固体氢反应系统和氢气放出方法与流程

氢可以是用于以在发动机中进行燃烧或经由化学反应将化学能转化为电能(诸如在燃料电池中)的方式形成可消耗能量的燃料。在前述实例中，氢燃料典型地以气态形式供应。为了在此类系统中长时间地产生可消耗能量，大量氢气以及因此大量势能可被存储以供消耗。

用于氢的能量存储系统可以包括气体储罐，并且可以经构造以在接近700巴的高压下保存氢气，以便为特定能量消耗需要而存储足量氢气。高压能量存储系统(诸如在接近700巴的压力下存储氢气的那些)必须包括被设计用于处置或解决此类高压的更稳固的部件。另外，氢可以以液体形式进行存储，然而，需要非常低的温度来维持液体形式和维持适当压力。

技术实现要素：

在一个方面，本发明的实施例涉及一种固体氢反应系统，所述固体氢反应系统包括反应器，所述反应器具有主体，所述主体具有第一端和第二端，其中所述第二端比所述第一端宽，并且其中所述主体限定反应腔室，所述反应腔室具有从所述第一端朝向所述第二端不断增加的横截面积。所述系统还包括：入口，所述入口设置在所述主体的所述第一端处以将所述反应腔室耦接到反应物；以及盖件，所述盖件可选择性地安装到所述第二端以选择性地关闭所述反应腔室。所述反应腔室经构造以接收氢存储固体并接收在所述入口处引入到所述反应腔室的反应物或热量以开始化学反应，以便从所述氢存储固体释放氢气。

在另一方面，本发明的实施例涉及一种固体氢反应系统，所述固体氢反应系统包括反应器，所述反应器限定反应腔室并且具有第一端和较宽的第二端以限定从所述第一端朝向所述第二端增加的横截面积，所述第二端沿着纵向轴线与所述第一端间隔开。所述反应腔室经构造以容纳氢存储固体，使得化学反应在所述反应腔室内发生并且氢气从所述氢存储固体放出。

在又一方面，一种放出氢气的方法包括：(1)在反应器内提供氢存储固体，以在具有窄的第一端和宽的第二端的反应腔室内限定不断增加的横截面积；(2)将反应物或热量中的一者引入到所述反应腔室内以引发与所述氢存储固体的化学反应；以及(3)沿着所述反应腔室从所述窄的第一端朝向所述宽的第二端来维持所述化学反应。

附图说明

在附图中：

图1是根据本文所述的各个方面的飞行器和配电系统的俯视示意图。

图2是具有氢存储系统的燃料电池的操作的示意图，所述燃料电池可用于图1的飞行器。

图3是反应器的剖视图，所述反应器可以是图2的氢存储系统。

图4是图3的反应器的部分分解图。

图5是固态氢化学反应的示意图。

图6是图4的反应器的侧视图，其示出了反应前沿的方向。

图7是示出从固体氢存储系统释放氢气的方法的流程图。

具体实施方式

本发明涉及使用热量或液体反应物从固体材料产生氢气。此系统的一个非限制性实例可包括使用氢作为燃料以产生可消耗能量(例如以在发动机中进行燃烧或经由化学反应从化学能转化为电能的方式)的环境。虽然此描述是主要针对用于提供氢气以转化成电能来为飞行器的电力系统供电的氢存储系统，但是本公开的实施例可适用于任何固态传送系统。本公开可适用于产生应急动力或提供氢气以在其他非应急操作(诸如起飞、着陆或巡航飞行操作)中产生独立或补充电力。

如图1所示，飞行器10被示出有至少一个燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机被示出为左发动机系统12和右发动机系统14。或者，动力系统可以具有更少或更多发动机系统。左发动机系统12和右发动机系统14可以是基本相同的，并且还可以包括至少一个电机，诸如发电机18。飞行器被示出为还包括多个功率消耗部件或电负载20，例如致动器负载、飞行临界负载和非飞行临界负载。电负载20经由配电系统(例如，母线22)与至少一个发电机18电耦合。在飞行器10中，运行的左发动机系统12和右发动机系统14提供机械能，所述机械能可以经由卷轴提取，以为发电机18提供驱动力。发电机18又将所产生的功率提供给母线22，母线将功率传送到电负载20以进行负载操作。

飞行器10或动力系统可以包括用于向电负载20提供功率的附加电源，并且可以包括附加电源16、冲压空气涡轮机系统、起动机/发电机、电池、超级电容器等。对飞行器10、附加电源16、发动机12、14、发电机18、电负载20和母线22的描述仅作为一个非限制性实例示意性飞行器10构型而提供，而不旨在将本公开的实施例限制于任何特定飞行器10或操作环境。应当理解，尽管本发明的一个实施例被示出为在飞行器环境中，但是本发明并不限于此，并一般适用于非飞行器应用中的电力系统，诸如其他移动应用和非移动工业、商业和住宅应用。

另外，虽然已经用飞行器的相对位置来说明各种部件(例如，靠近飞行器10的头部或驾驶舱的附加电源16)，但是本公开的实施例不限于此，并且部件不基于它们的示意性描绘而限制于此。例如，附加电源16可以位于飞行器10机翼、尾段、或朝向飞行器机身的后部更远的位置。也设想了其他飞行器构型。

图2示出了根据本文所述的各个方面的附加电源16的操作的示例配置，所述附加电源被示出为燃料电池系统24。燃料电池系统24包括燃料电池26，所述燃料电池包括由电解质32分开的阳极28(燃料电池26的正极侧)和阴极30(燃料电池26的负极侧)，所述电解质允许带正电荷的氢离子33在阳极28与阴极30之间移动。燃料电池26可包括与阳极28和阴极30电耦合的电压输出34以提供在阳极28和阴极30之间产生的电流或电力。例如，电压输出34可以例如为由代表性的单个负载20示出的一个或多个电负载20供电。

燃料电池系统24另外包括氢存储系统36，所述氢存储系统包括与燃料电池26的阳极28连通的一组氢存储单元47，使得氢存储系统36可以将氢气38提供到阳极28。应当理解，“一组”可以包括任何数量，包括仅一个。一个或多个氢存储单元47可以经构造以独立于其他单元47或与其同时提供氢气38，如基于燃料电池系统24的氢气38需要或需求而设计。氢存储系统36可以可选地包括控制器模块37，所述控制器模块经构造以控制存储系统36的操作或该组氢存储单元47的操作，这将在下文进一步解释。燃料电池系统24还可包括经构造以向燃料电池26的阴极30提供氧气42的氧源40和用于从燃料电池26的阴极30移除水46的出水口44。虽然描绘的是氧源40，但是也可包括其他氧源，诸如环境空气。

燃料电池系统24可以可选地包括中间氢气存储单元39(以虚线示出)，所述中间氢气存储单元经构造以存储已经由氢存储系统36或氢存储单元47提供的氢气38或过量氢气38。可以包括燃料电池系统24的各个构型，其中氢气38仅通过可选中间氢气存储单元39供应到阳极28。中间氢气存储单元39的一个非限制性实例可以包括加压储罐。

阳极28或阴极30还可包括一种或多种催化剂，所述催化剂导致、促进或促使氢气38发生氧化反应以产生氢离子33和电子。离子33然后可以横贯电解质32，同时电子被吸引到电压输出34或电负载20。此意义上，燃料电池26可以产生直流(DC)。在阴极30处，氢离子33、电子和氧气42形成水46，所述水通过出水口44从燃料电池26移除。

阳极28和阴极30可从具有电位差的各种导电材料中选择并且经构造以产生上述化学反应。特定阳极28或阴极30材料与本发明无密切关系。另外，电解质32可以选自经构造以用于燃料电池26操作的各种电解质材料，包括但不限于质子交换膜型燃料电池(PEM燃料电池、或PEMFC)或固体氧化物型燃料电池。另外，虽然燃料电池26被示意性地示出为具有一个阳极28、一个阴极30和一个电解质32的单个“电池”，但是本公开的实施例也被设想为其中单独电池被“堆叠”或串联地放置以形成所期望的电压输出34，所述期望的电压输出经构造以满足特定操作要求。例如，可需要附加电源16以270VDC传送DC电力。也设想了附加或替代的功率操作要求，其中例如多个堆叠的燃料电池26可并联地构造以提供附加电流。此外，虽然所示的实施例描述DC电压燃料电池系统24，但是本公开的实施例同等地适用于经构造以例如通过逆变器系统提供交流(AC)电压输出的燃料电池系统24。

参看图3，一定体积的氢存储固体可被存储在可以是锥形反应器60的氢存储系统36中。反应器60可以具有主体61，所述主体具有窄的第一端62和宽的第二端64，其中宽的第二端64相较窄的第一端62来说更宽。主体61可以具有侧壁65，所述侧壁限定宽度67，所述宽度在从第一端62朝向第二端64的方向上增加。反应腔室66被限定于窄的第一端62与宽的第二端64之间。应理解，锥形反应器60是示例性的并且将在本文中用来促成对本发明的理解。在替代实施例中，反应器可以具有从第一端62朝向第二端64增加的横截面积，但是在非限制性实例中，可以弓形方式增加，使得侧壁65是弓形的，从而限定凹形或凸形轮廓。可构想出任何此类反应器60，这种反应器具有第一端62和第二端64，使得第二端64比第一端62宽以限定从第一端62朝向第二端64增加的横截面积。此类增加的横截面积可连续地或非连续地增加。

第一端62可以用具有入口70的插塞68来密封。入口70可与反应腔室66流体耦接并且经构造成将反应物如水或蒸气传送到反应腔室66。反应物可以在由入口70提供之后分散在反应腔室66内。

第二端64可被具有出气口74的封盖72封闭。出气口74可以包括经构造以将位于反应腔室66中的氢气传送到燃料电池系统24、中间氢气存储单元39或燃料电池26的端口。出气口74的实施例还可经构造以使得仅氢气被允许穿过出口74。例如，出气口74可以包括经构造以允许仅氢气渗透膜的可透气膜等。此意义上，将阻止可位于反应腔室66中的其他材料(包括但不限于蒸气或水)穿过出气口74。

一个或多个热棒76可以设置或安装在反应腔室66内，以便将热量均匀地分散在反应腔室66内。另外，主体61可被绝缘层78包封，从而防止在预热期间或在反应期间的热量损失。

应理解，或者，第一端62可被密封。因此，将不存在用来传送要分散在反应腔室66内的反应物的入口70。在此替代实例中，可以将热量施加到反应腔室66以引发化学反应。

参看图4，部分分解图还示出了包括在反应器60中的元件。在反应之前，可将氢存储固体80放置在反应腔室66内，所述反应腔室在窄的第一端62处由插塞68封闭。热棒76也可被安装在其中，由封盖72密封在反应腔室66内。氢存储固体80可以是粉末或其他可延展材料。这促成氢存储固体80和热棒76的布置。

绝缘层78可围绕主体61而滑动并且可以包括适于接收入口70的孔隙82和适于邻接插塞68的底表面84。

图5示出了可发生在反应腔室66中以释放一定体积的氢气38的示例化学反应98。所示实例使用氢化锂与氢氧化锂和氢氧化锂一水合物(LiOH.H2O)的混合物。在替代实施例中，可使用任何金属氢化物诸如氢化镁来代替LiH作为氢存储固体80。应理解，图5将参考组合以产生图5中所示的整个反应的个别反应来描述。整个反应表示发生在反应器60内以放出一定体积的氢气的反应。

在106处，可以将热量引入氢存储固体，从而将LiOH.H2O分解成LiOH和H2O以引发化学反应。或者，在100处，可经由入口70引入反应物(诸如水或蒸气)以开始反应。

在室温下，LiH易于与水(H2O)反应。例如，H2O可经由入口70引入以开始反应，并且在102处产生LiOH，在104处产生氢(H2)，如以下方程式(1)所示：

基础反应方程式(1)产生氢气以及LiOH或LiOH.H2O。如果反应温度保持低于100摄氏度(℃)，那么LiOH.H2O就会形成。LiOH.H2O的形成将需要附加的水以维持以下方程式(2)所示的反应：

为了避免LiOH.H2O形成，反应腔室66应通过外部加热来保持高于100℃。或者，反应腔室66的温度可通过由基础反应产生的热量而升高到高于100℃。产生的热量的浓度(即，局部加热效果)主要由反应腔室66的形状决定。在利用反应物的实例中，使用水作为蒸气避免因水的相变以及因LiOH.H2O的可能形成而造成压力和体积增加。随着化学反应继续，在约400℃下，化学混合物108中包含的LiOH和基础反应102的LiOH双产物将分解以继续产生水来维持以下方程式(3)所示的反应：

因此，整个反应可由以下方程式(4)表示：

因此，在104处的H2和在110处的氧化锂(Li2O)仍然是反应的产物。每摩尔反应物会将释放约20千焦(kJ)的能量。然而，为了维持反应将反应物加热到400℃需要31kJ的能量，并且需要将功率输入到反应器60内。所供应的功率可以用来控制H2生产速率。所需功率表示用H2供能的PEM燃料电池(诸如燃料电池26)的最终功率输出的约9％。为了减少此负担而同时维持对H2生产的控制，可将在106处将LiOH.H2O加入反应。LiOH.H2O以比LiOH低得多的能量分解。因此，LiOH与LiOH.H2O的比率可确定是否需要热量来维持化学反应，或热量是否是由所述反应释放。因此，当在反应中利用LiOH.H2O时，实现了所需能量的净减少而不折损H2产量。

因此，LiOH、LiH和LiOH.H2O的比率允许反应器60被设计为范围为从11千焦/摩尔(kJ/mol)的待输入能量至22kJ/mol的总体过量能量，所述能量中的一些可以用来补偿热量损失。假设没有总体热量损失，则LiOH与LiOH.H2O的比率可以是约7比1。因此，以下方程式(5)表示整个反应：

在7比1的比率下，所得的净输出将为约30瓦(W)，从而不对燃料电池26造成负担。在8比1的LiOH与LiOH.H2O的比率下，燃料电池26的负担将为约2.5％。整个反应不考虑引发反应的初始热量输入，所述初始热量输入将具有6kJ/mol的最大需求，对燃料电池26造成的负担较小。

应理解，虽然图5中所示的化学反应98可在引入反应物如水的情况下引发，但是还应理解，反应可在引入例如入口70处提供的热量的情况下引发。在热量引发反应98的情况下，所有的反应物都存在于反应器60内。例如，水可以作为LiOH.H2O存储。引入热量开始反应以放出一部分水来在初始引入热量之后维持反应。另外，应理解，反应器60的锥形状仅需要少的初始热量来开始反应98。锥形反应器60的扩展尺寸用于在少量引入初始热量时维持化学反应98。

现在参看图6，将讨论可如何将示例性反应98适当地维持在反应器60内。反应98可通过经由入口70在第一端62处引入反应物如水或蒸气而开始。或者，在第一端62初始引入热量可以引发化学反应。在引发反应之前，可预热反应器60以促成反应98的维持。当来自反应的热量增加时，如果系统正在产生热量并且需要移除这种热量，那么热棒76可以耗散反应腔室66内的额外热量。

当反应发生时，以阴影实线示出的反应前沿120沿着穿过反应器60的轴向中心的纵向轴线122从第一端62朝向第二端64延伸。反应器60的环形侧壁65限定环形侧壁65与纵向轴线122之间的反应器角度126。

反应器角度126结合LiOH.H2O与LiOH比率可以确定系统是否产生热量或需要热量来维持反应98。较大反应器角度126将需要更多的热量，而较小反应器角度126将产生热量。因此，在产生热量的系统内，可通过冷却系统来控制反应98。提供的冷却量可以减慢反应直至达到反应98将不再自我维持的点。或者，对于需要加热的系统，增加供应的热量并通过热棒76来耗散热量可以增加反应速率。移除热源将使反应98最终停止。热棒76可用于在系统内均匀地分配热量，从而产生均匀、轴向移动反应，同时使维持反应所需的LiOH.H2O的量最小化，从而使总体功率输入最小化，由此使氢存储固体80的总体重量最小化。

反应器60的锥形形状使开始反应98所需的初始热量输入的量最小化。在第一端62处加热少量使用的能量比加热大量的少，因此在第一端62处施加热量使引发反应的热量的量最小化。然后基于扩大的量和LiOH.H20与LIOH的比率来维持反应。随着反应98朝向第二端64移动，反应器60的扩大的横截面积有利于增加热能。可以维持最佳内部压力和温度。当发生放热反应98时，一定体积的材料膨胀并且锥形设计允许反应物膨胀。另外，反应器60的锥形设计还允许容易地移除固体副产物。

第一端62和第二端64可由彼此之间的横截面积的比率限定。此比率可用来控制化学反应98发生的速率。设想的是，第一端62与第二端64的比率可小至4:5，或可大至1:6。较大比率诸如1:6将需要较高的初始热量输入以引发反应或高LiOH.H2O比率，并且将因朝向第二端64的膨胀速率而更难控制。较小比率诸如4:5需要较低的初始热量来维持反应，并且相较较大比率来说更易控制。

在发生反应后，可通过移除封盖72、移除反应的任何剩余产物并替换氢存储固体80来容易地进行维护。另外，反应器60的清洁和维护可通过移除封盖72或甚至整个反应器组件60来快速且容易地完成。

参看图7，从固体氢存储系统放出氢气的方法140可使反应器60具有增加的横截面积，从而限定反应腔室66，所述反应腔室中存储有氢固体80。在142处，可以在窄的第一端62处将热量引入到反应腔室内以引发与氢存储固体的化学反应98。或者，可以将反应物(诸如水或蒸气)引入到反应腔室66内以引发化学反应98。或者，可在第一端62处将热量供应到反应腔室66以引发反应。将理解，化学反应98还可通过在142处引入热量结合引入反应物来引发。

在144处，可以沿着反应器60的纵向轴线122从窄的第一端62朝向宽的第二端64来维持化学反应98。维持化学反应98可以包括加热反应腔室66，或可以包括从所述反应腔室移除热量，诸如通过使用热棒76。因此，化学反应98可通过加热或冷却反应器60来维持，以便根据需要减慢、加快或进一步维持反应98。反应器60的锥形状有利于维持化学反应98，而对燃料电池26或系统输入的总体负担则最小。在146处，化学反应98的产物H2可被提取并且可在燃料电池26中的其他地方使用(图2)。

本文公开的实施例提供了一种用于从氢存储固体释放氢气的方法和设备。技术效果在于上述实施例使得能够根据本文所述的设计考虑和操作特性来控制氢气放出。在上述实施例中可实现的一个优点是上述实施例具有优异的氢放出能力，而没有关于在高压下存储气态氢的安全顾虑。氢的固态存储使氢存储系统的势能最小化，消除在高压存储下氢气泄漏的可能性，并确保所存储的氢的寿命。所存储的氢气的寿命使得以更少的维护操作来维护整个系统。

上述反应器使得能够使用高放热反应的热能实现平衡以补偿系统损失和吸热分解反应所需的热量，从而获得高氢产量。机械设计利用少量附加热量来控制氢气产生速率。另外，反应器还通过可能使反应腔室过度加压的反应膨胀来防止形成堵塞。

另外，由于本公开的上述实施例在低压下操作，因此不需要高压氢基本设施，从而降低制造和认证成本。因此，氢气按需供应能力提供更安全的处置、更低压力系统和控制化学反应的多种方法，从而确保低压环境。

上述实施例的另一优点是个体化的氢存储单元连同所述单元的选择性控制使氢存储系统可扩展用于所供应的氢气的量，从而使大小和重量可有效性地满足需要。另外，氢存储固体(诸如如本文所述的存储具有化学键的氢的金属氢化物)具有高氢存储能力，从而提供高重量的存储氢和较低的系统总重量。另外，消除与氢的液体或气体存储有关的问题，诸如泄漏。在又一优点中，可单独地更换不可逆或不可再装填的氢存储固体，如本文所述。在设计飞行器部件时，要解决的重要因素是大小、重量和可靠性。上述氢存储系统减轻重量、缩小大小、提高性能并提高系统可靠性。固态的氢的稳定存储减少维修需求并将使产品成本降低并使运行成本降低。减少的重量和大小与飞行期间的竞争优势相关联。

在又一优点中，利用锥形反应腔室内的氢存储固体通过增加反应大小来防止形成堵塞，从而使反应腔室的过度加压最小化。此外，增加反应腔室的宽度为在反应期间的反应物和所得产物的膨胀提供了空间。增加的横截面积为化学反应的引发提供了小横截面积。此小横截面积减少了所需的初始热量输入并减少了维持化学反应所需的寄生能量的量。

在又一优点中，可利用反应腔室的成形来微调或控制反应。反应腔室的横截面积的增加速率越大，就将需要越大的热量输入或越高的LiOH.H2O与LiOH比率，而越低的速率需要越少的热量或越低的LiOH.H2O与LiOH比率。此速率可提供用于将反应微调成需要更多或更少的热量、或甚至产生热量。

在尚未描述的程度上，各种实施例的不同特征和结构可根据需要彼此组合使用。一项特征未在所有实施例中展示不表示可解释为其无法用于所有实施例，这只是为了使说明简洁。因此，不同实施例的各种特征可以根据需要组合和匹配，以形成新的实施例(无论该新实施例是否被明确说明)。本公开涵盖本文所描述特征的所有组合或排列。

本书面描述使用各个实例来公开本发明，包括最佳模式，同时让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统及执行任何所结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书界定，并且可包括所属领域中的技术人员得出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的覆盖范围内。