專利名稱：采用鈉硅化物和鈉硅膠材料的氫生成系統(tǒng)及方法
技術領域：
本技術整體涉及使用反應物燃料和水溶液來生成氫的系統(tǒng)及方法，并且更具體地，本技術涉及在與水或水溶液反應時使用鈉硅化物(sodium silicide)、鈉硅膠(sodium silica gel)或多組分混合物來生成氫的系統(tǒng)及方法。
背景技術：
燃料電池是將外源燃料轉換成電流的電化學能量轉換裝置。許多常見的燃料電池將氫用作燃料，并且將氧(通常來源于空氣中)用作氧化劑。此燃料電池的副產物為水，從而使燃料電池成為環(huán)境影響極小的發(fā)電裝置。燃料電池可與許多其它發(fā)電技術(諸如汽油渦輪機、內燃機和蓄電池)匹敵。燃料電池提供可用于許多應用(包括固定發(fā)電、照明、備用電源、消費類電子產品、如電動自行車和景觀設備等個人移動裝置以及其它)中的直流(DC)電壓。存在多種可用的燃料電池，每種燃料電池利用不同的化學性質來發(fā)電。通常根據燃料電池的工作溫度及其采用的電解質體系的類型來對其進行分類。一種常見的燃料電池為聚合物交換膜燃料電池(PEMFC)，該電池將氫用作燃料，同時將氧(通常為空氣)用作其氧化劑。該電池具有高功率密度和通常低于80°C的低工作溫度。這些燃料電池是可靠的，其具有適度的包裝和系統(tǒng)實施要求。氫儲存和生成的挑戰(zhàn)限制了 PEM燃料電池的廣泛采用。盡管分子氫如同環(huán)境條件下的氣體一樣具有非常高的能量密度(以質量計)，但以體積計其具有極低的能量密度。這些用于向便攜式應用提供氫的技術(包括高壓和低溫)非常普遍，但其最常見地集中于可靠地釋放所需氫氣的化合物。目前存在三種廣泛接受的用于儲存材料中的氫的機制吸收、吸附和化學反應。在用于向燃料電池提供燃料的吸氫儲存中，在高壓下將氫氣直接吸入整個特定的結晶材料(諸如，金屬氫化物)中。大多數情況下，金屬氫化物(如MgH2、NaAlH4和LaNi5H6) 用于可逆地儲存氫氣。然而，金屬氫化物體系具有弱比能量(即，低氫儲存量與金屬氫化物的質量之比)和差輸入/輸出流量特性。氫流動特性由金屬氫化物的吸熱性質驅動(除去氫時，內部溫度降低，而再次加入氫時，內部溫度升高)。由于具有這些性質，金屬氫化物往往很重，并且需要復雜的系統(tǒng)來將其快速地加入和/或排出。例如，參見美國專利7，271，567， 其描述了一種設計用于儲存氫氣，然后將加壓氫氣從含有金屬氫化物或一些其它氫基化學
7燃料的料筒中可控制地釋放的系統(tǒng)。該系統(tǒng)還通過測量金屬氫化物燃料本身的溫度和/或壓力和/或通過測量燃料電池的電流輸出來監(jiān)測能夠輸送至燃料電池的剩余氫含量，以估
算氫的消耗量。在用于向燃料電池提供燃料的吸附氫儲存中，通過物理吸附或化學吸附使分子氫與化學燃料相關?；瘜W氫化物(如氫化鋰(LiH)、氫化鋁鋰(LiAlH4)、硼氫化鋰(LiBH4)、氫化鈉(NaH)、硼氫化鈉(NaBH4)等)用于非可逆地儲存氫氣?；瘜W氫化物在其與水反應時產生大量氫氣，如下所示
NaBH4+2H20 — NaB02+4H2
為了可靠地控制化學氫化物與水的反應以從燃料儲存裝置中釋放氫氣，必須采用催化劑并嚴格控制水的PH。另外，化學氫化物通常存在于惰性穩(wěn)定液的漿液中，以防止氫化物過早釋放氫氣。美國專禾U 7，648，786 ；7，393，369 ；7，083，657 ；7，052，671 ；6，939，529 ； 6，746，496和6，821，499中所示的化學氫化物體系利用了上述特性中的至少一種(但通常為多種)。在用于制備燃料電池用氫的化學反應方法中，通常通過適度改變化學燃料的溫度或壓力來催化氫儲存和氫釋放。該化學體系的一個實例(經溫度催化)為通過以下反應由硼烷氨生成氫
NH3BH3 — NH2BH2+H2 — NHBH+H2
一級反應釋放6. 1重量％的氫，并在大約120°C下進行，而二級反應又釋放6. 5重量％ 的氫，并在大約160°C下進行。這些化學反應方法未將水用作產生氫氣的引發(fā)劑，無需嚴格控制系統(tǒng)PH，并且通常不需要單獨的催化劑材料。然而，這些化學反應方法常因經常發(fā)生熱逸散而存在系統(tǒng)控制問題。參見(例如)美國專利7，682，411，其描述了一種設計用于由硼烷氨熱引發(fā)氫生成并防止熱逸散的系統(tǒng)。參見(例如)美國專利7，316，788和7，578，992， 其描述了采用催化劑和溶劑來改變氫的熱釋放條件的化學反應方法。鑒于上述情況，需要一種改進的氫生成系統(tǒng)及方法，其可克服現有技術中的上述許多或全部問題或缺點。

發(fā)明內容
下文所述的氫生成系統(tǒng)實現了不含任何儲存氫氣或分子氫原子的反應物燃料(諸如，穩(wěn)定的堿金屬材料，包括鈉硅化物和/或鈉硅膠)的大致完全反應。附加反應物可包括硼氫化鈉(NaBH4)和/或硼烷氨等。另外，采用這些反應物的系統(tǒng)反應不需要附加催化劑室， 并且僅通過加入合適的水介質便易于進行啟停控制，以滿足燃料電池或抽氫系統(tǒng)對氫的需求。另外，下面的實例滿足所有上述要求，同時使整個系統(tǒng)的體積和重量最小化。本公開的一個實例為包括反應物燃料的反應器，該反應器在反應物燃料暴露于水溶液中時生成氫。該反應器可以為可含有水溶液的獨立式氫生成部件。相似地，另一個實例可包括通過外部供應將水溶液引入其中的反應器。氫生成也可由外部控制系統(tǒng)來控制、 監(jiān)測或處理?？刂葡到y(tǒng)和反應器可作為用于向氫燃料電池提供氫或用于任何一般用途、實驗室、工業(yè)或消費類用途的獨立式氫生成系統(tǒng)來運行。同樣，可在整個燃料電池系統(tǒng)中全部或部分地實施所述控制系統(tǒng)和反應器，以提供最終產品，諸如膝上型計算機、個人或商用電子產品以及需要電源的其它裝置和設備。
一種氫氣生成方法包括將反應物燃料加入到反應器中，并且在反應器中將水溶液與反應物燃料混合，以生成氫氣。反應物燃料可包括穩(wěn)定的堿金屬材料，諸如硅化物(包括鈉硅化物粉末(NaSi)和鈉硅膠(Na-SG)。穩(wěn)定的堿金屬材料也可與其它反應材料，包括(但不限于)含或不含催化劑的硼烷氨、與或不與催化劑混合的硼氫化鈉以及在暴露于熱或水溶液時會產生氫的一系列材料和材料混合物混合。材料和水溶液的混合物也可包括添加劑，以控制廢產物的PH、改變這些廢產物的溶解度、增加氫產量、增加氫產率并控制反應溫度。水溶液可包括水、酸、堿、 醇以及這些溶液的混合物。水溶液的實例可包括甲醇、乙醇、鹽酸、乙酸、氫氧化鈉等。水溶液也可包括添加劑，諸如增加H2的產量的共反應劑、絮凝劑、緩蝕劑或改變水溶液的熱物理性質的熱物理性添加劑。示例性絮凝劑包括氫氧化鈣、硅酸鈉及其它，而緩蝕劑可包括磷酸鹽、硼酸鹽及其它。此外，熱物理性添加劑可改變反應的溫度范圍、反應的壓力范圍等。此外，水溶液的添加劑可包括多種不同的添加劑的混合物。反應器可為獨立式可更換部件，該部件使控制系統(tǒng)或燃料電池系統(tǒng)能夠利用多個反應器。反應器也可稱為料筒、圓筒、罐、容器、壓力容器和/或封裝件。反應器包括反應物燃料以及該反應器或一個入口或多個入口內的水溶液，其中水溶液通過所述入口引入反應器中。反應器也可具有氫氣輸出口，氫氣一旦離開反應器并在供應至外部系統(tǒng)(如燃料電池)之前便可進行附加處理(如蒸汽冷凝、純化、調節(jié)等)。水溶液最初可由用戶從外部儲存或添加，或可從燃料電池系統(tǒng)返回到反應器的水溶液輸入口中?？墒褂帽?諸如，手動泵、蓄電池供電泵、外部供電泵、彈簧控制泵等)經由上述入口將水溶液加入到反應器中的反應物燃料(包括穩(wěn)定的堿金屬)中?？蓪⑺芤簝Υ嬖诜磻鲀?，并且通過活塞、袋子、膜或其它分離裝置與反應物燃料分離。反應器可具有氫輸出和水溶液輸入，作為與一個裝置或控制系統(tǒng)的一種連接方式的一部分。反應器可具有連接至一個裝置或控制系統(tǒng)的氫輸出和連接至不同裝置或控制系統(tǒng)的進水。反應器可僅具有氫輸出，該氫輸出具有將反應物燃料和水溶液混合的內部控制件。生成氫氣的方法也可包括過濾生成的氫氣，吸收氫氣中的副產物和/或冷凝生成的氫氣中的水。過濾可在反應器內、控制系統(tǒng)內或者兩者內進行。例如，可將氫分離膜用于反應器或控制系統(tǒng)內(或兩者內)，以過濾氫，而可使用冷凝器裝置來冷凝生成的氫氣中的水。過濾器和冷凝器可在生成的氫氣從反應器的氫排出口排出時對其產生作用?？蓪⑦^濾的氫氣和/或冷凝水再循環(huán)返回反應器或儲水容器中。在生成氫氣過程中，可產生廢產物， 諸如硅酸鈉或其它反應廢產物。在一個實例中，控制系統(tǒng)可包括監(jiān)測反應器中反應物燃料與水溶液的反應參數的監(jiān)測裝置。監(jiān)測裝置可監(jiān)測反應器中或反應器上或者外部控制系統(tǒng)中的一個或多個參數。 這些參數可包括(但不限于)溫度、反應器內容物的電導率、反應器中的壓力、反應重量、反應物燃料的未反應量、反應實耗時間、反應器中的水溶液量以及待加入到反應器中的最大水溶液量。然后，可顯示監(jiān)測的系統(tǒng)特性或者將其用于計算中，以改變控制策略，向其它裝置傳輸反應器狀態(tài)或系統(tǒng)狀態(tài)，或者將該特性或派生特性傳輸至用戶。例如，用戶通信裝置的一個實例為諸如IXD顯示器的視覺顯示裝置?？墒褂梅磻刂蒲b置結合監(jiān)測裝置來控制反應。反應控制裝置的實例包括(但不
9限于)改變溫度、電導率范圍、壓力、反應重量以及反應器中的反應物燃料和水溶液在其范圍內進行混合的其它環(huán)境度量值的裝置。例如，可使用反應控制裝置將附加反應物燃料加入到反應器中、將附加水溶液加入到反應器中、將廢產物從反應器中除去、冷卻反應器、加熱反應器、將反應物燃料和水溶液的化合(combination)混合、對反應器進行排放以降低壓力并采取其它控制措施。測量反應參數并采用反應控制裝置可使生成氫氣的方法在反應器中得到控制(當反應器中的任何環(huán)境度量值不在相應的范圍內)或通過監(jiān)測和處理任何參數的變化率的控制策略來控制。反應器可包括多個不同的過濾器，以分離氫氣中的反應物及其反應副產物。例如， 生成清潔氫氣的方法可包括分離和過濾步驟。在一個實例中，將反應物燃料、水溶液、氫氣和/或反應廢產物中的至少一種與其它分離。另外，可采用氫分離膜、化學過濾器、干燥劑過濾器、粗介質過濾器、干燥過濾器和/或二級反應室來純化氫氣。在使用過濾器時，可用在將水溶液輸入反應器中時的一部分水溶液來清洗。反應器也可包括進行水溶液分配的結構和裝置，諸如管件網、噴嘴陣列、限流器以及水分配介質(如擴散器、彌霧機等)。水溶液可經反應器中的多個點以并聯、串聯或其組合的方式來分配。可整體或部分地使用水溶液分配系統(tǒng)，以與反應物燃料進行反應來產生氫， 純化氫氣流，清洗過濾介質和/或控制廢產物參數。反應器可包括氫處理部件，諸如安全減壓機構(如安全閥、防爆盤或可控反應器防爆點)。反應器也可包括退出流限制器，以最小化或控制氫輸出率，以便提供所需的燃料電池特性或與過濾部件的瞬態(tài)流速限制條件一致。生成氫氣的系統(tǒng)也可包括壓力傳感器、安全閥、氫密封止回閥、風扇、熱交換器和反應器冷卻源。同樣，該系統(tǒng)可包括用于再循環(huán)燃料電池反應廢液并使再循環(huán)的燃料電池反應廢液返回到反應器中的回收容器。生成氫的方法也可包括將一部分水溶液引向反應器區(qū)域，以回收反應物燃料和水溶液的混合產生的廢產物。例如，可將一部分水溶液加入到二級反應室，并且可使生成的氫氣通過該部分的水溶液。過濾也可通過使用透液性篩網來進行，以從未反應的反應物燃料和水溶液中分離廢產物。當結合附圖閱讀以下詳細說明時，這些和其它優(yōu)點、方面和特征將變得更加明顯。 參照以下各圖對非限制性和非詳盡性實施方案進行描述。因此，以下圖和說明應視為本質上為示例性，而非限制性。


圖1示出了氫生成系統(tǒng)的實例，該系統(tǒng)采用穩(wěn)定的堿金屬材料和水溶液向氫燃料電池或普通實驗室、工業(yè)或消費類用途提供氫。圖2示出了具有兩個反應器和一個提柄附件的氫生成系統(tǒng)的實例。圖3示出了示例性氫氣生成系統(tǒng)，其包括反應器、水容器和多個附加部件。圖4A-4D示出了在所選位置采用多個水分配噴嘴的反應器。圖5示意性地示出了具有排熱結構的示例性氫生成系統(tǒng)。圖6示出了示例性氫生成系統(tǒng)，其氫出口和進水口沿著向下的方向位于反應器的一端，以混合反應組分。圖7示出了具有圖5和6所示的排熱結構的氫生成系統(tǒng)的分解圖。圖8示出了具有粗介質過濾器和氫濾膜的氫生成系統(tǒng)構造。圖9A-9C示出了給水網以及無給水網的過濾區(qū)域與采用給水網的那些過濾區(qū)域的比較。圖10-10B示出了膜/粗濾器系統(tǒng)的其它可選過濾器設計。圖11A-11B示出了廢物收集和循環(huán)系統(tǒng)及技術。圖12A示出了具有多個反應隔室的反應器的實例。圖12B示出了具有多個保護性絕緣裝置的示例性反應器。圖13示出了具有電觸點以測量傳導性變化的示例性反應器。圖14示出了示例性反應器，其具有連接至該反應器的壓力容器蓋的電觸點。圖15A-15C示出了根據要求保護的發(fā)明的示例性輕質、低成本、可重復使用的反應器。圖16示出了根據要求保護的發(fā)明的低輸出反應器系統(tǒng)的示例性架構。圖17示出了根據要求保護的發(fā)明的低輸出反應器系統(tǒng)的詳細實例。圖18示出了含有固體反應物燃料的反應器，其經閥門連接至基于彈簧的液泵系統(tǒng)。圖19示出了不具有聯結閥的基于彈簧的液泵系統(tǒng)中振蕩氫生成隨時間推移的曲線圖。圖20示出了具有聯結閥的基于彈簧的液泵系統(tǒng)中氫生成壓力隨時間推移的曲線圖。圖21示出了含有反應物燃料的反應器以及一體結合在單個料筒內的基于彈簧的液泵系統(tǒng)。圖22A示出了含有反應物燃料的反應器以及基于彈簧的一體式液泵系統(tǒng)。圖22B示出了具有反應器和基于彈簧的液泵系統(tǒng)的一體式料筒的三個主要子組件。圖23示出了具有反應器和基于彈簧的液泵系統(tǒng)的一體式料筒的透視圖和剖面圖。圖M示出了一體式料筒的裝配圖。圖25示出了給水分配機構。圖沈示出了耦接可分離供液器/反應器氫生成裝置的螺紋鎖定機構。圖27示出了可分離供液器/反應器氫生成裝置的示意圖。圖觀示出了具有錐形/伸縮彈簧的可分離供液器/反應器氫生成裝置的示意圖。圖29A-29B示出了有利于有限的超程力變化的可伸縮彈簧的正常視圖和壓縮視圖。圖30A示出了具有基于彈簧的供液器和容積交換系統(tǒng)的氫生成料筒的透視圖。圖30B示出了具有基于彈簧的供液器和容積交換系統(tǒng)的氫生成料筒的示意圖。圖31示出了具有基于彈簧的容積交換供液器的氫生成料筒的透視圖和剖視圖。圖32示出了具有基于彈簧的容積交換供液器的氫生成料筒的裝配圖和剖視圖。
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圖33示出了示例性一體式料筒過濾系統(tǒng)的裝配圖。圖34示出了分離反應器和供液器的常閉閥的裝配圖。圖35A-B示出了接合反應器和供液器的配合部件的裝配圖和透視圖。
具體實施例方式在以下實例中，涉及氫燃料電池系統(tǒng)，但應當理解所討論的系統(tǒng)和方法也可在任何氫氣生成應用(諸如，實驗室應用、商業(yè)或工業(yè)應用和消費類應用)中實施。基本的氫控制系統(tǒng)
在一個實例中，可將鈉硅化物和/或鈉硅膠與水混合來生成氫氣，但開發(fā)的技術也可使用其它穩(wěn)定的堿金屬材料，諸如摻雜硅化物和具有締合氫的硅化物，或混合水溶液來產生氫氣的固體粉末。另外，也可將開發(fā)的系統(tǒng)技術的許多方面應用于制氫中采用的替代材料，諸如鋁粉或者在暴露于水溶液中時生成氫的任何其它材料或材料組合。反應物燃料可為經壓縮、模制、切割或成型為桿、錐體、球體、圓柱體或其它物理幾何形狀的自由流動粉末或材料。這些材料可包括可變的粉末粒度、幾何變化、材料涂層或材料變化以控制反應速率。一種涂覆方法為將固體鈉硅化物結構暴露于濕空氣中，從而形成可溶于水的硅酸鈉阻擋層。當然，可將其它形式和幾何形狀的反應物燃料與水溶液一起使用，以將反應物燃料和水溶液混合。圖1示出了使用反應物燃料和水溶液來生成氫氣的氫生成系統(tǒng)100的實例。可將生成的氫氣引向氫燃料電池或普通實驗室、工業(yè)或消費類用途。可將反應物燃料101加入到反應器102中。在本公開中，術語反應器、料筒和壓力容器作為同義詞用于辨別放置反應物燃料的容器或其它收集容器。在圖1所示的實例中，可拆式反應器102附接至進水口連接件106和氫出口連接件108。這些連接件可包括(但不限于)常閉雙截止閥和/或常閉止回閥。反應器102與進水口連接件106和氫出口連接件108之間的連接件可為柔性連接件或可為剛性連接件(取決于具體用途)。將水或另一種水溶液加入到反應物燃料(諸如，穩(wěn)定的堿金屬101)中，以生成氫氣和副產物⑶卩硅酸鈉)。氫氣向上移動并從反應器102中排出。 盡管圖1示出了單個反應器102，但應當理解可將任何數量的可拆式或固定式反應器用于所描述的示例性氫氣生成系統(tǒng)中。例如，圖2中示出了兩個可拆式反應器202、204。另外， 可使用鎖定機構、夾片或其它類似的固定裝置將反應器在系統(tǒng)中固定到位。在圖1和2所示的實例中，將水溶液(如水)分別加入到加注口 110、210。在另一個實施方式中，可使用有或無加注口的可拆式水容器，諸如水容器114。在其它實例中，反應器可預加注反應物燃料。水溶液可包括添加劑，以提高反應效率，增加氫產量，提高氫產率，減少污染物的形成，促進污染物的過濾，支持最終水解，減少腐蝕，控制廢產物的PH，改變廢產物的溶解度并擴大溫度范圍操作以及影響其它反應參數(諸如，反應物的熱物理性質)。例如，添加劑可包括酸、堿、醇、其它添加劑以及這些添加劑的混合物。添加劑的實例可包括甲醇、乙醇、鹽酸、乙酸、氫氧化鈉、氫氧化鈣、硅酸鈉、磷酸鹽、硼酸鹽及其它。可將其它添加劑與反應物燃料(包括硼、碳和氮)混合，以提高氫產量、動力學和/或減少反應焓。關于溫度范圍操作，可將鹽和/或其它添加劑并入水溶液中，以降低溶液的凝固點。儲存在其容器中的水溶液量可根據系統(tǒng)實施的具體方式而變化。例如，在圖2中， 該容器可儲存超過足夠體積的水溶液，以在多個料筒202、204中反應。該系統(tǒng)可包括將氫輸出流中的水冷凝并使其直接返回到反應器中或將其引向水容器114的冷凝器(未示出)。 該系統(tǒng)可包括用于外部水源沫示出)的進水口連接件106，以向水容器114提供附加水，或者以單獨的實施方式直接將附加水提供至反應器。在一個實施方式中，可全部或部分地收集燃料電池的反應廢水，并且此廢水也可有助于供水，以減少水的總凈需求量。例如，硅酸鈉廢產物易吸水，因此其粘度會發(fā)生變化?？赏ㄟ^從未反應的反應物燃料中分離廢產物來控制反應。例如，可加熱或絕緣反應器的一端，以形成過量水存在時的溶解條件。然后，將該過量水經泵送回穩(wěn)定的堿金屬粉末中或者使其與僅被構造用于使耗水量最大化的一定量的鈉硅化物反應。作為另外一種選擇，反應時，硅酸鹽廢物變熱，從而需要少量的液相水。反應時，利用分離篩網來從未反應的反應物燃料中分離廢液。附加系統(tǒng)部件
除了反應器和水溶液來源之外，氫氣生成系統(tǒng)可包括附加系統(tǒng)部件。例如，圖3示出了示例性氫氣生成系統(tǒng)300，其包括反應器302、水容器314和多個附加部件。例如，水源入口 306可按需要對水容器314進行加注或再加注?？墒褂帽?20 (諸如，蠕動泵、手動泵、正排量泵和其它泵)將水容器314中的水經由供水管線390泵送入反應器302中?？蓪毫鞲衅?22設置為與供水管線390成一直線，并且可將其用于調節(jié)泵送入反應器302中的水量。例如，可將壓力傳感器322與泵320 —起使用，以通過多路閥3M將壓力校準的水量輸送至多個反應器中。也可部分使用壓力傳感器322來提供故障安全模式，從而防止過量的水被泵送入反應器302中。在一個實例中，可使用比較器(未示出)來比較壓力傳感器322 的輸出電壓與系統(tǒng)電壓參數?？稍u估比較器的輸出，以確定電壓是否在正確的工作范圍內。 當電壓在工作范圍內時，實施微控制器387的指令的附加電路系統(tǒng)可驅動泵320來向反應器302供水。當電壓不在工作范圍內時，泵320被損壞。該電路系統(tǒng)可使用電容器或其它定時電路使泵產生讀數延遲，以允許在(例如)膜泵作用期間產生瞬時高讀數。對于具有多個反應器的氫生成系統(tǒng)，可使用供給閥3M來選擇容納水的反應器。氫氣生成系統(tǒng)300可包括蓄電池388，以操作泵320和/或以其它方式引發(fā)反應，并且操作其它控制電子元件(總體顯示為386)。氫氣生成系統(tǒng)300也可接收外部功率以通過任何外源(諸如，燃料電池、壁裝電源插座)對蓄電池388再充電，或者任何其它來源的功率。系統(tǒng)300也可包括小型燃料電池系統(tǒng)(未示出)，以對其內部配套設備 (balance-of-plant)部件進行內部操作。在一個實施方式中，蓄電池均不是獨立存在的，而是功率得自位于總系統(tǒng)300內部或氫生成系統(tǒng)300外部的燃料電池或燃料電池-蓄電池混合體。在一個實施方式中，如果將工廠制造的過壓氫給予反應器(這為啟動系統(tǒng)提供了足夠的氫)，則不需要蓄電池。此外，可將氫生成系統(tǒng)設計成具有小型手動操作泵(諸如，注射器等)，以通過物理用戶互動(而非電啟動)來啟動反應。類似于壓力傳感器322，止回閥3 可用于反應器302或控制系統(tǒng)中，以防止反應器302中的氫壓力將不能允許的高壓施加在控制系統(tǒng)的部件(諸如，閥門324/361、傳感器 322和/或泵320)上。例如，當初始水進入反應器302并與反應器302中的反應物燃料 301反應時，生成了氫，并且反應器302中形成了氫壓力，直到氫達到系統(tǒng)壓力參數值，此時氫氣從反應器302中輸送出并用于其它方面。在一些情況下，反應器302中的壓力可超過泵320和其它系統(tǒng)部件容量的壓力?？墒褂弥够亻y3 來防止泵320、水容器314和水管線 390過度受壓并防止損壞系統(tǒng)?？墒褂弥够亻y3 來確定反應器302中的壓力并隔離反應器302對控制系統(tǒng)的壓力量。相似地，氫輸出止回閥336、337控制反應器302中的回流。當系統(tǒng)用于高海拔或者多個筒的氫輸出相互連接時，可發(fā)生回流。每個反應器和整個控制系統(tǒng)中的止回閥和傳感器允許用于系統(tǒng)(使用多個反應器)的每個反應器具有獨立的壓力讀數。每個反應器302 的氫氣輸出線391可包括位于反應器302或控制系統(tǒng)303中的壓力傳感器340。在一個實施方式中，當連接和斷開時或者如果系統(tǒng)無意地將另一電源的高壓連接至反應器時，止回閥336僅可使氫從筒中流出，而與進入筒的空氣相對。在另一個實施方式中，不需要止回閥 336，而替代使用常閉止回閥3430 (如圖34所示)。在一個實施方式中，將止回閥連接在壓力傳感器340的下游，這可防止一個反應器反壓另一個反應器，同時通過位于控制系統(tǒng)中的壓力傳感器為每個反應器提供獨立壓力讀數。在其它實施方式中，止回閥326、336實際上可位于反應器302或控制系統(tǒng)303中，并且提供相同的功能。另外，系統(tǒng)可包括壓力調節(jié)器344。有時，可能需要在較高的壓力(如SOpsi或更高)下操作反應器302。在一個實例中，調節(jié)器344可使壓力降至25psi。作為另外一種選擇，可使用帶刻度盤的調節(jié)器344或者其它壓力調節(jié)裝置，這些裝置可使用戶改變控制系統(tǒng)的輸出壓力。作為另外一種選擇，可使用電子控制調節(jié)器，以使微控制器(諸如，微控制器387)根據所需壓力來設置輸出壓力。 在單獨的實施方式中，可完全不使用調節(jié)器，并且微控制器可控制水的流速和量，以控制反應器的輸出壓力。進料
其它可選反應物燃料(如鈉硅化物)/液體(如水)機構是可能的。在一些構造中，可將反應物材料成型、模制或壓成幾何結構。例如，可將由穩(wěn)定的堿金屬材料形成的桿以限定的速率加入到水溶液中，以控制反應。相似地，可僅將該桿從水浴或其它水溶液中除去，便可停止反應。另外，也可將反應物燃料壓縮成粒料。然后，可操縱這些粒料并將其以限定的速率置于水中或其它水溶液中，以進行反應。水溶液進料
可以多種不同的方式將水注入反應器302中。例如，可使用單個進水口 338或位于所選位置的多個水分配噴嘴(如圖4A-4D所示)將水注入反應器中。在簡單系統(tǒng)構造和小型系統(tǒng)中，單個進水便可滿足需要。對于較大的系統(tǒng)，可使用多個進水來促進反應并有輔助重新啟動反應。例如，在圖4A中，進水管411從進水口 406垂直延伸并采用多個水分配噴嘴413， 并且通過這些水分配噴嘴將水供至采用單管411的反應器402的多個區(qū)域。如圖4B —樣， 還使用水平水分配過濾噴霧器415將水供至反應器402的多個區(qū)域。在實施過程中，可使用單個或任何數量的管。這些管和水分配噴嘴可具有不同尺寸，并且在整個管中水分配噴嘴的模式和孔徑可以變化，以優(yōu)化反應器的混合條件。例如，可使用有多個小孔(諸如，直徑尺寸為(例如).001”至.040”或更大的孔)的小型管件。在試圖重新啟動反應時，小孔可易于被反應副產物阻塞，而較大的噴嘴可使水溶液滴在反應物燃料而非噴流或噴霧上。使用具有高壓能力的泵時，可使用較大的孔口將水注入反應點。使用低壓給水系統(tǒng)時，可使用更多的噴嘴來限制噴嘴與反應點之間的距離。根據應用和具體反應物，可選擇任何水溶液輸送技術。另外，進水管可彎曲或盤旋，如圖4C和4D所示。在圖4C和4D中，可使用螺旋形進水管421來進入采用單管的反應器402的多個區(qū)域。該螺旋形進水管421可具有位于多個可能位置的孔，以使其覆蓋區(qū)域最大化并使反應器402的一個區(qū)域相對于另一個區(qū)域中的含水飽和度最小化。也可并入中心柱423，以用于機械支撐和排熱。對于無需此支架或排熱結構的設計而言，可將其除去。另外，可將給水網結合在中心柱423中。也可采用其它水分散構造。例如，在一個實施方式中，可采用各種細孔或網孔來促進輸水。在其它實施方式中，給水網在整個筒的容積內可能不一致。例如，可優(yōu)化給水網，以直接將水供至反應物燃料區(qū)域。如果反應器具有過量容積來容納廢產物或反應物泡沫，則給水網可以不向這些區(qū)域加水。另外，給水網可采用被構造成向用于氫分離的(多個)膜(如下所述)噴水的管件。 該管件可包括孔或者其可包含(多個)管或噴嘴的(多個)附加陣列。這樣，可將水直接供至反應器402的多個區(qū)域中的反應物燃料，以促進其與水溶液的反應。通過將水供至反應器402的所選位置，可使水和隨后的反應對反應器402中的反應物燃料進行攪拌或混合。隨著氫的形成并上升，氫氣可攪動反應器材料(即，水溶液和反應物燃料)，從而使這些反應組分能夠接近完全反應?；旌线@些反應組分也可通過將氫出口和進水口沿著向下方向設置在反應器的一端上(如圖6所示)來完成。該構造為氫生成系統(tǒng)提供了單一連接平面。吸氫器666位于反應器602的頂部，并且加壓氣體通過充氫管668移動到底部。該充氫管668可位于反應器內部或外部。也可采用不同的構造和管幾何形狀?？刹捎貌粔蛲耆姆磻@可增加能量密度(輸送的H2/ (所需的粉末質量+水質量))，因為所需的水量是非線性的。另外，局部反應可使廢產物以半固態(tài)存在，因為廢產物可從高局部反應溫度冷卻下來。固體廢產物可有利于進行廢物處理。熱傳遞
轉到圖3，隨著反應物燃料301與水的反應的進行，反應器302中產生了熱量。可使用一個或多個熱敏電阻3 來測量反應器302的熱量并控制冷卻系統(tǒng)，包括一個或多個可用于冷卻反應器302的冷卻風扇330。同樣，冷卻可通過采用整裝式熱管理電路的液體冷卻回路(未示出)或采用單獨水冷卻段使水從水容器314開始圍繞反應器302進行循環(huán)來進行。 當然，熱敏電阻328也可控制供水閥324，以調節(jié)流入反應器302中的水，從而根據反應器 302的溫度來控制反應，控制廢產物的產生量，使耗水量最小化，使反應率最大化以及為了其它原因。如圖5所示，排熱結構523也可位于反應器502的中央。排熱結構523也可通過加壓時將反應器的兩端固定在一起來促進反應器的機械鎖定機構。在圖5中，反應器的底部572也用作反應器502的散熱器和支座。雖然通過反應器壁排除了一些熱量，但如果這些壁透明并由玻璃或塑料制成，那么這些材料通常具有有限的導熱率。在一個實施方式中，大量熱量通過反應器的一端或兩端562、572除去。反應器502的一端僅可為散熱器(底部572)，而另一端(頂蓋562)可容納反應器的控制件和連接件，諸如氫連接器508和水連接器506、安全閥555、電連接件577、579 (諸如，電饋線、電信號處理連接件、系統(tǒng)感測連接件和結構連接件)。在圖5中，反應器502的整個主體可為透明或半透明的(如由玻璃或塑料制成)，從而提供了可對反應狀態(tài)進行可視檢測的特征(估算反應物燃料消耗量)以及獨特的包裝和外觀。在另一個實施方式中，反應器總體上可為不透明的，但可通過其透明的觀察窗來觀察反應。另外，如圖7的實例所示，散熱器723和所有部件均連接在一端762上。該幾何結構有利于方便連接至具有氣體連接件708、流體連接件706和電連接件777的氫生成系統(tǒng)，
15同時為采用空氣冷卻、液體冷卻或任何其它方法的氫生成系統(tǒng)提供了直接的排熱路徑。壓力控制
轉到圖3，可在反應器302中實施防爆安全閥、防爆片或其它可控泄壓點330，以控制其壓力。例如，當反應器302中的壓力達到預定系統(tǒng)參數時，氫氣可控制地通過泄壓點330從反應器302中排出。在一個實例中，可使用限流器來限制氫輸出流量，將該流量保持在下游裝置的容許范圍內，和/或將該流量保持在成功過濾的容許速率內。限流器可為孔口或止回閥部件的功能件?？刹捎孟拗品磻鞯倪M水的限流器來避免產生過度的瞬時壓力。氫生成系統(tǒng)300可被構造為在壓力范圍內運行。在一個實施方式中，用戶可使用按鈕、開關或任何其它通信協(xié)議(如藍牙(Bluetooth))來直接或遠程地設置所需的壓力極限或范圍。在一個實施方式中，系統(tǒng)300將監(jiān)測壓力并由此控制反應，以將反應器302中的該壓力保持在指定的許可范圍內?？蓪⑾到y(tǒng)300用于較低壓力的應用(大約25psi)中，以有利于用戶安全和操作簡便。許多燃料電池應用在該壓力范圍內運行。然而，必要時，鈉硅化物可對需要IOOOpsi壓力的應用產生這樣的壓力。氫過濾
在一個實施方式中，反應物燃料為鈉硅化物，其與水溶液混合而產生氫氣和副產物(諸如，硅酸鈉)，這作為初步反應。在實施過程中，當在某些條件下反應時，可產生其它副產物， 諸如硅烷(如SiH4)。當也可使混合物與硼烷氨和其它物品(諸如，水蒸汽或氫氧化鈉(NaOH) 顆粒)反應時，可產生硼唑副產物。另外，水溶液(如水)、液體廢產物(如硅酸鹽)和反應物燃料(如鈉硅化物)均可存在于反應器內?？刹捎枚嗉夁^濾來僅將氫以適用于特定應用的純度級別排出?？墒褂每捎糜诙喾N用途的氫分離器。在一個實施方式中，可使用由孔徑為約0. 45 微米的層合聚四氟乙烯(PTFE)構成的分離介質?？刹捎枚喾N孔徑和特定的材料選擇。實施特征包括高通過量的氣體流速、水突破壓力(最高30psi)和反應器蓋的超聲焊接。膜可以多種材料類型和厚度存在?？墒褂枚鄬幽磉M行粗過濾和精細過濾。例如，當將鈉硅化物作為水溶液反應中的反應物燃料時，氫氣泡可存在于硅酸鈉泡沫中。在反應期間，該泡沫 (或氫覆蓋的硅酸鈉氣泡)可使濾膜覆蓋有硅酸鈉廢產物。圖8示出了在氫濾膜890進行更精細的過濾之前使用粗介質過濾器888來分解該泡沫的系統(tǒng)構造。在一個實施方式中，將銅絲網用作粗介質過濾器888。這成功地使高粘度材料遠離細濾器氫濾膜890。也可使用其它粗過濾介質?？蛇x擇銅或者其它材料或材料涂層，包括用于催化水解或吸收污染物的有利的化學活化劑或吸收劑。細濾膜890的材料也可包括位于膜890和機械外殼892之間的背襯894。該背襯894為膜890提供了機械支撐，同時為氫從膜890中排出并進入特定的氫輸出連接件(圖8中未示出)提供了路徑。氫氣生成系統(tǒng)通過向反應器組件提供粗過濾和精細過濾對容積約束進行利用。也可在氫發(fā)生器系統(tǒng)和/或燃料電池系統(tǒng)中進行額外的過濾。例如，附圖中的氫生成系統(tǒng)可包括可拆式過濾裝置，例如(諸如)可拆式干燥劑過濾器。也可將化學過濾器用于可在一段時間后維護的氫發(fā)生器系統(tǒng)中。作為另外一種選擇，過濾器可被構造為具有較大尺寸，使得無需在反應器的整個產品壽命期間對其進行維護。對于許多燃料電池應用，氫氣輸出流中的水蒸汽由于燃料電池的所需濕度要求而合格。對于其它用途(諸如，在一些實驗室環(huán)境、 商業(yè)用途以及規(guī)定較低濕度的一些燃料電池應用中)，氫氣輸出流中的水蒸汽可能不合格，并且可采用干燥過濾器。要求保護的發(fā)明的氫生成系統(tǒng)可使用可拆式過濾器來便于(例如) 商業(yè)、實驗室和燃料電池應用。另外，一些燃料電池應用(諸如，金屬氫化物的再加注)需要干氫。也可將圖8中示出的吸水介質和/或冷凝器896用于這些應用中。冷凝器896的任何用途均可便于初步反應的集水和回水，以使反應器802中的廢水減至最少?？墒钩醪椒磻幕厮苯佑糜谶M水口 806或反應器802的另一個連接件。在另一個實施方式中，反應器可為可拆式或固定式，并且可提供進入門或其它進入孔，以加入反應物燃料和/或一旦反應結束便除去反應廢物。例如，可將進入門作為圖5 所示的反應器蓋子或封蓋562并入。作為另外一種選擇，在圖5所示的實施方式中，可將廢產物的任何部分儲存在反應器中，供以后處理或再循環(huán)利用。清洗過濾器
將鈉硅化物用作氫氣生成系統(tǒng)中的反應物燃料并將水用作其中的水溶液時，初級廢產物為易吸水的硅酸鈉。在一些反應器構造中，大量硅酸鈉泡沫會隨時間推移而堵塞過濾裝置。高粘度硅酸鈉可阻塞過濾裝置。通過向硅酸鈉施加水，粘度會改變，這可使硅酸鈉從過濾區(qū)域沖走。例如，在圖9A-9C所示的一個構造中，一段給水網(諸如，以圖3中的附圖標號 338為例)使一部分水流直接引向(多個)過濾裝置(諸如，圖8所示的粗介質過濾器888和氫濾膜890)。通過灑水器909施加在過濾裝置上的水最終回滴在未反應的鈉硅化物上并還進行反應，但當其部分被輸送至反應器時其首先用于清洗過濾器。圖9A中的附圖標號909 示出了旨在直接到達過濾裝置的水流。圖9B示出了在反應期間未清洗的過濾裝置999b，而圖9C示出了在反應期間通過將水噴灑在過濾裝置999c上來清洗的過濾裝置999c。從圖 9B和9C所示的濾渣差異可清楚地看出，通過將水噴灑子在過濾裝置上不會阻塞過濾器。附加過濾器
也可使用膜/粗濾器組件的其它可選過濾器設計。圖10A-10B示出了多種不同的過濾器設計。例如，在圖IOA中，錐形過濾器1010可便于硅酸鈉泡沫在整個過濾器1010中移動， 從而導致氣泡1012破裂。該錐形過濾器的幾何形狀也可致使泡沫移動至反應器1002的上隅角1014a、1014b中的液體收集區(qū)并使硅酸鈉溶液重復循環(huán)直至反應器1002的底座1009 上，如向下指示的豎箭頭1050、1060所示?？蓪⒏郊釉O計器件并入反應器1002本身內，以便于該操作。此類器件可包括冷卻以促進反應器壁1040上進行冷凝的筒以及圖IOB中的芯吸材料1071，芯吸材料1071有助于將液體溶液向下移動至反應器壁1040或如向下指示的豎箭頭1051、1061示出的其它適當區(qū)域。多室反應器
即使采用上述過濾裝置，一些無氫和/或無水物質也可從粗濾器和/或膜中逸出。圖 3示出了混合室355，以促進收集反應廢產物(諸如，硅酸鈉)的過程。圖11A-11B采用多個過濾器和膜示意性地示出了使用圖3的混合室355的方法。圖11A-11B示出了廢物收集和循環(huán)方法。在一個實施方式中，廢物收集和循環(huán)在一次性反應器中進行。在圖IlA中，在較大的反應室IlM中通過使水與鈉硅化物1101反應而生成氫氣，并且氫氣1191通過氫膜1190向上移動。一些硅酸鈉、水和其它反應產物也可穿過膜1190或在該膜周圍移動。這些產物的實際流速遠低于進入的供水1138的流速。 將所有這些產物(輸出氫1191、進水1138和反應副產物)混合在較小的混合室1155內?？赏ㄟ^支架1133將較小的混合室1155支撐在反應器1102內。也可使用篩網過濾器1122來進行進一步的輸入和輸出過濾。進水1138吸收混合的反應副產物，因為這些反應副產物可溶于水。然后將水1138 和副產物泵送回較大的反應室1巧4中。輸出氫1191將向上移動至二次膜1195，該膜的孔徑可比膜1190的孔徑小。一些水蒸汽和其它組分仍可存在于標記為“純氫輸出” 1193的最終輸出流中。在一些操作情況中，混合室1155和反應室IlM中的壓力可以相同，并且氫不會流過膜1190。為了克服壓力均衡，膜/過濾器的壓力降低，止回閥的壓力降低，并且可在反應之前或期間改變水泵的具體操作控制方法。例如，對供給泵進行循環(huán)可產生壓力擾動，從而使得氫引發(fā)或重新引發(fā)流動。圖IlB中示出了用于無泵構造的另一種可選廢產物再收集構造。在圖IlB中，采用供給水的過壓將水供至反應器。在反應器內使用較小隔室的構造
如上所述，可將這些實例中的反應器分成多個隔室。該構造可用于將水引向不同的反應區(qū)域。在一個實例中，可在不同時間內操作不同的反應區(qū)域，從而有利于較容易的重新啟動條件，因為對于在僅存在鈉硅化物時相對于存在鈉硅化物和硅酸鈉時而言，反應可更快啟動。另外，已顯示噴水器可有效控制反應。每個噴水器均可具有限定的水分散范圍。采用隔室途徑的噴水器可很好地控制反應?？墒褂枚喾N方法和材料來分隔隔室。例如，可將細管松弛地插入反應器隔室中，可將蜂窩狀網孔組件結合在反應器內部，或者可將柔性膜網并入反應器中。另外，用于隔開反應器的材料可將一個隔室中的水溶液密封而不進入其它隔室?？裳刂磻鲀鹊乃椒较蚝痛怪狈较騺順嬙旄羰摇＿@些隔室也可由透水和/或透氫材料或用于經由表面張力來輸水的其它材料制成。圖12A示出了此途徑的一個實施方式，其中可將反應物燃料輥軋成煙卷狀構造。 如圖12A所示，可將反應物燃料包覆在可將水分配在整個粉末和/或透水氫周圍的膜材料中?？蓪?例如)多個輥軋隔室1204a、1204b、1204c、1204d、1204e、1204f、1204g設置在反應器1202內。隨著反應在輥軋隔室1204a、1204b、1204c、1204d、1204e、1204f、1204g 中進行，反應器1202將產生熱量。對于類似于煙盒的薄型組裝件，此類輥軋隔室的另一個實施方式在于將這些輥軋隔室呈彼此相鄰水平布置。除了上述技術外，熱耗散可通過反應器1202的壁 1296 (如圖12B所示)來進行。因為反應器1202的壁1296會變熱，反應器1202外部的多個區(qū)域可采用保護件1288或其它絕熱裝置來絕緣?？蓪⑦@些絕熱裝置設置在反應器1202 外部，以使得用戶可接觸反應器。確定反應狀態(tài)
在將水溶液加入到反應物燃料中后，發(fā)生反應，并且生成氫氣。存在許多確定反應狀態(tài)并檢驗反應進程的方式。這些技術可包括目視觀察反應，對反應計時，并且在反應之前、之間和之后測量反應參數。例如，可在反應之前、之間和之后測量的參數包括(但不限于)反應物重量、溫度、反應器中的水溶液量、反應器中的反應物燃料量、待加入到反應器中的最大水溶液量、通過已知的泵表征加入的水溶液量、電導率、壓力、經由燃料電池電流的方式直接或間接測量的氫輸出值等。例如，鈉硅化物的傳導性最小。然而，硅酸鈉一旦與水發(fā)生反應，便易于在適用于檢測和測量的水平上導電。雖然可使用許多不同的方法來測量該傳導性變化，但圖13中示出一個實施方式，其中將不同電觸點1366設置在反應器1302內部的帶狀電纜1350上。電導率測量電路讀取并比較墊片1313a、1313b、1313c、1313d、1313e、1313f之間的實際電阻測量值和/或查看墊片1313a、131北、1313c、1313d、131!3e、1313f之間的點對點傳導性。可使用少至2個墊片或所需數量的墊片來得到這些測量值，以提供足夠的反應狀態(tài)分辨率。相似地，可將接觸式探針設置在反應器的不同位置，以進行類似讀數并實現類似效果。此外，在另一個實例中，單個探針可接觸兩個電極端，以測量反應器中非常具體的距離處的特定點的電阻?？蓪⒃摷夹g用于采用導電反應器的構造中。在類似的實施方式中， 可使用單個探針、多個探針或導電墊片，并且也可將反應器本身用作測量地面。在一個構造中，經由多種電接觸法(諸如，彈簧加壓觸針、刷針、刀片插入裝置、無線傳輸或者任何其它電信號傳輸方法)將電觸點連接至氫生成系統(tǒng)。圖14中示出使用此類觸點的一個反應器的實例，其中電觸點1414連接至反應器的壓力容器蓋1416。凹式帶狀電纜1418將觸點1414連接至壓力容器蓋1416中的微控制器1420。氫生成系統(tǒng)可包括微控制器1420中的編程指令實施的檢測電路系統(tǒng)，以檢測或探測觸點1414，測量電阻，和/或確定短路和/或斷路。微控制器1420可包括編程指令和算法，以檢測觸點1414，確定信號電平，并且將該信號電平轉換成傳導性測量值以及將該傳導性測量值轉換為反應狀態(tài)測量值。當然，微控制器可位于反應器組件上(諸如，圖14的壓力容器蓋1416中)或如圖3所示的控制系統(tǒng)303中。在確定反應狀態(tài)的另一個實例中，可使用力傳感器(諸如，應變儀)來測量反應器的重量。關于反應狀態(tài)，反應器由于加入鈉硅化物中的水而變重?？刹捎锰炱交蚱渌鞲衅鱽頊y量反應器的重量變化，以確定反應之前、之間和之后的反應重量。通過在這些期間對反應器進行稱量，可確定反應狀態(tài)以及其它系統(tǒng)特定參數(諸如，反應效率、完成百分比、 反應時間、從反應中生成的氫氣量和其它參數)。控制系統(tǒng)可根據反應狀態(tài)來調整其泵參數。例如，反應在接近反應結束時比反應開始時可能需要更多的水來生成相同的氫量。微控制器可采用該系統(tǒng)參數，以通過調整其它控制度量值(諸如，溫度范圍、壓力范圍以及將水溶液加入到反應中的量和速度)來預測可使更均勻的氫生成的反應特性。顯示反應狀態(tài)和反應參數
不管用于確定反應狀態(tài)的測量值如何，如圖2所示，可使用顯示裝置218來監(jiān)測和控制反應物燃料與水溶液之間的反應。顯示裝置218可包括LCD (液晶顯示器)或其它顯示器， 以顯示確定的力或反應重量和其它操作參數或系統(tǒng)特定參數。圖3中示出附加的示例性顯示裝置318。例如，顯示裝置318可顯示實際重量，或者使用微控制器(諸如，圖3中的微控制器387)來將該實際重量轉換為完成百分比、時間或者與反應狀態(tài)相關的另一個度量值。單隔室反應器實例
一種示例性輕質、低成本、可重復使用的反應器1502在圖15A中示意性地示出并在圖 15B中詳細示出。將薄壁反應器1502沖壓并成型為包括位于筒蓋1555周圍的凸緣1553。 將單獨的支撐件1557設置在凸緣1553的下側。筒蓋1555和支撐件1557壓縮凸緣1553， 從而有助于使反應器1502堅固，同時使用均可拆卸和再利用的壁極其薄的筒。凸緣1553 有利于機械連接，以在未膠合或卷曲的情況下使用扣環(huán)來固定筒蓋1555。這能夠移除筒蓋1555，維護反應器1502和蓋1555，然后對反應器1502和蓋1555進行再加注和再利用。維護反應器1502和蓋1555可包括更換或整修部件，諸如分離器膜、過濾介質等。另外，可采用保護方法(諸如，封裝或其它方法)來避免干擾反應器和/或提供反應器干擾檢測。圖15C示出了用于制造此類薄壁容器(包括設計的上凸緣1553)的詳圖。另外如圖15B所示，如果采用其它方法(諸如，卷曲或膠合方法)來附連反應器蓋1555，則可省去凸緣1553?？稍O計蓋1555的底部1563來使重量最小化并使強度最大化，同時提供實用連接裝置(總體顯示為1565)，諸如水溶液輸入、氫氣輸入和輸出、電連接裝置等。另外如圖15B所示，并且如以上參考圖3操作性地說明，反應器1502包括氫排出口 1544和進水口 1591。這些連接件可包含止回閥和/或常閉截止閥或其它裝置，以調節(jié)水和氫流量。圖34中示出了常閉截止閥3434的實例。可將常閉截止閥3434安裝在反應器中的氫排出口 1544和/或進水口 1591 (如圖15B所示)上。將圖35所示的配合部件3535 安裝在控制系統(tǒng)中，并且配合部件3535具有位于其表面的0形環(huán)3537或過模墊圈，該環(huán)或墊圈接觸并下壓常閉截止閥3434的表面。因為配合部件3535的表面下壓閥門組件3434， 所以截止閥3434的內部滑動，以提供開放式流體通道。在未開啟狀態(tài)中，彈簧3430推動閥體3434，并且使0形環(huán)密封并可使流體流動。將附加0形環(huán)用作動態(tài)密封件，其將閥門的空隙容積降至最小，從而在連接和斷開時顯著減少加入到氫氣中的標準空氣量。閥體3434包括螺紋3439，因此可將該閥體螺紋連接在筒蓋1555中?？赏ㄟ^多個其它機構(諸如，通過膠合、壓配合、扣環(huán)等)將閥門3434安裝并保持到位。所示的反應器包括一體式安全的安全閥1538和1588?？捎闷渌蛇x方法(諸如， 一次性可控泄壓防爆點)來實施安全的安全閥1538、1588。在圖15B中，一個安全閥1538用于通過過濾來排放壓力，而另一個安全閥1588可用于在過濾前排放壓力。在一個實施方式中，將閥門1538、1588兩者設置為在相同的壓力下釋放。在另一個實施方式中，將后過濾閥 1538設置為在低于預過濾閥1588的壓力下釋放。如果未注意到高壓事件，則該系統(tǒng)將通過過濾輸出排放所有高壓氫。如果過濾器阻塞，二級閥1588也可用作高壓事件情況下的備用閥。在另一個實施方式中，將浸料管1543連接至安全閥1588的氣體通道并引向筒的底部以從筒中排出(如果倒置儲存)。在該實施方式的一種形式中，浸料管1543可容納頂部、底部或這兩者上的多孔過濾介質，以選擇性地將氫與硅酸鈉或其它水溶液成分排出。蓋1555包括RFID芯片1522，例如(諸如)Atmel TK5551 RFID芯片。反應器1502 中示出了三個薄壁管1539、巧41、1543。一個管1539將水從反應器1502的中央引向下方， 并且包括一體式噴嘴1549a、1549b、1549c，以將水流引向反應器1502中存在反應物燃料的區(qū)域。另一個管1541與頂蓋1561的平面水平。該管1541位于過濾器1561周圍并將水噴灑在整個過濾器1561上，以清洗過濾器1561并促進水溶液和與反應物燃料之間的反應。如上針對圖3所述，可將止回閥(圖15中未示出)設置為與反應器1502的水管線成一直線。如上所述，止回閥可位于控制系統(tǒng)中、反應器1502中或兩者中。通過前述水網將水泵送入反應器1502中。隨著氫經由氫排出口 1591從反應器1502中排出，氫氣也可通過止回閥(圖15中未示出)。如上所指出，也可將氫氣輸出止回閥設置在控制系統(tǒng)(圖3中示為附圖標號303)中、反應器1502中或兩者中。在利用多個反應器1502的系統(tǒng)中，將止回閥用于每個反應器的每個氫退出管線中。另外，可將獨立的壓力傳感器用于獨立地測量每個反應器的壓力，并且再將這些獨立的壓力傳感器連接至反應器或控制系統(tǒng)中的氫退出
20管線，但位于至少一個止回閥或其它下游隔離機構之前?？墒褂弥够亻y來防止一個反應器反壓另一個反應器?？墒褂闷渌考?諸如，常閉閥或流量控制調節(jié)器)來實現類似結果。如上針對圖3所述，氫氣可直接從反應器302排出。在另一個實施方式中，氫氣可首先通過高純度污染過濾器。相似地，又如圖3所示，可將輸出的氫鼓泡通過水槽/冷凝器， 諸如原水槽314或單獨的水槽。這用于冷凝一些水蒸汽并收集可能存在于輸出的氫氣中的一些顆?；蛭廴疚?。當鼓泡通過水槽314后，輸出的氫氣可通過高純度細濾器369。水槽314可包括用于低溫操作或其它目的的添加劑。添加劑可包括增加H2的產量的共反應劑、絮凝劑、緩蝕劑或改變水溶液的熱物理性質的熱物理性添加劑。例如，熱物理性添加劑可改變反應的溫度范圍、反應的壓力范圍等。此外，水溶液的添加劑可包括多種不同的添加劑的混合物。一些添加劑可促使輸出的氫氣流中存在較少的污染，或者添加劑本身可用于對反應中生成的任何形成的硅烷(SiH4)進行水解?？蓪⒎磻?02中的氫氣引向濾水器351。 可將壓力傳感器340用于測量和調節(jié)氫氣的壓力。濾水器351用于對任何形成的硅烷進行水解，收集顆粒并將氫輸出流中的水冷凝。如果硅烷發(fā)生水解，則會產生少量SiO2和氫。可將產生的氫用于氫氣輸出365中，并且可將SiO2泵送入反應器302中，同時剩余的水穿過閥門361、324?？筛鶕枰趴詹⑶逑此?14。如果將輸出的氫鼓泡通過水，水槽314頂部也可具有滲透膜367，以可使氫在氫排出口 365處排出，但不得使水在嚴重傾斜或翻轉的情況下排出。在一個實施方式中，水蓋363具有蓋接觸傳感器311或一旦水蓋363完全關閉便通知微控制器387的其它檢測器。在一個實施方式中，微控制器387可關閉水槽314前的輸出閥362，以使(多個)反應器在加入更多水時保持受壓。在其它實例中，可在退出水槽314和細濾器367后設置輸出閥366。該輸出閥366 可由微控制器387控制以啟動反應，并使壓力積聚到適當的水平以向終端應用(諸如，手機、膝上型計算機、住宅用電纜等)供應輸出的氫氣。另一個實例包括單獨的安全閥368或排泄閥，以清除系統(tǒng)中的任何殘存空氣。如上所述，另一個實例包括與輸出氫線成一直線的過濾器369 (諸如冷凝器或干燥劑過濾器)，以支持特定應用要求(如適用)。另一個實例可包括將反應器302中的所有水通過二次混合室351輸送。另外，另一個實例包括將輸入水泵送至二次混合室351中(沿該混合室直接通向反應器302)，或者通過獨立的控制來進入二次混合室351?？蓪⒍位旌鲜?51耦接至熱控制系統(tǒng)(包括熱敏電阻3觀)，以便增加和/或保持二次室的溫度，從而促進水解和/或過濾，差不多如同對如上所述的反應器302提供熱控制一樣。附加電連接件
在單隔室反應器和帶附加隔室的那些反應器中，可使附加電連接件向用戶提供關于反應狀態(tài)和系統(tǒng)特定參數的附加信息。例如，在圖3中，可使附加信號連接件(有線或無線)位于反應器302和控制系統(tǒng)303與控制電子元件386之間，以提供控制裝置和顯示裝置測量數據，然后采用這些數據來監(jiān)測和顯示系統(tǒng)特定參數。 例如，一個或多個讀/寫RFID裝置可用于通過儲存和報告系統(tǒng)特定參數來評估反應狀態(tài)。例如，微控制器387可將表示泵送入反應器302中的水量的數據寫入RFID裝置 333，該RFID裝置可位于反應器302的蓋中。根據已知待加入到反應器302中的測量水量， 并且采用其它測量值(諸如，壓力和溫度測量值)，可通過系統(tǒng)300來確定反應狀態(tài)。相似地，
21可將附加RFID裝置381、382、334并入整個反應器302和控制系統(tǒng)303中，以提供和儲存往返于微控制器387之間的系統(tǒng)信息。例如，每個RFID裝置均可包括信息，諸如序列號、加入到反應器中的水量、可加入到反應器中的總容許水量、反應器中的壓力、水容器和系統(tǒng)其它位置中的壓力。然后可使用壓力測量值、溫度測量值、水量以及RFID裝置中的其它系統(tǒng)特性來確定反應狀態(tài)。相似地，微控制器387可將其它系統(tǒng)參數，諸如水流速度、氫生成量以及其它參數寫入RFID裝置333、334、381、382和可位于控制系統(tǒng)303、反應器302和整個反應裝置中的其它RFID裝置。另外，可將RFID裝置(未獨立示出)結合在反應器302中，以通過單獨地識別反應器302來進行庫存管理。可將該裝置獨立地用于庫存管理，或者可將單個裝置連同多組控制功能一起使用。RFID裝置可與可用于多個位置的轉發(fā)器和/或多個轉發(fā)器通信。例如， 可將轉發(fā)器用于工廠制造的反應器上作為裝配線的一部分或作為用于質量控制的手持裝置。同樣，轉發(fā)器可位于本領域使用的匹配硬件中。匹配硬件可包括氫生成系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、完整電力系統(tǒng)或其它接口系統(tǒng)。無源氫生成
圖16中示出了無源架構反應器系統(tǒng)1600的實例，“無源架構”是指缺乏電動泵來啟動反應。無源架構系統(tǒng)通常適用于低輸出系統(tǒng)。采用該架構可使輔助操作減至最少。例如，通常可將低輸出系統(tǒng)的部件組合成較少數量的物理組裝件，并且可完全消除其它部件。例如， 對于低功率系統(tǒng)，諸如手機或手機再充電器以及需要低功率并且必須使容積和成本最小化的其它應用，可除去反應器系統(tǒng)的風扇和泵。圖16中示出了用于基于鈉硅化物(或其它水性反應材料)的氫生成的無泵系統(tǒng)的簡化架構。最初通過連接加壓源1616或泵來對水槽 1614進行加壓。然后通過也可包括限流器16 的供水管線1690來供水。限流器16 可為有源部件(諸如，閥門)或無源部件(諸如，孔口)。作為另外一種選擇，重力本身可提供初始力來使水通過供水管線1690。隨著初始水進入反應器1602并與鈉硅化物1601混合，便生成氫1634并形成氫壓力，這又通過再加壓管線1643對供水器1684進行再加壓。當氫開始從系統(tǒng)中流出并返回到水槽1614中時，氫輸出1666處的壓力會降低。然而，水槽1614處的壓力由于止回閥1677而得以保持。這形成促使更多水進入反應器1602中的壓差，然后對系統(tǒng)1600再加壓。隨著壓力增加，系統(tǒng)總壓力平衡，使得水流停止?？墒褂孟蘖髌?6M 來控制反應器1602的進水速率。否則，可在形成氫壓力之前將過量水加入到反應器1602 中，這可潛在地導致正反饋情況的發(fā)生，并且過早發(fā)生反應。另外，使用吸水管線(圖16中未示出)時，供水源可能來自水槽1614的底部或通過槽1614上的另一個退出點(諸如，頂部)。也可通過適當地設置進水口和排水口將重力或虹吸給水機構并入系統(tǒng)中。將低輸出反應器系統(tǒng)1600的架構并入圖17中的完整反應器組件1700中。反應器1702包括反應室1722中的反應物燃料1701。反應室1722可包括膜1733，以通過該膜來容納反應物燃料1701并提供用于生成的氫氣的逸出路徑。反應室1722可為剛性室或柔性室。反應室1722可具有位于多個位置的膜1733，以使得反應室1722可沿任何數量的方向取向。反應室1722的周圍為外氫室1793內的加壓氫氣1788，加壓氫氣根據特定應用的需要從輸出閥1766中流出。與圖16中示出的通用低輸出反應器系統(tǒng)1600 —樣，通過供水管線1790將水1734供至反應器1702?？赏ㄟ^排水泵1716或通過外部水源經由水加注口1717將水1734供至系統(tǒng)。水再加壓通過水再加壓閥1777來實現。通過這種方式，低輸出反應器系統(tǒng)1700可向終端應用提供氫氣。反應室1722可配備有多個給水機構。例如，可將小型泵結合在反應器1702中，以使完全一次性反應器具有反應室、水和泵送系統(tǒng)。也可將該泵與反應器分開。具有獨立式泵的系統(tǒng)的一個實例為圖18所示的彈簧驅動系統(tǒng)。圖18示出了具有一體式反應室1802、供水器1814和“泵送系統(tǒng)” 1820的彈簧驅動反應器系統(tǒng)1800。反應器1802也可包括噴水裝置(如下參照圖25所述)。一個示例性彈簧驅動反應器系統(tǒng)包括推動滑動活塞1831并向水室1841 (包括供水器1814)施加壓力的彈簧1821。也可采用具有不同活塞方案(諸如，柔性材料、彈性體、波紋管或在向其整個部分施加壓差時進行移動的其它結構)的附加實施方式。就彈簧而言，小平臺區(qū)1851可與彈簧 1821的邊緣接觸，以將力分布在較大區(qū)域上。另外，被制造成單體組裝件2100的彈簧驅動反應器系統(tǒng)的實例在圖21中示意性地示出并在圖22A和23中圖示出。圖22B和M提供了單體組裝件2100中彈簧驅動反應器系統(tǒng)的分解圖。轉向圖18，隨著彈簧1821在水室1841中形成壓力，將水注入反應室1802中。氫隨著水與反應物燃料接觸而生成。因為生成了氫，這使反應室1802中形成了壓力，從而阻止了水的進入。在該實施方式中，給水機構為獨立取向。在圖18的反應器系統(tǒng)1800中，反應室1802為非獨立取向，因為水溶液會堵塞過濾器1890，從而在系統(tǒng)1800倒置時不會使氫通過。為了補償該情況，可通過多個吸收器來實施反應器膜系統(tǒng)(諸如，圖17中示為附圖標號1722的帶膜的反應室)。另外，可將止回閥1擬4設置在給水器1814和反應室1802之間。如果沒有此氫輸送系統(tǒng)，氫壓力因過壓向后推動彈簧1821，這又使過量水注入。止回閥的缺乏可形成振蕩系統(tǒng)。例如，圖19示出了無止回閥的系統(tǒng)中隨時間推移的示例性壓力響應。如圖19中的曲線圖所示，當將壓力均衡構件(諸如，止回閥)并入系統(tǒng)時振蕩壓力響應是明顯的。相比之下，圖20示出了利用止回閥的系統(tǒng)中隨時間推移的示例性壓力響應。圖20 中的壓力響應未呈現出振蕩響應，相反顯示出與彈簧壓力相關的穩(wěn)定衰退。另外如圖20所示，反應開始時的初始峰隨著將少量初始水注入反應器中而發(fā)生。 可使用水量限流器來削弱該效果，或者可增強該效果來形成暫時瞬態(tài)水平的高瞬態(tài)氫生成，以有利于燃料電池組吹掃。例如，除了止回閥1擬4外，可使用水量限制器來實施在重啟動條件下減慢水流的方法。在重啟動期間，瞬時氫壓力可降至極低值，從而進行可導致較大的反應峰值的注水?？蓪⑾蘖髌鞯墓δ懿⑷肱渌δ苤校苑乐勾诵Ч?。檢查有利于彈簧設計所決定的近似恒壓操作。也可使用針對止回閥特征的其它機構，諸如控制閥或調節(jié)器寸。在無源架構反應器系統(tǒng)中，可采用多種技術來進行噴水和配水。例如，如圖25所示，噴水裝置2515可為具有小分配孔2513的小直徑管。配水系統(tǒng)也可包括硅膠管2555中的孔網(可在反應器腔體2502內看到)。以上描述了關于噴嘴的孔距、尺寸和類型可變性。 另外，硅膠管2555結構的孔徑可提供附加柔性。如上所述，小孔可易于被產生的反應廢產物阻塞，因此使用硅膠管2555可使得壓力形成在阻塞物周圍疏通的較大孔，然后促使堵塞物從該孔中排出。也可使用其它配水機構，例如(諸如)硼硅酸鹽纖維以及其它水芯吸材料來將水分配在整個反應區(qū)中。可將這些配水技術與任何類型的泵或控制系統(tǒng)架構一起使
如圖18示意性地示出，兩部分反應器系統(tǒng)1800的一個實例包括一個初級部件或容器(諸如，反應器1802)中的反應物燃料1834，并且水溶液最初在另一個初級部件或容器 (諸如，水溶液筒1892)中。一旦反應結束，便可處理或再循環(huán)利用反應器1802，而水溶液筒 1892可由用戶重復使用并進行再加注。這兩個初級部件1802、1892被稱為“反應器和給水系統(tǒng)”。在圖18所示的實例中，完整氫生成系統(tǒng)由兩個核心部件(反應物燃料反應器1802 和水溶液筒1892)構成。這兩個單獨的筒1802、1892連接在一起，并且相互作用，以生成氫氣。作為另外一種選擇，如上所述，可通過進水閥將這兩個筒1802、1892簡單地連接在一起，而控制系統(tǒng)(如燃料電池系統(tǒng)、消費者終端產品等)提供了機械剛度，以將這些筒保持到位并由此將其釋放出來。此外，整個給水系統(tǒng)可位于控制系統(tǒng)內作為不可分離和/或可拆式部件。接口閥18M可位于反應器1802中、供給系統(tǒng)1892中和/或兩者中。當反應器 1802和給水器1892相連時，接口閥可能不會使氫壓力偏斜彈簧1821。這可通過將止回閥或控制開/關閥的器件并入接口閥18M中來實現。在一個單獨的實施方式中，如果接口閥 1824不提供此器件，則可采用單獨的器件(諸如采用起子或不會用氫氣對給水系統(tǒng)進行顯著加壓的其它機構來控制活塞組件)來防止彈簧反向移動。圖22- 示出了該系統(tǒng)實施方式中的示例性核心部件。如圖22B所示，將金屬彈簧2121用于水筒2192中，以產生壓力并提供了使水流入反應器筒中的方式。該實例中的金屬彈簧2121為減縮的錐形拉伸彈簧，但也可使用其它彈簧類型，諸如扭轉彈簧、鐘表彈簧、 倒錐狀錐形彈簧、壓縮彈簧以及其它?？蓪椈?121固定安裝至筒2192的底座2170以及柱塞2172上。此外，彈簧2121居中，以防止柱塞偏轉。圖22B中示出的柱塞2172具有一體化特征，以在柱塞2172滑動時進行導向和密封，但可采用其它水輸送設計。例如，如上所述，不同的實例可采用在壓縮下將水輸送至反應器的柔性“袋”。將止回閥2162和孔口 2164(圖23中示出)并入水筒2192和粉末(反應器)筒2102 之間的出水口。止回閥2162用于防止氫壓力對水筒2192進行再加壓，從而防止系統(tǒng)不穩(wěn)定性。在其它實例中，止回閥2162也可在水筒/反應器斷開時進行密封。在其它實例中，如果系統(tǒng)中形成了過壓，止回閥2162也可減輕壓力。孔口 2164用于限制水和反應器筒2102、 2192之間存在高壓差時反應器2102的水流量。如圖沈和27所示，在其它實施方式中，反應器和給水子系統(tǒng)可分離。例如，如圖 26所示，一個示例性實施方式采用了螺紋鎖定機構沈66來耦接兩個筒2102、2192。也可使用其它鎖定設計，諸如鎖定機構的棘爪或者進水口上的精細(10-32)內外螺紋。鎖定機構的螺紋不必對水或氫進行密封，并且可使用0形環(huán)或墊圈類型的密封件將水結合在反應器筒的接口中。該實例中的筒均為如上所述的薄壁壓力容器。反應筒可用耐堿腐蝕材料(諸如，鍍鎳鋁等)來構造。水筒可由輕金屬或工程塑料構造。水筒可具有可在其斷開或移除時防止水流動的鎖定機構。該鎖定機構可為需要用戶來干預水流動的機械插銷。作為另外一種選擇，反應器可包含閥門或停止水流動直到具有用戶交互裝置時的其它機構。示例性用戶交互裝置包括通過將筒插入燃料電池系統(tǒng)組件中的動作來起動的物理開關或閥門。另外，作為給水系統(tǒng)的一部分的彈簧可被構造為位于水的外側(圖27的實例中所示)或水的內側(圖觀中所示)。如果該彈簧位于水內側，可向水溶液加入緩蝕劑或者可適當地選擇彈簧材料以防止腐蝕。如圖29A和^B的實例所示，可使用多種不同的構造以在將水加入到反應器中的整個時間內保持接近恒定的水壓?？蛇x擇彈簧，因此實際移動距離相對于總壓縮距離而言較短。實現此的一種方法為使用如圖29A和29B所示的倒錐形彈簧?？蓧嚎s和倒置(如圖 29B所示)較長的未壓縮彈簧四21，從而該彈簧可平直地向下拉動，同時仍處于壓力下。這可使彈簧的壓縮容積最小，同時仍然提供必要的力。容積考慮因素
一些用戶可能需要具有盡可能小的容積的構造，并且使所有需要的水置于組裝件內， 以使用戶的操作復雜性最小化。在圖30A和30B示出的一個實例中，反應器容積3002最初很小，而當水溶液被排空并加至反應點時隨時間推移而增加。反應器容積3002開始處于極其壓縮的狀態(tài)。隨時間推移，使用活塞3072或類似的機構將反應器容積3002交換成給水器容積3014。其后的驅動力可為動態(tài)泵送機構、彈簧驅動機構或其它機構。在一個實施方式中，將系統(tǒng)設計成使得通過使用螺桿驅動活塞組件、伸展墊圈等使產生的氫壓力不會有助于輸水壓力的形成。在另一個實施方式中，將系統(tǒng)設計成使得通過將控制閥或壓力調節(jié)器用作輸水系統(tǒng)的一部分使產生的氫壓力不會有助于輸水壓力的形成。通過圖30B所示的彈簧驅動機構，示出了倒錐形彈簧3021，該彈簧可使給水器容積3014在反應結束時最小化，同時仍提供可接受的力，因為可將彈簧組件壓縮至接近平直，同時仍保持在未松弛狀態(tài)下。該方法使用了類似的活塞(或其它方法)、水溶液分配網、水溶液限流器以及一體化止回閥或功能相當的部件(未示出)。可采用將彈簧機械地鎖定到位或阻止水溶液流動的機構， 諸如閥門或其它機構。水溶液可在料筒外部流動，并且可通過活塞幾何結構輸送。也可將閥門、調節(jié)器或其它控制部件用在給水管線上。可采用幾何形狀和設計，使得僅彈簧施加的力進行排水。例如，可并入機構(諸如，螺紋接口)，使得氫壓力的瞬時增加不會轉換為水壓力的瞬時增加。可采用其它器件，諸如伸展波紋管和其它。另外，圖31-33示出了可用于系統(tǒng)(諸如，為膝上型計算機供電的燃料電池)中的較大料筒3100。通過如此描述本發(fā)明的基本概念，對本領域的技術人員而言是顯而易見的是上述詳細公開旨在僅以舉例的方式提出而不進行限制。雖然本文未明確說明，但各種改變、改進和修改將出現并且旨在供本領域的技術人員使用。這些改變、改進和修改據此被提出，并且在本發(fā)明的精神和范圍內。另外，處理元件或序列的所述順序，或者數字、字母或其它名稱的使用并非在于將所要求保護的方案限制為除權利要求書中規(guī)定的任何順序。因此，本發(fā)明僅受以下權利要求書及其等效形式限制。
權利要求
1.一種用于生成氫氣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括反應器，其包括溶液入口和氫排出口 ；反應物燃料，其被加入到所述反應器中；水溶液，其經由所述溶液加注入口加入到所述反應器中的反應物燃料中，以生成氫氣， 所述氫氣經由所述氫排出口輸送至工業(yè)應用。
2.根據權利要求1所述的生成氫氣的系統(tǒng)，其中所述反應物燃料包括鈉硅化物粉末或鈉硅膠中的至少一種。
3.根據權利要求1所述的生成氫氣的系統(tǒng)，其中所述水溶液還包含選自共反應劑、絮凝劑、緩蝕劑、熱物理性添加劑、堿、酸或其混合物中的至少一種的添加劑。
4.根據權利要求1所述的生成氫氣的系統(tǒng)，其中所述反應物燃料還包含添加劑，所述添加劑包括共反應劑、絮凝劑、緩蝕劑、熱物理性添加劑、酸、堿或其混合物中的至少一種。
5.根據權利要求1所述的生成氫氣的系統(tǒng)，其中所述反應物燃料在所述水溶液之前預先加入到所述反應器中。
6.根據權利要求1所述的生成氫氣的系統(tǒng)，還包括過濾所述生成的氫氣的氫分離膜。
7.根據權利要求1所述的生成氫氣的系統(tǒng)，其中所述工業(yè)應用為燃料電池。
8.根據權利要求1所述的生成氫氣的系統(tǒng)，還包括將來自所述氫排出口的所述生成的氫氣中存在的水冷凝的冷凝器。
9.根據權利要求1所述的生成氫氣的系統(tǒng)，還包括向所述溶液加注入口提供所述水溶液的外部供應源。
10.根據權利要求1所述的生成氫氣的系統(tǒng)，還包括化學過濾器、干燥劑過濾器、粗介質過濾器、干燥過濾器或二次反應室中的至少一個。
11.根據權利要求1所述的生成氫氣的系統(tǒng)，還包括壓力傳感器、安全閥、氫密封止回閥、風扇、熱交換器或反應器冷卻源中的至少一個。
12.根據權利要求1所述的生成氫氣的系統(tǒng)，還包括用于再循環(huán)反應廢液并使所述再循環(huán)的反應廢液返回到所述反應器中的回收容器。
13.根據權利要求1所述的生成氫的系統(tǒng)，其中所述反應器包括多個溶液入口。
14.根據權利要求1所述的生成氫的系統(tǒng)，還包括手動泵、蓄電池供電泵或外部供電泵中的至少一個，以將所述水溶液加入到所述反應器中的反應物燃料中。
15.根據權利要求1所述的生成氫的系統(tǒng)，其中所述反應器被構造用于處理、分離或再利用中的至少一種。
16.根據權利要求1所述的生成氫的系統(tǒng)，還包括被構造用于再加注或移除中的至少一種的水溶液容器。
17.根據權利要求1所述的生成氫的系統(tǒng)，其中所述水溶液經過化學過濾器或顆粒過濾器中的至少一個，以生成氫。
18.根據權利要求1所述的生成氫的系統(tǒng)，還包括監(jiān)測裝置，其監(jiān)測在所述反應器中所述反應物燃料與所述水溶液的反應的至少一個參數，其中所述監(jiān)測裝置監(jiān)測所述反應器中的溫度、電導率、反應器中的壓力、反應重量、反應物燃料的未反應量、反應實耗時間、反應器中的水溶液量、加入的水溶液量或待加入到反應器中的最大水溶液量中的至少一個。
19.根據權利要求18所述的生成氫的系統(tǒng)，還包括反應控制裝置，其改變溫度、電導率、壓力或反應重量中的至少一個，方式為通過進行將附加反應物材料加入到所述反應器、將附加水溶液加入到所述反應器、將廢產物從所述反應器中除去、冷卻所述反應器、加熱所述反應器、將所述反應物材料和所述水溶液的化合混合或者對所述反應器進行排放以降低所述壓力中的至少一個。
20.根據權利要求18所述的生成氫的系統(tǒng)，還包括顯示裝置，其用于顯示所述反應的至少一個監(jiān)測參數。
21.根據權利要求1所述的生成氫的系統(tǒng)，其中所述反應器經預加壓以有利于快速啟動反應應用。
22.根據權利要求1所述的生成氫的系統(tǒng)，其中所述反應器被構造為容納并機械地固定可拆蓋，使得所述反應器和所述可拆蓋可重復使用。
23.一種生成氫氣的方法，所述方法包括將反應物材料插入反應器中；將水溶液經由溶液加注入口加入到所述反應器中的反應物材料中，以生成氫氣；以及將所述反應器中的所生成的氫氣經由氫排出口輸送至工業(yè)應用中。
24.根據權利要求23所述的生成氫氣的方法，其中所述反應物材料包括鈉硅化物粉末或鈉硅膠中的至少一種。
25.根據權利要求23所述的生成氫氣的方法，其中所述水溶液還包含選自共反應劑、 絮凝劑、緩蝕劑、熱物理性添加劑、酸、堿或其混合物中的至少一種的添加劑。
26.根據權利要求23所述的生成氫氣的系統(tǒng)，其中所述反應物燃料還包含添加劑， 所述添加劑包括共反應劑、絮凝劑、緩蝕劑、熱物理性添加劑、酸、堿或其混合物中的至少一種。
27.根據權利要求23所述的生成氫氣的方法，還包括用氫分離膜過濾所述生成的氫氣。
28.根據權利要求23所述的生成氫氣的方法，其中所述工業(yè)應用為燃料電池。
29.根據權利要求23所述的生成氫氣的方法，還包括將來自所述生成的氫氣中的水冷凝。
30.根據權利要求四所述的生成氫的方法，還包括將所述冷凝水再循環(huán)至所述反應器或水回收容器中的至少一個中。
31.根據權利要求23所述的生成氫的方法，其中將所述水溶液加入到所述反應器中的反應物材料中通過使用多個溶液入口來進行。
32.根據權利要求23所述的生成氫的方法，其中將所述水溶液加入到所述反應器中的反應物材料中通過使用手動泵、蓄電池供電泵或外部供電泵中的至少一個來進行。
33.根據權利要求23所述的生成氫的方法，其中所述水溶液經過化學過濾器或顆粒過濾器中的至少一個，以生成氫。
34.根據權利要求23所述的生成氫的方法，還包括評估在所述反應器中所述反應物材料與所述水溶液的反應的至少一個參數，其中所述評估包括監(jiān)測所述反應器中的溫度、電導率、反應器中的壓力、反應重量、反應物材料的未反應量、反應實耗時間、反應器中的水溶液量或者待加入到反應器中的最大水溶液量中的至少一個。
35.根據權利要求34所述的生成氫的方法，還包括當溫度、電導率、壓力、反應重量、反應物材料的未反應量、反應實耗時間、反應器中的水溶液量或者待加入到反應器中的最大水溶液量中的至少一個不在允許所述反應繼續(xù)進行的確定范圍之內時，控制由在所述反應器中所述反應物材料與所述水溶液的化合所建立的反應。
36.根據權利要求35所述的生成氫的方法，其中控制所述反應包括進行將附加反應物材料加入到所述反應器、將附加水溶液加入到所述反應器、將廢產物從所述反應器中除去、冷卻所述反應器、加熱所述反應器、將所述反應物材料和所述水溶液的化合混合或者對所述反應器進行排放以降低所述壓力中的至少一個。
37.根據權利要求34所述的生成氫的方法，還包括 將所述監(jiān)測的系統(tǒng)特性顯示在系統(tǒng)顯示裝置上。
38.根據權利要求23所述的生成氫的方法，還包括過濾所述反應物材料、所述水溶液、所述氫氣或所述反應廢產物中的至少一種。
39.根據權利要求38所述的生成氫的方法，其中所述過濾通過使用透液性篩網來進行，以從未反應的反應物材料和水溶液中分離廢產物。
40.根據權利要求38所述的生成氫的方法，其中所述過濾通過使用氫分離膜、化學過濾器、干燥劑過濾器、粗介質過濾器、干燥過濾器或二次反應室中的至少一個來進行。
41.根據權利要求40所述的生成氫氣的方法，還包括用所述水溶液的一部分來清洗氫分離膜、化學過濾器、干燥劑過濾器、粗介質過濾器、 干燥過濾器或二次反應室中的至少一種。
42.根據權利要求41所述的生成氫的方法，還包括將所述水溶液的部分引向所述反應器的區(qū)域，以回收由所述反應物材料和所述水溶液的化合所產生的廢產物。
43.根據權利要求42所述的生成氫的方法，還包括 將所述水溶液的部分加入到所述二次反應室；以及使所述生成的氫氣通過所述水溶液的部分。
44.根據權利要求23所述的生成氫的方法，還包括使所述生成的氫通過所述水溶液，以進行顆粒收集、化學過濾、濕化或冷凝中的至少一種。
45.一種整裝式氫生成機構，其包括反應物燃料、液體溶液和加壓供液裝置。
46.根據權利要求45所述的整裝式氫生成機構，其中所述反應物燃料包括鈉硅化物或鈉硅膠。
47.根據權利要求45所述的整裝式氫生成機構，其中所述加壓供液裝置通過彈簧加壓。
48.根據權利要求47所述的整裝式氫生成機構，其中所述彈簧為倒錐狀錐形彈簧，其被構造為在基本上將所有液體供至所述反應物燃料時保持液體壓力，并且還被構造為在供液期間基本上消除液體壓力變化。
49.根據權利要求45所述的整裝式氫生成機構，其中所述整裝式氫生成機構為料筒組件，其可分成一次性反應器和可重復使用的供液組件。
50.根據權利要求49所述的整裝式氫生成機構，其中所述可重復使用的供液組件為由另一裝置進行結合、限制或容納中的至少一種。
51.根據權利要求45所述的整裝式氫生成機構，還包括液體限制機構，其被構造為限制所述液體流動，并且還被構造為抑制瞬態(tài)條件下的氫生成率。
52.根據權利要求51所述的整裝式氫生成機構，其中所述液體限制機構包括閥門或孔口中的至少一個。
53.根據權利要求47所述的整裝式氫生成機構，還包括將所述反應物燃料與所述加壓供液裝置分離的控制閥或止回閥中的至少一個，其中所述至少一個控制閥或止回閥被構造為防止在瞬態(tài)條件下氫壓力反壓所述彈簧。
54.根據權利要求47所述的整裝式氫生成機構，還包括控制裝置，其被構造為防止彈簧在氫生成期間反向移動。
55.根據權利要求45所述的整裝式氫生成機構，還包括容積交換裝置，其被構造為在反應器容積和供液體積之間進行容積交換。
56.根據權利要求55所述的整裝式氫生成機構，其中所述容積交換裝置包括活塞或袋組件中的至少一個。
57.根據權利要求56所述的整裝式氫生成機構，其中所述生成的氫壓力不會有助于形成水壓。
58.根據權利要求57所述的整裝式氫生成機構，其中所述生成的氫壓力通過機械裝置來抑制。
59.根據權利要求57所述的整裝式氫生成機構，其中所述形成的輸水壓力通過閥門或調節(jié)器中的至少一個來控制。
60.根據權利要求49所述的整裝式氫生成機構，其中所述整裝式氫生成機構被構造為可重新密封。
61.根據權利要求38所述的整裝式氫生成機構，還包括止動機構，其在所述整裝式氫生成機構處于非工作期間時防止供液，其中所述止動機構為插銷、插頭、障礙物、棘輪、閥門或觸發(fā)器中的至少一種。
62.根據權利要求45所述的整裝式氫生成機構，其中所述液體溶液包括水。
63.根據權利要求45所述的整裝式氫生成機構，還包括閥門，其被構造為需要用戶操作來弓I發(fā)液體流動。
64.根據權利要求48所述的整裝式氫生成機構，還包括手柄，其被構造為接合所述供液裝置，以在拉動所述手柄時吸入液體并對所述彈簧重新加壓。
65.一種在整裝式氫生成裝置中生成氫的方法，所述方法包括加壓供液裝置；以及用所述供液裝置將液體溶液與反應物燃料化合，以生成氫。
66.根據權利要求65所述的在整裝式氫生成裝置中生成氫的方法，其中所述整裝式氫生成裝置容納供給的液體，以進行清洗或重復使用所述供液裝置中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了混合反應物材料和水溶液來生成氫的系統(tǒng)、裝置及方法。所述反應物材料可為鈉硅化物或鈉硅膠。所述氫生成裝置用于燃料電池和其它工業(yè)應用中。一種系統(tǒng)結合冷卻、泵送、儲水和其它裝置來感測和控制反應物材料和水溶液之間的反應以生成氫。不同布置幾何形狀的多個入口將水溶液輸送至所述反應中。攪拌所述反應物材料和水溶液以控制所述反應的狀態(tài)?？稍傺h(huán)所述水溶液并將其返回到所述反應中。一種系統(tǒng)在一定范圍的溫度和壓力條件下運行，并且包括氫分離器、排熱機構和反應狀態(tài)控制裝置。所述生成氫的系統(tǒng)、裝置及方法提供了熱穩(wěn)定固體、與所述水溶液進行的近即時反應以及無毒液體副產物。
文檔編號B01J7/00GK102448600SQ201080023688
公開日2012年5月9日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權日2009年3月30日
發(fā)明者P. 華萊士 A., 梅拉克 J., 勒芬費爾德 M. 申請人:西格納化學有限責任公司