專利名稱：用于控制水分解生成氫氣的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以控制的方式分解水生成氫氣的方法和設(shè)備。該方法和設(shè)備的受控特性可以使人們按照需要制氫，使得該設(shè)備和方法適于生產(chǎn)多種用途的氫氣。
氫氣可通過許多已知的化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)。例如，已知根據(jù)下述反應(yīng)，金屬與無機(jī)酸反應(yīng)可以生產(chǎn)氫氣和一種金屬化合物金屬+酸-金屬化合物+氫氣使用鋅和鐵與鹽酸和硫酸反應(yīng)的實(shí)例是
鉀(K)、鈉(Na)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鋁(Al)、鋅(Zn)、鐵(Fe)和鉛(Pb)屬于那些與稀無機(jī)酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的金屬。
在本領(lǐng)域還已知堿金屬和堿土金屬可以與水起化學(xué)反應(yīng)形成氫氣和相應(yīng)的堿金屬或堿土金屬氫氧化物。然而這個(gè)反應(yīng)一般是迅速而強(qiáng)烈的，有時(shí)是猛烈的。其產(chǎn)生大量的熱，并且生成的氫氣經(jīng)常爆炸。
例如，鈉和鈣金屬與水猛烈地反應(yīng)生成熱，釋放出氫氣，并形成金屬氫氧化物
諸如氫化鈣和硼氫化鈉的一些氫化物與水反應(yīng)放出氫氣
還已知某些堿金屬氫氧化物在水溶液與金屬反應(yīng)形成中間體化合物并釋放氫氣。氫氧化鈉、氫氧化鉀和氫氧化鋰等與鋁、鋅、硅鐵、鉛等反應(yīng)產(chǎn)生熱，放出氫氣并形成中間體化合物。在文獻(xiàn)中，例如
幾乎毫無例外，這些反應(yīng)是猛烈的并且本質(zhì)上是放熱的，產(chǎn)生非常大量的熱。該反應(yīng)不受控制的特性可以將溫度提高到可點(diǎn)燃生成的氫氣、導(dǎo)致爆炸的程度。
在美國(guó)專利3821358、3928549、4011305、3969495、3574561、4182748、4207095、4287169和4289744中描述了許多封閉式循環(huán)，經(jīng)常是多步驟工藝過程，其將水分解為氫氣或分解為氫氣和氧氣。特別令人感興趣的是美國(guó)專利5817157和5782464(Checketts)，以及美國(guó)專利5690902(Werth)。Checkeffs的專利要將一系列涂敷過的小鈉球在需要時(shí)加入反應(yīng)器中的水里，除去涂層，鈉可以與水反應(yīng)形成氫氣和堿金屬氫氧化物。為了使這個(gè)方案產(chǎn)生足夠的氫氣用于任何實(shí)際的目的，鈉小球可能必須是可與水迅疾強(qiáng)烈地反應(yīng)這樣的尺寸，反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生大量的熱，后者會(huì)將反應(yīng)溫度升高到使生成的氫氣可能自爆的程度。雖然理論上正確的，Checketts的專利未能滿足實(shí)際應(yīng)用。
Werth的專利通過水與氧化鐵顆粒反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，反應(yīng)在升高的溫度及所謂催化劑氫氧化鉀存在下進(jìn)行。實(shí)際上，堿金屬氫氧化物溶液將與鐵反應(yīng)形成氫氣、堿金屬氫氧化物和氧化鐵。因此氫氧化鉀不是催化劑，而是涉及了該化學(xué)反應(yīng)。因氧化鐵在鐵顆粒表面上形成，它們不再受到氫氧化物或水的進(jìn)一步作用，需要不斷地更換新鮮的鐵顆粒，而大部分鐵是未反應(yīng)的。雖然在基礎(chǔ)理論上也是正確的，Werth的專利同樣未能滿足實(shí)際應(yīng)用。
為了利用熱-化學(xué)分解水生產(chǎn)氫氣的任何或全部可能的方法，需要控制反應(yīng)，以便在特定壓力輸送單位時(shí)間特定體積的氫氣用于實(shí)際應(yīng)用。本申請(qǐng)的發(fā)明涉及了這樣的控制方法。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及用于控制水分解為氫氣和氧的方法，通過一定量的含水液體與一定量的分解引發(fā)物質(zhì)在反應(yīng)容器中接觸，監(jiān)測(cè)反應(yīng)容器中的溫度或壓力或溫度和壓力，監(jiān)測(cè)與含水液體接觸的分解引發(fā)物質(zhì)的表面面積，以及控制分解引發(fā)物質(zhì)與含水液體接觸的表面積使其與反應(yīng)容器中溫度、壓力或溫度和壓力響應(yīng)或與其變化響應(yīng)。含水液體的引入和與含水液體接觸的分解引發(fā)物質(zhì)的表面面積的控制可以多種不同的方式實(shí)現(xiàn)，這將在下文更具體地說明。根據(jù)用于生產(chǎn)氫氣的特定反應(yīng)，分解引發(fā)物質(zhì)和含水液體的性質(zhì)可以變化。一種適合的結(jié)合是使用氫氧化鈉水溶液作為含水液體，金屬鋁作為分解引發(fā)物質(zhì)。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種用于分解水控制性地生產(chǎn)氫氣的設(shè)備，其具有反應(yīng)容器，具有一進(jìn)口和一出口，并且適合容納分解引發(fā)物質(zhì)；溶液儲(chǔ)器，位于包括反應(yīng)容器的流體通道中，包括可移動(dòng)的擋板，將儲(chǔ)器分隔成第一室和第二室；至少一個(gè)壓力傳感器、至少一個(gè)溫度傳感器，或兩者都有，其設(shè)置在反應(yīng)容器中；至少一個(gè)液面?zhèn)鞲衅?，設(shè)置在反應(yīng)容器中；至少一個(gè)可控制的閥，設(shè)置在反應(yīng)容器和溶液儲(chǔ)器第一室之間；至少一個(gè)可控制的閥，設(shè)置在溶液儲(chǔ)器第二室和恒壓源之間。
調(diào)節(jié)和含水液體接觸的分解引發(fā)物質(zhì)的表面面積，能夠小心地控制對(duì)于氫氣制備是放熱的、可能爆炸的反應(yīng)，有效生產(chǎn)所需的控制量的氫氣。本發(fā)明因此提供了一種方法，可以在例如交通工具上進(jìn)行，用于生產(chǎn)燃料氫氣，例如通過將氫氣與空氣混合然后直接燃燒，或通過在燃燒室中使用氫氣。
圖2是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的設(shè)備和方法的原理圖，用反應(yīng)容器的壓力調(diào)節(jié)含水液體的液面。
圖3是本發(fā)明一種可供選擇的實(shí)施方案的原理圖，可在更小的空間使用更大表面積的分解引發(fā)物質(zhì)。
圖4是本發(fā)明另一個(gè)可供選擇的實(shí)施方案的原理圖，其中多個(gè)反應(yīng)器并聯(lián)設(shè)置。
圖5表示在兩個(gè)不同溫度水的分解率隨氫氧化鈉濃度的變化。
圖6表示在特定的氫氧化鈉濃度下水的分解率隨溫度的變化。
圖7表示在不同于圖6所示的氫氧化鈉濃度下水的分解率隨溫度的變化。
圖8是本發(fā)明一種實(shí)施方案的原理圖，使用泵控制液位。
下面的詳細(xì)描述用于說明而不是限制所附權(quán)利要求，其涉及了堿金屬氫氧化物和一些金屬反應(yīng)分解水。更特別地，說明涉及了堿金屬氫氧化物、氫氧化鈉和鋁之間的反應(yīng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解如下所述的技術(shù)可用于其它含水液體和分解引發(fā)物質(zhì)的反應(yīng)體系，條件是這些體系反應(yīng)分解水并放出氫氣。
雖然不希望囿于任何理論，但是認(rèn)為氫氧化鈉水溶液和鋁之間的總反應(yīng)可總結(jié)如下
不希望囿于理論，認(rèn)為氫氣產(chǎn)生的真實(shí)機(jī)理比總反應(yīng)所顯示的更為復(fù)雜。純鋁或任何市場(chǎng)上可買到的鋁合金當(dāng)暴露于環(huán)境中時(shí)會(huì)在金屬的所有暴露表面上形成氧化鋁薄膜層(Al2O3)。這種氧化物膜賦予金屬高耐腐蝕性。當(dāng)浸于氫氧化鈉(NaOH)含水液體中時(shí)，氧化物層與氫氧化物反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為鋁酸鈉(NaAlO2)，其可溶于溶液中，并且從鋁的表面被除去。然后純鋁金屬暴露，并與可利用的水反應(yīng)，形成鋁的氧化物或氫氧化物，放出氫氣。反應(yīng)的速度根據(jù)氫氧化鈉溶液的濃度變化。如圖5所示，其表示了在70°F(曲線A)和在64.78°F(曲線B)反應(yīng)速率隨氫氧化鈉濃度的變化。
反應(yīng)速率還隨體系的溫度變化，如圖6(表示對(duì)于40wt％氫氧化鈉溶液反應(yīng)速率隨溫度的變化)和圖7(表示對(duì)于60wt％氫氧化鈉溶液反應(yīng)速率隨溫度的變化)所示。反應(yīng)速率隨暴露于溶液的鋁的表面面積變化，這在本發(fā)明中用來控制反應(yīng)速度；反應(yīng)速度也隨反應(yīng)物所受的壓力變化。考慮到這些參數(shù)，得出了下述方法，實(shí)現(xiàn)了在特定壓力下無需提供額外的能量產(chǎn)生單位時(shí)間特定體積氫氣的目的。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，如

圖1圖解所示，分解反應(yīng)可通過調(diào)節(jié)噴灑在金屬鋁上含水液體的量調(diào)節(jié)。
在這個(gè)實(shí)施方案中，化學(xué)計(jì)算量的氫氧化鈉粉末和鋁小球或者小塊混合并加入反應(yīng)器。通常優(yōu)選使用更大尺寸的鋁小球而不是鋁粉以便更好地控制反應(yīng)。雖然鋁粉提供了更大的表面積，會(huì)產(chǎn)生更快的反應(yīng)，但是這經(jīng)常是不希望的，因?yàn)榉磻?yīng)過于強(qiáng)烈，產(chǎn)生了太多的熱，并且使生成氫氣增加了爆炸的危險(xiǎn)。一旦將反應(yīng)物加入反應(yīng)器并且將反應(yīng)器密封，就將水從儲(chǔ)罐注入反應(yīng)器并且通過噴嘴噴到反應(yīng)物上。水與氫氧化鈉反應(yīng)形成堿金屬氫氧化物溶液。認(rèn)為氫氧化鈉溶液與鋁反應(yīng)形成氫氣和鈉鋁氫氧化物。反應(yīng)是放熱的并且加熱反應(yīng)器內(nèi)部的溶液。形成的鈉-氫氧化鋁可溶于熱的堿溶液。因而，其溶于溶液并且從剩余的鋁的表面被除去，這使其可有效進(jìn)行進(jìn)一步的反應(yīng)。這克服了在如上所述Werth的專利中可能會(huì)發(fā)生的在鐵顆粒上形成氧化鐵導(dǎo)致的限制。
當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部壓力到達(dá)預(yù)定值時(shí)，壓力傳動(dòng)開關(guān)關(guān)掉水泵。剩余的水繼續(xù)與氫氧化鈉反應(yīng)直至沒有水再反應(yīng)了。當(dāng)壓力降到預(yù)定值以下，補(bǔ)給水注入反應(yīng)器，于是反應(yīng)重新開始。氫氣在預(yù)定壓力通過止回閥進(jìn)入冷凝器，在此冷凝出水汽。然后通過止回閥進(jìn)入儲(chǔ)罐，由此調(diào)節(jié)其用于外部應(yīng)用。體系的總壓力通過用水泵將水加入反應(yīng)器的頻率和持續(xù)時(shí)間決定，后者通過設(shè)定在所需預(yù)定壓力的壓力傳動(dòng)開關(guān)控制。
在這個(gè)實(shí)施方案的特別的方面，如圖1所示，化學(xué)計(jì)量比例的鋁和氫氧化鈉(1∶5.13)加入反應(yīng)器5，然后密封反應(yīng)器。壓力傳動(dòng)開關(guān)3設(shè)置到預(yù)定的所需壓力，例如約75psig。啟動(dòng)體系，水泵10通過壓力傳動(dòng)開關(guān)3起動(dòng)，從蓄水池1抽水通過噴嘴11噴到反應(yīng)器5中混合的反應(yīng)物上。水溶解氫氧化鈉粉末形成氫氧化鈉溶液。氫氧化鈉溶液與鋁反應(yīng)形成氫氣和鈉-氫氧化鋁。繼續(xù)反應(yīng)直到設(shè)定的預(yù)定壓力使壓力傳動(dòng)開關(guān)3啟動(dòng)，從而關(guān)閉水泵10并停止水流。反應(yīng)器5內(nèi)部的溶液在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)分解水并形成氫氣直到與鋁接觸的水耗盡。生成的氫氣在壓力下從反應(yīng)器5通過該止回閥2流如入冷凝器6。另一個(gè)止回閥2防止壓力使氣體進(jìn)入該蓄水池1。在冷凝器6中，水從生成的氫氣中冷凝出來，然后氫氣進(jìn)入貯罐7用于最終的用途。儲(chǔ)存的高壓氫氣通過壓力調(diào)節(jié)器8分配到最終的應(yīng)用。壓力計(jì)4顯示反應(yīng)器5和貯罐7的壓力。冷凝水定期從冷凝器6通過閥9排干。
本發(fā)明這個(gè)實(shí)施方案的主要的優(yōu)點(diǎn)是氫氧化鈉和鋁之間反應(yīng)的控制是通過控制鋁小球的尺寸和控制向體系間歇引入水。通過可控制的預(yù)設(shè)壓力指示供水，將水以細(xì)霧遞送到氫氧化物-鋁混合物上，可以控制反應(yīng)速率。加入反應(yīng)器中的鋁的總量可以與通過化學(xué)計(jì)算量的氫氧化鈉反應(yīng)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，反應(yīng)容器內(nèi)的壓力可通過直接加壓改變和鋁接觸的氫氧化鈉溶液的液位來調(diào)節(jié)和含水液體接觸的分解引發(fā)物質(zhì)的表面面積。參照?qǐng)D2，用于本發(fā)明這個(gè)實(shí)施方案的設(shè)備包括反應(yīng)容器1、溶液儲(chǔ)罐13、化學(xué)品容器32、計(jì)量泵20、水罐19、冷凝器24和輸出壓力調(diào)節(jié)器26。應(yīng)認(rèn)為不是所有這些元件都是以控制方式生產(chǎn)氫氣的設(shè)備所必須的。一些元件是任選的，其它的是必要的或僅在啟動(dòng)分解工藝過程或用于特定應(yīng)用時(shí)所必需的。
反應(yīng)容器1所示為兩頭封閉的圓筒壓力容器，其它結(jié)構(gòu)也可使用，只要它們能夠容納含水液體、放出氣態(tài)氫并且耐壓。反應(yīng)器在頂部裝配了多孔燒結(jié)金屬過濾元件2并且在底部裝配了多孔板3。燒結(jié)金屬過濾器元件2允許氣體通過并且有助于阻止任何液體或者固體顆粒通過。多孔板3用作鋁23的支撐并且允許溶液通過并從反應(yīng)器1下部的高壓區(qū)域進(jìn)出反應(yīng)區(qū)域。壓力傳感器4是固定在頂部集氣區(qū)域。溫度傳感器5固定在較低的集氣區(qū)域。液面?zhèn)鞲衅?，7，8是以特定的間隔固定在反應(yīng)區(qū)，并且第四液面?zhèn)鞲衅?固定于剛好在多孔板3之下的反應(yīng)器較低區(qū)域。反應(yīng)器通過外部的管道10與冷凝器24進(jìn)行留題交換，并與溶液儲(chǔ)罐13通過外部的罐道11和電磁閥12進(jìn)行流體交換。其也與溶液儲(chǔ)罐通過外部的管道和電磁閥14進(jìn)行流體交換。
溶液儲(chǔ)罐13舉例說明為圓筒形的壓力容器，雖然也可以使用其它壓力容器構(gòu)造。其裝有可移動(dòng)的隔板，例如柔性隔膜29，將容器內(nèi)部分隔成第一和第二隔室。第二隔室通過外部的管道和電磁閥15與大氣聯(lián)通。認(rèn)為該隔板也可以是可伸縮的膜或可移動(dòng)的活塞，或任何可用于膨脹和收縮兩個(gè)區(qū)域的常規(guī)元件。溶液儲(chǔ)罐通過外部的管道和電磁閥12，14在第一隔室的頂部和底部同反應(yīng)容器進(jìn)行液體交換，同化學(xué)容器32通過外部的管道18和電磁閥16進(jìn)行液體交換。
化學(xué)容器32為圓筒形的壓力容器，在頂部裝有多孔燒結(jié)金屬過濾元件30，通過外部的管道21連接到計(jì)量泵20?；瘜W(xué)容器的較低部分裝滿氫氧化鈉小球31。計(jì)量泵20連接儲(chǔ)水罐19。
冷凝器24是圓筒形的壓力容器，通過外部的管道10連接到反應(yīng)器，管道10幾乎延伸到冷凝器的底部。其通過外部的管道25連接壓力調(diào)節(jié)器26輸出設(shè)備。冷凝器的下半部24充滿氫氧化鈉稀溶液27。同樣，可使用其它構(gòu)造形式。
止回閥22和23防止氣體或液體從冷凝器24反流至反應(yīng)容器1或者從溶液儲(chǔ)罐13通過化學(xué)品容器32到計(jì)量泵20。
壓力傳感器4、溫度傳感器5和液面?zhèn)鞲衅?，7，8，9，17均電氣連接(未顯示)到外部程序控制器(未顯示)，后者將它們的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為各種輸出信息，以操作電磁閥12，14，15，16。
在準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)對(duì)體系加載，將鋁金屬置于反應(yīng)容器1的反應(yīng)區(qū)。作為舉例說明，分解引發(fā)物質(zhì)是鋁，更特別地是垂直間隙排列的許多鋁板28，從而可使溶液達(dá)到所有的裸露表面并且提供了使生成的氫氣上升到反應(yīng)器頂部的空間。鋁可以是板、管、條、塊、螺旋片、小球或者任何其它的形式，構(gòu)造形式取決于所需的應(yīng)用和氫氣的制造標(biāo)準(zhǔn)以及要求的控制?；瘜W(xué)容器32的底部裝滿氫氧化鈉小球或者粉末31。利用電磁閥15和16的開啟，隔板29上面的第二隔室接通大氣，泵入氫氧化鈉濃水溶液，其從外部混合源通過化學(xué)品容器進(jìn)入溶液儲(chǔ)罐13，在第一隔室達(dá)到預(yù)定的液位，此處通過液面?zhèn)鞲衅?7檢測(cè)。然后關(guān)閉閥15和16。計(jì)量泵20接通儲(chǔ)水罐19，儲(chǔ)水罐然后注滿水，體系準(zhǔn)備完畢，可用于運(yùn)行。
為了啟動(dòng)運(yùn)行，電磁閥12和15開啟。當(dāng)溶液儲(chǔ)罐加滿，在液體和隔板29之間形成的輕微壓力開始推動(dòng)溶液通過電磁閥12進(jìn)入反應(yīng)器1。當(dāng)液位達(dá)到液面?zhèn)鞲衅?，電磁閥15關(guān)閉，電磁閥14開啟，補(bǔ)償反應(yīng)器1和溶液儲(chǔ)罐13的壓力。剩余液體由于重力流向通過液面?zhèn)鞲衅?監(jiān)測(cè)的預(yù)定液位，在該點(diǎn)電磁閥12關(guān)閉。
當(dāng)溶液與鋁板28接觸，反應(yīng)開始發(fā)生。除去鋁上的薄氧化膜，鋁與水反應(yīng)形成氧化物和氫氧化物，放出氫氣。由于反應(yīng)容器1內(nèi)部形成壓力，氣體通過外部管道10流入冷凝器24，在此鼓泡通過稀氫氧化鈉溶液27并容納在冷凝器24中。反應(yīng)器1和冷凝器24的壓力在這一點(diǎn)上得到補(bǔ)償。
當(dāng)反應(yīng)器1中的壓力達(dá)到壓力傳感器4檢測(cè)的預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，電磁閥14關(guān)閉，電磁閥12和15開啟。啟動(dòng)電磁閥必須的壓力取決于最終應(yīng)用所需的氫氣體積、反應(yīng)器的體積、存儲(chǔ)器容器的體積以及其它因素，可以通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)確定。可以預(yù)料，對(duì)于大多數(shù)的最終應(yīng)用，該壓力不會(huì)超過250psig。
電磁閥的開啟使隔板29擴(kuò)張，導(dǎo)致溶液儲(chǔ)罐13壓力降低。反應(yīng)容器1中的壓力推動(dòng)溶液通過外部的管道11進(jìn)入溶液儲(chǔ)罐。當(dāng)反應(yīng)容器1中的液位達(dá)到液面?zhèn)鞲衅?檢測(cè)的水平，電磁閥12關(guān)閉。如果溶液儲(chǔ)罐13中的液位尚未達(dá)到液面?zhèn)鞲衅?7的水平，計(jì)量泵20打開，電磁閥16開啟，水從儲(chǔ)水罐19泵入含氫氧化鈉31的化學(xué)容器32直到其達(dá)到液面?zhèn)鞲衅?7的水平，此時(shí)，計(jì)量泵20關(guān)閉，電磁閥16關(guān)閉。當(dāng)水穿透氫氧化鈉31進(jìn)入化學(xué)品容器32，其溶解了氫氧化鈉，從而維持了工作水溶液的濃度。
在這一點(diǎn)上，設(shè)備是待用的，特定量的氫氣在特定壓力容納于反應(yīng)容器1和冷凝器24中，通過壓力調(diào)節(jié)器26進(jìn)行釋放應(yīng)用。
當(dāng)壓力調(diào)節(jié)器26開啟，其將氫氣以特定的較低壓力和特定的體積流速送至應(yīng)用。當(dāng)氣體通過壓力調(diào)節(jié)器26從冷凝器24放出，冷凝器壓力成比例地下降。當(dāng)冷凝器24壓力下降，反應(yīng)器1中較高的壓力導(dǎo)致氫氣通過外部管道10流入冷凝器24，從而也降低了反應(yīng)容器1內(nèi)的壓力。當(dāng)反應(yīng)器1中的壓力達(dá)到壓力傳感器檢測(cè)的預(yù)定較低基準(zhǔn)面時(shí)，電磁閥12和15開啟，電磁閥14關(guān)閉，使得溶液從溶液儲(chǔ)罐13流出，通過外部的管道11進(jìn)入反應(yīng)容器1。當(dāng)反應(yīng)容器內(nèi)液面達(dá)到液面?zhèn)鞲衅?的標(biāo)準(zhǔn)，電磁閥15關(guān)閉，電磁閥14開啟，使溶液從溶液儲(chǔ)罐13流出進(jìn)入反應(yīng)容器1。當(dāng)溶液達(dá)到液面?zhèn)鞲衅?檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，電磁閥12關(guān)閉。當(dāng)溶液接觸鋁板28，反應(yīng)再次開始，生成另外的氫氣。
該設(shè)備通?？筛淖兂叽缫赃m應(yīng)可能消費(fèi)氫氣的特定應(yīng)用，因此鋁28位于濃氫氧化鈉溶液中的表面面積可能以比應(yīng)用所需稍微更大的速度生成氫氣。因?yàn)閴毫φ{(diào)節(jié)器26將氫氣以比鋁28預(yù)定表面面積生成氫氣速度略低的速度送至應(yīng)用，反應(yīng)容器1和冷凝器24中的壓力可能慢慢地增加。如果反應(yīng)容器1和24內(nèi)的壓力達(dá)到壓力傳感器4檢測(cè)的預(yù)定壓力水平，可重復(fù)如上所述的循環(huán)。然而，當(dāng)氣體從冷凝器24通過壓力調(diào)節(jié)器26釋放時(shí)，可能需要比較久的時(shí)間使反應(yīng)容器1和冷凝器24內(nèi)部壓力達(dá)到預(yù)定的壓力水平。由于該時(shí)間的增加，其它存在的因素必須被考慮到。
導(dǎo)致水分解放出氫氣的反應(yīng)本質(zhì)上是放熱的。作為產(chǎn)生熱的結(jié)果，濃氫氧化鈉溶液的溫度上升。當(dāng)溶液的溫度增加時(shí)，反應(yīng)以更快的速度發(fā)生，產(chǎn)生更多熱并將溶液溫度升得更高。在這種提高的反應(yīng)速度，鋁28的表面區(qū)域暴露于較高溫度的溶液，可能以比應(yīng)用所需的速度更高的速度生產(chǎn)氫氣。
為了控制該現(xiàn)象，當(dāng)溫度傳感器5檢出溶液的預(yù)定溫度，電磁閥14關(guān)閉，電磁閥12和15開啟，使反應(yīng)容器內(nèi)的溶液被壓力推動(dòng)，通過外部的管道11進(jìn)入溶液儲(chǔ)罐13。當(dāng)反應(yīng)容器1中的液面達(dá)到液面?zhèn)鞲衅?檢測(cè)的水平時(shí)，電磁閥12和15關(guān)閉，電磁閥14開啟。作為該操作的結(jié)果，鋁28的較小表面區(qū)域暴露于濃氫氧化鈉溶液?？墒?，因?yàn)槿芤旱臏囟壬?，該減小的表面面積生產(chǎn)氫氣的速度可能與在較低溫度下最初的表面面積的相同。
如果反應(yīng)器的壓力需要較久時(shí)間達(dá)到預(yù)定的水平并開始上述循環(huán)，溶液的溫度必然會(huì)繼續(xù)上升，重復(fù)所述的循環(huán)，推動(dòng)反應(yīng)容器1中的溶液下降到液面?zhèn)鞲衅?的水平。再次，在該較高的溫度，鋁28減少的暴露于濃氫氧化鈉溶液表面面積，生產(chǎn)氫氣的體積速度大約與在較低溫度下最初的表面面積的相同。
在這個(gè)工藝過程期間，反應(yīng)容器1和冷凝器24內(nèi)的壓力周期性地達(dá)到預(yù)定的水平，其引起反應(yīng)容器1內(nèi)溶液如前所述被壓入溶液儲(chǔ)罐13。可是，當(dāng)反應(yīng)容器內(nèi)壓力降低于預(yù)定水平時(shí)，溶液被允許流回反應(yīng)容器1，達(dá)到液面?zhèn)鞲衅?，7，8檢測(cè)所允許的水平，這是通過溫度傳感器5檢測(cè)溶液溫度確定的。用這樣的方式，通過取決于溶液溫度的濃氫氧化鈉溶液中所暴露的鋁28的特定表面面積控制單位時(shí)間生成氣體的量。
當(dāng)重復(fù)這個(gè)循環(huán)時(shí)，溶液在送入和排出溶液儲(chǔ)罐時(shí)會(huì)有些冷卻。結(jié)果，反應(yīng)容器1的溶液的輸入可在液面?zhèn)鞲衅?，7，8之間變化，這取決于加入溶液的溫度。
如果通過關(guān)閉壓力調(diào)節(jié)器26切斷送到應(yīng)用的氣體流，反應(yīng)器1和冷凝器24內(nèi)部的壓力會(huì)達(dá)到預(yù)定的水平。然后溶液如上文所述被壓入溶液儲(chǔ)罐，設(shè)備再次變成待用的。在這一點(diǎn)上，在特定壓力的特定量氫氣可通過壓力調(diào)節(jié)器26釋放用于應(yīng)用。
在反應(yīng)期間形成的氧化物和氫氧化物通過多孔板3的孔落入反應(yīng)器1較低的填充區(qū)域。這種情況的發(fā)生是由于副產(chǎn)物的相對(duì)密度，在各種的往復(fù)循環(huán)期間，溶液的運(yùn)動(dòng)也促進(jìn)了它們的運(yùn)動(dòng)。一些副產(chǎn)物可轉(zhuǎn)化為鋁酸鈉并溶入溶液。不溶的剩余物會(huì)沉淀到反應(yīng)器1的較低填充區(qū)域或溶液儲(chǔ)罐13的底部。這種殘余物保持了半流體狀態(tài)，不會(huì)影響溶液在兩個(gè)容器之間的運(yùn)動(dòng)。在反應(yīng)期間消耗鋁板28，它們逐漸地向下移動(dòng)，總是停留在多孔板3的上表面上。
如上所述的控制方案適用于如上所述釋放氫氣的所有熱-化學(xué)反應(yīng)。無論含水液體是水或例如堿金屬氫氧化物溶液或無機(jī)酸以及分解引發(fā)物質(zhì)是例如金屬、化合物或氫化物，所述的控制方案適當(dāng)?shù)馗鶕?jù)應(yīng)用改變，可生產(chǎn)在特定壓力的單位時(shí)間特定量的氫氣而無需輸入外部的能量。
作為金屬鋁和氫氧化鈉水溶液的可替代物，可以將化學(xué)計(jì)量量的鋁粉和氫氧化鈉徹底地勻化，任選在加壓和溫和的加熱下燒結(jié)形成混合物的圓柱體或者塊。該圓柱或塊可以放入反應(yīng)容器1代替舉例說明的鋁金屬28，濃氫氧化鈉溶液可被水代替省略化學(xué)容器32。當(dāng)水與圓柱/塊接觸時(shí)，氫氧化鈉并立即與鋁反應(yīng)，進(jìn)行如前所述的相同反應(yīng)。反應(yīng)速率可以如上所述地控制。
如上所述，雖然在圖2和上文所附描述中設(shè)備的組件表示為圓筒形壓力容器，應(yīng)認(rèn)為本設(shè)備的各種的組件可以是任何尺寸和任何形狀或者適合特定應(yīng)用要求的構(gòu)造形式。例如，如果在較小空間需要更大的鋁表面面積，反應(yīng)器可以是圖3所示的矩形(圖3中的參數(shù)與圖2中的相應(yīng))?；蛘?，兩個(gè)反應(yīng)容器可以是如圖4所示并聯(lián)設(shè)置，溶液交替加入其中一個(gè)然后是另一個(gè)。同樣，參數(shù)與圖2中的相應(yīng)。
還認(rèn)為，在舉例說明的情況下，即使溶液在反應(yīng)器和溶液儲(chǔ)罐之間的移動(dòng)是通過各種容器內(nèi)部的壓差引起的，相同的溶液移動(dòng)還可以使用外部的泵完成和控制。這個(gè)實(shí)施方案在圖8中用示意圖舉例說明，其中參數(shù)與圖2中的相應(yīng)。運(yùn)行泵P-1可將溶液從19移動(dòng)到反應(yīng)器1，或者從反應(yīng)器1移動(dòng)到溶液儲(chǔ)罐19。當(dāng)閥V-1和V-3開啟，閥V-2、V-4和V-5關(guān)閉，泵可將溶液從溶液儲(chǔ)罐19抽出并泵送至反應(yīng)器1。當(dāng)閥V-1和V-3關(guān)閉，閥V-2、V-4和V-5開啟，泵可將溶液從反應(yīng)器1抽出并泵送至溶液儲(chǔ)罐19。
無論恰當(dāng)?shù)男盘?hào)來源于壓力傳感器4或者溫度傳感器5和液面?zhèn)鞲衅?，7，8，9，不是打開閥門讓壓力恰當(dāng)?shù)貍魉鸵后w，而是打開泵P-1，并打開或關(guān)閉適當(dāng)?shù)拈yV-1、V-2、V-3、V-4、V-5讓液體適當(dāng)?shù)匾苿?dòng)。
通過特定的實(shí)施方案已經(jīng)描述本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可認(rèn)識(shí)到使用相同的發(fā)明構(gòu)思進(jìn)行的各種改變也屬于所附的權(quán)利要求或等同方法的范圍。例如，倘若描繪的機(jī)械和物理控制可以按照說明完成，可按照該方案使用任何適合特定應(yīng)用所需的尺寸和構(gòu)造形式的結(jié)合。
權(quán)利要求
1.用于控制水分解成氫氣和氧的方法，包括在反應(yīng)容器中將一定量的含水液體同一定量的分解引發(fā)物質(zhì)接觸；監(jiān)測(cè)反應(yīng)容器內(nèi)的溫度或壓力或者溫度和壓力；監(jiān)測(cè)和含水液體接觸的分解引發(fā)物質(zhì)的表面面積；和控制和含水液體接觸的分解引發(fā)物質(zhì)的表面面積以響應(yīng)反應(yīng)容器內(nèi)的溫度或壓力或者溫度和壓力，或者響應(yīng)它們的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中和含水液體接觸的分解引發(fā)物質(zhì)的表面面積的監(jiān)測(cè)包括監(jiān)測(cè)反應(yīng)容器中含水液體的液面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中和含水液體接觸的分解引發(fā)物質(zhì)的表面面積的控制包括調(diào)節(jié)反應(yīng)容器中含水液體的液面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中將一定量的含水液體同一定量的分解引發(fā)物質(zhì)接觸，包括將含水液體引入反應(yīng)容器，和其中反應(yīng)容器中含水液體液面的調(diào)節(jié)包括改變含水液體引入反應(yīng)容器中的速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中反應(yīng)容器中含水液體液面的調(diào)節(jié)包括推動(dòng)含水液體排出反應(yīng)容器作為對(duì)反應(yīng)器內(nèi)壓力增加的響應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中通過在反應(yīng)容器和另一個(gè)與反應(yīng)容器進(jìn)行流體交換的容器之間的壓差使含水液體離開反應(yīng)容器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中通過泵使含水液體離開反應(yīng)容器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中含水液體包括堿金屬氫氧化物的水溶液。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中堿金屬氫氧化物是氫氧化鈉。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中水溶液含有氫氧化鈉，濃度范圍從約4至約10M。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中分解引發(fā)物質(zhì)是金屬或者金屬化合物，其選自鋁、鈉和鋁的合金、鐵、鋅、鈉；以及堿金屬和堿土金屬氫化物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中分解引發(fā)物質(zhì)是鋁。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中含水液體是氫氧化鈉水溶液，分解引發(fā)物質(zhì)是鋁。
14.用于控制分解水生產(chǎn)氫氣的設(shè)備，包括反應(yīng)容器，具有進(jìn)口和出口，并且適合容納分解引發(fā)物質(zhì)；與反應(yīng)容器有流體交換的溶液儲(chǔ)罐，包括一個(gè)將儲(chǔ)罐分隔成第一隔室和第二隔室的可移動(dòng)的隔板；在反應(yīng)容器中設(shè)置的至少一個(gè)壓力傳感器，或者至少一個(gè)溫度傳感器、或者都包括；設(shè)置在反應(yīng)容器中的至少一個(gè)液面?zhèn)鞲衅?；設(shè)置在反應(yīng)容器和溶液儲(chǔ)罐第一隔室之間的至少一個(gè)可控制的閥；設(shè)置在溶液儲(chǔ)罐第二隔室和恒壓源之間的至少一個(gè)可控制的閥；
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，還包括設(shè)置在反應(yīng)容器中的至少一個(gè)溫度傳感器。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，還包括設(shè)置在反應(yīng)容器中的至少一個(gè)壓力傳感器。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，還包括與反應(yīng)容器交換流體的氫氣儲(chǔ)罐。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，還包括一個(gè)同溶液儲(chǔ)罐第一隔室交換流體的含水液體的源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制分解水形成氫氣和氧的方法和設(shè)備，該方法包括將一定量的含水液體同一定量的分解引發(fā)物質(zhì)在一個(gè)反應(yīng)容器內(nèi)接觸；監(jiān)測(cè)反應(yīng)容器內(nèi)的溫度和/或壓力；監(jiān)測(cè)和含水液體接觸的分解引發(fā)物質(zhì)的表面面積；和控制和含水液體接觸的分解引發(fā)物質(zhì)的表面面積以響應(yīng)反應(yīng)容器內(nèi)的溫度或壓力或者溫度和壓力，或者響應(yīng)它們的變化。
文檔編號(hào)B01J19/00GK1441750SQ01812670
公開日2003年9月10日 申請(qǐng)日期2001年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月13日
發(fā)明者愛德華W鮑爾溫, 拉塞爾·P·懷特·Jr 申請(qǐng)人:美國(guó)氫能有限責(zé)任公司