本發(fā)明大體上涉及氣體發(fā)生器，特別涉及具有懸浮于發(fā)生器內(nèi)的催化劑載體的氫氣發(fā)生器。氣體發(fā)生器被被動(dòng)地控制，即當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到某一水平時(shí)，其自動(dòng)停止產(chǎn)生氣體，反之亦然。

背景技術(shù)：

燃料電池是直接將反應(yīng)物即燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為直流(dc)電的設(shè)備。對(duì)于日益增多的應(yīng)用而言，燃料電池比常規(guī)發(fā)電例如化石燃料燃燒以及便攜式能量存儲(chǔ)如鋰離子電池更有效。特別是，燃料電池的用途之一就是作為便攜式或移動(dòng)式消費(fèi)電子設(shè)備如手機(jī)、智能手機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理、個(gè)人游戲設(shè)備、全球定位設(shè)備、充電電池、平板電腦、便攜電腦等的移動(dòng)電源。

已知的燃料電池包括堿性燃料電池、聚合物電解質(zhì)燃料電池、磷酸燃料電池、融熔碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池以及酶燃料電池。燃料電池通常運(yùn)行于氫氣(h2)燃料，它們也可以消耗非純氫氣燃料。非純氫燃料電池包括直接氧化燃料電池，如利用甲醇的直接甲醇燃料電池(dmfc)，或在高溫下利用碳?xì)浠衔锏墓腆w氧化物燃料電池(sofc)。氫氣燃料可以以壓縮形式存儲(chǔ)或者存儲(chǔ)于可被改造或轉(zhuǎn)化成氫氣燃料和副產(chǎn)物的化合物如醇或碳?xì)浠衔锘蚱渌瑲洳牧现?。氫也可以?chǔ)存于化學(xué)氫化物如硼氫化鈉(nabh4)中，硼氫化鈉與水或醇反應(yīng)產(chǎn)生氫和副產(chǎn)物。氫還可以在第一壓力和溫度下吸附或吸收于金屬氫化物如鑭鎳五(lani5)中，并在第二壓力和溫度下釋放于燃料電池。還可以通過(guò)金屬氫化物如氫化鎂(mgh2)的熱分解反應(yīng)釋放氫。

大多數(shù)低溫氫燃料電池具有質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(pem)，其允許氫的質(zhì)子穿過(guò)，但是促使電子穿過(guò)外電路，外電路可以有利地是智能手機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理(pda)、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)工具或利用電子流或電流的任何設(shè)備。燃料電池反應(yīng)可以按如下表示：

在燃料電池陽(yáng)極處的半反應(yīng)：

h2→2h⁺+2e^-；

在燃料電池陰極處的半反應(yīng)：

2(2h⁺+2e^-)+o2→2h2o。

pem通常由充當(dāng)電解質(zhì)的質(zhì)子交換聚合物如可從dupont獲得的或其他合適的膜制成，是全氟磺酸類聚合物。陽(yáng)極通常由上面沉積了一薄層催化劑如鉑釘?shù)奶胤執(zhí)技堉С煮w(carbonpapersupport)制成。陰極通常是氣體擴(kuò)散電極，其中鉑粒子結(jié)合于膜的一側(cè)。

專利文獻(xiàn)和科技文獻(xiàn)幾乎沒有公開當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定壓力時(shí)自動(dòng)將催化劑與反應(yīng)物分開的氣體發(fā)生系統(tǒng)或氫氣發(fā)生系統(tǒng)。然而，需要進(jìn)行另外設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及氣體發(fā)生系統(tǒng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定壓力時(shí)，所述氣體發(fā)生系統(tǒng)自動(dòng)將催化劑體系與反應(yīng)物分開，并且當(dāng)壓力降低至低于預(yù)定壓力時(shí)，自動(dòng)使催化劑體系與反應(yīng)物化學(xué)接觸。

本發(fā)明涉及氣體發(fā)生裝置，其包括：

殼體，含有在催化劑存在的情況下反應(yīng)產(chǎn)生氣體的液體反應(yīng)物，其中催化劑包含于置于殼體內(nèi)的載體中，并且其中載體的整體密度低于液體反應(yīng)物的整體密度，

至少一個(gè)載體運(yùn)動(dòng)限制構(gòu)件，適合選擇性控制載體的位置，以及

至少一個(gè)可壓縮的本體，含有一定體積的氣體，

其中，在第一種構(gòu)型中，氣體發(fā)生器的內(nèi)部壓力低于可壓縮本體的內(nèi)部壓力，并且可壓縮本體的體積增加，在第二種構(gòu)型中，氣體發(fā)生器的內(nèi)部壓力高于可壓縮本體的內(nèi)部壓力，且可壓縮本體的體積降低，以及

其中至少一個(gè)載體限制構(gòu)件限制載體在第一種構(gòu)型中的運(yùn)動(dòng)。

載體運(yùn)動(dòng)限制構(gòu)件可以包括至少一個(gè)允許液體反應(yīng)物流過(guò)并至少部分封閉載體的多孔封閉構(gòu)件(porouscontainmentmember)。在第一種構(gòu)型中，至少一個(gè)多孔封閉構(gòu)件防止載體漂浮于液體反應(yīng)物的上部。在一些實(shí)施方案中，至少一個(gè)載體限制構(gòu)件相對(duì)于氣體發(fā)生器的殼體可以是附著的。

或者，載體運(yùn)動(dòng)限制構(gòu)件可包括至少一個(gè)在一端連接于載體且在另一端連接于氣體發(fā)生器的殼體的柔性繩或帶。

或者，載體運(yùn)動(dòng)限制構(gòu)件可包括至少一個(gè)在一端連接于載體且在另一端樞轉(zhuǎn)連接于發(fā)生器的殼體的實(shí)質(zhì)上非柔性的桿。

在一些實(shí)施方案中，至少一個(gè)多孔封閉構(gòu)件相對(duì)于氣體發(fā)生器的殼體是可移動(dòng)的。在一個(gè)實(shí)例中，至少一個(gè)多孔封閉構(gòu)件可連接于可壓縮本體。在第一種構(gòu)型中，至少一個(gè)多孔封閉構(gòu)件移動(dòng)而將載體浸入液體反應(yīng)物中。

催化劑載體可包括至少一個(gè)浮力構(gòu)件(buoyantmember)和/或至少一個(gè)壓載(ballast)。

本發(fā)明還涉及運(yùn)行氣體發(fā)生器的方法，包括以下步驟：

提供含有液體反應(yīng)物和催化劑載體的殼體，其中催化劑載體比液體反應(yīng)物更有浮力；

在殼體中提供含有一定體積氣體的可壓縮本體，其中在第一種構(gòu)型中，氣體發(fā)生器的內(nèi)部壓力低于可壓縮本體的內(nèi)部壓力，因而可壓縮本體的體積增加，在第二中構(gòu)型中，氣體發(fā)生器的內(nèi)部壓力高于可壓縮本體的內(nèi)部壓力，因而可壓縮本體的體積降低；以及

在第一種構(gòu)型中限制催化劑載體的運(yùn)動(dòng)。

附圖說(shuō)明

附圖形成了本說(shuō)明書的一部分，并且應(yīng)當(dāng)結(jié)合說(shuō)明書來(lái)理解，在各種視圖中附圖中相似的附圖標(biāo)記用于表示相似的部件：

圖1是本發(fā)明氣體發(fā)生器的示意圖；

圖2a是本發(fā)明催化劑漂浮物(catalystfloat)的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖；圖2b是圖2a的催化劑漂浮物的橫截面視圖；

圖3a-3c是各種構(gòu)型中本發(fā)明氣體發(fā)生器的另一實(shí)施方案的橫截面視圖；

圖4a-4b是本發(fā)明氣體發(fā)生器的另一實(shí)施方案的橫截面視圖；

圖5a-5b是本發(fā)明氣體發(fā)生器的另一實(shí)施方案的橫截面視圖；以及

圖6a-6b是本發(fā)明氣體發(fā)生器的另一實(shí)施方案的橫截面視圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及具有催化劑載體的氣體發(fā)生器，催化劑載體在氣體發(fā)生器中的運(yùn)動(dòng)受到限制。優(yōu)選，催化劑載體包括催化劑漂浮物，催化劑漂浮物的整體密度小于氣體發(fā)生器中液體反應(yīng)物的整體密度，從而為催化劑漂浮于液體反應(yīng)物的上部提供足夠的浮力，由此舉起催化劑或使催化劑與液體反應(yīng)物分開，以終止反應(yīng)物反應(yīng)產(chǎn)生氣體。在一些實(shí)施方案中，催化劑載體或漂浮物未與氣體發(fā)生器連接，并包含于允許液體反應(yīng)物流過(guò)并允許發(fā)生的氣體離開的籠或開放/多孔封閉系統(tǒng)中。在其他實(shí)施方案中，催化劑載體通過(guò)柔性連接部件如繩或帶與氣體發(fā)生器的殼體連接。在運(yùn)行過(guò)程中，在一個(gè)實(shí)施方案中封閉系統(tǒng)相對(duì)于氣體發(fā)生器的殼體實(shí)質(zhì)上保持靜止。氣體發(fā)生器還包括至少一個(gè)膨脹構(gòu)件或可壓縮構(gòu)件。這種膨脹構(gòu)件的體積取決于氣體發(fā)生器的內(nèi)部壓力。在這種實(shí)施方案中，當(dāng)內(nèi)部壓力低時(shí)，膨脹構(gòu)件的體積增加以提高液體反應(yīng)物的水平，從而實(shí)質(zhì)上覆蓋催化劑漂浮物，為了允許液體反應(yīng)物到達(dá)催化劑漂浮物中的催化劑，催化劑漂浮物的運(yùn)動(dòng)受到開放性封閉系統(tǒng)的限制。當(dāng)內(nèi)部壓力高時(shí)，膨脹構(gòu)件的體積降低以降低液體反應(yīng)物的水平，從而催化劑漂浮物漂浮于液體反應(yīng)物的上部，而不受開放性封閉系統(tǒng)的限制，從而將催化劑舉過(guò)液體反應(yīng)物的水平。在另一實(shí)施方案中，多孔封閉系統(tǒng)包括至少一個(gè)響應(yīng)氣體發(fā)生器的內(nèi)部壓力而移動(dòng)的可移動(dòng)多孔構(gòu)件，從而移動(dòng)催化劑載體浸入液體反應(yīng)物中。

催化劑漂浮物可具有浮力構(gòu)件(buoyancymember)和/或壓載以控制其浮力或整體密度，并且漂浮物可具有允許液體反應(yīng)物進(jìn)入漂浮物的進(jìn)入通道和供所產(chǎn)生的氣體離開的外出通道。優(yōu)選，催化劑漂浮物中的催化劑位于遠(yuǎn)離進(jìn)入通道的入口端且面對(duì)漂浮物的中心，從而當(dāng)催化劑漂浮物漂浮于液體反應(yīng)物的上部時(shí)，催化劑與液體反應(yīng)物的表面分開。本發(fā)明的氣體發(fā)生器可以具有一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選的特定定位或系列定位以運(yùn)行，或其可以不依賴于氣體發(fā)生器的定位而運(yùn)行。

參考圖1，氣體發(fā)生器10含有可包含硼氫化鈉或硼氫化鉀、水以及防腐劑如氫氧化鈉或氫氧化鉀的混合物12的液體反應(yīng)物。這種混合物在催化劑存在的情況下反應(yīng)產(chǎn)生氫。本發(fā)明并不限于反應(yīng)產(chǎn)生氫的任何具體燃料混合物。其他合適的燃料描述于us8,636,961和us8,636,826中。此外，氣體發(fā)生器10可使用其他燃料混合物來(lái)產(chǎn)生其他氣體如氧碳酸氣體(oxygencarbonicacidgas)等。非氫氣體發(fā)生器的非限制性實(shí)例描述于美國(guó)專利第8,142,726號(hào)和第150,995中，通過(guò)引用將這兩件專利整體并入本文。液體反應(yīng)物12的最高水平受氣體發(fā)生器10的內(nèi)部壓力和可壓縮本體14的內(nèi)部壓力控制，可壓縮本體14優(yōu)選含有固定體積的氣體。當(dāng)氣體發(fā)生器10中的內(nèi)部壓力(p10)高于可壓縮本體14的內(nèi)部壓力(p14)時(shí)，這種第一相對(duì)壓力(p10>p14)壓縮可壓縮本體14以降低液體水平。另一方面，當(dāng)氣體發(fā)生器10的內(nèi)部壓力(p10)低于可壓縮本體14的內(nèi)部壓力(p14)時(shí)，這種第二相對(duì)壓力(p14>p10)允許可壓縮本體14膨脹來(lái)提高液體水平。因此，p14可視為可具有包括大氣壓值在內(nèi)的任何值的參照壓力?？蓧嚎s本體14的體積決定液體反應(yīng)物12所經(jīng)歷的水平升高量。

氣體發(fā)生器10還包括含有催化劑18、可選的浮力構(gòu)件20和可選的壓載22的催化劑載體/體系或催化劑漂浮物16。液體反應(yīng)物12在催化劑18存在的情況下反應(yīng)產(chǎn)生氣體，優(yōu)選氫24。浮力構(gòu)件20和/或壓載22用于調(diào)整催化劑漂浮物16的密度，從而使得如果催化劑漂浮物16的運(yùn)動(dòng)未受到限制，漂浮物16優(yōu)選會(huì)漂浮于液體反應(yīng)物12表面的上部。如圖1所示，催化劑漂浮物的運(yùn)動(dòng)16限于邊界內(nèi)，這可由載體運(yùn)動(dòng)限制構(gòu)件諸如例如多孔封閉物26例如籠或篩封閉物(screenenclosure)等提供。優(yōu)選，多孔封閉物26相對(duì)固定于氣體發(fā)生器10的殼體27。例如，多孔封閉物26可以直接或間接連接于殼體27。

運(yùn)行時(shí)，液體反應(yīng)物12在催化劑18存在的情況下反應(yīng)產(chǎn)生氣體24。如果氣體24留在氣體發(fā)生器10中，或如果以小于氣體發(fā)生速率的速率排出氣體24，則氣體發(fā)生器10的內(nèi)部壓力p10會(huì)增加。當(dāng)p10大于可壓縮本體14的內(nèi)部壓力p14時(shí)，第一壓力差(p10-p14)壓縮本體14，由此降低液體反應(yīng)物12的水平。當(dāng)液體水平降低而低于多孔封閉物26時(shí)，例如降低至圖1所示的水平30時(shí)，液體反應(yīng)物12不再接觸催化劑18，產(chǎn)生氣體24的反應(yīng)停止。另一方面，如果氣體24離開氣體發(fā)生器10，并且被諸如燃料電池的設(shè)備消耗，則p10降低，并且當(dāng)p10低于p14時(shí)，這種第二壓力差(p14-p10)允許可壓縮本體14膨脹以提高液體反應(yīng)物12的液體水平，直到液體水平上升高于多孔封閉物26，由此允許液體反應(yīng)物12進(jìn)入催化劑漂浮物16并接觸催化劑18。應(yīng)當(dāng)注意，因?yàn)榇呋瘎┢∥?6漂浮于液體反應(yīng)物12的上部，直到催化劑漂浮物16的運(yùn)動(dòng)被多孔封閉物26的頂部抑制之后，反應(yīng)才發(fā)生。

氣體發(fā)生器10還可以具有用于以新鮮供應(yīng)物替換消耗的液體反應(yīng)物12的液體反應(yīng)物入口32和液體反應(yīng)物出口34，和用于從氣體發(fā)生器除去所產(chǎn)生的氣體的氣體出口36。另外，氣體發(fā)生器10可以具有氣體分離器或氣體分離器組合(gasseparatorcomposite)，如us8,636,826和us2011/0212374中所描述和請(qǐng)求保護(hù)的那些，以將所產(chǎn)生的氣體與液體反應(yīng)物12和副產(chǎn)物分開并將所產(chǎn)的氣體從液體反應(yīng)物12和副產(chǎn)物中取出。

圖2a和2b闡明了催化劑漂浮物16的一個(gè)實(shí)施方案，其具有形成漂浮物16的殼體28的兩個(gè)半殼。兩個(gè)半殼在中心線38處連接。優(yōu)選接近催化劑漂浮物16的中心儲(chǔ)存催化劑18。提供浮力構(gòu)件20來(lái)確保催化劑漂浮物16漂浮于液體反應(yīng)物12的上部。還可添加壓載22(圖1所示)。催化劑漂浮物16具有至少一個(gè)入口40和一個(gè)出口42。通常，在圖2a和2b所示的方向上，液體反應(yīng)物12在入口40處進(jìn)入催化劑漂浮物16，并且所產(chǎn)生的氣體在出口42處離開催化劑漂浮物16。因?yàn)榇呋瘎┢∥?6的這個(gè)實(shí)施方案是對(duì)稱的，當(dāng)上下顛倒并且入口變成出口時(shí)，其保持運(yùn)行，反之亦然。還優(yōu)選的是，將催化劑18與入口/出口40、42的外緣空間分開，從而當(dāng)催化劑漂浮物16位于液體反應(yīng)物12的上部時(shí)，催化劑18不與液體反應(yīng)物12接觸。因?yàn)楫?dāng)可壓縮本體14膨脹(p14>p10)時(shí)液體反應(yīng)物12的水平升高，因此，可以提供多孔封閉物26來(lái)封閉催化劑漂浮物16并促使催化劑漂浮物16浸入液體反應(yīng)物12中。

圖3a顯示了運(yùn)行并產(chǎn)生氣體的氣體發(fā)生器10的另一實(shí)施方案。催化劑漂浮物16浸入液體反應(yīng)物12中，并且可壓縮本體14膨脹。多孔封閉物26使催化劑漂浮物16浸入液體反應(yīng)物12中。在這個(gè)實(shí)施方案中，多孔封閉物26至少部分封閉催化劑漂浮物16，盡管其也可以完全封閉催化劑漂浮物16。圖3b顯示了可壓縮本體14已泄氣的氣體的運(yùn)行中的發(fā)生器10，并且液體反應(yīng)物12的表面水平已經(jīng)跌至多孔封閉物26的頂部之下，足以供催化劑漂浮物16漂浮于液體反應(yīng)物12的上部，由此使催化劑18升高離開液體反應(yīng)物12。應(yīng)當(dāng)注意，如圖3a和3b所示，盡管氣體發(fā)生器處于運(yùn)行中，但多孔封閉物26相對(duì)于氣體發(fā)生器10的殼體28是固定的。

圖3c闡明了，在儲(chǔ)存過(guò)程中和在第一次使用前，通過(guò)相對(duì)于殼體28向上移動(dòng)多孔封閉物26從而使催化劑漂浮物16一直保持高于液體反應(yīng)物12而使催化劑漂浮物16遠(yuǎn)離液體反應(yīng)物12的一種可能方式。在第一次使用或第一次銷售之前儲(chǔ)存氣體發(fā)生器的另一種方式是，使液體反應(yīng)物12的兩種或更多種組分分離和未混合，例如使水與硼氫化鈉未混合，直到第一次使用之前。

如圖1以及3a和3b所示，氣體發(fā)生器10在所示的方向上運(yùn)行。然而，如果殼體27和多孔封閉物26的形狀基本上相似，并且將多孔封閉物26置于殼體28中，從而它們的幾何中心彼此重合，則可使氣體發(fā)生器10在任何方向上運(yùn)行。例如，殼體27和多孔封閉物26的形狀可以是中心基本上位于同一點(diǎn)的球形。在這種情況下，多孔封閉物26和殼體27之間的距離基本上相同。在另一實(shí)例中，殼體27和多孔封閉物26的形狀是幾何中心彼此重合的立方體形狀。除了在角落之外，立方體多孔封閉物26和立方體殼體28之間的距離基本上相同。

在另一實(shí)施方案中，多孔封閉物26簡(jiǎn)化為連接于可壓縮本體14的多孔活塞44，如圖4a和4b所示。當(dāng)(p14>p10)時(shí)，可壓縮本體14膨脹，并將多孔活塞44和催化劑漂浮物16推入液體反應(yīng)物12。當(dāng)(p14<p10)時(shí)，可壓縮本體收縮，舉起多孔活塞遠(yuǎn)離液體反應(yīng)物12，從而允許催化劑漂浮物16漂浮于上部并阻止反應(yīng)。應(yīng)當(dāng)注意，在這種情況下，可壓縮本體的膨脹和收縮14并不明顯提高液體反應(yīng)物水平或并不足以將液體反應(yīng)物12移動(dòng)到催化劑漂浮物16中。當(dāng)在膨脹狀態(tài)時(shí)通過(guò)將催化劑漂浮物16推入液體反應(yīng)物12(圖4a)，并且在收縮狀態(tài)時(shí)通過(guò)允許催化劑漂浮物16從液體反應(yīng)物12浮現(xiàn)(圖4b)，可壓縮本體14的膨脹/收縮直接將催化劑漂浮物16移動(dòng)到液體反應(yīng)物12中和將其移出液體反應(yīng)物12。

圖5a-5b顯示了圖4a和4b的實(shí)施方案的變體。這種變體顯示了多套例如4套固定在殼體27的壁上的可壓縮本體14/多孔篩44。這種變體允許氣體發(fā)生器10在多個(gè)方向上運(yùn)行，例如每套14/44提供至少一個(gè)可運(yùn)行方向。

根據(jù)本發(fā)明，如圖6a和6b所示，催化劑漂浮物16的運(yùn)動(dòng)可以受到至少一個(gè)載體運(yùn)動(dòng)限制構(gòu)件的限制，所述載體運(yùn)動(dòng)限制構(gòu)件包括柔性部件如繩或帶50，柔性部件在一端連接于催化劑漂浮物16，在另一端連接于位于殼體27的地板上和/或位于殼體27的上部和/或位于殼體27的側(cè)壁的錨定點(diǎn)55。在這種實(shí)施方案中，多孔封閉物26是任選的，并且可以完全被繩/帶50替代或與繩/帶50一起使用。如圖6a所顯示，當(dāng)p14>p10時(shí)，液體反應(yīng)物12中的一個(gè)或多個(gè)可壓縮本體14膨脹至膨脹狀態(tài)，結(jié)果殼體27中液體反應(yīng)物的水平上升至l1水平。如圖6b所顯示，當(dāng)p14<p10時(shí)，液體反應(yīng)物12中的一個(gè)或多個(gè)可壓縮本體14收縮至收縮狀態(tài)，結(jié)果殼體27中液體反應(yīng)物的水平降至低于l1水平的l2水平。圖6b中的繩/帶50可以是松弛的并且不是繃緊的(taught/tight)。如圖6a和6b所顯示，l1水平高于l2水平。

或者，構(gòu)件50可以是在一端連接于催化劑漂浮物16并且在末端55樞轉(zhuǎn)連接于殼體27的實(shí)質(zhì)上非柔性的桿或鏈環(huán)50，從而當(dāng)反應(yīng)物水平降至圖6b所示的l2水平時(shí)，桿50可樞轉(zhuǎn)從而將催化劑漂浮物16保持在反應(yīng)物表面之上。

盡管顯而易見的是，本文公開的本發(fā)明的示例性實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)了上文所述的目的，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)許多變型和其他實(shí)施方案。一個(gè)實(shí)施方案的特征可以用于其他實(shí)施方案。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，所附權(quán)利要求意欲涵蓋落入本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)的所有這類變型和實(shí)施方案。