專利名稱：氫氣生成系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用硼氫化物化合物的燃料溶液生成氬氣。更具體地 講，本發(fā)明涉及一種燃料筒和氫氣生成裝置，所述裝置具有用于儲(chǔ)存燃料溶液、氫氣的體積交換結(jié)構(gòu)和氳氣分離區(qū)。
背景技術(shù)：
氫氣是為燃料電池選擇使用的燃料；然而其廣泛使用由于儲(chǔ)存 氣體方面的困難而復(fù)雜化。很多氫載體，包括烴、金屬氫化物和化 學(xué)氫化物，被認(rèn)作為氫儲(chǔ)存和供應(yīng)系統(tǒng)。在各種情況下，為了從其載體釋放氫氣，需要開發(fā)特定的系統(tǒng)，可通過重整(如在烴的情況下)、自金屬氫化物解吸或化學(xué)氫化物的催化水解作用。
氫儲(chǔ)存和生成所用的一種更有希望的系統(tǒng)利用硼氫化物化合物作為氫儲(chǔ)存媒介。硼氫化鈉(NaBH4)特別有利，因?yàn)槠淠軌蛉苡趬A性 水溶液且基本上不發(fā)生反應(yīng)；在這種情況下，將硼氫化鈉的穩(wěn)定化堿性溶液稱為燃料。此外，含水硼氫化物燃料溶液不可揮發(fā)，并且不會(huì)燃燒。這些顯著特點(diǎn)使處理和運(yùn)輸在體積意義上和在氫氣生成 器自身內(nèi)兩方面都很容易。
為了自含水硼氫化鈉燃料溶液制備氫氣，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了多種 氫氣生成系統(tǒng)。此類生成器通常需要多個(gè)室來儲(chǔ)存燃料、硼酸鹽產(chǎn) 物和催化劑或其它反應(yīng)劑，以促進(jìn)硼氫化物水解。氬氣生成系統(tǒng)也 可結(jié)合其他部件，如氫氣壓載艙、熱交換器、冷凝器和氣-液分離器。
開發(fā)燃料電池作為電池替代取決于找到 一種方便安全的氫源。 小型應(yīng)用的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)需要體積小，重量輕，具有高重量氬 儲(chǔ)存密度，并且優(yōu)選地可以任何方向操作。此外，它應(yīng)易于4吏系統(tǒng) 的氫氣流速和壓力的控制與燃料電池的操作需求相匹配。
發(fā)明概述
本發(fā)明涉及用催化劑或反應(yīng)劑和硼氫化物化合物產(chǎn)生氫氣的裝 置和方法。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案提供了一種具有外殼的氫氣生成器，其 具有燃料儲(chǔ)存室、氫氣儲(chǔ)存室和氫氣分離室，其中氫氣分離室和燃 料儲(chǔ)存室均包括至少一個(gè)可透氣薄膜以將氫氣傳送出各自的室。本 發(fā)明的另 一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案利用 一種體積交換結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)具 有包圍在氫氣儲(chǔ)存室和氫氣分離室二者之內(nèi)的燃料儲(chǔ)存室，其中氫 氣分離室和燃料儲(chǔ)存室均具有至少一個(gè)位于其中的可透氣薄膜。
另一個(gè)實(shí)施方案提供一種能夠生成氫氣的氫氣生成器，所述氫
氣生成器包括燃料儲(chǔ)存室；氫氣儲(chǔ)存區(qū)；和用于自燃料儲(chǔ)存室移除 燃料的泵；其中燃料儲(chǔ)存室包括燃料出口 ，其用于移除燃料；至少 一個(gè)可透氣的薄膜，用于允許由燃料產(chǎn)生的氫氣通過可透氣的薄膜 達(dá)到氫氣儲(chǔ)存區(qū)；和氫氣出口，用于允許氫氣自氫氣儲(chǔ)存區(qū)通到系 統(tǒng)夕卜面。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種氫氣生成器，其包括 氫氣分離室；氫氣儲(chǔ)存室；至少部分被包圍在氫氣儲(chǔ)存室內(nèi)的燃料 儲(chǔ)存室；第一導(dǎo)管，所述導(dǎo)管用于將燃料溶液自燃料儲(chǔ)存室輸送到 反應(yīng)室以促進(jìn)燃料溶液反應(yīng)生成氫氣和產(chǎn)物；笫二導(dǎo)管，所述導(dǎo)管用于將氫氣和產(chǎn)物自反應(yīng)室輸送到氫氣分離室；氬氣出口，所述出口用于將氫氣自氫氣分離室排出；和至少一個(gè)可透氣薄膜，所述薄 膜與各個(gè)燃料儲(chǔ)存室和氬氣分離室接觸以允許氫氣通過可透氣薄膜，同時(shí)實(shí)質(zhì)上防止固體物質(zhì)和液體物質(zhì)通過可透氣薄膜。
本發(fā)明進(jìn)一步提供生成氫氣的方法，所述方法包括提供燃料儲(chǔ) 存室、燃料溶液、氳氣儲(chǔ)存室和氫氣分離室。燃津十室至少部分^f立于 氫氣儲(chǔ)存室內(nèi)，而氫氣儲(chǔ)存室至少部分位于氫氣分離室內(nèi)。提供與 燃料溶液儲(chǔ)存室接觸的至少 一個(gè)第 一可透氣薄膜和與氫氣分離室接 觸的至少一個(gè)第二可透氣薄膜，以允許氫氣通過第一和第二可透氣 薄膜。將燃料溶液自燃料溶液儲(chǔ)存室輸送到反應(yīng)室，以產(chǎn)生氫氣和 產(chǎn)物。將產(chǎn)物和氫氣自反應(yīng)室輸送到氫氣分離室。在所述優(yōu)選方法 的操作期間，將氫氣儲(chǔ)存室保持在比燃料溶液室更低的壓力。
附圖簡(jiǎn)述
參考附圖并結(jié)合以下詳述，可完全地理解本發(fā)明，其中


圖1A和圖1B為根據(jù)本發(fā)明的氫氣生成系統(tǒng)的燃料容器的示意圖2為根據(jù)本發(fā)明的氫氣生成系統(tǒng)的燃料容器的一種可供選擇 的結(jié)構(gòu)的示意圖3A和圖3B為根據(jù)本發(fā)明的氫氣生成系統(tǒng)的燃料筒的布置示意圖4A和圖4B為一種氫氣生成系統(tǒng)的燃料筒的一種可供選擇的 布置示意圖；和
圖5為根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選氫氣生成系統(tǒng)的布置示意圖。
發(fā)明詳述
美國(guó)專利申請(qǐng)序號(hào)10/359,104,標(biāo)題為"hydrogen Gas Generation System",其全文通過引用結(jié)合到本文中，描述了一種包括外殼的氫
氣生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一種體積交換結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有包括第一 栗性袋的燃料儲(chǔ)存室和包括第二栗性袋的氬氣分離室，其中任一個(gè) 或兩個(gè)柔性袋可具有位于其中的可透氣薄膜。
此類系統(tǒng)主要通過被動(dòng)壓力系統(tǒng)計(jì)量氬氣生成燃料的流量，其 中自彈簧等所施加機(jī)械壓力或所施加的氣體壓力迫使燃料通過閥進(jìn)入反應(yīng)室。氫氣生成的控制由壓力調(diào)節(jié)來給予。液體生成氬氣的燃料在低于約4(TC的溫度是穩(wěn)定的(即，觀察到很少乃至沒有氫氣生 成)，但氳可能隨溫度增加而放出。在此系統(tǒng)中，可迫使在燃料儲(chǔ)存 室中從燃料溶液自發(fā)產(chǎn)生的氳氣通過燃料儲(chǔ)存室中的薄膜，并由用 于推進(jìn)燃料通過控制閥以達(dá)到反應(yīng)室的相同壓差迫使其進(jìn)入外殼的 主體。
雖然被動(dòng)系統(tǒng)可用，但包括能夠變化控制燃料輸送的泵常常合 乎需要。泵在體積和重量上經(jīng)常小于彈簧機(jī)械裝置，并且泵有能力 使燃料流反向，從而自反應(yīng)室主動(dòng)地抽取燃料。然而，如果將泵合 并到同 一 系統(tǒng)以將燃料輸送到反應(yīng)室，將不能利用壓力差從燃料溶 液和燃料儲(chǔ)存室移出氫氣。在燃料溶液中存在氣泡不合乎需要；例 如，氣泡可導(dǎo)致泵發(fā)生渦凹現(xiàn)象。此外，燃料溶液中存留的氫氣潛 在地不能傳送到氫氣裝置或由燃料電池轉(zhuǎn)化成電力。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，為了自生成氫的燃料溶液和燃料儲(chǔ)存室 移出氫氣，用一種系統(tǒng)和方法在泵送系統(tǒng)中產(chǎn)生壓差。
在本發(fā)明的這些和以下方面中所用的生成氫的燃料優(yōu)選為液體 或能夠配制成可流動(dòng)燃料的硼氫化物化合物。很多硼氬化物化合物 為水溶性，并且可將含水可流動(dòng)的燃料溶液制備成含水混合物，該 含水混合物可包含穩(wěn)定劑組分，如具有通式M(OH)n的金屬氫氧化 物，其中M為陽(yáng)離子，陽(yáng)離子選自堿金屬陽(yáng)離子，如鈉、鉀或鋰； 堿土金屬陽(yáng)離子，如鈣；鋁陽(yáng)離子；和銨陽(yáng)離子，并且n等于陽(yáng)離 子的電荷數(shù)。也可以將非水可流動(dòng)燃料在非水溶劑中制備成分散液 或乳液，例如在礦物油中制備成分散液，或在例如甲苯、甘醇二曱醚或乙腈中制備成溶液。
本發(fā)明所用的硼氯化物包括硼烷、多面體硼烷、硼氫化物或多
面體;屑:烷的陰離子，如片示題為"Fuel Blends for Hydrogen Generators" 的同時(shí)待審美國(guó)專利申請(qǐng)序號(hào)10/741，199所提供的那些硼氫化物， 此專利的內(nèi)容全部通過引用結(jié)合到本文中。適合的硼氫化物包括但 不限于中性硼烷化合物，如癸硼烷(14)(B!。H,4);通式NH^Hy和 NH^Hy的氨硼烷化合物，其中x和y獨(dú)立為1至4,并且不必相 同，R為曱基或乙基；borazane(NH3BH3);氫硼酸鹽M(BH4)n、八氬 三硼酸鹽M(B3H8)n、十氫十硼酸鹽M2(B1QH1Q)n、十三氫十硼酸鹽 M(B,。H13)n、十二氫十二硼酸鹽M2(B12H12)n和十八氬二十硼酸鹽 M2(B2。H18)n,其中M為選自堿金屬陽(yáng)離子、堿土金屬陽(yáng)離子、鋁陽(yáng) 離子、鋅陽(yáng)離子和銨陽(yáng)離子的陽(yáng)離子，n等于陽(yáng)離子的電荷數(shù)。M優(yōu) 選為鈉、鉀、鋰或鈣。硼氳化物燃津十可被制備成含水混合物，并且 可包含穩(wěn)定劑組分，如具有通式M(OH)n的金屬氫氧化物，其中M 為陽(yáng)離子，所述陽(yáng)離子選自堿金屬陽(yáng)離子，如鈉、鉀或鋰；堿土金 屬陽(yáng)離子，如鍋；鋁陽(yáng)離子；和銨陽(yáng)離子，并且n等于陽(yáng)離子的電 荷數(shù)。
生成氫的燃料優(yōu)選為穩(wěn)定化的金屬硼氫化物溶液，如標(biāo)題為"A System for Hydrogen Generation"的美國(guó)專利6,534,033所述，其內(nèi)容 全部通過引用結(jié)合到本文中，用此溶液如反應(yīng)式1所示制備氫氣， 其中MBH4和MB(OH),分別表示堿金屬硼氬化物和堿金屬偏硼酸鹽
MBH4 + 4H20 — MB(OH)4 + 4H2+熱量 式1
參考圖1A,氫氣生成系統(tǒng)的燃料容器100包括外殼102,所述 外殼可為適合構(gòu)成本發(fā)明燃料筒的任何適用材料。此類材料包括但 不限于金屬和塑料。在外殼內(nèi)，燃料儲(chǔ)存室104與氫氣儲(chǔ)存室106 由可移動(dòng)或柔性隔片108分隔，其中隔片包括至少一個(gè)可透氣薄膜110。適用的可透氣薄膜的實(shí)例包括透過氫比透過液體(如水)更容易 的材料，如硅橡膠、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、含氟聚合物或任何 氫氣可透過的金屬薄膜(如鈀-金合金)。適合的可透氣薄膜可為^t孔 性和疏水性和/或疏油性。隔片的柔性或可移動(dòng)性質(zhì)適應(yīng)體積膨脹和 減小，并因此適應(yīng)兩個(gè)儲(chǔ)存區(qū)內(nèi)的壓力變化。本文所用術(shù)語(yǔ)"室" 和"區(qū)"可互換使用。
氫氣儲(chǔ)存室保持在低于燃料儲(chǔ)存室的壓力，以便在兩個(gè)室之間 保持壓差。此壓差可通過將系統(tǒng)內(nèi)的各區(qū)保持在不同壓力來達(dá)到。 由例如按壓彈性壁或由彈簧板加力可使燃料儲(chǔ)器處于壓力下。通過燃料儲(chǔ)存室中的較高壓力，可迫使由燃料儲(chǔ)存室104內(nèi)容納的燃料溶液所產(chǎn)生的氫氣通過可透氣薄膜進(jìn)入氬氣儲(chǔ)存室。可通過自氫氣 儲(chǔ)存室移除氫氣保持兩個(gè)室之間的壓差，例如通過卸壓閥以低于燃 料儲(chǔ)存室中壓力的預(yù)定壓力排放，或由氫裝置消耗氫氣，或通過氫氣出口 112自室106移除氫氣。例如，在將燃料電池連接到燃料容 器的氫氣儲(chǔ)存室時(shí)，可通過操作燃料電池產(chǎn)生低壓區(qū)域，從而幫助 保證壓差。此安排允許室106排放到較低壓力，以產(chǎn)生有效從燃料溶液移除氫氣所需的壓差。
可通過氫氣出口 112直接使氫氣儲(chǔ)存室對(duì)大氣排放，氫氣出口 112可包括止回閥以防止空氣回流。為了捕獲傳送到氫裝置(如動(dòng)力 模塊)的脫出氫氣，可優(yōu)選地將氫氣出口 112連接到壓降下游的氫氣 輸出線120。此連接的一個(gè)示例性實(shí)例顯示于圖1B中，其中氫氣出 口 112連接到調(diào)節(jié)器124下游的氫氣管線120，氫氣管線接收來自反 應(yīng)室116中氫生成燃料反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣。調(diào)節(jié)器124可由給予管線120 中壓降的孔口或其它限流器替換。對(duì)于系統(tǒng)長(zhǎng)期不活動(dòng)的情況，可 在系統(tǒng)中引入一個(gè)或多個(gè)排放到較低壓力如大氣壓的卸壓閥來移除 所積累的氫氣。
如圖1B所示，燃料調(diào)節(jié)控制器122，如燃料泵，將燃料溶液自 燃料儲(chǔ)存室104通過燃料導(dǎo)管114輸送到反應(yīng)室II6,反應(yīng)室116包 含催化劑以促使燃料溶液反應(yīng)生成氫氣，對(duì)于硼氫化物如反應(yīng)式1 所示。將包含硼產(chǎn)物和氫氣的產(chǎn)物流輸送到氫氣分離室118，以侵_使 氣體與產(chǎn)物流的液體和固體成分分離，并傳送該氣體。氣體可被輸
送以供動(dòng)力模塊使用，動(dòng)力模塊包括用于轉(zhuǎn)化成能量的燃料電池或 氬燃燒引擎，或者任何其它氬裝置，包括氣球或氫儲(chǔ)存裝置如氫瓶
或金屬氫化物?？稍谑襩l8或在導(dǎo)管線120中包括至少一個(gè)卸壓閥
來排放氫氣。
本實(shí)施方案中所用的反應(yīng)室優(yōu)選包含反應(yīng)劑，如負(fù)載于底物上
的金屬催化劑。例如，標(biāo)題為"System for Hydrogen Generation"的美 國(guó)專利6,534,033教授了此類負(fù)載催化劑的制備?；蛘?，可在反應(yīng)室 中存在已知促進(jìn)硼氫化物化合物反應(yīng)的其它適合催化劑或反應(yīng)劑， 如未負(fù)載的金屬、酸或熱量。為了制備氫氣，可將這些催化劑和反 應(yīng)劑組合在一起使用；例如，加熱可與負(fù)載的金屬催化劑系統(tǒng)一起 使用。
圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的燃料容器的另一種結(jié)構(gòu)，其中與圖1所 示相同的部件具有相同的編號(hào)。在此結(jié)構(gòu)中，燃料儲(chǔ)存室104為一 種柔性不透液體的材料，例如但不限于尼龍；聚氨酯；聚氯乙烯 (PVC);聚乙烯聚合物，包括如低密度聚乙烯(LDPE)、線形低密度聚 乙烯(LLDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物 (EVA);天然橡膠；合成橡膠；金屬箔或其它材料，并且包含至少一 個(gè)可透氣薄膜。可透氣薄膜優(yōu)選地實(shí)質(zhì)上不透過液體和固體，并且 實(shí)質(zhì)上防止固體和液體物質(zhì)通過可透氣薄膜，同時(shí)允許氣體流動(dòng)。 在本文中，"實(shí)質(zhì)上"是指相對(duì)于固體和/或液體優(yōu)先允許氣體通過， 或者在優(yōu)選情況中只允許氣體通過。柔性燃料儲(chǔ)存室104被容納在 圖2中所示的外殼內(nèi)；由外殼和燃料室限界并且介于二者之間的區(qū) 域構(gòu)成氬氣儲(chǔ)存室106。燃料室的柔性壁適應(yīng)兩個(gè)儲(chǔ)存區(qū)的壓力變 化。
在本發(fā)明的氫生成系統(tǒng)中，可優(yōu)選地將氫氣分離室和燃料儲(chǔ)存室設(shè)計(jì)在一個(gè)外殼內(nèi)，這樣會(huì)提供多種優(yōu)點(diǎn)，例如最大程度地減小總系統(tǒng)體積。參考圖3A和圖3B,其中與先前圖中所示相同的部件 具有相同編號(hào)，氫氣生成系統(tǒng)300包括外殼102，所述外殼102包含 被包圍在柔性氬儲(chǔ)存室106內(nèi)的柔性燃料儲(chǔ)存室104和氫氣分離室 302。氫氣分離室302可以是如圖3A所示的外殼的內(nèi)部，或者可以 是如圖3B所示的單獨(dú)柔性室。 一個(gè)或多個(gè)不同的室可包含柔性不透 液體的材料，例如尼龍；聚氨酯；聚氯乙烯；聚乙烯聚合物，包括 例如低密度聚乙烯(LDPE)、線形低密度聚乙烯(LLDPE)、高密度聚乙 烯(HDPE)和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA);天然橡膠；合成橡膠； 金屬箔或其它材料，或者可包含非柔性或剛性材料(如金屬或塑料)， 該材料套疊地包含一個(gè)或多個(gè)可移動(dòng)隔片以提供體積交換結(jié)構(gòu)。燃 料儲(chǔ)存室104包含至少一個(gè)可透氣薄膜。
氬氣生成反應(yīng)致使氫氣和硼產(chǎn)物生成，二者經(jīng)導(dǎo)管304傳輸?shù)?氫氣分離室302。例如，在適于硼氫化物化合物的反應(yīng)式1所示的水 解反應(yīng)中，在產(chǎn)物中包括硼酸鹽。
在圖3A所示的結(jié)構(gòu)中，氫氣和產(chǎn)物收集在外殼內(nèi)部，即氫氣分 離室302,并且氬氣被遞送通過在氫氣管線120的入口存在的至少一 個(gè)氫氣分離薄膜iio,而產(chǎn)物混合物的任何固體和液體組分保持在氫 氣分離室302內(nèi)。氫氣可被輸送以供動(dòng)力模塊使用，動(dòng)力模塊包括 用于轉(zhuǎn)化成能量的燃料電池或氬燃燒引擎或其它氫裝置。
現(xiàn)在參考圖3B，氫氣和硼產(chǎn)物收集在柔性氫氣分離室302中。 氬氣遞送通過在室302的壁存在的氫氣分離薄膜110，而產(chǎn)物混合物 的任何固體和液體組分保持在氫氣分離室302內(nèi)。氫氣收集在外殼 的內(nèi)部，并且可通過氫氣出口 306抽出以供動(dòng)力模塊使用，動(dòng)力模 塊包括用于轉(zhuǎn)化成能量的燃料電池或氫燃燒引擎或其它氫裝置。
圖3A和圖3B的氫生成系統(tǒng)優(yōu)選以體積交換方式操作，使得氬 氣儲(chǔ)存袋包圍的充滿燃料儲(chǔ)存室最初占據(jù)大部分外殼的內(nèi)部體積。 在將燃料送到反應(yīng)室時(shí)，氫氣和硼反應(yīng)產(chǎn)物(如硼酸鹽化合物)被傳送
到氬氣分離室302。反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)占據(jù)曾經(jīng)被燃料占據(jù)的體積。在所有燃料消耗完時(shí)，氫氣分離室或袋就可占據(jù)大部分內(nèi)部體積。
在圖4A和圖4B所示的另一個(gè)實(shí)施方案中，氫氣分離室302包 圍燃料儲(chǔ)存室和氫氣儲(chǔ)存室，其中與先前圖中所示相同的部件具有 相同編號(hào)。這樣一種系統(tǒng)最大程度地提高體積效率，以體積交換方 式操作，并且可以定向獨(dú)立的方式操作。氫氣分離室可完全(如圖4A 所示)或部分(圖4B所示)包圍燃料儲(chǔ)存室和氫氣儲(chǔ)存室。
圖5顯示用本發(fā)明的燃料容器生成氬氣的一種完全系統(tǒng)，其中與先前圖中所示相同的部件具有相同的編號(hào)。燃料泵502使燃料自 燃料儲(chǔ)存室104經(jīng)過燃料導(dǎo)管114達(dá)到反應(yīng)室504。產(chǎn)物流，包括氫 氣和硼反應(yīng)產(chǎn)物(如硼酸鹽化合物)，被從反應(yīng)室的出口經(jīng)導(dǎo)管304輸 送到氫氣分離室302。氫氣l俞送通過室302的壁中的氫氣分離薄膜110 且收集在外殼的內(nèi)部，并且可將氫氣通過氬氣出口 306抽出以供動(dòng) 力模塊使用，動(dòng)力模塊包括用于轉(zhuǎn)化成能量的燃料電池或氬燃燒引 擎或氫裝置?；蛘?，可將氬氣出口 306直接連接到氫氣分離室302, 而氣體管線306的入口中存在的至少一個(gè)氫氣分離薄膜110將產(chǎn)物 混合物的任何固體和液體組分保持在氫氣分離室302內(nèi)。
可將氫氣儲(chǔ)存室106中任何積累的氫氣通過連接氫氣導(dǎo)管112 與306的任選調(diào)節(jié)器506提供到所迷裝置或動(dòng)力模塊，或者可簡(jiǎn)單 地將其自系統(tǒng)排出。優(yōu)選地，將氫氣同時(shí)自氫氣儲(chǔ)存室106和氫氣 分離室302抽出，即兩個(gè)區(qū)域全部同時(shí)對(duì)氫氣消耗裝置供氣?；蛘撸?可將氫氣可變化地首先自 一個(gè)區(qū)域抽出，然后自另一個(gè)區(qū)域抽出。
以下實(shí)施例進(jìn) 一 步描述和說明了本發(fā)明的氫氣生成系統(tǒng)的特 點(diǎn)。實(shí)施例僅出于說明目的給出，不可將其解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
實(shí)施例
用2密耳聚氨酯(Stevens Urethane P/N ST-1S"F3)構(gòu)成的一套三 個(gè)袋子構(gòu)造成圖4的燃料容器系統(tǒng)。燃料儲(chǔ)存室104和氫氣分離室302
分別包括19.2 cm2的聚四氟乙烯薄膜(Gore, Inc.),這種薄膜能夠允許 氫氣通過，同時(shí)能夠阻擋固體和液體。三個(gè)袋子被包容在鍍銅的鋁 外殼102內(nèi)，所述外殼氣密性封閉，并且配有氬氣出口和卸壓閥。
內(nèi)袋104裝有20%重量硼氬化鈉和3%重量氬氧化鈉的水溶液(燃 料溶液)。將圍繞內(nèi)部燃料袋的氫氣儲(chǔ)存袋連到大氣壓。將溶液泵送 通過包含氫氣生成催化劑的反應(yīng)室，以制備包含硼酸鹽化合物、水 和氫氣的產(chǎn)物流。將產(chǎn)物流傳送到外面的氫氣分離室302,同時(shí)將氮 氣生成系統(tǒng)保持在5至7psig的壓力。
通過允許氣體通過袋302中的薄膜進(jìn)入鋁外殼內(nèi)部，使氬氣與 液體和固體產(chǎn)物分離。由于氫氣生成反應(yīng)放熱，產(chǎn)物流處于高于燃 料溶液的溫度。在產(chǎn)物流填充袋302時(shí)，熱量轉(zhuǎn)移到袋104中的燃 料溶液，而在燃料溶液溫?zé)釙r(shí)，部分燃料經(jīng)過水解，將氳氣釋放到 內(nèi)袋104中。該氫氣自袋104通過其薄膜達(dá)到氫氣儲(chǔ)存袋106,并且 在大氣壓經(jīng)出口 112自箱排出。在反應(yīng)室中利用氬氣生成催化劑通 過反應(yīng)制備的氫氣用氫氣生成系統(tǒng)外部的質(zhì)量流量控制器監(jiān)控。自 800mL燃料溶液，通過連續(xù)操作系統(tǒng)17小時(shí)產(chǎn)生425cc/min的氫氣。
盡管已通過公開的具體實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解， 許多其它實(shí)施方案也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，盡管前述附圖和實(shí)施方案已顯示反應(yīng)室在外殼外部，但也可在外殼內(nèi)引入反應(yīng)室，在 此情況下，適合燃料和產(chǎn)物管線將不會(huì)離開外殼。也可在外殼內(nèi)引 入示例性氫生成系統(tǒng)的其他部件，如調(diào)節(jié)器和燃料泵。可用柔性外 殼代替外部剛性外殼102,以除去外部容器的重量，并增加系統(tǒng)的能 量密度。機(jī)械加壓的元件，如活塞或彈簧，可結(jié)合到一些方面以推 向室104和106之一或二者，從而幫助保持壓差和/或?qū)⑷剂洗蛉敕磻?yīng)器。
權(quán)利要求
1.一種能夠生成氫氣和產(chǎn)物的氫氣生成裝置，所述氫氣生成裝置包括具有第一內(nèi)壓的燃料儲(chǔ)存室；具有第二內(nèi)壓的氫氣儲(chǔ)存區(qū)；適于將燃料自燃料儲(chǔ)存室轉(zhuǎn)移到反應(yīng)室的泵；和用于將第二內(nèi)壓保持在低于第一內(nèi)壓水平的裝置；其中所述燃料儲(chǔ)存室包括至少一個(gè)可透氣薄膜，以允許由燃料產(chǎn)生的氫氣通過可透氣薄膜到達(dá)氫氣儲(chǔ)存區(qū)。
2. 權(quán)利要求1的裝置，其中所述燃料儲(chǔ)存室和氫氣儲(chǔ)存區(qū)相互 可移動(dòng)地以體積交換結(jié)構(gòu)布置。
3. 權(quán)利要求l的裝置，其中所述燃料儲(chǔ)存室能夠膨脹和收縮。
4. 權(quán)利要求3的裝置，其中所述燃料儲(chǔ)存室包括柔性材^K
5. 權(quán)利要求1的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括外殼，其中所述燃 料儲(chǔ)存室布置在外殼內(nèi)。
6. 權(quán)利要求1的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括氫氣出口，以允許 氫氣從氫氣4諸存區(qū)通到所述區(qū)外面。
7. 權(quán)利要求1的裝置，其中所述燃料儲(chǔ)存室至少部分布置在氳 氣4潛存區(qū)內(nèi)。
8. 權(quán)利要求1的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括適于自反應(yīng)室接收氬氣和產(chǎn)物的氫氣分離區(qū)。
9. 權(quán)利要求8的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括第一導(dǎo)管，所述導(dǎo)管用于將燃料自燃料儲(chǔ)存室輸送到反應(yīng)室以 促進(jìn)燃料反應(yīng)生成氫氣和產(chǎn)物；和第二導(dǎo)管，所迷導(dǎo)管用于將氫氣 和產(chǎn)物自反應(yīng)室輸送到氫氣分離室；及用于自氫氣分離室排放氫氣的氫氣出口 。
10. 權(quán)利要求8的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括至少一個(gè)與燃料儲(chǔ)存室接觸的可透氣薄膜和至少一個(gè)與氫氣分離室接觸的可透氣薄 膜，以允許氫氣通過可透氣薄膜，同時(shí)實(shí)質(zhì)上防止固體和液體物質(zhì) 通過。
11. 權(quán)利要求8的裝置，其中所述氫氣儲(chǔ)存室至少部分被包圍在 氫氣分離區(qū)內(nèi)。
12. 權(quán)利要求11的裝置，其中所述氮?dú)鈨?chǔ)存區(qū)的內(nèi)壓小于分離 室內(nèi)壓。
13. —種氪氣生成裝置，所述裝置包括 包含氫氣分離區(qū)和氫氣儲(chǔ)存區(qū)的外殼；至少部分被包圍在氫氣儲(chǔ)存區(qū)內(nèi)的燃料儲(chǔ)存室，所述燃料儲(chǔ)存室包含燃料溶液；泵，所述泵適于將燃料溶液自燃料儲(chǔ)存室轉(zhuǎn)移到包含反應(yīng)劑的室，以促進(jìn)燃料溶液反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和產(chǎn)物；至少一個(gè)可透氣裝置，所述可透氣裝置處于各個(gè)燃料儲(chǔ)存室和氫氣分離區(qū)中，以允許氫氣通過所述室和區(qū)；并且其中所述燃料儲(chǔ)存室和氫氣儲(chǔ)存區(qū)相互可移動(dòng)地以體積交換結(jié) 構(gòu)布置。
14. 權(quán)利要求13的裝置，其中所迷燃料儲(chǔ)存室至少部分被包圍在所述氫氣分離室內(nèi)。
15. 權(quán)利要求13的裝置，其中所述外殼為剛性。
16. 權(quán)利要求13的裝置，其中所述外殼為柔性。
17. 權(quán)利要求13的裝置，其中所迷氫氣分離區(qū)、氬氣儲(chǔ)存區(qū)和 燃料儲(chǔ)存室的至少兩個(gè)至少部分位于氫氣分離區(qū)、氫氣儲(chǔ)存區(qū)和燃 料儲(chǔ)存室的另一個(gè)內(nèi)。
18. 權(quán)利要求13的裝置，其中至少一個(gè)可透氣薄膜與燃料儲(chǔ)存 室和氬氣儲(chǔ)存區(qū)接觸，并且至少另一個(gè)可透氣薄膜與氬氣分離區(qū)接 觸。
19. 權(quán)利要求18的裝置，其中所述燃料儲(chǔ)存室完全被包圍在氫 氣分離區(qū)內(nèi)。
20. 權(quán)利要求19的裝置，其中所述氫氣儲(chǔ)存區(qū)完全被包圍在氬氣分離區(qū)內(nèi)。
21. 權(quán)利要求13的裝置，其中所述氫氣儲(chǔ)存區(qū)、氫氣分離區(qū)和 燃料儲(chǔ)存室的至少 一個(gè)包括柔性材料。
22. 權(quán)利要求13的裝置，其中所述氫氣儲(chǔ)存區(qū)、氫氣分離區(qū)和 燃料4渚存室的至少兩個(gè)包括柔性材料。
23. 權(quán)利要求13的裝置，其中所述氫氣分離區(qū)和燃料儲(chǔ)存室包 括柔性材料。
24. 權(quán)利要求13的裝置，其中每個(gè)氫氣儲(chǔ)存區(qū)、氫氣分離區(qū)和燃料儲(chǔ)存室以體積交換結(jié)構(gòu)布置。
25. 權(quán)利要求13的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括與氫氣儲(chǔ)存區(qū)連通的氫氣出口。 '
26. —種用于生成氳氣的方法，所述方法包括 提供燃料溶液儲(chǔ)存室；提供燃料溶液；提供氫氣儲(chǔ)存室；提供氫氣分離室；其中所迷燃料室至少部分位于氫氣儲(chǔ)存室內(nèi)；提供與燃料溶液儲(chǔ)存室接觸的至少 一 個(gè)第 一 可透氣薄膜和與氫氣分離室接觸的至少一個(gè)第二可透氣薄膜，以允許氫氣通過笫一和 笫二可透氣薄膜；將燃料溶液自燃料溶液儲(chǔ)存室泵送到反應(yīng)室，以產(chǎn)生氫氣和產(chǎn)物；并且將產(chǎn)物和氫氣自反應(yīng)室輸送到氫氣分離室，同時(shí)產(chǎn)生壓差，以 便使所述氫氣儲(chǔ)存室處于比燃料溶液室更低的壓力。
27. 權(quán)利要求26的方法，所述方法進(jìn)一步包括將氫氣抽出氫氣儲(chǔ)存室。
28. 權(quán)利要求26的方法，所述方法進(jìn)一步包括將氫氣抽出氬氣 分離室。
29. 權(quán)利要求26的方法，其中所述燃料^f渚存室、氫氣儲(chǔ)存室和 氫氣分離室被包圍在外殼內(nèi)。
30. 權(quán)利要求26的方法，其中所述燃料儲(chǔ)存室和氫氣分離室以 體積交換結(jié)構(gòu)布置。
31. 權(quán)利要求26的方法，其中所述氫氣分離室至少部分位于氫 氣儲(chǔ)存室內(nèi)。
32. 權(quán)利要求26的方法，其中所述壓差至少部分通過自氬氣儲(chǔ) 存區(qū)釋放氫氣來產(chǎn)生。
33. 權(quán)利要求26的方法，其中所述壓差至少部分通過對(duì)燃岸午溶 液儲(chǔ)存室按壓彈性壁或彈簧來產(chǎn)生。
34. 權(quán)利要求33的方法，其中所述壓差至少部分通過自氫氣儲(chǔ) 存區(qū)移除氫氣來產(chǎn)生。
35. 權(quán)利要求26的方法，其中所述壓差至少部分通過對(duì)氫氣儲(chǔ) 存區(qū)抽吸真空來產(chǎn)生。
36. 權(quán)利要求26的方法，所述方法進(jìn)一步包括在燃料溶液^f諸存區(qū)產(chǎn)生氫氣。
37. 權(quán)利要求36的方法，所述方法進(jìn)一步包括合并來自氫氣儲(chǔ) 存區(qū)的氫氣與來自氫氣分離區(qū)的氫氣。
38. 權(quán)利要求26的方法，其中在將燃料溶液泵送到反應(yīng)宣的同 時(shí)始終保持所述壓差。
39. —種用于生成氫氣的方法，所述方法包括 在燃料儲(chǔ)存室中提供燃料溶液；提供氫氣儲(chǔ)存室和氫氣分離室，以便使燃料儲(chǔ)存室至少部分位 于氫氣儲(chǔ)存室內(nèi)，并且氳氣儲(chǔ)存室至少部分位于氪氣分離室內(nèi)； 提供至少一個(gè)與燃料儲(chǔ)存室接觸的可透氣薄膜；并且 使至少一部分燃料溶液經(jīng)過熱水解，并且使氫氣自燃料儲(chǔ)存室 釋放通過至少一個(gè)可透氣薄膜并且進(jìn)入氳氣儲(chǔ)存室。
40. 權(quán)利要求39的方法，其中至少一部分燃料溶液經(jīng)過熱水解 包括使熱量自氫氣分離室轉(zhuǎn)移到燃料儲(chǔ)存室。
41. 權(quán)利要求39的方法，所述方法進(jìn)一步包括使氬氣儲(chǔ)存室處 于比燃料儲(chǔ)存室更低的壓力。
42. 權(quán)利要求39的方法，所述方法進(jìn)一步包括在燃料儲(chǔ)存室和 氫氣儲(chǔ)存室之間產(chǎn)生壓差，以允許由燃料產(chǎn)生的氫氣通過可透氣薄 膜并進(jìn)入氫氣儲(chǔ)存室。
43. 權(quán)利要求42的方法，其中所述壓差至少部分通過自氬氣儲(chǔ) 存室移除氫氣來產(chǎn)生。
44. 權(quán)利要求43的方法，其中所述壓差至少部分通過使燃料電 池連接到氫氣儲(chǔ)存室來產(chǎn)生。
45. 權(quán)利要求39的方法，其中所述壓差至少部分通過對(duì)燃料儲(chǔ) 存室按壓彈性壁或彈簧來產(chǎn)生。
46. 權(quán)利要求39的方法，其中所迷燃料儲(chǔ)存室、氬氣儲(chǔ)存室和氬氣分離室各自相互以體積交換結(jié)構(gòu)布置。
47. 權(quán)利要求39的方法，其中所迷燃料儲(chǔ)存室和氫氣分離室以體積交換結(jié)構(gòu)布置。
48. 權(quán)利要求39的方法，所述方法進(jìn)一步包括將燃料溶液泵送 到催化劑室以產(chǎn)生氫氣和產(chǎn)物。
49. 權(quán)利要求48的方法，所述方法進(jìn)一步包括將氫氣和產(chǎn)物自 催化劑室輸送到氫氣分離室。
50. 權(quán)利要求49的方法，所述方法進(jìn)一步包括合并來自氫氣儲(chǔ) 存區(qū)的熱水解制備的氫氣與來自氫氣分離室的氫氣。
51. 權(quán)利要求48的方法，其中在將燃料溶液泵送到反應(yīng)室的同 時(shí)始終保持所述壓差。
52. —種用于能夠生成氫氣和產(chǎn)物的氫氣生成裝置的燃并牛筒，所 述燃料筒包括 具有笫 一 內(nèi)壓的燃料儲(chǔ)存室；具有第二內(nèi)壓的氫氣儲(chǔ)存區(qū)；用于將第二內(nèi)壓保持在低于第一內(nèi)壓水平的裝置； 其中所述燃料儲(chǔ)存室包括至少 一個(gè)可透氣薄膜以允許由燃料產(chǎn) 生的氫氣通過可透氣薄膜到達(dá)氫氣儲(chǔ)存區(qū)。
53. 權(quán)利要求52的燃料筒，所述燃料筒進(jìn)一步包括適于將燃料自燃料儲(chǔ)存室輸送到反應(yīng)室的泵；和
54. 權(quán)利要求52的燃料筒，其中所迷燃料儲(chǔ)存室和氫氣^f諸存區(qū) 相互可移動(dòng)地以體積交換結(jié)構(gòu)布置。
55. 權(quán)利要求52的燃料筒，其中所述燃料儲(chǔ)存室能夠膨脹和收縮。
56. 權(quán)利要求52的燃料筒，其中所述燃料儲(chǔ)存室包括柔性材料。
57. 權(quán)利要求52的燃料筒，所述燃料筒進(jìn)一步包括外殼，其中所述燃料儲(chǔ)存室布置在外殼內(nèi)。
58. 權(quán)利要求52的燃料筒，所述燃料筒進(jìn)一步包括氫氣出口， 以允許氫氣從氫氣儲(chǔ)存區(qū)通到所述區(qū)外面。
59. 權(quán)利要求52的燃料筒，其中所述燃料儲(chǔ)存室至少部分布置在氫氣儲(chǔ)存區(qū)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供了燃料容器和氫氣生成系統(tǒng)及方法，包括由隔片分隔的燃料儲(chǔ)存室和氫氣儲(chǔ)存區(qū)，隔片包括可透氣薄膜以將氫氣傳送到氫氣儲(chǔ)存區(qū)?？梢霘錃夥蛛x室和用于儲(chǔ)存燃料溶液和產(chǎn)物的體積交換結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供了多種方法，這些方法用于調(diào)節(jié)燃料溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)室以及氫氣和產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到氫氣分離室，同時(shí)保持自燃料儲(chǔ)存室到氫氣儲(chǔ)存區(qū)的正壓差。
文檔編號(hào)C01B3/02GK101208261SQ200680009841
公開日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月28日
發(fā)明者G·貝里, J·斯帕洛恩, K·A·芬尼莫爾, K·W·麥納馬拉, R·M·摩林 申請(qǐng)人:千年電池公司