和水性燃料混合的地方。在一種實施方式中，反應室300與副產品位於同一腔室內。更具體地，反應室300存儲在襯墊320內。如下所詳細描述的，水性組分110(大部分為水)、穩定劑(如NaOH)和其他可選的添加劑流入溶解器200，溶解器200將固態金屬氫化物燃料組分210溶解成水性金屬氫化物燃料混合物210』。水性金屬氫化物燃料混合物210』然後流入反應室300，反應室300在氣凝膠催化劑310的開放腔室或孔中經歷放熱反應，例如根據等式(1)進行的反應。氣凝膠催化劑310優選地位於殼體330內，殼體330位於襯墊320內。殼體330 還包括限流器以最大化水性金屬氫化物燃料混合物210』在氣凝膠催化劑310存在的情況下的反應時間。在一種實施方式中，限流器包括具有傘閥350的定位器340。有利的是， 傘閥350降低了液體流量，從而為水性金屬氫化物燃料混合物210』提供了更多時間在氣凝膠催化劑310上反應。一種示例性的傘閥在於2007年12月12日提交的申請系列號為 11/917,238的美國專利申請(公開為WO 2006/135, 896)中有所描述，其在本文的圖14中描述，參考標號為981。通過引用將『238號申請的公開文本的全文併入本文中。氣凝膠催化劑310加速了水性金屬氫化物燃料混合物210』的氧化。如等式(1) 所表示的反應所記錄的那樣，放熱的硼氫化物-水氧化反應生成了氫氣和不期望的硼酸鹽副產品，包括偏硼酸鹽(BO2-)和其他形式的硼酸鹽。隨著氧化反應的進行，硼酸鹽副產品可具有沉澱且在氣凝膠催化劑310的表面形成皮或殼的趨勢，從而阻塞其上的多個開放孔位置並阻止硼氫化物-水氧化反應。此外，偏硼酸鹽和其他硼酸鹽離子形成與若干水分鍵合， 與其中一些反應並與其他螯合，這導致金屬氫化物氧化反應比理想的化學計量反應需要更多的水。同樣的，水應該通過硼酸鹽皮並在到達其下的氣凝膠催化劑之前不與硼酸鹽氧化副產品螯合或反應。儘管偏硼酸鹽和其他硼酸鹽離子比硼氫化物分子更不易與水反應，硼酸鹽皮導致硼酸鹽-水反應/螯合步驟的速度受限。硼酸鹽副產品的不期望性的描述可在 2008年4月2日提交的、系列號為12/089,018的美國專利申請(公開為W02007/041，403) 中找到，通過引用將該申請全文併入本文中。因此，優選地避免硼酸鹽的沉澱和硼酸鹽皮的形成。在優選實施方式中，殼體330中容納的氣凝膠催化劑310位於收集副產品的襯墊320內。這樣的結構允許氫氣和硼酸鹽副產品容易流出催化劑殼體330，流入襯墊320，其中硼酸鹽副產品保持溶解在水性介質中。在另一種結構實施方式(未示出)中，氣凝膠催化劑310和其殼體330位於襯墊320 的外部。根據本發明的一個方面，容納硼酸鹽副產品的襯墊320中的水性介質優選地保持在特定的溫度和壓強下，如下所述，優選地大約45°C或低於該溫度，且大於大約1. 5psi。如果溫度上升到該水平，例如由於放熱反應(1)，則襯墊320中的水將逐漸蒸發，從而導致硼酸鹽副產品的不期望沉澱並阻塞大量的氣凝膠孔。本領域技術人員將輕易地認識到，在較高的壓強下，水可以在較高的溫度下保持。熱力學和熱/質量平衡在下文詳細描述。再次參考圖1，現在將描述從貯存器100流向反應室300的液體流。如圖所示，貯存器100優選地包括存儲水性組分110的襯套、囊狀物或類似的流體容器120。水性組分 110是包括大部分水、穩定劑(其防止金屬氫化物燃料組分210過早水解)和其他可選的添加劑的溶液。示例性的穩定劑包括但不限於金屬和金屬氫化物，例如鹼金屬氫化物，例如 KOH和/或NaOH。這些穩定劑的實例在美國專利6，683，025中描述，通過引用將該專利全文併入本文中。優選地，在一種實施方式中，水性組分110包括35mL水溶液，其中，穩定劑是NaOH， 並且其中NaOH濃度大約為0. -30% vol，更優選地為0. 3 % -20 % vol，最優選地為 0. 5% -10% vol。水性組分110最初通過填充閥130傳輸到或泵入流體容器120中，填充閥130可以是任何合適的閥，包括但不限於球閥、三通或四通閥、間閥、蝶閥、旋轉閥和止回閥。流體容器120由任何可變形的材料組成。優選地，流體容器120由本領域已知的可變形的彈性材料製成，例如橡膠、聚氨酯或矽膠。在優選實施方式中，儘管彈性矽膠也可不加壓，但流體容器120是加壓的彈性矽膠，舉例來說，可通過彈簧或加壓氣體或液化的碳氫化合物(例如丁烷，丙烷，異丙烷)加壓。當使用液化的碳氫化合物時，其被流入貯存器 100中並被容納在流體容器120和貯存器100之間的空間中。貯存器100和溶解器200通過流體傳輸導管150形成流體連接。置於溶解器200 一端的入口流體傳輸閥220控制通過導管150流向溶解器200的水性組分110的流量。可選地，置於流體容器120頂部的截止閥140可被使用者擰動以手動地打開或關閉通過導管 150的液流。出口流體傳輸閥260置於溶解器200的對端。如圖1所示，入口流體傳輸閥220可以是本領域已知的任何形式的壓強響應單通閥，包括但不限於單向閥，電磁閥，鴨嘴閥，或者優選地，具有壓強響應隔膜的閥，其當達到閾值壓強時打開或關閉。在優選實施方式中，流體傳輸閥220是隔膜閥，例如圖2所示並在下文中討論的閥。選擇流體傳輸閥220的大小，從而大於或等於溶解器200內的預定壓強時，閥220關閉。還可包括限流器226以降低水性組分110的流量，從而最大化在溶解器 200內的駐留時間。限流器2 可以是降低水性組分110流量的任何設備，例如如圖2和圖 3所示且在下文描述的設備。溶解器200也包括固態金屬氫化物燃料組分210，其由可變形囊狀物230密封地圍繞。囊狀物230可由能夠在無外力作用的情況下擴張或收縮的任何材料製成。例如，囊狀物230可以是由彈性體(如橡膠或乳膠)製成的球狀結構。此外，可擴張囊狀物230可由塑料材料製成，該塑料材料可熱定形為當排空時回復其原始配置，例如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。固態形成的載氫金屬氫化物燃料的存儲優選地通過水形式。一般認為固態氫化物燃料比水性氫化物燃料更有利，這是因為水性燃料與固態燃料相比包含的能量的比例較小。但是，預混合的水性氫化物燃料也可用於為反應室提供燃料，在優選實施方式，固態金屬氫化物燃料組分210是圓柱形藥丸或片劑。但是固態材料的細粒、顆粒或其他形式也是合適的。固態金屬氫化物燃料組分210具有位於每一端的固態或不可滲透塞250 (例如矽膠塞)，因此，固態金屬氫化物燃料組分210沿其側表面而不是沿其端部溶解在水性組分210』 中。在不可滲透塞250和入口流體傳輸閥220之間還具有一個多孔隔板M0，由此允許水性組分110進入溶解器200中，如圖1所示。出口流體傳輸閥260位於溶解器200的出口端， 第二多孔隔板240類似地位於出口閥260和第二不可滲透塞250之間，以允許溶解的水性金屬氫化物燃料混合物210』流出溶解器200。選擇出口流體傳輸閥沈0的大小，從而如果反應室內的壓強高於預定量時，出口閥260關閉以使水性金屬氫化物燃料停止流向反應室 300，從而減慢或停止產生氫的反應。出口閥260也趨向於降低通過溶解器200的流體的流量，從而促進水性組分110和固態燃料210之間的混合。最初，或在開始階段，使用者打開貯存器100上的截止閥140。加壓水性組分110 通過截止閥140和導管150流出或被泵出。水性組分110的壓強打開入口閥220，允許水性組分110通過第一多孔隔板240進入囊狀物230。限流器226降低水性組分110通過溶解器200的流量，從而增加水性組分110和固態金屬氫化物燃料組分210之間的接觸時間。 限流器2 可以是限制流量的任何設備，並且其示例性實施方式在下文中描述，限流器2 也可位於溶解器200靠近出口閥沈0的出口端。加壓水性組分110使囊狀物230膨脹，並且水性組分110接觸並沿其外表面或側面溶解固態氫化物210，從而形成水性金屬氫化物燃料混合物210』，水性金屬氫化物燃料混合物210，流出第二多孔隔板240和出口閥沈0並流入反應室300。如圖2的分解圖最佳展示的那樣，為了確保固態金屬氫化物燃料210在其側面或外表面均勻地溶解並確保在固態金屬氫化物燃料210的外表面上不會形成局部腔室，還具有安裝在固態燃料210周圍的多孔隔板228，從而緩和固態燃料210周圍的水性燃料110的流量。多孔隔板2 可以是由金屬、塑料或合成物製成的網狀物，或者其也可由紙製成。優選地，如圖1所示，多孔隔板228也位於兩個不可滲透塞250的周圍，從而防止囊狀物230 利用塞250形成密封。囊狀物230是彈性材料並隨著固態燃料210由於被水性燃料110溶解而發生的形變而形變。再次參考圖2，示出了溶解器200的變形。不可滲透塞250和多孔隔板240的組合分別被不可滲透盤252和間隔裝置2M替代。優選地，盤252和間隔裝置2M被製成彼此構成一整體。間隔裝置2M允許水性燃料110和水性金屬氫化物燃料混合物210』流動通過，不可滲透盤252防止固態燃料210的端部溶解或侵蝕。此外，在該實施方式中的閥220、260是隔膜閥，其包括隔膜222和閥體224。當組裝時，隔膜222夾在閥體2M和端帽225之間。當隔膜222朝閥體2M彎曲時，閥打開且水性組分110流動通過閥體224的通道223，並通過間隔裝置254。當隔膜222壓向端帽225 時，隔膜密封端帽以關閉閥。
同樣的，該實施方式中的限流器2 是定位螺絲，其與閥體224的通道233螺紋嚙合。當定位螺絲2 設置或定位在隔膜222附近時，定位螺絲限制隔膜222的移動，從而限制流速。當定位螺絲226回退時，其允許隔膜222彎曲更多，從而增加流速。圖3示出了另一種限流器。其中，限流器2 是具有放大頭部的塞，該放大頭部壓入閥體224中，限定其中的流體通道。流體通道優選地比較小且其尺寸和形狀限制通過其中的液體的流量。諸如公開於國際專利申請PCT/US2008/073865中的那些流量調節器可用於此處以控制通過溶解器200的水性燃料110的流量。通過引用將該國際專利申請併入本文中。第二流體傳輸閥260控制液態金屬氫化物燃料組分210』從燃料反應室300到氣凝膠催化劑310的傳輸。流體傳輸閥260類似於流體傳輸閥220，但不必包括限流器，並且其打開和關閉的方式與閥220相反。可選地，限流器2 可與閥260 —起使用，而不與閥220 一起使用，或者限流器可與兩個閥一起使用。更具體地，隨著囊狀物230內的壓強達到閾值 PT,閥260逐漸地打開以允許水性金屬氫化物燃料混合物210』流到氣凝膠催化劑310。理想地是將水性金屬氫化物燃料混合物中溶解的金屬氫化物的濃度維持在大體上恆定的水平，優選地維持在大約15% -30%,優選地大約20%的金屬氫化物。明顯高的濃度可能是過於「充足」的並且可能不具有足夠的水以在化學計量上有效的方式下反應。明顯低的濃度可能是過於「貧乏」的並且可能不具有足夠的金屬氫化物以產生反應。水重量的大約0. 5%是NaOH穩定劑。測試了溶解器200的不同實施方式，且其結果如下
溶解器 200# 運行運行時間反應器 310*H2流速固態燃料圖131.5 hr-2.0 hr0.08g24ml/min60%SBH + 40%KBH 0.625英寸直徑圖1 +紙隔板2281>3.0hrs24ml/min60%SBH + 40%KBH 0.625英寸直徑圖1+紙14.25 hrs24ml/min60%SBH +
權利要求
1.一種氣體發生器，包括反應室，其中，水性金屬氫化物燃料在催化劑的作用下反應以產生氫氣和水性硼酸鹽副廣品；最小化副產品的水性部分的蒸發從而最小化硼酸鹽的沉澱的裝置。
2.如權利要求1的氣體發生器，其中，催化劑承載在氣凝膠基質上。
3.如權利要求1的氣體發生器，其中，水性金屬氫化物燃料包括硼氫化鈉和硼氫化鉀。
4.如權利要求1的氣體發生器，其中，最小化蒸發的裝置包括將反應室的壓強維持在水在反應室的溫度下的飽和壓強之下的裝置。
5.如權利要求4的氣體發生器，其中，維持壓強的裝置包括氫閥，該氫閥具有用於打開的閾值壓強，從而允許氫氣排出該氣體發生器。
6.如權利要求1的氣體發生器，其中，最小化蒸發的裝置包括將反應室的溫度維持在水在反應室的壓強下的飽和溫度之下的裝置。
7.如權利要求6的氣體發生器，其中，水的飽和溫度大約為45°C。
8.如權利要求1的氣體發生器，還包括液體貯存器和容納固態金屬氫化物的溶解器。
9.如權利要求8的氣體發生器，其中，該溶解器包括位於固態金屬氫化物的每一端的不可滲透端帽以及圍繞固態金屬氫化物的薄膜，其中，當液體貯存器中的液體進入溶解器時，薄膜擴張，當液體離開溶解器時，薄膜收縮。
10.如權利要求8的氣體發生器，還包括位於溶解器上遊的入口閥。
11.如權利要求8的氣體發生器，還包括位於溶解器下遊的出口閥。
12.如權利要求8的氣體發生器，其中，溶解器內包括限流器。
13.如權利要求1的氣體發生器，其中，反應室位於副產品的容器內。
14.如權利要求13的氣體發生器，其中，容器對氫氣是可滲透的。
15.一種控制水性金屬氫化物燃料和催化劑之間的反應以產生氫的方法，包括下述步驟i.設置目標氫生產速率； 確定接觸催化劑的水性金屬氫化物燃料的量以產生目標氫流速； iii.確定催化劑添加量以產生目標氫生產速率，其中，催化劑添加量包括足以與水性金屬氫化物燃料的所述量反應的催化劑量。
16.如權利要求15的方法，其中，步驟(ii)包括確定水中金屬氫化物濃度的步驟。
17.如權利要求15的方法，其中，步驟(iii)包括平衡較大量催化劑和較少量催化劑的步驟，其中較大量催化劑提升反應速率和使副產品從溶液中沉澱的反應溫度，較少量催化劑降低反應速率並使一定量燃料未參與反應。
18.如權利要求16的方法，其中，當金屬氫化物的濃度較高時，催化劑添加量包括相對較少的催化劑。
19.如權利要求15的方法，還包括最小化催化劑的熱質量的步驟(iv)。
20.如權利要求15的方法，其中，反應溫度維持在低於大約45°C。
21.如權利要求15的方法，其中，其中發生反應的腔室中的壓強大於大約Ipsi。
22.如權利要求15的方法，其中，所述接觸催化劑的水性金屬氫化物燃料的量包括水性金屬氫化物燃料朝著接觸催化劑方向的流速。
23.—種容納固態金屬氫化物的溶解器，包括位於固態金屬氫化物的每一端的不可滲透端帽以及圍繞固態金屬氫化物的薄膜，其中，當液體貯存器中的液體進入溶解器時，薄膜擴張，當液體離開溶解器時，薄膜收縮。
24.如權利要求23的溶解器，還包括位於溶解器上遊的入口閥或位於溶解器下遊的出口閥。
25.如權利要求23的溶解器，還包括限流器。
全文摘要
本發明涉及氫氣發生裝置(10)，包括(1)容納水性組分(110)的貯存器(100)，(2)容納固態金屬硼氫化物燃料組分(210)的燃料隔間(200)和(3)包括氣凝膠催化劑(310)的反應室(300)。第一流體路徑將水性組分引入燃料隔間，固態金屬硼氫化物燃料組分在燃料隔間中溶解到液體金屬硼氫化物燃料組分(210』)中。第二流體路徑將液態金屬硼氫化物燃料組分引入反應室中，從而在氣凝膠催化劑的加速下通過氫化物-水氧化反應產生氫氣。反應室的溫度和/或壓強是預定的，以將硼酸鹽副產品中的水大體上維持在液相，從而最小化硼酸鹽副產品的沉澱。
文檔編號H01M8/06GK102265443SQ200980152040
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月22日 優先權日2008年12月23日
發明者康士坦士·史蒂芬, 麥可·居裡婁 申請人:法商Bic公司