專利名稱：燃料電池燃料盒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的燃料供給裝置，更具體地，涉及ー種產(chǎn)生氫氣的燃料電池燃料盒。
背景技術(shù)：
在氫氣燃料電池中，氫氣被輸送到陽極，氧氣被輸送到陰極。在陽極，氫氣被氧化為H+離子，H+離子到達(dá)陰扱。氧化反應(yīng)產(chǎn)生的電子穿過連接至陰極電源的外電路到達(dá)與燃料電池相連的裝置。在陰極，所述電子將氧氣還原，然后與氫離子反應(yīng)生成水分子。在陽極H2 — 2H.+2e在陰極2H++2e+l/202 — H2O由于氫氣燃料電池生成水作為廢產(chǎn)物，所以使用這些燃料電池與蓄電池相比產(chǎn)生的環(huán)境問題更少，蓄電池通常含有重金屬和酸或強(qiáng)堿。此外，燃料電池僅消耗所需的供應(yīng)至燃料電池的燃料。因此，至少在理論上，燃料電池的壽命是無限的，因?yàn)槿剂想姵貎H需要來自外源的燃料，而所述燃料可以定期補(bǔ)充。ー種燃料電池類型為質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池，所述燃料電池比某些其他類型的燃料電池相比，需要在更低的溫度和壓カ范圍內(nèi)工作。在PEM燃料電池中，氫氣在膜電極組件的陽極ー側(cè)被催化裂解為質(zhì)子和電子。新產(chǎn)生的質(zhì)子穿過隔膜到達(dá)陰極ー側(cè)。電子沿外部負(fù)載電路到達(dá)膜電極組件的陰極ー側(cè)，以形成燃料電池的電流輸出。輸送至膜電極組件陰極ー側(cè)的氧氣與穿透聚合物電極膜的質(zhì)子和通過外電路到達(dá)的電子發(fā)生反應(yīng)生成水。PEM燃料電池可用于需要清潔、安靜和小型的應(yīng)用領(lǐng)域，比如用于便攜式電子裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的ー個方面，提供了ー種氫氣發(fā)生裝置，包括具有固定的內(nèi)部體積的外殼；設(shè)置于所述外殼內(nèi)的可擴(kuò)大的反應(yīng)腔室，包括限定了可擴(kuò)大的反應(yīng)物區(qū)域的可移動隔板和位于所述反應(yīng)物區(qū)域內(nèi)的固體反應(yīng)物成分；以及所述外殼內(nèi)的含有液體反應(yīng)物成分的可收縮容器。所述氫氣發(fā)生裝置還包括用于將所述液體反應(yīng)物成分從所述可收縮容器輸送至所述反應(yīng)腔室的反應(yīng)物區(qū)域的流體通道，和液體反應(yīng)物成分輸送控制系統(tǒng)。所述液體反應(yīng)物成分與所述固體反應(yīng)物成分在所述反應(yīng)腔室內(nèi)發(fā)生反應(yīng)生成氫氣。在一個實(shí)施方式中，所述流體通道包括連到所述可收縮容器上的多個管狀部件，每個部件都具有延伸至所述反應(yīng)腔室的反應(yīng)物區(qū)域的自由端。在一個實(shí)施方式中，所述管狀部件的自由端可隨著所述可收縮容器而移動，以將液體反應(yīng)物成分輸送至位于所述反應(yīng)物區(qū)域中的未反應(yīng)的固體反應(yīng)物成分處。所述管狀部件的自由端最初可置于所述反應(yīng)區(qū)域的相對于所述可移動隔板的遠(yuǎn)端部分，并可以向所述反應(yīng)區(qū)域的相對于所述可移動隔板的近端部分移動。
在一個實(shí)施方式中，所述液體反應(yīng)物控制系統(tǒng)控制著所述液體反應(yīng)物成分的輸送，所述系統(tǒng)包括閥門，可以進(jìn)一歩包括連在所述閥門上的壓カ調(diào)節(jié)器。所述壓カ調(diào)節(jié)器可以設(shè)置于所述可收縮容器內(nèi)。在一個實(shí)施方式中，所述可移動隔板包含多孔材料。在一個實(shí)施方式中，所述固體反應(yīng)物成分包括化學(xué)氫化物,所述液體反應(yīng)物成分包括水。所述化學(xué)氫化物可以包括硼氫化鈉。所述液體反應(yīng)物成分可以進(jìn)一歩包括功能性添加剤。在另ー個實(shí)施方式中，所述固體反應(yīng)物成分包括娃化鈉,所述液體反應(yīng)物成分包括水。
在一個實(shí)施方式中，所述可移動隔板為在所述反應(yīng)腔室內(nèi)滑動的可滑動隔板。


圖I為根據(jù)本發(fā)明的氫氣發(fā)生裝置的一種實(shí)施方式的截面示意圖。圖2為所述氫氣發(fā)生裝置被激活之前的弾性部件的實(shí)施方式的截面示意圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明的氫氣發(fā)生裝置的從動件的實(shí)施方式的截面示意圖。圖4為氫氣發(fā)生裝置的閥門組件和壓カ調(diào)節(jié)器的實(shí)施方式的截面示意圖。圖5為氫氣發(fā)生裝置的液體閥門組件的實(shí)施方式的截面示意圖。圖6為氫氣發(fā)生裝置的壓カ調(diào)節(jié)器的實(shí)施方式的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式如附圖所示和下文詳細(xì)描述的，本發(fā)明涉及ー種配置為與燃料電池可拆卸地連接的燃料供給裝置。本文使用的術(shù)語“燃料供給裝置”包括但不限于一次性燃料盒、可再填裝的燃料盒、可重復(fù)使用的燃料盒、容器、置于以燃料電池供能的電子裝置內(nèi)部的燃料盒、可移動燃料盒、位于電子裝置或燃料電池的內(nèi)部或外部的燃料盒、燃料箱、燃料再填充箱、其他儲存燃料的容器和連接至燃料箱和容器的管子。當(dāng)下文以本發(fā)明的示例性實(shí)施例描述燃料盒時，應(yīng)當(dāng)注意這些實(shí)施方式也可應(yīng)用于其他燃料供給裝置，本發(fā)明不限于任何特定的燃料供給裝置類型。本發(fā)明設(shè)計(jì)簡單且體積效率高。本發(fā)明可通過成分之間的體積交換提供較高的產(chǎn)生氫氣的能力，所述成分的體積隨著燃料供給裝置的使用而改變，從而使得由ー種成分變小所得的體積被變大的成分占據(jù)。例如，隨著反應(yīng)物被消耗，體積減小，產(chǎn)生的體積由反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)張占據(jù)。本文描述的氫氣燃料電池可以為本領(lǐng)域公知的任何類型的氫氣燃料電池組，例如選自質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池、磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池。所述燃料供給裝置可以為產(chǎn)生氫氣的氫氣發(fā)生裝置，所述燃料電池消耗氫氣以生成電能用于電子裝置。所述燃料供給裝置可以包括燃料，比如化學(xué)氫化物、堿金屬硅化物、含有堿金屬的硅膠組合物和其他可用于生成氫氣的化學(xué)品。所述燃料供給裝置可具有合適的尺寸，以便在更換或再填充之前向燃料電池組提供所需量的氫氣。其形狀可以為在燃料電池組或使用燃料電池組的裝置上或內(nèi)部與其相配的和/或相適應(yīng)的形狀。例如，所述燃料供給裝置可以為圓柱形，或可以為截面為圓形、橢圓形、矩形、方形或其他形狀的柱形。本發(fā)明的氫氣發(fā)生裝置可以包括包含第一反應(yīng)物的反應(yīng)腔室和包含第二反應(yīng)物的儲存室。所述第一反應(yīng)物可以采用固體或凝膠形式，作為固體反應(yīng)物成分的一部分。所述第二反應(yīng)物采用液體形式，作為液體反應(yīng)物成分的一部分。所述氫氣發(fā)生裝置還另外包括用于控制第二反應(yīng)物從儲存室向反應(yīng)腔室輸送的裝置或系統(tǒng)。在一個實(shí)施方式中，所述反應(yīng)腔室和/或儲存室內(nèi)部的工作條件，比如反應(yīng)腔室內(nèi)的壓力和溫度以及氫氣流速，可用于控制所述儲存室內(nèi)的第二反應(yīng)物向所述反應(yīng)腔室的輸送。例如，當(dāng)反應(yīng)腔室內(nèi)的壓力低于預(yù)定值，優(yōu)選地低于儲存室內(nèi)的壓力，更優(yōu)選比儲存室壓力低一個預(yù)定量時，儲存室內(nèi)的第二反應(yīng)物可被引入反應(yīng)腔室。優(yōu)選地，所述第二反應(yīng)物從儲存室向反應(yīng)腔室的流動是自調(diào)節(jié)的。因此，當(dāng)反應(yīng)腔室達(dá)到預(yù)定壓力，優(yōu)選為達(dá)到高于儲存室的預(yù)定壓力時，從儲存室流入反應(yīng)腔室的第二反應(yīng)物的流動可停止，以阻止氫氣的產(chǎn)生。類似地，當(dāng)反應(yīng)腔室的壓力減少到低于儲存室的壓力，優(yōu)選比儲存室的壓力低一個預(yù)定量時，第二反應(yīng)物可以從儲存室流入反應(yīng)腔室。 所述反應(yīng)腔室與儲存室具有體積交換關(guān)系，因此，當(dāng)液體反應(yīng)物成分從儲存室輸送出去時，儲存室變小，反應(yīng)腔室可以膨脹到先前由儲存室占據(jù)的區(qū)域。例如，反應(yīng)腔室可直接與儲存室相鄰，或者可以由所述裝置的一個或多個其他部件，比如閥門組件，將反應(yīng)腔室與儲存室分隔開，其可隨儲存室變小而替換。反應(yīng)腔室包括一個限定了反應(yīng)物區(qū)域的可移動隔板，所述反應(yīng)物區(qū)域初始時包含了固體反應(yīng)物成分。所述隔板將反應(yīng)物區(qū)域與反應(yīng)腔室的其他部分分離開來。所述隔板可通過例如滑動、旋轉(zhuǎn)或變形而移動。當(dāng)液體反應(yīng)物成分進(jìn)入反應(yīng)物區(qū)域并與固體反應(yīng)物成分發(fā)生反應(yīng)時，生成氫氣和其他反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)物區(qū)域內(nèi)生成的氫氣穿過位于通向出口途中的隔板，到達(dá)需供應(yīng)氫氣的燃料電池，而固體和液體反應(yīng)產(chǎn)物和未反應(yīng)的固體反應(yīng)物成分和液體反應(yīng)物成分被隔板保留在反應(yīng)物區(qū)域內(nèi)。由于固體和液體反應(yīng)產(chǎn)物和未反應(yīng)的固體和液體反應(yīng)物成分的總體積大于初始的固體反應(yīng)物成分的體積，因此隔板發(fā)生移動以擴(kuò)大反應(yīng)區(qū)域。由于儲存室變小可得到的體積可能小于反應(yīng)物區(qū)域增大的體積，因而裝置內(nèi)還需要更多的空間。所述更多的空間來自反應(yīng)腔室的保留空間，反應(yīng)物區(qū)域隔板的另一側(cè)。反應(yīng)腔室和反應(yīng)物區(qū)域的初始總體積可以因反應(yīng)物的組成和反應(yīng)物成分與反應(yīng)產(chǎn)物的相對體積而不同。 所述可移動隔板采用的材料，可使固體和液體反應(yīng)物成分和固體與液體反應(yīng)產(chǎn)物不能通過，但也包括至少使氫氣穿過的構(gòu)造。所述隔板可以由可滲透氫氣的材料，比如多微孔塑料材料制成，或者可以包括一個或多個由可滲透氫氣的材料，比如膜或塞子堵塞的通道。合適的氫氣可滲透材料的例子包括多微孔聚合物材料，比如聚四氟乙烯(PTFE)或膨體PTFE(ePTFE)、橡膠(比如硅橡膠)，或其他多孔材料，比如陶瓷過濾材料、金屬泡沫或玻璃過濾材料。所述隔板的表面可以有涂層，或者材料的孔可以至少部分地以其他材料填充，以提供針對氫氣和其他氣體以及反應(yīng)物區(qū)域中的液體所需要的滲透性。優(yōu)選地，所述隔板將所有固體和液體反應(yīng)物成分和反應(yīng)產(chǎn)物保留在反應(yīng)物區(qū)域內(nèi)，但是，如果燃料電池具有其他的將所述固體和液體與氫氣分隔開的構(gòu)件話，這并不是必需的。例如，可以將另外的過濾器和/或可滲透氫氣但不可滲透液體和氣體的部件包含在反應(yīng)腔室位于反應(yīng)區(qū)域外和/或沿著在反應(yīng)腔室和通向燃料電池的出口之間的氫氣通道的部分的內(nèi)部。用于從氫氣中除去至少部分其他氣體，比如水蒸氣的其他材料或部件，也可以包含在位于反應(yīng)區(qū)域外的反應(yīng)腔室中或在通向出ロ的氫氣通道中。所述儲存室可以包括含有液體反應(yīng)物成分的可變形的容器。所述容器可以為任何合適的設(shè)計(jì)且可以以任何合適的材料制成。例如，所述容器可以為柔軟的或有彈性的包囊或風(fēng)箱，其在液體反應(yīng)物成分被移除時可以收縮。所述容器可以施カ以輔助液體輸送至反應(yīng)腔室，和/或可設(shè)有其他施力于所述容器上的構(gòu)造(比如彈簧或氣體壓力)。優(yōu)選地，當(dāng)氫氣發(fā)生裝置使用時，液體反應(yīng)物成分被輸送至所述反應(yīng)物區(qū)域包含或靠近未反應(yīng)的固體反應(yīng)物成分的部分。例如，液體通道可具有出口，所述出口從反應(yīng)物區(qū)域的一部分向另一部分移動。在一個實(shí)施方式中，所述液體通道配有所述可移動隔板，在另一個實(shí)施方式中，所述液體通道配有位于儲存室與反應(yīng)腔室之間的中間部件，從而當(dāng)所述隔板或中間部件移動時，所述液體通道出口在反應(yīng)物區(qū)域內(nèi)移動，優(yōu)選地從反應(yīng)物區(qū)域的相對于可移動隔板的遠(yuǎn)端部分向近端部分移動。在一個實(shí)施方式中，氫氣發(fā)生裝置中用作第一反應(yīng)物的材料包括化學(xué)氫化物。本 文使用的術(shù)語“化學(xué)氫化物”寬泛地指能夠與液體反應(yīng)生成氫氣的任何氫化物。本文描述的適用于氫氣發(fā)生裝置的化學(xué)氫化物的例子包括但不限于，元素周期表中第IA-IVA族元素的氫化物及其混合物，比如堿性或堿金屬氫化物或其混合物。化學(xué)氫化物的具體例子包括氫化鋰、氫化招鋰、硼氫化鋰、氫化鈉、硼氫化鈉、氫化鉀、硼氫化鉀、氫化鎂、氫化韓、及其鹽和/或衍生物?；瘜W(xué)氫化物的優(yōu)選形態(tài)為固體形態(tài)(例如微粒、粉末、顆粒、丸、片或餅狀)。第二液體反應(yīng)物與第一反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)，可選地在催化劑的存在下，生成氫氣。優(yōu)選地，合適的液體反應(yīng)物包括但不限于，水、醇和/或稀酸。最常用的液體反應(yīng)物包括水。硼氫化鈉可以用作氫燃料電池的氫氣源。通過使硼氫化鈉與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氣，可選地在催化劑存在下和/或加熱的條件下，如下式表示NaBH4+2H20 (+ 加熱或催化劑)—4H2+NaB02在一個實(shí)施方式中，氫氣源包括NaBH4的固體形式。在固體形式中，NaBH4在水的存在下不發(fā)生水解，因此使用固體NaBFH4改善了燃料盒的儲存壽命。然而，也可以使用含水形式的載氫材料，比如含水NaBH4。液體和/或固體反應(yīng)物可以包括能夠通過提高液體反應(yīng)物與固體燃料成分反應(yīng)的速率引發(fā)和/或加速氫氣產(chǎn)生的催化劑。所述催化劑可以具有任意形狀或尺寸，且可以為任何狀態(tài)。例如，所述催化劑可以足夠小以形成粉末，或者可以與反應(yīng)腔室一樣大。在某些示例性實(shí)施方式中，所述催化劑形成催化床。所述催化劑可以位于反應(yīng)腔室內(nèi)部或靠近反應(yīng)腔室，只要所述第一或第二反應(yīng)物中的至少ー個與催化劑接觸。本發(fā)明的催化劑可以包括元素周期表中第VIII族的一種或多種過渡金屬。例如，所述催化劑可以包括比如為鐵、鈷、鎳、釕、銠、鉬、鈀、鋨和銥的過渡金屬。此外，第IB族的過渡金屬，例如銅、銀、和金，和第IIB族的過渡金屬，例如鋅、鎘和汞也可以用于本發(fā)明的催化劑中。所述催化劑還可以包括其他過渡金屬，包括但不限于鈧、鈦、釩、鉻和錳。所述液體和/或固體反應(yīng)物還可以包括可選的降低或提高溶液pH的添加剤。所述反應(yīng)物的PH可以用于決定氫氣產(chǎn)生的速度。例如，降低反應(yīng)物pH的添加劑導(dǎo)致較高的氫氣發(fā)生速率。這樣的添加劑包括但不限于酸，比如鹽酸、硝酸、醋酸、硫酸、檸檬酸、碳酸、蘋果酸、磷酸和草酸。相反，提高PH的添加劑，即堿性化合物，可以降低反應(yīng)速率至幾乎不產(chǎn)生氫氣的點(diǎn)。本發(fā)明溶液的PH可以為低于7的任意值，比如pH為從大約0. 01到大約6，優(yōu)選為從大約0. I到大約3。在一個實(shí)施方式中，所述固體反應(yīng)物成分包括干燥的硼氫化鈉，可選地與一種固體催化劑干法混合并形成片狀，液體反應(yīng)物為含水酸溶液。優(yōu)選地，所述溶液可以含有高于約5 七％的，更優(yōu)選為至少IOwt%的酸，比如醋酸，以提供高的氫氣產(chǎn)率?？梢允褂米罡邽橹辽?0wt%的更高的酸濃度。例如，使用20wt%的醋酸溶液，H2O與NaBH4的摩爾比優(yōu)選高于大約5 1，更優(yōu)選為高于大約6 1，優(yōu)選地至少大約7 1，以獲得良好的氫氣產(chǎn)率。可以使用更高的比例，使用比例為大約16 I，反應(yīng)廢產(chǎn)物可望在室溫下可溶，但是當(dāng)比例增加為高于7 I時，使用的水越多，氫氣發(fā)生裝置的體積效率越低。附加或替換地，可以向硼氫化鈉的固體混合物中加入固體酸。所述液體反應(yīng)物成分、固體反應(yīng)物成分和/或反應(yīng)腔室中可以包括可選的添加 齊U，以基本上防止液體燃料成分和/或液體反應(yīng)產(chǎn)物的凍結(jié)或凝固點(diǎn)的降低。在一個實(shí)施方式中，所述添加劑可以為醇基組合物，比如防凍劑。合適的防凍劑的例子包括但不限于基于甲醇、乙醇、n-丙醇(比如I-丙醇或2-丙醇)和聚乙二醇的化合物。可以應(yīng)用其他添加劑(比如表面活性劑或潤濕劑)來控制液體表面張力和反應(yīng)產(chǎn)物粘度，以促進(jìn)氫氣在多孔系統(tǒng)中的流動和控制反應(yīng)產(chǎn)物起泡，特別用于直徑小和含有具有微粒間和微粒內(nèi)微孔的固體反應(yīng)物粉末的燃料盒。合適的表面活性劑和潤濕劑的非限制性的例子包括陶氏化學(xué)公司的Triton 系列表面活性劑、3M公司的Fluorad 含氟化合物表面活性劑、Chemguard公司的低泡含氟表面活性劑、羅地亞化學(xué)公司的Rhodafac 以及畢克化學(xué)公司的各種添加劑(潤濕和分散劑、表面添加劑、消泡劑、流變添加劑)?？梢栽诠腆w反應(yīng)物成分中使用比如多孔纖維的添加劑，以保持反應(yīng)產(chǎn)物的多孔性，從而促使液體反應(yīng)物成分平均分布，并使氫氣流動通道保持開放。合適的多孔纖維的非限制性的例子包括聚乙烯醇(PVA)和人造絲?？梢园砑觿┮詭椭纬晒腆w反應(yīng)物成分和/或使其保持使用時所需的形狀。在一個實(shí)施方式中，氫氣發(fā)生裝置中使用的固體燃料成分包括堿金屬硅化物。所述堿金屬硅化物為堿金屬與硅在惰性氣氛中混合并將所得混合物加熱至低于大約475°C的溫度的產(chǎn)物，其中所述堿金屬硅化物組合物與干燥的O2不發(fā)生反應(yīng)。美國專利申請公開2006/0002839描述了這樣的堿金屬硅化物，所述專利申請公開通過全文引用合并在此。雖然可以使用任何堿金屬，包括鈉、鉀、銫和銣，但優(yōu)選的用于堿金屬娃化物組合物中的堿金屬為鈉或鉀。含有第IIA族金屬(鈹、鎂、I丐、銀、鋇和鐳)的金屬硅化物也是合適的。根據(jù)如下反應(yīng)，堿金屬娃化物組合物與水發(fā)生放熱反應(yīng)生成氫氣和娃酸鈉2NaSi (s) +5H20 (I) — 5H2 (g) +NaSi2O5 (aq)在堿金屬硅化物中，堿金屬與硅的摩爾比為大約I : I。在一個實(shí)施方式中，堿金屬硅化物組合物為Na4Si415在一個實(shí)施方式中，氫氣發(fā)生裝置中的固體反應(yīng)物成分包括第IA族金屬/硅膠組合物。所述組合物具有吸附到硅膠孔隙中的第IA族金屬。第IA族金屬包括鈉、鉀、銣、銫和兩種或多種第IA族金屬的合金。第IA族金屬/硅膠組合物與干燥的O2不發(fā)生反應(yīng)。美國專利7，410，567B2公開了這樣的第IA族金屬/硅膠組合物，所述專利通過全文引用合并在此。第IIA族金屬/硅膠組合物，包括第IIA族金屬(鈹、鎂、鈣、鍶、鋇和鐳)中的ー種或多種也是合適的。第IA族金屬/硅膠組合物是將液態(tài)的第IA族金屬與硅膠在足以使液態(tài)的第IA族金屬吸附到硅膠孔隙中的放熱條件下進(jìn)行混合的產(chǎn)物。在一個實(shí)施方式中，所述第IA族金屬為鈉。所述第IA族金屬/娃膠組合物與水迅速反應(yīng)生成氫氣。第IA族金屬的負(fù)載量取決于使用的具體的ニ氧化硅的孔徑和孔隙密度。典型地，第IA族金屬在硅膠組合物中的量最多可達(dá)到大約50wt%。優(yōu)選地，金屬的量可為大約30wt*% 到大約 40wt*%。參考圖1，其示出了氫氣發(fā)生燃料盒10。外殼12包含反應(yīng)腔室14。外殼12還包含氣囊16。外殼12可以由能夠容納氣體發(fā)生反應(yīng)且對反應(yīng)成分呈惰性的任何材料制成，比如不銹鋼或塑料。用于外殼的合適材料的非限制性例子為聚碳酸酷、聚氯こ烯和聚丙烯。氫氣發(fā)生燃料盒10設(shè)置為通過外殼12上(比如在接頭末端20上)的ー個或多個燃料ロ 18與燃料電池(未示出)連接。反應(yīng)腔室14限定為位于外殼12的接頭末端20與液體供給閥組件30之間的體積。反應(yīng)腔室14內(nèi)設(shè)置有固體反應(yīng)物成分24。固體反應(yīng)物成分24可以包括，例如上述的化學(xué)氫化物或堿金屬硅化物，具體為例如粉末、顆粒、丸狀、片狀或餅狀。固體反應(yīng)物成分24中還可以包括填料、粘合劑、添加劑和其他物質(zhì)。所述固體反應(yīng)物顆?？梢员谎b入包含固體反應(yīng)物成分24中的空余空間(例如間隙、通道或孔隙)的床內(nèi)。這些空間使液體反應(yīng)物成分26能流過并與固體反應(yīng)物成分24的外表面和內(nèi)表面直接接觸。固體反應(yīng)物成分24可以經(jīng)接頭末端20上的裝料ロ 28補(bǔ)充，或者通過打開或拆卸外殼12補(bǔ)充。從動件22將反應(yīng)物區(qū)域75與反應(yīng)腔室14的剩余部分分隔開。從動件22使固體反應(yīng)物成分24保持在反應(yīng)腔室14中的反應(yīng)物區(qū)域75內(nèi)。氣囊16內(nèi)具有液體反應(yīng)物成分26。優(yōu)選地，液體反應(yīng)物成分26基本為水，可以包括上述的添加剤。氣囊16由對液體反應(yīng)物成分26呈惰性的可變形材料構(gòu)成，比如聚こ烯。氣囊16可設(shè)有大量褶皺，例如風(fēng)箱狀，以使氣囊16收縮更容易且方式可控。氣囊16可以由彈性材料制成，當(dāng)液體反應(yīng)物成分26離開氣囊16時，氣囊16收縮。氣囊16的一端與液體供給閥組件30連接，所述液體供給閥30控制著液體反應(yīng)物成分26通過液體供給管32向反應(yīng)腔室14的流動?？梢允褂脝螚l或多條液體供給管32將液體反應(yīng)物成分26輸送到位于反應(yīng)腔室14內(nèi)的固體反應(yīng)物成分24處。液體供給管32的數(shù)量和尺寸至少部分地是由所需的氫氣發(fā)生速率決定的。可以將氣囊16的另一端固定在外殼12的端帽34上。可以通過例如彈簧36向氣囊16施加壓力。彈簧36可以設(shè)置在氣囊16的一端，并與液體供給閥組件30連接。當(dāng)燃料盒內(nèi)的氣體發(fā)生反應(yīng)開始時，燃料盒內(nèi)的空氣被氫氣取代。燃料ロ 18可以包括可滲透氣體、不可滲透液體的膜，以阻止液體或副產(chǎn)物被輸送至燃料電池。燃料ロ 18可以包括一個或多個閥門(未示出)以控制氫氣向燃料電池的流動，并在氫氣發(fā)生裝置不使用或不與燃料電池連接時將其密封。氫氣發(fā)生裝置10可以具有ー個以上的燃料ロ 18，且所述燃料ロ可以設(shè)置于外殼12的其他位置。當(dāng)向氣囊16施加壓カ吋，液體反應(yīng)物成分26被迫經(jīng)過液體供給管32進(jìn)入反應(yīng)腔室14。隨著彈簧36繼續(xù)對氣囊施加壓カ并迫使液體反應(yīng)物成分26進(jìn)入液體供給管32，氣囊16收縮。液體供給閥組件30和液體供給管32隨著氣囊16的收縮在端帽34的方向上移動。當(dāng)液體供給閥組件30移動時，反應(yīng)腔室14膨脹。當(dāng)氫氣發(fā)生裝置10剛剛啟動時，液體供給管32延伸到反應(yīng)物區(qū)域75的遠(yuǎn)端(如圖I所示，靠近反應(yīng)腔室14的接頭末端20)。隨著液體反應(yīng)物成分26與固體反應(yīng)物成分24繼續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物的體積比消耗的固體反應(yīng)物成分24的體積大，反應(yīng)產(chǎn)物將從動件22推向氣囊16，使反應(yīng)物區(qū)域75擴(kuò)大。當(dāng)液體供給管32隨著氣囊16的收縮移動時，供給管32的自由端向反應(yīng)物區(qū)域75的近端部分(在圖I中靠近從動件22)移動，因而液體反應(yīng)物成分26輸送到反應(yīng)腔室14的反應(yīng)物區(qū)域75內(nèi)的未反應(yīng)的固體反應(yīng)物成分24處，使已消耗的固體反應(yīng)物成分24和反應(yīng)產(chǎn)物留在反應(yīng)腔室14的接頭末端。以這種方式，液體反應(yīng)物成分26被不斷地輸送至未反應(yīng)的固體反應(yīng)物成分24附近或其內(nèi)，以保持氫氣發(fā)生裝置的反應(yīng)時間短，且減少液體反應(yīng)物成分的浪費(fèi)。這樣的結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點(diǎn)是，產(chǎn)生的氫氣不經(jīng)過含有能阻礙氫氣流動的高濃度反 應(yīng)產(chǎn)物的反應(yīng)物區(qū)域75的區(qū)域。相反，氫氣的流動方向與增多的反應(yīng)產(chǎn)物相反。直到固體反應(yīng)物成分床幾乎完全耗盡，所述床發(fā)揮噴霧過濾器作用，從而不需要另外在燃料口 18處進(jìn)行另外的大量過濾。當(dāng)反應(yīng)物幾乎完全耗盡時，液體供給管的末端剛剛伸過從動件22進(jìn)入反應(yīng)物區(qū)域75。從動件22可滲透氫氣，或包括可滲透氫氣的部件，以使氫氣能夠通過，同時可截留固體反應(yīng)物成分24、從氣囊16輸送的液體反應(yīng)物成分26，和由在反應(yīng)物區(qū)域75內(nèi)的反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)得到的非氣體反應(yīng)產(chǎn)物。從動件22可以由例如多孔塑料構(gòu)成，其足夠堅(jiān)硬從而當(dāng)被膨脹的反應(yīng)產(chǎn)物沿彈簧通道44的外表面推動時，可保持抵住外殼12的內(nèi)壁的狀態(tài)?；蛘?，從動件22可具有一個或多個覆有或填充有可滲透氫氣的過濾器或?yàn)V膜的孔。反應(yīng)物區(qū)域75產(chǎn)生的氫氣可以穿過從動件到達(dá)燃料口 18。當(dāng)使用燃料供給裝置時，反應(yīng)腔室可得到先前整個氣囊12所需的體積，包括膨脹的反應(yīng)物區(qū)域75，因此燃料盒內(nèi)的自由體積保持最小，氫氣發(fā)生燃料盒10的整體尺寸和重量盡可能實(shí)用地減少了。如圖2所示，彈簧36最初可由附在彈簧導(dǎo)桿40上的彈簧夾38約束。在氫氣發(fā)生燃料盒10的儲存過程中，彈簧導(dǎo)桿40能夠使彈簧36在彈簧通道44內(nèi)保持壓縮狀態(tài)。當(dāng)移去彈簧夾38使氫氣發(fā)生燃料盒10內(nèi)開始發(fā)生反應(yīng)時，彈簧導(dǎo)桿40允許彈簧36松開并壓縮氣囊16。夾座42以可移除的方式連在燃料口 18的外表面上，以在儲存期間保護(hù)燃料口 18不受損壞。由于彈簧夾38和夾座42的移除，燃料口 18可以與燃料電池相連，以向電子裝置(未示出)的燃料電池提供氫氣。當(dāng)移去彈簧夾38時，彈簧36得到釋放并向氣囊16施壓。如圖3所示，從動件22可以具有包著彈簧通道44的外周移動(例如通過滑動)的中央通道46。在這個實(shí)施方式中，環(huán)繞中央通道46的環(huán)形基體48包括三個供給管孔50，液體供給管32通過所述供給管孔延伸。雖然該實(shí)施方式的從動件22包括三個供給管孔50，從動件22可以包括任何數(shù)目的孔50，以適應(yīng)所需的液體供給管32的數(shù)目以將液體反應(yīng)物成分26輸送至固體反應(yīng)物24成分處。優(yōu)選地，孔50和液體供給管32的直徑相對小，從而在任何給定的時間點(diǎn)，只有少量的液體反應(yīng)物成分26被輸送至固體反應(yīng)物成分26處。如圖3所示，穿過從動件22的氫氣可以流經(jīng)彈簧通道44，或者通過其他途徑，比如位于外殼12的側(cè)壁與環(huán)繞反應(yīng)腔室14的一部分或全部的套管外側(cè)之間的空間。參考圖4，液體反應(yīng)物成分26向反應(yīng)腔室14的輸送可以由液體供給閥組件30和壓カ調(diào)節(jié)器52進(jìn)行控制。氣囊16與液體閥組件30連接，并提供通過液體供給管32輸送的液體反應(yīng)物成分26的來源。壓カ調(diào)節(jié)器52可以設(shè)置于氣囊16內(nèi)并與液體閥組件30連接。參考圖5，液體閥組件30控制著來自氣囊16的液體反應(yīng)物成分26的流動。閥門彈簧54使液體閥組件30保持關(guān)閉，直到通過移去彈簧夾38啟動氫氣發(fā)生裝置。閥門組件30可以包括位于流動通道內(nèi)的氈墊片56，以將液體反應(yīng)物成分26的流動限制在需要的流速內(nèi)，并阻止過量的液體反應(yīng)物成分26輸送至反應(yīng)腔室14中。參考圖6，當(dāng)氫氣發(fā)生燃料盒中的壓カ升高超過閾值時，壓カ調(diào)節(jié)器52可以關(guān)閉液體反應(yīng)物成分26的流動。由于氣囊16內(nèi)液體反應(yīng)物成分26被使用，彈簧36施加更少的カ從而氣囊16內(nèi)的氣體壓力增加以使外殼內(nèi)的總壓基本保持不變?？倝亥烧{(diào)節(jié)器彈簧58和排氣管60來平衡，所述排氣管60從排氣管ロ 62延伸至端帽34。調(diào)節(jié)器彈簧58施加的壓カ相對較小。在一個實(shí)施方式中，當(dāng)燃料盒為新的時，所述壓カ為約1.5psi，當(dāng)燃料 盒幾乎廢棄時，所述壓カ為約0. 5psi。優(yōu)選地，氫氣發(fā)生燃料盒10在高于環(huán)境壓カ約2到3個大氣壓的壓力下工作。壓カ調(diào)節(jié)器52可以通過例如超聲焊接或激光焊接固定到液體供給閥組件30上。閥門彈簧54使液體閥組件30保持關(guān)閉，并使調(diào)節(jié)器閥門座64抵住調(diào)節(jié)器基體66的末端。調(diào)節(jié)器閥門座保持器68的功能是保持移動部件的同軸排列并防止閥門彈簧54使調(diào)節(jié)器閥門座64局部變形。調(diào)節(jié)器閥門桿70包括旋入調(diào)節(jié)器隔膜72的帶螺紋的末端。調(diào)節(jié)器隔膜72可以由弾性體構(gòu)成，比如Hypalon ，可以鑲嵌模塑在內(nèi)部盤74上，所述內(nèi)部盤74由更硬的材料制成。調(diào)節(jié)器彈簧58對內(nèi)部隔膜盤74施加壓カ并決定氫氣發(fā)生燃料盒10的工作壓力。實(shí)踐本發(fā)明的人員和本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本公開的精神的條件下可以對本發(fā)明進(jìn)行各種修改和改進(jìn)。要求給予保護(hù)的范圍由權(quán)利要求和法律允許解釋的范圍確定。
權(quán)利要求
1.一種氫氣發(fā)生裝置，包括 具有固定的內(nèi)部體積的外殼； 所述外殼內(nèi)的可擴(kuò)大的反應(yīng)腔室，包括限定了可擴(kuò)大的反應(yīng)物區(qū)域的可移動隔板和位于所述反應(yīng)物區(qū)域內(nèi)的固體反應(yīng)物成分； 位于所述外殼內(nèi)的可收縮容器，包括液體反應(yīng)物成分； 用于將所述液體反應(yīng)物成分從所述可收縮容器輸送到所述反應(yīng)腔室的反應(yīng)物區(qū)域的流體通道；和 液體反應(yīng)物輸送控制系統(tǒng)； 其中，所述液體反應(yīng)物成分與所述固體反應(yīng)物成分在所述反應(yīng)腔室內(nèi)發(fā)生反應(yīng)生成氫 氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述流體通道包括連在所述可收縮容器上的多個管狀部件，每個部件具有延伸至所述反應(yīng)腔室的反應(yīng)物區(qū)域內(nèi)的自由端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述管狀部件的自由端可隨著所述可收縮容器而移動，以將液體反應(yīng)物成分輸送至位于所述反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的未反應(yīng)的固體反應(yīng)物成分處。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，所述管狀部件的自由端最初置于所述反應(yīng)物區(qū)域的相對于所述可移動隔板的遠(yuǎn)端部分，并可以向所述反應(yīng)物區(qū)域的相對于所述可移動隔板的近端部分移動。
5.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述液體反應(yīng)物控制系統(tǒng)包括閥門。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述液體反應(yīng)物控制系統(tǒng)還包括連至所述閥門的壓力調(diào)節(jié)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述壓力調(diào)節(jié)器位于所述可收縮容器內(nèi)。
8.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述可移動隔板包含多孔材料。
9.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述固體反應(yīng)物成分包括化學(xué)氫化物，所述液體反應(yīng)物成分包括水。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述化學(xué)氫化物包括硼氫化鈉。
11.根據(jù)權(quán)利要求I到8任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述固體反應(yīng)物成分包括硅化鈉，所述液體反應(yīng)物成分包括水。
12.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述可移動隔板為在所述反應(yīng)腔室內(nèi)滑動的可滑動隔板。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于為燃料電池組提供氫氣的氫氣發(fā)生裝置。所述裝置包括包含固體反應(yīng)物成分的可擴(kuò)大的反應(yīng)腔室和包含液體反應(yīng)物成分的可收縮容器，以及外殼。所述反應(yīng)腔室包括由可移動隔板限定的、可擴(kuò)大的反應(yīng)物區(qū)域，從而使反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物保留在反應(yīng)腔室內(nèi)。所述裝置還包括液體輸送控制系統(tǒng)和用于將液體反應(yīng)物成分從所述可收縮容器輸送到反應(yīng)腔室的反應(yīng)物區(qū)域的流體通道，在所述反應(yīng)腔室內(nèi)所述液體和固體反應(yīng)物成分反應(yīng)生成氫氣。由于液體反應(yīng)物成分被使用，所述容器隨著反應(yīng)腔室的相應(yīng)膨脹而收縮，因反應(yīng)產(chǎn)物體積的增加施加在可移動隔板上的壓力，使反應(yīng)物區(qū)域在所述反應(yīng)腔室內(nèi)擴(kuò)大?？蓴U(kuò)大的反應(yīng)腔室、可擴(kuò)大的反應(yīng)物區(qū)域和可收縮容器之間的體積交換，使得能夠由有限體積的氫氣發(fā)生裝置提供大體積的氫氣。
文檔編號H01M8/06GK102754265SQ201180008789
公開日2012年10月24日 申請日期2011年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月8日
發(fā)明者R·巴頓, 鄭廣宏 申請人:永備電池有限公司