自调节气体发生器和方法
【专利说明】自调节气体发生器和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请是2012年5月7日申请的美国申请N0.13/465, 798的继续申请，且是2012年5月4日申请的美国申请N0.13/464，881的继续申请，美国申请N0.13/464，881是2004年11月15日申请的美国申请N0.10/989，116 (现在为美国专利N0.8，172，912)的部分继续申请，美国申请N0.10/989, 116要求享有2003年11月14日申请的美国临时申请N0.60/520, 149的优先权。上述申请的全部教导都通过参考并入此处。
[0003]发明背景
[0004]当前，几乎所有军用、工业和消费电子器件都由常规电源(AC壁装电源插座、气体发生器或一次性或可再充电的电池)供能。这些电源各自具有其自身的缺点。一种该缺点是污染的形式，其中AC发电厂、气体发生器和电池都分别产生环境不友好的副产物(例如破坏臭氧的气体和电池酸性废物)。
[0005]已经提出了燃料电池作为对该问题的环境友好的解决方案。然而，为了作为解决方案采用，燃料(例如氢气)必须可以在与其常规对应物相比具有竞争力的价格容易安全地获得。
[0006]便携式气体发生器能够根据需求安全制备高纯气体。这种发生器可用于提供氢气作为燃料电池的燃料或提供其他类型的气体用于其他气体使用装置。在为预期要用于很多不同的军用、工业和消费应用的燃料电池产生氢气的情况中，在这些市场中接受的便携式气体发生器同样将是轻便的、机械简单的、需求响应的(即仅在使用该燃料的装置需要动力时才产生气体)、能够在任何方向操作和经设计以从该气体产生时开始直至将其提供给该装置为止仅储存少量气体，由此使对可燃或以其他方式可能存在危险的气体的储存的安全问题最小化。
【发明内容】
[0007]依照本发明的原理的自调节便携式气体发生器或与其相应的气体发生方法以响应于使用需求提高或降低气体发生速率的方式为多种便携式发电应用产生气体。该自调节气体发生器提供便携性且具有适用于军用、工业或消费应用的安全特征。该自调节气体发生器的一些实施方式展现出长的催化剂寿命，该催化剂用于由化学供给物基于自调节特征产生气体。
[0008]在依照本发明的原理的一种实施方式中，气体发生器包括用于化学供给物(例如NaBH4溶液)的腔。与该化学供给物的通道相邻的至少一个元件包含催化剂或涂覆有催化剂(例如钼)。在一种实施方式中，该元件相对于化学供给腔(化学供给物腔，chemicalsupply chamber)移动以将催化剂相对于该化学供给物定位。在催化剂存在下，化学供给物在化学供给腔中分解为产物，包括产生的气体，例如氢气。该气体发生器还包括气体储存腔，其储存产生的气体直至被燃料电池使用以转化为电能或被其他气体消耗装置使用以用于其预期目的。该产生的气体在从化学供给腔到气体储存腔的路径上行进通过可渗透气体的结构(例如膜)。该可渗透气体的结构可以位于催化剂所在的元件上、位于催化剂所在的元件中或远离催化剂所在的元件。该元件的位置以及由此催化剂相对于化学供给物的位置可以通过反馈系统调节，该反馈系统使用部分由至少一个腔中的压力产生的力在化学供给物存在下定位催化剂以调节所产生气体的发生速率。
[0009]该元件可以采取很多形式并以多种方式将催化剂相对于化学供给物定位。例如，该元件可以相对于化学供给腔平移、相对于化学供给腔旋转或相对于包括化学供给腔的主体保持在固定位置。元件的运动可以改变暴露于化学供给物的催化剂的量。该元件可以是陶瓷的或非必要地由导热材料制成。在一些实施方式中，该元件可以是活塞，在这种情况中其可以是中空活塞或实心活塞。在中空活塞的情况下，该元件可以具有一个内部通道，或者可以具有内部结构，其限定了多个通道，适于使产生的气体流动在从化学供给腔到气体储存腔的路径上流动通过该活塞。
[0010]在一些实施方式中，该元件是实心活塞，其相对于化学供给物移动到一定位置，产生作用于元件上的力的平衡，其中该力包括由于操作连接在元件上的弹簧产生的力。在实心活塞的实施方式中，该化学供给腔可以具有边界或其一部分是不可渗透气体的结构。在一些情况中，该可渗透气体的结构可以是可渗透气体的膜，产生的气体通过其基本上跨过整个可渗透气体的膜，且在其他实施方式中，该可渗透气体的结构包括可渗透气体的膜的部分和不可渗透气体的膜的部分。在一些中空活塞的实施方式中，该元件可以涂覆有可渗透气体的催化剂层和可渗透气体的结构。
[0011]该气体发生器可以包括至少一个可调节的弹簧与该元件相连接。该弹簧可以调节气体储存腔中的压力和该元件的位置之间的关系。
[0012]该元件可以涂覆有该可渗透气体的结构、用该可渗透气体的结构覆盖或集成到该气体可渗透的结构中。该元件也可以包括非催化部分，其可以沿该元件的长度定位。在该元件作为活塞操作的情况中，该非催化部分可以位于活塞的端部。该元件可以适于将催化和非催化部分相对于化学供给物定位，使得没有催化剂暴露于化学供给物。这种位置中断了该化学供给物的分解。气体发生器还可以包括“擦除器”，其适于从元件上去除产物，以使得该产物或其他材料不聚集在元件上，由此提高该催化剂或元件本身的寿命。
[0013]该可渗透气体的结构可以包括各种方面或实现各种功能。例如，该可渗透气体的结构可以将气体(例如氢气(H2))与化学供给物分隔开。该可渗透气体的结构可以包括钯(Pd)或聚合物结构。该可渗透气体的结构可以与该元件机械连接。
[0014]该催化剂可以以各种形式实施。例如，该催化剂可以包括至少一种以下催化剂:金属、金属硼化物或聚合物。该催化剂可以连接到可渗透气体的结构上、涂覆在该可渗透气体的结构上、连接到该元件的不可渗透部分上或涂覆在该元件的不可渗透部分上。
[0015]该气体发生器也可以包括其他特征。例如，该气体发生器可以包括容量指示器，如果气体储存腔达到预设压力(例如基本最大的气体容量)，其就触发，或者其可以提供化学供给物基本耗尽的指示。该气体发生器也可以包括至少一个泄压阀，如果相应腔中的压力超过预设阈值，其就降低气体储存腔或化学储存腔的压力。该气体发生器还可以包括过滤器，产生的气体在输出用于外部装置之前通过该过滤器。在另一实施方式中，该气体发生器可以包括增湿器，产生的气体在输出用于外部装置之前通过该增湿器。该气体发生器还可以包括传感器，用于检测元件相对于该化学供给腔的已知位置的位置。
[0016]该反馈系统可以调节所产生的气体的发生速率。该反馈系统可以使用由(i)气体储存腔和化学供给腔之间；(2)气体储存腔和参考压力腔之间或(iii)化学供给腔和参考压力腔之间的压差产生的力。在另一实施方式中，该气体发生器可以包括与至少一个元件连接的弹簧，且该反馈系统可利用在至少一个腔中作用于元件上的压力和弹簧作用于该元件上的力之间的差。
[0017]该化学供给物可以以各种形式提供。例如，该化学供给物可以是固体、液体、溶解在液体中的气体、或液体和溶解在液体中的气体的组合。该化学供给物可以包括任何化学氢化物、NaBHyjC溶液或NaBH 4和至少一种碱金属盐的溶液，在这种情况中，NaBH 4水溶液可以包括有效量的助溶剂或其他添加剂。在另一实施方式中，该化学供给物是NaBH4水溶液，其在催化剂存在下分解以产生氢气，其中催化剂可以选自以下催化剂中的至少一种:钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、铱(Ir)、钼(Pt)、铼(Re)和镍(Ni)。在另一实施方式中，该化学供给物可以包括作为干粉末储存的NaBH4。可以通过(i)打破包含该干NaBH4粉末的膜、(ii)摇晃或挤压该气体发生器或(iii)刺穿该膜而使该干粉末而与预设的液体混合。
[0018]产生的气体可以是很多类型的不同气体。两种情况包括氢气和氧气(O2)。这些气体能够用于各种应用，例如包括:(i)燃料电池应用，其将氢气和氧气反应发电；(ii)火炬，其燃烧氢气；或(iii)氧气呼吸装置，其为医疗患者提供基本纯的氧气。应当认识到还有很多其他应用使用这两种气体中的任一种，且还有其他应用使用其他气体。应当认识到本发明的原理不仅限于此处所述的示例性实施方式产生的气体类型或被其限制。
[0019]此处所述的一些气体发生器实施方式包括一些或全部以下使其可用于很多应用的安全和操作特征。这些特征以非特定顺序可以包括:足以匹配消耗速率的自动气体发生、紧凑或大型设计、定向不敏感性、高水平的系统安全性和自动限制氢气或其他气体发生使得该气体发生器不能具有失控反应。例如，如果氢气压力变得过高(即生成过多的氢气)，那么该系统可以自动将其自身关停。
[0020]在另一示例性实施方式中，该气体发生器使用继电器式控制(bang-bangcontrol)产生气体。在该“继电器式”的示例性实施方式中，该气体发生装置包括元件，所述元件限定经构造以容纳化学供给物的体积的化学供给腔。该化学供给腔包括经构造以腔内压力相对于腔外压力的函数用自调节工作循环将该腔内包含的催化剂暴露于化学供给物，从而以独立定向的方式产生和输出气体。此处所用的独立定向表示无论该气体发生装置的物理定向如何，所产生的气体，而非化学供给物，离开化学供给腔。此处所用的“自调节工作循环”表示该气体发生装置对于燃料浓度、催化剂效能、气体需求量或其组合的改变而自身调节。
[0021 ] 在“继电器式”实施方式中，该元件可以限定该腔的边界的一部分。
[0022]该化学供给腔可以位于由气体发生装置的主体限定的空腔内，且该元件和主体可以限定在其上分别具有催化剂或移位器的互补特征。
[0023]在操作上，在继电器式实施方式中，该元件响应于作用在其上的力的总和在开或关位置或物理定向之间移动。这些力是由化学供给腔内的压力、化学供给腔外部的相对的参考压力的压力和压力器(例如弹簧)产生的。
[0024]在一种实施方式中，当化学供给腔中的压力超过预设的阈值时，该元件相对于该气体发生装置的主体的定向使得该互补特征彼此接触，随着互补特征彼此接触，移位器将化学物质移离该催化剂，由此关闭该气体发生装置(即将该装置设定在关状态)。在同一实施方式中，当化学供给腔内的压力低于预设阈值时，该元件相对于该主体的定向使得该互补特征彼此远离以将该催化剂暴露于化学供给物，由此打开该气体发生装置(即将该装置设定在开状态)。
[0025]在该继电器式实施方式中，该元件和主体可以限定多个在其上分别具有催化剂或移位器的互补特征，在这种情况中，该多个互补特征可以经构造以将催化剂暴露于化学供给物并将化学供给物移离该催化剂，其中互补特征彼此平行作用以使催化反应在多个互补特征对处同时发生，其中各特征对包括催化剂和移位器。
[0026]在继电器式实施方式的一种实施例中，该元件和催化剂彼此结合，例如该催化剂以面向主体的方向位于该元件中或位于其上。可替代地，该催化剂可以与该主体以面向腔的方向结合，例如位于该主体中或位于其上。在两种实施方式中，该元件可以经构造以以平移或旋转运动的方式相对于主体移动。应当认识到该催化剂仍可以进一步可替代地施加到插入件上，该插入件可以固定到主体或元件上，其中使用插入件可以用于在催化剂更换期间在保持该主体或主体和元件的同时快速更换催化剂。
[0027]在该气体发生装置的另一示例性继电器式实施方式中，该气体发生器在其中限定了三个腔，包括气体储存腔、化学供给腔和参考压力腔。在一种构造中，该气体发生装置进一步包括可渗透气体但不可渗透液体的膜，其将气体储存腔与化学供给腔分隔开，且该元件将化学供给腔与参考压力腔分隔开。该实施方式包括跨越在化学供给腔和气体储存腔之间的气体通道，其在一些实施方式中与另一气体流路相结合能使产生的气体而非液体独立定向地从化学供给腔流动到气体储存腔。
[0028]在该气体发生装置的另一种示例性的继电器式实施方式中，该装置包括压力器，例如弹簧，其与该元件结合以施加力以能使该元件随着化学供给腔内的压力相对于参考压力腔中的压力的变化移动，该压力器位于该参考压力腔中。在该装置的该元件和主体的界面处可以使用制动器以提供小的阻力，该阻力能够被相同或不同阈值之上或之下在元件上的力的总和克服。该制动器能够设置以提供滞后，从而在不存在化学供给腔和参考压力腔之间压差的阈值改变时维持该元件相对于主体的位置或取向(即维持该装置的开状态或关状态)。
[0029]在该气体发生装置的继电器式实施方式的操作过程中，在从限定工作循环状态的开状态到关状态的转变过程中，可以将该化学供给物从该催化剂移去。
【附图说明】
[0030]从以下对如附图中所示例的本发明的优选实施方式更特别的描述，本发明的前述和其他目的、特征和优点将显而易