專利名稱：氫氣發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫氣發(fā)生器。
電化學(xué)電池是一種能由電化學(xué)反應(yīng)，典型地兩種或多種反應(yīng)物之間的電化學(xué)反應(yīng)提供電能的裝置。一般來(lái)說(shuō)，電化學(xué)電池包括兩個(gè)電極，所謂的正極和負(fù)極，和置于電極之間的電解質(zhì)。為了防止正極活性材料和負(fù)極活性材料之間直接反應(yīng)，通過(guò)隔板將電極彼此電分離。
在有時(shí)稱為氫氣燃料電池的一類電化學(xué)電池中，正極反應(yīng)物是氫氣，和負(fù)極反應(yīng)物是氧氣(例如來(lái)自空氣)。在正極處氫氣氧化產(chǎn)生質(zhì)子和電子。質(zhì)子從正極流經(jīng)電解質(zhì)并流到負(fù)極。電子從正極經(jīng)外部導(dǎo)電體流到負(fù)極，這種流動(dòng)可提供電，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在負(fù)極處，質(zhì)子和電子與氧氣反應(yīng)，形成水。可通過(guò)氫化物的燃燒，或者通過(guò)氫化物的液體溶液或淤漿的水解，由儲(chǔ)氫合金生成氫氣。
一方面，氫氣發(fā)生器包括外殼、置于該外殼內(nèi)的固體氫氣源，和導(dǎo)引流體與固體氫氣源接觸而構(gòu)造的入口。該入口可與毛細(xì)(wicking)區(qū)域接觸。毛細(xì)區(qū)域可包括對(duì)流體具有親和力的毛細(xì)材料。外殼可包括氫氣出口。氫氣發(fā)生器可包括在外殼一端的端帽，所述端帽包括入口和氫氣出口。氫氣出口可包括透氣膜。入口可與流體控制體系流體連接，其中構(gòu)造所述流體控制體系，以控制流體流動(dòng)到固體氫氣源的流速。發(fā)生器可以是便攜式的。
另一方面，生成氣體的方法包括使含質(zhì)子源的流體和置于外殼內(nèi)的固體氫氣源接觸，其中所述固體氫氣源具有為輸送氫氣到氫氣燃料電池而構(gòu)造的出口?？赏ㄟ^(guò)引入流體到氫氣發(fā)生器內(nèi)，使流體和固體氫氣源接觸。氫氣發(fā)生器可包括外殼?？蓸?gòu)造固體氫氣源和入口，以導(dǎo)入流體與固體氫氣源接觸。該方法可包括在流體內(nèi)溶解催化劑。在一些情況下，該方法可包括使流體經(jīng)入口流到毛細(xì)材料中。該方法還可包括例如通過(guò)測(cè)定流出發(fā)生器的氫氣量，以控制到達(dá)固體氫氣源的流體量。該流體可包括水或另一質(zhì)子源，所述質(zhì)子源可以以水蒸氣形式輸送到固體氫氣源中。
另一方面，制造氫氣發(fā)生器的方法包括將固體氫氣源放置在外殼內(nèi)，其中外殼包括導(dǎo)引流體與固體氫氣源接觸而構(gòu)造的入口。該方法可包括例如通過(guò)結(jié)合固體氫化物和毛細(xì)材料，由固體氫化物形成外殼插入物(insert)。
可通過(guò)由毛細(xì)材料構(gòu)造毛細(xì)區(qū)域和固體氫化物區(qū)域，從而結(jié)合固體氫化物與毛細(xì)材料?？赏ㄟ^(guò)形成穿過(guò)固體氫化物的毛細(xì)材料的通道或者通過(guò)形成與固體氫化物區(qū)域相鄰的層，例如通過(guò)輥壓與固體氫化物區(qū)域相鄰的層，形成層狀輥卷，從而構(gòu)造毛細(xì)區(qū)域。通道可沿著外殼的長(zhǎng)軸延伸、沿著外殼的主軸延伸或者其結(jié)合。在一些情況下，毛細(xì)材料可與催化劑結(jié)合。該方法也可包括與固體氫氣源接觸地放置端帽，其中端帽包括入口和氫氣出口。入口可與流體控制體系流體連接，其中構(gòu)造所述流體控制體系，以控制流體流動(dòng)到固體氫氣源的流速。
固體氫氣源可包括毛細(xì)區(qū)域，例如諸如親水材料之類毛細(xì)材料的毛細(xì)區(qū)域，和固體氫化物區(qū)域。毛細(xì)區(qū)域可形成與固體氫化物區(qū)域相鄰的層。例如，毛細(xì)區(qū)域和固體氫化物區(qū)域形成層狀輥卷。毛細(xì)區(qū)域可以是穿過(guò)固體氫化物區(qū)域的通道，所述通道可沿著外殼的長(zhǎng)軸延伸、沿著外殼的徑向軸延伸或者沿著外殼的這兩個(gè)方向延伸。例如，外殼可以是圓柱形，和通道可沿著圓柱體的長(zhǎng)度方向延伸。
固體氫氣源可包括固體氫化物，例如氫化物鹽，其中包括堿金屬或堿土金屬氫化物，氫化鋁，或者硼氫化物。硼氫化物可以是硼氫化鋰，硼氫化鈉、硼氫化鉀或其混合物。固體氫化物可以是粒料、片狀、圓柱體、層狀或管狀。固體氫化物可與毛細(xì)材料結(jié)合。例如，固體氫氣源可以是毛細(xì)材料與固體氫化物的摻混物。毛細(xì)材料可包括催化劑。流體可包括能在固體氫氣源內(nèi)反應(yīng)形成氫氣的質(zhì)子源。例如，質(zhì)子源可包括水。
氫氣發(fā)生器的實(shí)施方案可包括一個(gè)或多個(gè)下述優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于其它氫氣源，氫氣發(fā)生器可具有競(jìng)爭(zhēng)性的體積和重量容量。例如，與基于類似材料的淤漿或溶液的裝置相比，固體氫氣源增加發(fā)生器的體積能量密度。在固體氫氣源內(nèi)毛細(xì)區(qū)域的設(shè)計(jì)可導(dǎo)致包含在發(fā)生器內(nèi)的材料更完全轉(zhuǎn)化成氫氣。氫氣發(fā)生器可安全和可靠并且以可控的方式提供燃料電池燃料。在整個(gè)固體氫氣中添加催化劑可控制或調(diào)整在整個(gè)發(fā)生器內(nèi)的氫氣生成，這可降低發(fā)生器的總體運(yùn)行溫度并改進(jìn)安全系數(shù)。與其它氫氣源的組分相比，氫氣發(fā)生器的組分可相對(duì)便宜。氫氣發(fā)生器可以是經(jīng)濟(jì)、緊湊、便攜式和/或可棄置的氫氣源。相對(duì)于使用可逆的金屬氫化物合金的氫氣源，基于固體氫化物的氫氣發(fā)生器可具有低的重量。
電化學(xué)電池性能同樣可得到改進(jìn)。特別地，當(dāng)與使用實(shí)際數(shù)量的燃料電池體系組件用于這種應(yīng)用，供應(yīng)便攜式消費(fèi)電子裝置動(dòng)力用的鋰離子可充電電池相比時(shí)，經(jīng)計(jì)算，添加2倍化學(xué)計(jì)量量的水到其內(nèi)的固體硼氫化鈉得到運(yùn)行時(shí)間50％的改進(jìn)。另外，最佳的固體氫化物利用率可與水侵入和氫氣回收所規(guī)定的最小的體積達(dá)成平衡，這種平衡可通過(guò)在整個(gè)固體氫化物基質(zhì)內(nèi)放置各種疏水和毛細(xì)材料來(lái)調(diào)節(jié)或改性。這可允許反應(yīng)物的改進(jìn)的利用率和氫氣生成速度的改進(jìn)控制。
在以下的附圖和說(shuō)明書(shū)中列出了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。其它特征和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)這些說(shuō)明和附圖以及根據(jù)權(quán)利要求而變得顯而易見(jiàn)。


圖1是電化學(xué)電池的示意圖。
圖2A是固體氫氣源的剖視圖。
圖2B是固體氫氣源的頂視圖。
圖3A和3C是各種固體氫氣源的剖視圖。
圖3B和3D-F是各種固體氫氣源的頂視圖。
圖4A是固體氫氣源的剖視圖。
圖4B是在外殼內(nèi)的固體氫氣源的側(cè)視圖。
圖5是層狀固體氫氣源的頂視圖。
圖6A是端帽的側(cè)視圖。
圖6B是端帽的頂視圖。
圖6C是端帽和固體氫氣源的端視圖。
圖7A-C是流體控制體系的示意圖。
圖8A-C是流體控制體系的示意圖。
參考圖1，電化學(xué)體系10包括氫氣發(fā)生器12，所述氫氣發(fā)生器12包括確定內(nèi)部體積16的外殼14。固體氫氣源18置于氫氣發(fā)生器的內(nèi)部體積內(nèi)。構(gòu)造入口20以導(dǎo)引在流體容器22內(nèi)的流體與固體氫氣源18接觸。入口20可與毛細(xì)區(qū)域24，例如親水材料的毛細(xì)區(qū)域接觸，其中所述毛細(xì)區(qū)域24可包括在固體氫氣源18內(nèi)。外殼12可包括氫氣出口26，其中構(gòu)造所述氫氣出口26以輸送氫氣到氫氣燃料電池中。
外殼14的氫氣出口26可包括透氣膜。該膜可含有潛在地可流出該出口的任何液體組分，從而輔助限制或防止流體從外殼中泄漏。透氣膜允許氣體，尤其氫氣無(wú)阻礙地流出外殼，同時(shí)通過(guò)過(guò)濾防止固體顆粒流出生成氫氣的外殼。該透氣膜可包括聚合物，例如聚(烷烴)、聚(苯乙烯)、聚(甲基丙烯酸酯)、聚(腈)、聚(乙烯基)、氟聚合物、聚(二烯烴)、聚(亞二甲苯基)、聚(氧化物)、聚(酯)、聚(碳酸酯)、聚(硅氧烷)、聚(酰亞胺)、聚(酰胺)、聚(氨酯)、聚(砜)、聚(芳基醚醚酮)或纖維素或多孔材料，例如足夠疏水且多孔以限制液體透過(guò)，但允許氫氣透過(guò)的纖維或礦物，或者其結(jié)合。適合于形成透氣膜的組合包括共聚物，聚合物摻混物，和含無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料的復(fù)合材料。盡管圖1中的外殼14具有僅僅一個(gè)氫氣出口，但在一些情況下，具有大于一個(gè)氫氣出口，且仍無(wú)阻礙地允許所需氫氣流出。為了獲得充足的滲透速度，可使用高表面積的透氣膜結(jié)構(gòu)，例如平行的微管、通道或?qū)?。該透氣膜可置于發(fā)生器的出口26處或者在發(fā)生器內(nèi)一體化。
氫氣發(fā)生器12可包括在外殼一端的端帽30。端帽30包括入口20。在一些實(shí)施方案中，端帽30包括氫氣出口(在圖1中未示出)。氫氣出口可包括透氣膜。透氣的疏水材料也可用作潮濕的氣態(tài)氫氣流出電池的路徑。
外殼14可以是圓柱形外殼。該外殼可由金屬，例如鎳或鍍鎳鋼、不銹鋼或鍍鋁不銹鋼，或塑料，例如聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚砜、ABS或聚酰胺制成。外殼的長(zhǎng)度可以是介于1cm至30cm，和寬度或直徑介于1cm至20cm。外殼的體積可以是介于1cm3至9400cm3。
固體氫氣源可包括固體氫化物，例如堿金屬或堿土金屬氫化物，氫化鋁或硼氫化物。硼氫化物可以是硼氫化鋰、硼氫化鈉、硼氫化鉀或其混合物。固體氫化物可以是粒料、片狀、圓柱體、層狀或管狀。在一些情況下，固體氫氣源可包括可氧化的物質(zhì)，例如金屬(例如，鋅、鋁、鈦、鋯或錫)。
通過(guò)入口導(dǎo)入的流體可包括能在固體氫氣源內(nèi)反應(yīng)生成氫氣的質(zhì)子源。例如，質(zhì)子源可包括水和固體氫氣源可包括固體氫化物。催化劑可包括在流體內(nèi)，或者當(dāng)催化劑在固體氫氣源內(nèi)反應(yīng)促進(jìn)氫氣生成時(shí)，將其加入到流體中。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)使流體與固體氫氣源接觸生成氣體?？赏ㄟ^(guò)將流體引入到氫氣發(fā)生器內(nèi)，從而使流體和固體氫氣源接觸?？衫缤ㄟ^(guò)測(cè)定流出發(fā)生器的氫氣量來(lái)控制到達(dá)固體氫氣源的流體量。
固體氫氣源可包括粘合劑。粘合劑的實(shí)例包括聚乙烯粉末、聚丙烯、聚丁烯、尼龍、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基戊烯、卜特蘭水泥或氟烴樹(shù)脂，例如聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。在一些實(shí)施方案中，粘合劑可以是親水材料，例如纖維聚合物織物(例如聚乙烯醇纖維)。固體氫氣源可包括介于0.01％至10wt％的粘合劑。
固體氫氣源可包括毛細(xì)材料，所述毛細(xì)材料可形成區(qū)域24的一部分。毛細(xì)材料可以是纖維聚合物。毛細(xì)材料可包括親水材料。親水材料的實(shí)例包括尼龍、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚氯乙烯、取代聚苯乙烯、或聚乙烯醇。例如，毛細(xì)材料可包括聚乙烯醇纖維。毛細(xì)材料可包括其它添加劑。例如，毛細(xì)材料可包括表面活性劑(例如，TritonX-100，獲自Sigma-Aldrich)。表面活性劑可輔助潤(rùn)濕毛細(xì)材料，這可改良流體移動(dòng)穿過(guò)毛細(xì)材料的速度。
催化劑可以是流體組分，或者催化劑可以分布在毛細(xì)材料上，溶解在其內(nèi)或者涂布在其上，在此情況下，當(dāng)流體在固體氫氣源內(nèi)接觸或者流過(guò)固體氫氣源時(shí)，催化劑可溶解在流體內(nèi)。毛細(xì)材料的催化劑負(fù)載可以是介于0.01wt％至5wt％。催化劑可包括過(guò)渡金屬鹽，例如釕或鈷鹽，或其混合物。催化劑可以是活化水與硼氫化鈉反應(yīng)的水溶性過(guò)渡金屬鹽，例如氯化鈷(II)和氯化亞鐵(II)。催化劑可或者以干燥形式儲(chǔ)存在固體氫氣源基質(zhì)內(nèi)，或者作為在惰性載體(氧化硅、氧化鋁、沸石等)上的干燥金屬或金屬鹽分散在固體氫氣源基質(zhì)內(nèi)、分配在獨(dú)立于固體氫氣源基質(zhì)的固體氫氣源結(jié)構(gòu)內(nèi)，或者作為水溶液引入。一旦通過(guò)硼氫化鈉還原產(chǎn)生的催化的自然金屬顆粒的高表面積導(dǎo)致可溶金屬鹽具有高的活性?；蛘撸呋瘎┑谋砻婵梢允墙饘俨?，所述金屬箔可在纏繞的電池結(jié)構(gòu)內(nèi)層壓到待輥壓的膠帶上。
毛細(xì)材料和固體氫化物在固體氫氣源內(nèi)的結(jié)合可形成毛細(xì)材料的一些區(qū)域和固體氫化物區(qū)域。毛細(xì)材料可導(dǎo)引或毛細(xì)流體到固體氫化物上，通過(guò)在發(fā)生器內(nèi)更加完全地消耗固體氫化物，這可改進(jìn)氫氣的總產(chǎn)率。這可通過(guò)在整個(gè)固體氫氣源的體積內(nèi)更全面地分配流體而實(shí)現(xiàn)。
在一個(gè)實(shí)例中，毛細(xì)區(qū)域可并入到穿過(guò)固體氫化物區(qū)域的通道內(nèi)，所述通道可沿著外殼的長(zhǎng)軸延伸，沿著外殼的徑向軸延伸，或者沿著外殼的這兩個(gè)方向延伸。參考圖2A，通道70(或正如所示的，可均勻地分配的多個(gè)通道)可沿著固體氫化物或者固體氫化物與粘合劑或添加劑的共混物的圓柱體粒料72的長(zhǎng)度方向延伸。參考圖2B，通道74可以是徑向延伸穿過(guò)圓柱體粒料76的溝槽，所述溝槽也可沿著粒料的長(zhǎng)度方向延伸。參考圖3A-F，小片80可以疊起來(lái)形成圓筒之類的結(jié)構(gòu)件配置在外殼內(nèi)。參考圖3A和3C，毛細(xì)材料層82可置于小片80之間，以便毛細(xì)區(qū)域相對(duì)于該結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng)軸徑向延伸?？赏ㄟ^(guò)壓制含固體氫化物的粉末，從而制備小片或粒料。參考圖3A和3B，毛細(xì)材料的單一通道84沿著該結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng)度方向延伸?？赏ㄟ^(guò)在粒料內(nèi)鉆孔或者要么形成縱向孔隙，從而制備通道，參考圖3C-3E，多個(gè)通道86，例如2-8個(gè)通道，可繞小片80分配。參考圖3F，毛細(xì)材料的通道層88可圍繞小片80的周邊。參考圖3E和3F，一種其中毛細(xì)材料(通道86或通道層88)可允許孔隙體積90并入到在外殼14與小片80之間的發(fā)生器設(shè)計(jì)內(nèi)的設(shè)計(jì)?？蛇x擇孔隙體積90以適應(yīng)當(dāng)生成氫氣時(shí)在粒料上發(fā)生的體積膨脹。
通過(guò)形成固體氫化物的圓柱形粒料，可最大化利用罐的體積產(chǎn)生氫氣。例如，固體氫化物粉末可壓制成粒料，所述粒料具有接近該材料理論密度的實(shí)際密度(對(duì)于硼氫化鈉來(lái)說(shuō)，＞理論密度1.074g/cc的98％)。然而，氫化物的鈍化，在粒料內(nèi)捕獲的氣泡和阻礙氫氣流動(dòng)的水坑導(dǎo)致水?dāng)U散到較大的致密的材料粒料內(nèi)和氫氣擴(kuò)散出其中可能是低效的。這可通過(guò)在固體粒料內(nèi)或者其間形成親水和疏水材料區(qū)域而克服。毛細(xì)材料可用作催化劑的載體。流體然后可通過(guò)催化劑毛細(xì)，使之溶解并與化學(xué)氫化物緊密接觸?？蛇x擇這些區(qū)域的相對(duì)尺寸，以便流體擴(kuò)散到固體氫化物內(nèi)的長(zhǎng)度以及毛細(xì)材料移動(dòng)的體積最小，一些結(jié)構(gòu)體可允許流體同時(shí)橫向擴(kuò)散和軸向擴(kuò)散。
在另一實(shí)例中，親水材料的區(qū)域可形成與固體氫化物區(qū)域相鄰的層。參考圖4A，可通過(guò)壓制粉化材料，例如固體氫化物，從而形成固體氫氣源的圓柱形粒料90。參考圖4B，可將圓柱形粒料90層疊在外殼14內(nèi)，和親水材料(未示出)可引入到圓柱體疊層以內(nèi)或其周圍。參考圖5，毛細(xì)區(qū)域和固體氫化物區(qū)域可形成毛細(xì)層100和氫化物層102，和輥壓它們形成層狀輥卷104。例如，硼氫化鈉層可作為在親水/疏水的惰性隔板之間輥壓的粉末形式分散，可使用它將水導(dǎo)引到反應(yīng)區(qū)中，使得能生成氫氣。單層燃料膠帶可包括與親水粘合劑共混的硼氫化鈉以及一排親水纖維。由這種材料制造的膠帶可通過(guò)與造紙類似的工藝制造。燃料膠帶(紙張)可與疏水膜一起輥壓，以分離各層并允許氫氣擴(kuò)散出。在這一體系中，催化劑可溶解在水內(nèi)，然后可將其從一端毛細(xì)到輥卷內(nèi)，或者催化劑可摻入到膠帶內(nèi)或者隔板層內(nèi)。
更特別地，可通過(guò)制造粉化的固體氫化物(它可具有均勻的篩目尺寸)和親水粘合劑在合適溶劑內(nèi)的混合物，從而制造由燃料/催化劑體系組成的膠帶。粘合劑和溶劑均對(duì)固體氫化物不具有反應(yīng)性。粘合劑的實(shí)例包括coathylene或異丁烯?？赡艿娜軇┌ㄖ刭|(zhì)烴，例如IsoparG。粘合劑應(yīng)當(dāng)小于10％w/w的固體氫化物?？蓳交旃腆w氫化物/粘合劑/溶劑混合物，并使用輥涂機(jī)，例如Rondo涂布機(jī)，輥壓成扁平的片材，以形成燃料膠帶片。可用氯化鈷溶液浸漬親水布料或毛細(xì)材料的獨(dú)立片材，并使之干燥，形成催化劑片材，所述催化劑片材可與燃料膠帶一起壓延，以制造結(jié)構(gòu)體。通過(guò)在張緊下輥壓，對(duì)于單位體積來(lái)說(shuō)，這可獲得更多的活性材料。當(dāng)在圓柱體外殼內(nèi)放置輥卷，和水可接觸毛細(xì)材料時(shí)，毛細(xì)材料本身又溶解催化劑并與燃料膠帶緊密反應(yīng)。氫氣擴(kuò)散穿過(guò)在輥卷一端布置的端帽內(nèi)用疏水材料覆蓋的孔隙?？蛇x擇氫氣出口的數(shù)量和(基于疏水度和透氣性)選擇膜，以最大化氫氣的生成速度?？蓪?shí)現(xiàn)85％或更高的氫氣產(chǎn)率。通過(guò)分配流體，由固體氫氣源生成的熱可控制或維持在環(huán)境溫度下或者接近環(huán)境溫度。
當(dāng)流體包括水時(shí)，它可以以液相或氣相形式輸送到固體氫氣源中。當(dāng)以氣相形式輸送時(shí)，這一方法可允許水以可預(yù)測(cè)和可靠的方式更有效地輸送到固體氫氣源中，而與該裝置的幾何取向無(wú)關(guān)。例如，可在發(fā)生器內(nèi)包括小的電阻加熱器，在水流過(guò)入口之前或者同時(shí)，所述電阻加熱器在容器內(nèi)汽化液體水。在另一實(shí)例中，可利用膜體系，使之能控制液體水轉(zhuǎn)化成氣相水，然后將所述氣相水導(dǎo)入到固體氫氣源內(nèi)。在開(kāi)始生成氫氣之后，來(lái)自氫氣生成所產(chǎn)生的熱可用于提供汽化液體水的熱量，從而使得可在開(kāi)始使用時(shí)需要電阻加熱。
可設(shè)計(jì)端帽30，以控制體系的安全度，并通過(guò)在整個(gè)固體氫氣源中分配流體，從而最大化利用固體氫氣源。特別地，可設(shè)計(jì)端帽30在流體與固體氫氣源之間具有大的接觸面積，這可最小化流體擴(kuò)散到固體氫氣源內(nèi)的擴(kuò)散長(zhǎng)度，從而改進(jìn)來(lái)自該裝置的總的氫氣產(chǎn)率。參考圖6A和6B，端帽30包括入口20和氫氣出口110。氫氣出口110可在蓋帽區(qū)域上分配，以最大化與固體氫氣源接觸的面積，這有助于收集所生成的氣體。如前所述，透氣膜，例如疏水膜，可覆蓋氫氣出口，以容納在發(fā)生器內(nèi)的固體和液體。參考圖6C，端帽30可位于固體氫氣源18的一端，此處表示為層狀輥卷。氫氣出口110位于固體氫氣源18的一端，以促進(jìn)所生成的氫氣的收集。入口20接觸油芯112，所述油芯112可以是在蓋帽30的接觸側(cè)上的毛細(xì)材料的溝槽或者導(dǎo)管?？稍谏w帽上構(gòu)圖油芯112，以便當(dāng)水被輸送到固體氫氣源中時(shí)，在均勻地分配流體的幾何圖案內(nèi)分配水。可構(gòu)圖油芯，以便最小化在油芯之間的燃料膠帶的徑向弧長(zhǎng)。
參考圖1，在電化學(xué)體系10中，氫氣發(fā)生器12的氫氣出口26連接到氫氣燃料電池50上。燃料電池50具有確定內(nèi)部體積54的外殼52。通過(guò)電解質(zhì)60隔開(kāi)的正極56和負(fù)極58在內(nèi)部體積內(nèi)。外殼也具有氧氣或空氣入口62，貧氧空氣也可經(jīng)其逃逸的空氣和水出口64，以及氫氣入口66。氫氣入口66可拆卸地連接到氫氣發(fā)生器12的氫氣出口26上。在氫氣發(fā)生器和氫氣燃料電池之間的連接可提供用于氫氣的導(dǎo)管。因此，通過(guò)氫氣發(fā)生器產(chǎn)生的氫氣可行進(jìn)到燃料電池中，在此它可被燃料電池的正極56消耗。視需要，使用閥門(mén)或調(diào)節(jié)氫氣流動(dòng)到燃料電池的其它方式，以關(guān)閉或打開(kāi)在氫氣發(fā)生器和燃料電池之間的連接。導(dǎo)電體68可連接正極56和負(fù)極58，當(dāng)產(chǎn)生電時(shí)，將驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
在燃料電池50中，正極56氧化氫氣產(chǎn)生質(zhì)子和電子。質(zhì)子經(jīng)電解質(zhì)60移動(dòng)到負(fù)極58，在此質(zhì)子與通過(guò)氧氣或空氣入口62提供的氧氣結(jié)合，和電子行進(jìn)經(jīng)過(guò)導(dǎo)電體68產(chǎn)生水。水可通過(guò)空氣和水出口64流出燃料電池。反饋收集導(dǎo)管(未示出)可收集來(lái)自燃料電池的水并供料到氫氣發(fā)生器中。燃料電池的正極56可由能與氫氣相互作用形成質(zhì)子和電子的材料形成。該材料可以是能催化氫氣分解與氧化的任何材料。這種材料的實(shí)例包括例如鉑或貴金屬，鉑或貴金屬合金，例如鉑-釕，和分散在炭黑上的鉑。負(fù)極58可由能催化氧氣、電子和質(zhì)子之間反應(yīng)形成水的材料形成。這種材料的實(shí)例包括例如鉑、鉑合金、過(guò)渡金屬、過(guò)渡金屬氧化物，和分散在炭黑上的貴金屬。電解質(zhì)60能允許離子流經(jīng)它，同時(shí)還提供電子流動(dòng)的顯著阻礙。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)60是固體聚合物(例如固體聚合物離子交換膜)。電解質(zhì)60可以是固體聚合物質(zhì)子交換膜(PEM)。固體聚合物質(zhì)子交換膜的實(shí)例是含磺酸基的固體聚合物。這種膜可以商標(biāo)NAFION商購(gòu)于E.I.DuPont deNemours Company(Wilmington，DE)?；蛘?，電解質(zhì)60也可由獲自W.L.Gore & Associates(Elkton，MD)的商業(yè)產(chǎn)品GORE-SELECT制備。在一些情況下，電解質(zhì)60可以是聚磷腈膜，或者含無(wú)機(jī)填料的膜。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)60可以是離子傳導(dǎo)液體電解質(zhì)(例如氫氧化鉀水溶液，氫氧化鈉水溶液，硫酸水溶液，或磷酸水溶液)。液體電解質(zhì)可以是游離液體或者可通過(guò)添加膠凝劑，例如聚合物(例如聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸)或吸收劑(例如，硅膠，煅制氧化硅或粘土)將其固定。
燃料電池外殼52可以是在燃料電池中共同使用的任何常規(guī)的外殼。例如，外殼52可以是塑料、碳，或金屬容器如鋼、不銹鋼、石墨、尼龍、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟烷氧基樹(shù)脂，或金屬、碳和塑料的結(jié)合。塑料可例如用無(wú)機(jī)填料填充?；蛘撸芰峡晌幢惶畛?。在一些實(shí)施方案中，正極可包括壓力控制閥門(mén)，所述壓力控制閥門(mén)可調(diào)節(jié)電池內(nèi)的氫氣壓力。
通過(guò)控制傳輸?shù)焦腆w氫氣源上的流體(例如水或含溶解的催化劑的水)，從而控制由發(fā)生器產(chǎn)生的氫氣。更具體地，入口可以流體連接到流體控制體系上，其中構(gòu)造所述流體控制體系，以控制流體流動(dòng)到固體氫氣源的流速。流體可機(jī)械地供料到固體氫氣源內(nèi)。參考圖7A，發(fā)生器12可包括流體控制體系200，在所述流體控制體系200內(nèi)流體容器22含有流體腔室202和壓力腔室204。壓力腔室204用氣體，例如惰性氣體如氮?dú)忸A(yù)加壓到壓力PN2。在比外殼12的內(nèi)壓(PH2_IN)高的壓力下(PH2O)，在壓力腔室204內(nèi)的壓力PN2足以將流體腔室202內(nèi)的所有流體經(jīng)入口20傳輸?shù)焦腆w氫氣源18上?；钊蚋裟?06根據(jù)壓差移動(dòng)。壓力驅(qū)動(dòng)的閥門(mén)(P)可以是入口20的一種組件，起到自調(diào)節(jié)內(nèi)部氫氣壓力(PH2_IN)的作用。保形緩沖罐(BT)可適應(yīng)固體氫氣源的膨脹和負(fù)載的突變，這將導(dǎo)致來(lái)自發(fā)生器的更快速的氫氣消耗。通過(guò)正向壓力調(diào)節(jié)器210調(diào)節(jié)輸送到燃料電池的氫氣輸送壓力(PH2_OUT)到合適的水平。
參考圖7B，發(fā)生器12可包括流體控制體系200，在所述流體控制體系200內(nèi)，流體容器22包括通過(guò)彈簧208驅(qū)動(dòng)的活塞或隔膜206，以便將流體轉(zhuǎn)移到固體氫氣源18上。彈簧208可以是具有非線性力-位移曲線的緊湊的膜片式彈簧墊圈組，它在活塞的位移區(qū)間內(nèi)可傳輸相對(duì)一致的力。壓力驅(qū)動(dòng)的閥門(mén)(P)，它可以是入口20的一種組件，起到自調(diào)節(jié)內(nèi)部氫氣壓力(PH2_IN)的作用。保形緩沖罐(BT)可適應(yīng)固體氫氣源的膨脹和負(fù)載的突變，這將導(dǎo)致來(lái)自發(fā)生器的更快速的氫氣消耗。在彈簧周圍的孔隙空間可用作BT的體積，從而降低浪費(fèi)的空間。通過(guò)正向壓力調(diào)節(jié)器210調(diào)節(jié)輸送到燃料電池的氫氣輸送壓力(PH2_OUT)到合適的水平。
參考圖7C，在固體氫氣源18的出口34處的透氣膜32可含有在容器36內(nèi)的材料。當(dāng)產(chǎn)生氫氣并流出出口34時(shí)，在固體氫氣源18內(nèi)的材料膨脹。該材料的膨脹可朝流體容器22驅(qū)動(dòng)活塞或隔膜206，從而驅(qū)動(dòng)流體輸送到固體氫氣源內(nèi)。壓力驅(qū)動(dòng)的閥門(mén)(P)可以是入口20的一種組件，起到自調(diào)節(jié)內(nèi)部氫氣壓力(PH2_IN)的作用。保形緩沖罐(BT)可適應(yīng)固體氫氣源的膨脹和負(fù)載的突變，這將導(dǎo)致來(lái)自發(fā)生器的更快速的氫氣消耗。通過(guò)正向壓力調(diào)節(jié)器210調(diào)節(jié)輸送到燃料電池的氫氣輸送壓力(PH2_OUT)到合適的水平?？膳c閥門(mén)P相鄰地包括檢測(cè)閥209，以防止回流。這一方法可比含機(jī)械移動(dòng)部件的體系緊湊。
一般來(lái)說(shuō)，氫氣發(fā)生器可以自調(diào)節(jié)，根據(jù)功率需求進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)自調(diào)節(jié)，可如圖8A和8B所示構(gòu)造閥門(mén)P。參考圖8A，當(dāng)氫氣被消耗時(shí)，在發(fā)生器內(nèi)的氫氣壓力(PH2_IN)下降，和當(dāng)活塞302通過(guò)彈簧304驅(qū)動(dòng)，通過(guò)流體連接流體容器22和固體氫氣源18引發(fā)進(jìn)一步的氫氣產(chǎn)生時(shí)，閥門(mén)300打開(kāi)。參考圖8B，彈性隔膜306可對(duì)發(fā)生器內(nèi)的氫氣壓力產(chǎn)生應(yīng)答，以便打開(kāi)和關(guān)閉流體容器22與固體氫氣源18之間的流體連接。參考圖8C，壓力驅(qū)動(dòng)的閥門(mén)P可與在出口壓力調(diào)節(jié)器/水控制閥門(mén)310內(nèi)的出口壓力調(diào)節(jié)器210結(jié)合。閥門(mén)310可向下調(diào)節(jié)氫氣壓力發(fā)生器的壓力(PH2_IN)到供料至燃料電池的較低的穩(wěn)定值(PH2_OUT)。閥門(mén)310通常打開(kāi)，因此氫氣流動(dòng)，壓力在閥門(mén)下游累積。當(dāng)出口壓力(PH2_OUT)增加時(shí)，它通過(guò)傳感孔隙312傳遞到閥門(mén)上，這引起彈簧314壓縮，最終在閥座319處密封。當(dāng)氫氣被消耗和出口壓力下降時(shí)，在彈簧上的力下降，和閥門(mén)打開(kāi)，讓更多的氫氣穿過(guò)。當(dāng)在發(fā)生器內(nèi)的氫氣被耗盡時(shí)，PH2_IN下降，和閥門(mén)必須進(jìn)一步打開(kāi)，以維持PH2_OUT在所需的水平。當(dāng)閥門(mén)幾乎完全打開(kāi)時(shí)，PH2_IN略大于PH2_OUT，入口20被打開(kāi)，從而允許流體從流體容器22移動(dòng)到固體氫氣源18中，以便生成更多的氫氣。可使用按鈕318設(shè)定出口壓力。這是因?yàn)檎驂毫φ{(diào)節(jié)器通常是開(kāi)啟的閥門(mén)，可就在燃料電池之前使用獨(dú)立的開(kāi)/關(guān)閥門(mén)，以便在不使用的時(shí)間段期間關(guān)上氫氣壓力與流動(dòng)。然而，壓力調(diào)節(jié)器將維持在開(kāi)/關(guān)閥門(mén)上游管線內(nèi)的操作壓力，這對(duì)快速的燃料電池啟動(dòng)來(lái)說(shuō)是有用的。
在可供替代的方法中，固體氫化物，優(yōu)選圓柱形片狀以最小化孔隙體積的固體氫化物，可下落到含催化劑的水中，以促進(jìn)氣體生成和反應(yīng)效率。在此情況下，由于通過(guò)小片的尺寸確定最大可實(shí)現(xiàn)的氫氣壓力，因此更加容易避免失控的情況。固體小片堆可儲(chǔ)存在彈簧負(fù)載的隔室內(nèi)，其中所述彈簧負(fù)載的隔室可通過(guò)下降的氫氣壓力驅(qū)動(dòng)以增加輸出。
權(quán)利要求
1.一種氫氣發(fā)生器，它包括外殼；置于該外殼內(nèi)的固體氫氣源；和為導(dǎo)引流體與固體氫氣源接觸而構(gòu)造的入口。
2.權(quán)利要求1的氫氣發(fā)生器，其中固體氫氣源包括固體氫化物。
3.權(quán)利要求2的氫氣發(fā)生器，其中固體氫化物是粒料、小片、圓柱體、層狀或管狀。
4.權(quán)利要求2的氫氣發(fā)生器，其中固體氫化物包括硼氫化物。
5.權(quán)利要求4的氫氣發(fā)生器，其中硼氫化物是硼氫化鈉。
6.權(quán)利要求1的氫氣發(fā)生器，其中固體氫氣源包括與親水材料結(jié)合的固體氫化物。
7.權(quán)利要求6的氫氣發(fā)生器，其中親水材料包括催化劑。
8.權(quán)利要求6的氫氣發(fā)生器，其中固體氫氣源是親水材料與固體氫化物的摻混物。
9.權(quán)利要求1的氫氣發(fā)生器，其中固體氫氣源包括毛細(xì)區(qū)域和固體氫化物區(qū)域。
10.權(quán)利要求1的氫氣發(fā)生器，其中毛細(xì)區(qū)域包括親水材料區(qū)域。
11.權(quán)利要求10的氫氣發(fā)生器，其中親水材料區(qū)域是穿過(guò)固體氫化物的通道。
12.權(quán)利要求11的氫氣發(fā)生器，其中通道沿著外殼的長(zhǎng)軸延伸。
13.權(quán)利要求11的氫氣發(fā)生器，其中通道沿著外殼的徑向軸延伸。
14.權(quán)利要求10的氫氣發(fā)生器，其中親水材料區(qū)域形成與固體氫化物區(qū)域相鄰的層。
15.權(quán)利要求10的氫氣發(fā)生器，其中親水材料區(qū)域和固體氫化物區(qū)域形成層狀輥卷。
16.權(quán)利要求1的氫氣發(fā)生器，其中入口接觸親水材料區(qū)域。
17.權(quán)利要求1的氫氣發(fā)生器，其中外殼包括氫氣出口。
18.權(quán)利要求17的氫氣發(fā)生器，其中氫氣出口包括透氣膜。
19.權(quán)利要求1的氫氣發(fā)生器，其中外殼是圓柱體。
20.權(quán)利要求17的氫氣發(fā)生器，進(jìn)一步包括在外殼的一端的端帽，所述端帽包括入口和氫氣出口。
21.權(quán)利要求1的氫氣發(fā)生器，其中入口與流體控制體系流體連接，其中構(gòu)造所述流體控制體系，以控制流體流動(dòng)到固體氫氣源的流速。
22.權(quán)利要求21的氫氣發(fā)生器，其中流體包括水。
23.一種生成氫氣的方法，該方法包括使含質(zhì)子源的流體和置于外殼內(nèi)的固體氫氣源接觸，其中所述外殼具有出口，其中構(gòu)造所述出口，以傳輸氫氣到氫氣燃料電池中。
24.權(quán)利要求23的方法，其中使流體與固體氫氣源接觸包括引入流體到氫氣發(fā)生器內(nèi)，其中該氫氣發(fā)生器包括外殼；固體氫氣源；和為導(dǎo)引流體與固體氫氣源接觸而構(gòu)造的入口。
25.權(quán)利要求24的方法，其中固體氫氣源包括固體氫化物。
26.權(quán)利要求25的方法，其中固體氫化物是粒料、小片、圓柱體、層狀或管狀。
27.權(quán)利要求25的方法，其中固體氫化物是硼氫化鈉。
28.權(quán)利要求23的方法，其中固體氫氣源包括與毛細(xì)材料結(jié)合的固體氫化物。
29.權(quán)利要求28的方法，其中毛細(xì)材料包括親水材料。
30.權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包括在流體內(nèi)溶解催化劑。
31.權(quán)利要求24的方法，進(jìn)一步包括使流體穿過(guò)入口到達(dá)親水材料。
32.權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包括控制到達(dá)固體氫氣源的流體量。
33.權(quán)利要求32的方法，其中控制到達(dá)固體氫氣源的流體量包括測(cè)定流出發(fā)生器的氫氣量。
34.權(quán)利要求32的方法，其中流體包括水。
35.權(quán)利要求34的方法，其中控制到達(dá)固體氫氣源的流體量包括輸送水蒸氣到固體氫氣源中。
36.一種制造氫氣發(fā)生器的方法，該方法包括將固體氫氣源置于外殼內(nèi)，其中該外殼包括為導(dǎo)引流體與固體氫氣源接觸而構(gòu)造的入口。
37.權(quán)利要求36的方法，其中固體氫氣源包括固體氫化物。
38.權(quán)利要求36的方法，進(jìn)一步包括由固體氫化物形成外殼插入物。
39.權(quán)利要求38的方法，其中外殼插入物是粒料、小片、圓柱體、輥卷或管狀。
40.權(quán)利要求36的方法，其中形成固體氫氣源包括結(jié)合固體氫化物與毛細(xì)材料。
41.權(quán)利要求40的方法，其中毛細(xì)材料是親水材料。
42.權(quán)利要求40的方法，其中結(jié)合固體氫化物與親水材料包括制造由毛細(xì)材料得到的毛細(xì)區(qū)域和固體氫化物區(qū)域。
43.權(quán)利要求42的方法，其中制造毛細(xì)區(qū)域包括形成穿過(guò)固體氫化物區(qū)域的毛細(xì)材料的通道。
44.權(quán)利要求42的方法，其中通道沿著外殼的長(zhǎng)軸延伸。
45.權(quán)利要求43的方法，其中通道沿著外殼的徑向軸延伸。
46.權(quán)利要求42的方法，其中制造親水材料區(qū)域包括形成與固體氫化物區(qū)域相鄰的層。
47.權(quán)利要求46的方法，進(jìn)一步包括輥壓與固體氫化物區(qū)域相鄰的層，形成層狀輥卷。
48.權(quán)利要求40的方法，進(jìn)一步包括結(jié)合毛細(xì)材料與催化劑。
49.權(quán)利要求37的方法，其中固體氫化物包括硼氫化物。
50.權(quán)利要求49的方法，其中硼氫化物是硼氫化鈉。
51.權(quán)利要求36的方法，其中入口與毛細(xì)材料區(qū)域接觸。
52.權(quán)利要求36的方法，其中外殼包括氫氣出口。
53.權(quán)利要求52的方法，其中氫氣出口包括透氣膜。
54.權(quán)利要求36的方法，進(jìn)一步包括與固體氫氣源接觸地放置端帽，其中端帽包括入口和氫氣出口。
55.權(quán)利要求36的方法，進(jìn)一步包括將入口流體連接到流體控制體系上，其中構(gòu)造所述流體控制體系，以控制流體流動(dòng)到固體氫氣源的流速。
全文摘要
氫氣發(fā)生器包括固體氫氣源(例如置于外殼內(nèi)的硼氫化鈉)和為導(dǎo)引流體(例如水)與固體氫化物接觸而構(gòu)造的入口。
文檔編號(hào)C01B3/50GK1845873SQ200480025014
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2004年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月14日
發(fā)明者I·貝, J·A·德雷克, A·G·吉利欽斯基, M·R·斯通, J·E·森斯特龍 申請(qǐng)人:吉萊特公司