用于产生氢气的设备的制作方法

本发明整体涉及氢气产生设备及其方法，并且更具体地讲，涉及通过将反应物受控注入反应室而产生氢气的这种设备和方法。

背景技术：

燃料电池发电系统通过氢气和空气的反应发电，并且可以为需要恒定电力供应的车辆、机器和其他设备提供电力。氢气源通常原位储存，这需要麻烦且昂贵的加压罐。当应用于车辆或其他移动机器时，问题扩展到储罐的额外重量和储罐所需的空间。对此问题的一个解决方案是靠近燃料电池现场产生氢气，使得只需要储存最少的氢气或无需储存氢气。

可以通过将氢气与诸如化学氢化物之类的源材料分离的化学反应来产生氢气。与氢气相比，化学氢化物储存更安全。存在各种从氢化物产生氢气的解决方案，并且其中大多数使用容纳一定量化学氢化物的某种反应室。然后将诸如水之类的液体注入该反应室，随后发生的化学反应产生氢气。

这些氢气产生系统的一个问题是，一旦化学氢化物燃料耗尽，大多数情况下必须移除反应室。然后在某些情况下用化学氢化物重新填充，并重复使用。然而，在某些情况下，昂贵的反应室不能重复使用，而是被丢弃。在这些情况中的任一种情况下，用完整的反应室替换空的反应室可能是麻烦且繁琐的。

在另一种已知的解决方案中，不移除反应室，而是现场加入反应物。这带来了其自身的问题，其中最大的问题是难以将反应物加入反应室，以及这样做所需的时间。时间因素在诸如乘用车之类的应用中尤为重要。在加注站等待超过几分钟通常会使其变得不可行。

所有上述解决方案共有的问题是难以精细控制化学反应。取决于反应室的几何形状，化学氢化物的体积随着其消耗而改变，因此使得反应速率并因此使得产生的氢气量难以控制。准确控制反应速率对于实现最佳的化学反应和有效的氢气产生也是重要的。

技术实现要素：

技术问题

在通过两种或更多种反应物之间的化学反应实现的氢气产生设备中，反应室需要连续补充反应物。

在通过两种或更多种反应物之间的化学反应实现的氢气产生设备中，反应室具有有限的储存反应物的体积。

在通过两种或更多种反应物之间的化学反应实现的氢气产生设备中，预填充的反应室具有有限的有效产生氢气的体积和几何形状。

在通过两种或更多种反应物之间的化学反应实现的氢气产生设备中，需要保留昂贵的反应室。

在通过两种或更多种反应物之间的化学反应实现的氢气产生设备中，需要精细和准确地控制反应速率，以便有效地产生氢气。

在移动燃料电池应用中，储存氢气体积大，容量有限，并且可能是危险的。

问题解决方案

本发明试图通过提供一种具有两个或更多个储存器的用于产生氢气的设备来克服上述缺点，每个储存器储存反应物或反应物混合物，并且每个储存器耦合到将储存的反应物或反应物混合物以受控方式且以最佳速率注入反应室的装置，以使得在反应室中发生有效地产生氢气的化学反应。

因此，本发明涉及在反应室外部储存产生氢气的化学反应所需的各种源反应物，然后以最佳速率将这些材料受控注入反应室，以便有效地产生氢气。

本发明还涉及一种用于产生氢气的设备，该设备包括：反应室；容纳第一反应物的第一反应物储存器；容纳第二反应物的第二反应物储存器；将所述第一反应物注入所述反应室的装置；将所述第二反应物注入所述反应室的装置；用于储存所述产生的氢气的缓冲罐，所述缓冲罐设有压力传感器，用于测量所述缓冲罐内的压力；基于所述测量的缓冲罐内的压力计算所述将第一反应物注入所述反应室和所述将第二反应物注入所述反应室的最佳速率的装置，所述最佳速率是产生最多所述氢气的速率；以及控制将所述第一反应物和所述第二反应物注入所述反应室的速率的装置。

在本发明的一个方面，第一反应物是化学氢化物。将第一反应物注入反应室的装置是注射器，诸如泵式注射器、螺旋进料器或机械致动器。第二反应物是水或蒸汽。将所述蒸汽注入所述反应室的装置是泵和喷嘴。

在本发明的另一方面，提供了一种测量所述反应室内的温度和压力的装置。该测量的反应室内的温度和压力可用于计算所述将第一反应物注入所述反应室和所述将第二反应物注入所述反应室的最佳速率，或者用于在所述测量的反应室内的温度和压力达到预定水平时停止反应。

本发明还涉及一种用于产生氢气的设备，该设备包括：反应室；容纳第一反应物的第一反应物储存器；容纳第二反应物的第二反应物储存器；容纳第三反应物的第三反应物储存器，用于将所述第一反应物注入所述反应室的装置；将所述第二反应物注入所述反应室的装置；将所述第三反应物注入所述反应室的装置；用于储存所述产生的氢气的缓冲罐，所述缓冲罐设有压力传感器，用于测量所述缓冲罐内的压力；基于所述测量的缓冲罐内的压力计算所述将第一反应物注入所述反应室、所述将第二反应物注入所述反应室和所述将第三反应物注入所述反应室的最佳速率的装置，所述最佳速率是产生最多所述氢气的速率；以及控制将所述第一反应物、所述第二反应物和所述第三反应物注入所述反应室的速率的装置。

在本发明的一个方面，第一反应物是化学氢化物。将第一反应物注入反应室的装置是注射器，诸如泵式注射器、螺旋进料器或机械致动器。第二反应物是催化剂，诸如金属基催化剂、液体催化剂或有机催化剂。第三反应物是水或蒸汽。将所述蒸汽注入所述反应室的装置是泵和喷嘴。

在本发明的另一方面，提供了一种测量所述反应室内的温度和压力的装置。该测量的反应室内的温度和压力可用于计算所述将第一反应物注入所述反应室、所述将第二反应物注入所述反应室以及所述将第三反应物注入所述反应室的最佳速率，或者用于在所述测量的反应室内的温度和压力达到预定水平时停止反应。

本发明还涉及一种用于产生氢气的设备，该设备包括：反应室；容纳第一反应物的第一反应物储存器；容纳第二反应物的第二反应物储存器；容纳第三反应物的第三反应物储存器，用于混合所述第一反应物和所述第二反应物的混合单元；用于将所述第三反应物注入所述反应室的第三反应物注入装置；用于储存所述产生的氢气的缓冲罐，所述缓冲罐设有压力传感器，用于测量所述缓冲罐内的压力；基于所述测量的缓冲罐内的压力计算所述混合第一反应物和第二反应物以及所述将第三反应物注入所述反应室的最佳速率的装置，所述最佳速率是产生最多所述氢气的速率；以及控制混合所述第一反应物和第二反应物以及将所述第三反应物注入所述反应室的速率的装置。

在本发明的一个方面，第一反应物是化学氢化物。将第一反应物注入反应室的装置是注射器，诸如泵式注射器、螺旋进料器或机械致动器。第二反应物是催化剂，诸如金属基催化剂、液体催化剂或有机催化剂。第三反应物是水或蒸汽。将所述蒸汽注入所述反应室的装置是泵和喷嘴。

在本发明的另一方面，提供了一种测量所述反应室内的温度和压力的装置。该测量的反应室内的温度和压力可用于计算所述将第一反应物注入所述反应室、所述将第二反应物注入所述反应室以及所述将第三反应物注入所述反应室的最佳速率，或者用于在所述测量的反应室内的温度和压力达到预定水平时停止反应。

在本发明的另一方面，还提供了一种位于所述反应室之后的过滤器，所述过滤器适于从所产生的氢气中过滤掉任何不需要的副产物。

本发明还涉及一种产生氢气的方法，该方法包括以下步骤：

a.储存产生氢气的化学反应所需的至少两种反应物，每种反应物储存在反应物储存器中；

b.将每种反应物注入反应室，使得产生氢气；

c.测量缓冲罐内的压力值；以及

d.使用所述测量的压力值计算所述将每种反应物注入反应室的最佳速率。

本发明还涉及一种用于产生氢气的设备，该设备包括：至少两个储存器，每个储存器储存反应物，并且每个储存器耦合到将所述储存的反应物以受控方式且以最佳速率注入反应室的装置，以使得在反应室中发生产生氢气的化学反应。提供了一种测量缓冲罐内的压力值的装置，该测量的压力值用于计算所述将每种反应物注入反应室的最佳速率。

根据以下公开内容和所附权利要求，其他目的和优点将更加明显。

发明的有益效果

通过将反应物储存在反应室外部，并且仅在需要时将它们注入反应室中，不再需要更换和补充昂贵的反应室。

通过基于反应室内测量的温度和压力控制每种反应物进入反应室的注入速率，反应的性能和效率最大化，从而使得能有效地产生氢气。

附图说明

[图1]示出了本发明的第一实施例的示意图。

[图2]示出了本发明的第二实施例的示意图。

[图3]示出了本发明的第三实施例的示意图。

具体实施方式

参照图1，示出了在第一实施例中用于产生氢气的设备的示意图，该设备设有反应室(10)，该反应室被设计成容纳从前体反应物产生氢气的化学反应。反应室(10)设有压力传感器(52)和温度传感器(54)，它们被设计成分别测量反应室(10)内的压力和温度。还提供了被设计成储存第一反应物的第一反应物储存器(20)和被设计成储存第二反应物的第二反应物储存器(30)。这两种反应物中的每一种都是最终产生氢气的化学反应的前体。当组合时，这些反应物经历产生氢气的化学反应。

第一反应物储存器(20)连接到第一反应物注入装置(25)。该第一反应物注入装置(25)被设计成将第一反应物注入反应室(10)中。在该第一实施例中，第一反应物是预混化学品，它包含化学氢化物和催化剂的混合物，诸如金属基催化剂、液体催化剂或有机催化剂。第一反应物注入装置(25)是诸如泵式注射器、螺旋进料器或机械致动器之类的注入装置。因此，第一反应物注入装置(25)通过第一注入口(26)将预混化学品注入反应室(10)。

第二反应物储存器(30)连接到第二反应物注入装置(35)。该第二反应物注入装置(35)被设计成将第二反应物注入反应室(10)中。在该第一实施例中，第二反应物是水或蒸汽，并且第二反应物注入装置(35)包括泵和喷嘴。因此，第二反应物注入装置(35)通过第二注入口(36)将水或蒸汽注入反应室(10)。该实施例的另一个变型形式是向水或蒸汽中加入酸或其他添加剂以增强氢气的产生。

以这种方式，将两种反应物注入反应室(10)中，从而引发化学反应，这导致产生氢气和一些废产物。在过滤器(60)中将废气与废产物分离，其中废产物通过废产物处置口(65)移除。然后氢气通过泵(70)泵送到缓冲罐(80)中，氢气临时储存在该缓冲罐中然后用于燃料电池(90)。缓冲罐(80)设有压力传感器(81)，该传感器适于测量缓冲罐(80)内的压力。

还提供了微处理器(50)，向其馈送来自所述缓冲罐压力传感器(81)的所述缓冲罐压力测量值。然后微处理器(50)基于缓冲罐内的压力值计算每种反应物的最佳注入速率。反应物注入的最佳速率导致氢气的最佳产生。微处理器(50)将计算的最佳注入速率通过第一反应物注入控件(28)发送到第一反应物注入装置(25)，并通过第二反应物注入控件(38)发送到第二反应物注入装置(35)。以这种方式，通过两个反应物注入装置(25、35)执行计算的最佳注入速率。

所述反应室压力传感器(52)和温度传感器(54)的测量值用作安全特征，于是，如果反应室内的温度或压力达到预定水平，则关闭氢气产生反应。基于反应室(10)的结构完整性来计算反应室预定压力上限，具有适当的安全裕度。当反应室(10)内的感测压力达到所述预定压力上限时，将停止氢气产生反应。

在该第一实施例的变型形式中，反应室内的所述压力和温度测量值也被馈送到所述微处理器(50)，并且也用于计算每种反应物的最佳注入速率。

参照图2，示出了在第二实施例中用于产生氢气的设备的示意图，该设备设有反应室(10)，该反应室被设计成容纳从前体反应物产生氢气的化学反应。反应室(10)设有压力传感器(52)和温度传感器(54)，它们被设计成分别测量反应室(10)内的压力和温度。还提供了被设计成储存第一反应物的第一反应物储存器(20)、被设计成储存第二反应物的第二反应物储存器(30)以及被设计成储存第三反应物的第三反应物储存器(40)。这三种反应物中的每一种都是最终产生氢气的化学反应的前体。当组合时，这些反应物经历产生氢气的化学反应。

第一反应物储存器(20)连接到第一反应物注入装置(25)。该第一反应物注入装置(25)被设计成将第一反应物注入反应室(10)中。在该第二实施例中，第一反应物是粉末或丸粒形式的化学氢化物，并且第一反应物注入装置(25)是诸如泵式注射器、螺旋进料器或机械致动器之类的注入装置。因此，第一反应物注入装置(25)通过第一注入口(26)将化学氢化物反应物注入反应室(10)。

第二反应物储存器(30)连接到第二反应物注入装置(35)。该第二反应物注入装置(35)被设计成将第二反应物注入反应室(10)中。在该第二实施例中，第二反应物是催化剂，诸如金属基催化剂、液体催化剂或有机催化剂，并且第二反应物注入装置(35)是诸如螺旋进料器之类的机械注入装置。因此，第二反应物注入装置(35)通过第二注入口(36)将催化剂注入反应室(10)。

第三反应物储存器(40)连接到第三反应物注入装置(45)。该第三反应物注入装置(45)被设计成将第三反应物注入反应室(10)。在该第二实施例中，第三反应物是水或蒸汽，并且第三反应物注入装置(45)包括泵和喷嘴。因此，第三反应物注入装置(45)经由第三注入口(46)将水或蒸汽注入反应室(10)。该实施例的另一个变型形式是向水或蒸汽中加入酸或其他添加剂以增强氢气的产生。

以这种方式，将三种反应物注入反应室(10)中，从而引发化学反应，这导致产生氢气和一些废产物。在过滤器(60)中将废气与废产物分离，其中废产物通过废产物处置口(65)移除。然后氢气通过泵(70)泵送到缓冲罐(80)中，氢气临时储存在该缓冲罐中然后用于燃料电池(90)。缓冲罐(80)设有压力传感器(81)，该传感器适于测量缓冲罐(80)内的压力。

还提供了微处理器(50)，向其馈送来自所述缓冲罐压力传感器(81)的所述缓冲罐压力测量值。然后微处理器(50)基于缓冲罐内的压力值计算每种反应物的最佳注入速率。反应物注入的最佳速率导致氢气的最佳产生。微处理器(50)将计算的最佳注入速率通过第一反应物注入控件(28)发送到第一反应物注入装置(25)、通过第二反应物注入控件(38)发送到第二反应物注入装置(35)，并且通过第三反应物注入控件(48)发送到第三反应物注入装置(45)。以这种方式，通过三个反应物注入装置(25、35、45)执行计算的最佳注入速率。

所述反应室压力传感器(52)和温度传感器(54)的测量值用作安全特征，于是，如果反应室内的温度或压力达到预定水平，则关闭氢气产生反应。基于反应室(10)的结构完整性来计算反应室预定压力上限，具有适当的安全裕度。当反应室(10)内的感测压力达到所述预定压力上限时，将停止氢气产生反应。

在该第一实施例的变型形式中，反应室内的所述压力和温度测量值也被馈送到所述微处理器(50)，并且也用于计算每种反应物的最佳注入速率。

参照图3，示出了在第三实施例中用于产生氢气的设备的示意图，该设备设有反应室(10)，该反应室被设计成容纳从前体反应物产生氢气的化学反应。反应室(10)设有压力传感器(52)和温度传感器(54)，它们被设计成分别测量反应室(10)内的压力和温度。还提供了被设计成储存第一反应物的第一反应物储存器(20)、被设计成储存第二反应物的第二反应物储存器(30)以及被设计成储存第三反应物的第三反应物储存器(40)。这三种反应物中的每一种都是最终产生氢气的化学反应的前体。当组合时，这些反应物经历产生氢气的化学反应。

在该第三实施例中，第一反应物储存器(20)和第二反应物储存器(30)连接到混合单元(250)。在该实施例中，第一反应物是粉末或丸粒形式的化学氢化物，并且第二反应物是催化剂，诸如金属基催化剂、液体催化剂或有机催化剂。将化学氢化物和催化剂进料到混合单元(250)中，在那里将它们混合在一起以形成预混化学品。该预混化学品是产生氢气的化学反应的前体。混合单元(250)还被设计成将所述预混化学品注入反应室(10)中。在该实施例中，这通过诸如泵式注射器、螺旋进料器或机械致动器之类的注入装置来完成。因此，混合单元(250)经由第一注入口(26)将预混化学品注入反应室(10)中。

第三反应物储存器(40)连接到第三反应物注入装置(45)。该第三反应物注入装置(45)被设计成将第三反应物注入反应室(10)。在该第三实施例中，第三反应物是水或蒸汽，并且第三反应物注入装置(45)包括泵和喷嘴。因此，第三反应物注入装置(45)经由第三注入口(46)将水或蒸汽注入反应室(10)。该实施例的另一个变型形式是向水或蒸汽中加入酸或其他添加剂以增强氢气的产生。

以这种方式，将三种反应物注入反应室(10)中，从而引发化学反应，这导致产生氢气和一些废产物。在过滤器(60)中将废气与废产物分离，其中废产物通过废产物处置口(65)移除。然后氢气通过泵(70)泵送到缓冲罐(80)中，氢气临时储存在该缓冲罐中然后用于燃料电池(90)。缓冲罐(80)设有压力传感器(81)，该传感器适于测量缓冲罐(80)内的压力。

还提供了微处理器(50)，向其馈送来自所述缓冲罐压力传感器(81)的所述缓冲罐压力测量值。该实施例中的微处理器(50)基于缓冲罐内的压力值计算在混合单元(250)中混合第一反应物和第二反应物的最佳速率，并通过混合单元控件(280)将该速率发送到混合单元。该实施例中的微处理器(50)还基于缓冲罐内的压力值计算将第三反应物注入反应室(10)的最佳速率，并通过第三反应物注入控件(48)将该速率发送到第三反应物注入装置(45)。所述最佳混合速率和反应物注入速率导致氢气的最佳产生。

所述反应室压力传感器(52)和温度传感器(54)的测量值用作安全特征，于是，如果反应室内的温度或压力达到预定水平，则关闭氢气产生反应。基于反应室(10)的结构完整性来计算反应室预定压力上限，具有适当的安全裕度。当反应室(10)内的感测压力达到所述预定压力上限时，将停止氢气产生反应。

在该第一实施例的变型形式中，反应室内的所述压力和温度测量值也被馈送到所述微处理器(50)，并且也用于计算每种反应物的最佳注入速率。

在所有上述实施例中，化学氢化物包括但不限于以下任何一种：硼氢化钠、硼氢化物、氮氢化物、碳氢化物、化学氢化物、硼氮氢化物、硼碳氢化物、氮碳氢化物、金属硼氢化物、金属氮氢化物、金属碳氢化物、金属硼氮氢化物、金属硼碳氢化物、金属碳氮氢化物、硼氮碳氢化物、金属硼氮碳氢化物、nah、libh4、lih、cah2、ca(bh4)2、mgbh4、kbh4、al(bh3)3或其组合。

在所有上述实施例中，催化剂包括但不限于以下任何一种：钴基氧化物、硼化物、固体酸、盐或其组合。盐可以是以下任一者的离子的化合物：钌(ru)、钴(co)、镍(ni)、铜(cu)、铁(fe)或其组合。

标号列表

1.反应室(10)

2.第一反应物储存器(20)

3.第一反应物注入装置(25)

4.混合单元(250)

5.第一注射口(26)

6.第一反应物注入控件(28)

7.混合单元控件(280)

8.第二反应物储存器(30)

9.第二反应物注入装置(35)

10.第二注入口(36)

11.第二反应物注入控件(38)

12.第三反应物储存器(40)

13.第三反应物注入装置(45)

14.第三注入口(46)

15.第三反应物注入控件(48)

16.微处理器(50)

17.压力传感器(52)

18.温度传感器(54)

19.过滤器(60)

20.废产物处置口(65)

21.泵(70)

22.缓冲罐(80)

23.缓冲罐压力传感器(81)

24.燃料电池(90)