自控式气体发生器及其方法

专利名称：自控式气体发生器及其方法
自控式气体发生器及其方法
2004 年 11 月 14 日递交的申i青号为发明名称为"自控式气体发生器及其方法"的
相关申请
本申请要求发表于2003年11月14日的美国第60/520,149号临时申请的全部利益。上述申请的全部利益在此通过引证并入本文。
背景技术：
目前，几乎所有的军事、工业和民用电子由传统能源——交流壁装插座、气体发生器，或者一次性电池或重复充电的电池来提供电力，这些电力能源都有其自身的缺点。其中的一个缺点是形成污染物，在交流能源产生厂，气体发生器和电池各自产生不利于环境的副产品(例如，石皮坏大气层的臭氧和电池的酸性废物)。
燃并+电池已经^皮才是议作为解决这个问题的具有环^呆性的有益的解决方案。然而，作为解决方案被采用，燃料(例如，氢气)必须是容易的、安全的，且与传统燃料相比有竟争力的价格。
便携式气体发生器能够根据需要安全地提供高浓度气体。在为燃料电池提供作为燃料的氢气，或者为其它气体利用装置提供
本申请是200480040501.7,
分案申请。所需要的其它各种气体方面，所述发生器是有用的。在为燃料电池产生氢气的例子中，所述燃料电池-陂期望用于多种不同的军事、工业和民用，在这些市场中，受欢迎的是l更携式气体发生器将可能是轻型的、机械制造简单的、需求反应灵敏的装置(例如，仅仅当使用燃料的装置需要能量时才产生气体)，能够在任何方位操作，并设计成在产生气体直到将气体提补给装置的期间中，能存储仅仅少量的气体，借此将对存储的易燃烧的或有其它潜在危险的气体安全方面的担心降低到最小。

发明内容
一种自控式、便携式的气体发生器或者相应的气体产生方法，根据本发明的原理，为各种不同的便携式能量生产应用以根据应用需求而自动地增高或者降低产生率的方式来产生气体。自控式气体发生器具有便携式的和安全性的特征，适合于军事、工业和民用。在自控式气体发生器的一些实施方案中显示出长有效期的催化剂，所述催化剂在自控式特征基础上，；陂用于^v补给的化学物质中产生气体。
根据本发明的原理，在一个实施方案中，气体发生器包括用
于补给化学物质(例如，NaBH4溶液)的腔室。至少一个部件靠近化学物质补^^的通道，包含或涂才未催化剂(例如，钼)。在一个实施方案中，所述部件相对于化学物质补乡会腔室移动到催化剂相对于补给的化学物质的4立置。在存在催化剂时，在化学物质补给腔室中补^会的化学物质分解成产品，包4#产生的气体，例如，氢气。所述气体发生器也包括气体存储腔室，所述气体存储腔室存储产生的气体，直到其被燃料电池用于转换成电能或者被其它气体消耗装置用于它预期目的。产生的气体从化学物质补给腔室到气体存^f诸腔室的^各径中经过气体可渗透结构(例如，隔膜)。
气体可、渗透结构可以定位在催化剂》文置的部件上，或者定位在4崔化剂放置的部件内，或者远离放置催化剂的部件定位。因此，所述部件和相对于补全会的化学物质的催化剂的^立置可以通过反々贵
系统来控制，所述反々贵系统是在补给的化学物质出现时，部分利用至少 一个腔室内的压力所产生的力来确定催化剂的位置以达到控制产生气体的产生率的目的。
所述部件可以采用多种形式和相对于补给的化学物质可以
有多种方式确定催4b剂的^f立置。例如，所述部件可以相对于化学
物质补给腔室移动，相对于化学物质补给腔室^走转，或者相对于包括化学物质腔室的主体〗呆持在固定的位置上。所述部件的运动可以改变暴露在补《合的化学物质中催化剂的数量。所述部件可以是陶器，或者可选择由导热材料制造而成。在一些实施方案中，所述部件可以是活塞，例如，它们可能是中空活塞或者是实心活塞。在中空活塞的实施方案中，所述部4牛可以有一条内部通道或可以有内部结构，所述内部结构限定适用的多条通道，以允"i午产生的气体/人化学物质补纟会腔室到气体存〗诸腔室的^各途中经过活塞。
在一些实施方案中，所述部件是实心活塞，相对于补纟会的化学物质移动到作用在部件上的力平衡的位置，在所述位置的力包括由可#:作地连《|妄到所述部件中的弹簧产生的力。在实心活塞实施方案中，化学物质补症会腔室可以有分界线或其中一部分是气体可渗透结构。在一些情况中，气体可、渗透结构可以是气体渗透隔
膜，通过所述渗透隔膜，产生的气体大量经过整个气体渗透隔膜；
在其它的实施方案中，气体可;参透结构包4舌气体;参透隔力莫部分和非气体渗透隔月莫部分。在一些中空活塞的实施方案中，所述部件可能被气体渗透催化剂层和气体可渗透结构所覆盖。所述气体发生器可以包括至少 一 个可调节的连^妄在所述部 件上的弹簧。所属弹簧允许在气体存储腔室中的压力与可调节的 部件位置之间的关系是可以调节的。
所述部件可能^皮气体可渗透结构所涂4末、^皮气体可渗透结构 所覆盖或者与气体可渗透结构构成整体。所述部件也可以包4舌非 催化剂部分，所述部分在沿着部件的长度上确定位置。在所述部 件作为活塞祐j喿作的情况下，非催化剂部分可以定位在活塞末端 的位置上。相对于补^会的化学物质，所述部件可以适用于确定催 化剂部分和无催化剂部分的位置，因此没有催化剂^f呆露在化学物 质中。在所述位置中止补主合的化学物质的分解。气体发生器也可 以包括"纟察刷，，，适合从所述部件中耳又出产品，以致于不会在部 件上积聚产品或其它物质。因此，延长了催化剂以及部件本身的 有效期。
气体可;参透结构可以包4舌各方面或可以完成各种功能。例 如，所述气体可渗透结构可以分离气体，举例来说，从补给的化 学物质中分离出氢气(H2 )。气体可渗透结构可以包括钯(Pd)或 聚合物结构。所述气体可;参透结构可以祐:才几^U也连4妄到部件上。
所述催化剂可以以各种形式来实施。例如，催化剂可以包括
至少下列催化剂中的一种金属、金属硼化物或者聚合物。催化
剂可以连4妄在气体可渗透结构上、涂:沐气体可渗透结构上、连4妄
在所述部件的非渗透部分上或者涂抹在部件的非渗透部分。
气体发生器也可以包括其它特4正。例如，气体发生器可以包 括容量指示器，如果气体存储腔室达到预先确定的压力(例如， 实质上最大气体容积)，那么所述容量指示器激活，或者提供供 应的化学物质大致库毛尽的显示。气体发生器也可以包括至少 一个 减压阀，如果在气体存储腔室或化学物质存4诸腔室内的压力超过预先确定的压力，则所述减压岡降〗氐各自腔室中的压力。气体发 生器也可以包括过滤器，在气体输出前，通过该过滤器后用于外 部装置的4吏用。在另一个实施方案中，气体发生器可以包括增湿 器，在气体输出前，通过增湿器后用于外部装置的^f吏用。气体发 生器也可以包4舌传感器，用于才企测所述部件相对于化学物质补纟合 腔室的已知位置的位置。
所述反々贵系统可以控制产生气体的生产率。反々贵系统可以利
用由以下压力差所产生的力(i )在气体存储腔室与化学物质 补给腔室之间的压力差；(ii )在气体存储腔室与参考压力腔室 之间的压力差；(iii)在化学物质补给腔室与参考压力腔室之间 的压力差。在另一个实施方案中，气体发生器可以包括连接到至 少一个部件上的弹簧，和反々贵系统可以利用作用于部件上的至少
一个腔室内的压力和作用于相同部件上的弹簧力之间的压力差。
补纟会的4匕学物质可以由多种形式来4是供。例如，补乡会的化学 物质可以是固体、液体、溶解于液体的气体，或者液体与溶解于 液体中的气体的混合物。补给的化学物质可以包括任何化学氢化 物、溶解于水的NaBH4或者NaBH4溶液以及至少一种石威金属盐， 在这种情况下，溶于水的NaBHU溶液可以包括大量的混合溶剂或 其它添加剂。在另一个实施方案中，补菱会的化学物质是溶于水的 NaBH4,在催化剂出现时，分解产生氢气，此时催化剂可以,人下 列催化剂中的至少一个选择钌(Ru)、铑(Rh)、 4巴(Pd )、铱 (Ir)、柏(Pt)、铼(Re)和镍(Ni)。在另一个实施方案中，补 给的化学物质可以包括以干粉存储的NaBH4。所述干粉可以用预 先确定的液体混合，或(i )通过破裂包含干粉NaBH4的隔膜； (ii )通过急速振动或挤压气体发生器；(iii)通过在所述隔膜上 穿孔。所述产生的气体可以是不同气体的多种类型。两种情况包括
氢气和氧气(02)。这些气体可以有各种用途，包括，举例来说 (i )燃料电池应用，通过氢气和氧气反应产生电；(ii )火炬， 燃烧氢气；或者(iii)氧气呼吸装置，为医疗的病人提供大量的 纯氧气。人们应该理解，存在使用这两种气体的任何一种的很多 其它的应用，以及使用其它气体的更进一步的应用使用。人们应
生的气体的类型。
在本文件中描述的一些气体发生器实施方案中包括下列一
些或全部具有安全的、可#:作性的特点，使其应用更为广泛。在
没有特别的顺序的实施方案中，这些特征包括自动气体产生足 以匹配的消耗率、紧凑的或放大设计、敏感的方位性、高水平的 安全系统，和氢气或其它气体产生的自动限定以致气体发生器不 能有失去控制的反应。举例来说，如果氢气压力变得太大(例如， 大量的氢气正在^皮产生)，系统可以自动关闭。
附图i兌明
本发明前述和其它的目的、特征和优点将乂人下面更详细的优 选的发明实施方案i兑明中显示出来，这点在附随的附图中得以i兌 明，在附图中，相同的参考数字指代各附图中的相同部分。附图 没有严格依据比例绘制，而是将重点放在于i兌明本发明的原理 上。
附

图1是燃料电池应用的绘画示意图。在其中，才艮据本发明
原理，气体发生器可以:帔采用。
附图2A是附图1所示的气体发生器的图解示意图；附图2B是附图2A所示的气体发生器的另一个实施方案中的 图解示意附图3是附图2A所示的气体发生器中的部件(例如，活塞) 的详细枳4成示意图，所述部件用于将催化剂移进或移出补《会的化 学物质以产生气体；
附图4A-4C是附图2A所示的气体发生器操作-说明的图解示 意附图5A和5B是附图1所示的气体发生器的其它实施方案的 图解示意附图6A是附图1所示的气体发生器另外的实施方案的图解 示意附图6B-6C是附图6A所示的气体发生器中使用的部件(例 如，魂:转的4干)的枳4成示意附图6D-6F是附图6C中的部件在才喿作中的枳4戒示意附图7是附图1中气体发生器的另外一个实施方案中的机械 图解示意附图8是附图1中气体发生器的又一个实施方案中的机械图 解示意图；以及
附图9A和9B是根据本发明原理的采用气体发生器的其它应 用实施例的示意图。
具体实施方式
下面是本发明优选的实施方案的说明。
附图1是燃料电池应用的绘画示意图，在所述燃料电池应用 中，根据本发明的原理，气体发生器IO可以被采用。在所述燃
泮牛电池应中，气体发生器10产生和传送氢气到燃并牛电池11。正
如现有4支术中所知道的那才羊，燃详牛电池11 l吏氪气和氧气发生反
应以产生电流44。燃料电池11向消耗电的装置提供电流44，举 例来说，所述的消耗电的装置如个人娱乐设备12a (例如，MP3 4番方丈器)、遥控小车12b,或手纟是式电脑12c。其它的燃津+电池应 用包4舌军事电子、工业电子(例如，印刷才几)，或民用电子(例 如，孩史型电话，个人lt字助理(PDA'S)等等)。
一般来说，燃料电池消耗氢气的速率取决于其产生的能量。 例如，2001年11月6日公布的美国专利第6,312,846号中描述的 燃料电池在此通过引证并入本文。在所述专利中， 一些实施方案 中描述的燃料电池能够以动态的方式改变其结构以响应于负荷。 例如，当存在更多的负荷时，燃泮牛电池能够动态地自我配置以消 耗更多的燃料来满足能量的需要，和当存在较少的负荷时，燃料 电池能动态地自我配置以存^f诸燃泮牛。
气体发生器10，燃料电池11或构成整体的组合能够采取多 种不同的尺寸大小和结构。然而，为了描述本发明原理的目的， 这些装置的绝对的和相对的尺寸和接口是不重要的。重要的是 (i )气体发生器实施方案中产生气体的过程和实施例；和(ii ) 燃料电池11使用气体的速率和气体发生器IO的气体产生率之间 的关系。在产生的气体用于燃料电池11的情况中，气体发生器 10产生氢气。
众所周知的是能够产生相对纯净的氢气，该氢气是通过金 属氢化物或其它合适的;容解于水的固体反映物产生的。 一种特歹未的氢化物，硼氢化钠，NaBH4,作为一种〗更利的、安全的氬气 来源，其使用已经超过50年。当NaBH4粉沫溶解于水中时，形 成轻微的碱性、低压、不易燃烧的溶液。当这种水溶液暴露在经 过选4奪的金属、金属化合物、金属硼化物催4匕剂时，或者甚至加 热时，氢气和可溶解于水的硼酸钠一起迅速形成。这种催化驱4吏， 分解(水解)反应可以写为
NaBH4 ( aq ) +2H20(1) —4H2(g)+ NaB02 (aq)(等式1 )
在等式1中，描述了水解反应，水(H20)是反应物-消耗 两个水分子，用于产生每4个氢气分子。当这个反应继续产生氬 气时，由于能够得到的水越来越少，残留在催化剂附近的NaBH4 溶液变得更加浓缩，。而大量的NaBH4 ;容液中的减少的补给水并 不是一个直4妻的问题，等式l中的其它反应产品，在出现水4交少 时，形成硼酸钠，NaB。2。这一夺导致在^f崔^f匕剂附近形成更加浓缩 的溶液。硼酸钠是可溶于水的，^旦并不是非常易溶于水的。这意 p未着当氢气产生的同时，NaB02产品形成， 一些NaB02可以开始 迅速产生且在^f崔4b剂上或催化剂附近沉积。在4崔化剂上的NaB02 的堆积可能最终减少催化剂或其它气体发生器后来的作用。在任
何时候，NaBH4溶液接触催化剂时，这可能就是一个严重的问题。
为了克服这个问题，根据本发明的原理，通过气体发生器10 的一些实施方案所显示的，气体发生器10以自控式的方式暴露 催化剂(例如，将催化剂移进或移出NaBH4溶液)。在活塞式实 施方案中，催4匕剂^立置(例如，经过选4奪的4崔化剂浸入NaBH4溶 液的深度)控制氢气产生率。因为在装置中的NaBH4溶液存储的 空间与催化剂表面面积相比要相对较大些，在氢气产生过程中，
任何NaB02趋向于保持可溶性并溶于溶液中。即使是NaB02溶 解度最终过度，NaB02沉淀并沉积在NaBH"容液周围，且必定不 会留在催化剂表面上。这样就延长了催化剂的有效期。进一步，在活塞式实施方案中，纟皮活塞支撑的催化剂侵入
NaBH4溶液的深度通过简单的机械，相关的压力，反々贵系统来控 制。在燃料电池或其它氢气使用装置在氢气的消耗上，这种反馈 系统能自动感知氢气压力的上升或下降。换句话说，当氢气消耗 装置需要较少氢气时，例如，当在燃料电池11上的电力负荷小 或处于零，氢气发生器10感应到这种需求的减少时，停止产生 氢气。另外，在一些实施方案中，用于控制氢气产生率的反馈控 制系统是简单的积"械。例如，不包含庞大的或昂贵的压力感应反 馈控制器和/或机械泵。由于在化学物质补给腔室中机械溶液暴露 在催化剂之中，本发明的原理允许气体发生器IO在没有电驱动 机械泵或引导作用力的情况下操作以移动补给的化学物质(例 如，NaBH4溶液)。因此，这种设计适合潜在的^[氐成本和便携式 方面的应用，以及对方向的壽丈感性。
其它的实施方案4吏用活塞(中空或实心)，还有其它的部件， 把催化剂放置在补给的化学物质中，所述实施方案也属于本发明 原理的范围之内。例如，催化剂可以与盘状物、杆、J求体或其组 合物有关耳关，通过增加或减少催化剂暴露在补纟会的化学物质中的 数量，旋转所述盘状物、杆、球体、或其组合物以将补给的化学 物质暴露于催化剂之中。在旋转催化剂的实施方案中，所述反馈 系统可以与移动的(例如，活塞型)实施方案相似、或不同。支持 移动或者旋转的实施方案中的示例反々贵系统在下文中净皮描述。一 般来说，活塞、盘状物、球体等可以指本文件的"部件"。所述 部件靠近补给的化学物质的通道，且与补给的化学物质接触。补 给的化学物质"靠近的通道"意p未着实质上没有补纟会的化学物质 进入部件内，或在一些其它实施方案中，允许一些补给的化学物 质进入部件内，4旦包4舌有防止补给的物质流经到气体存4诸腔室的 结构。在一些实施方案中，用催化剂和补给的化学物质产生的气体 可以穿过所述部件。在其它的实施方案中，所述部件是固体，而 且气体不用经过所述部件，而乂人化学物质补纟会力空室到达气体存^f诸 腔室。
在本文件中描述的用于举例说明的实施例主要描述了作为 燃泮牛电池的应用的氢气的产生。在燃^牛电池应用中，氢气乂人一种 特殊的化学物质氢化物的水溶液中产生， <旦并不限制气体发生器
10乂人特f朱的化学物质氢4b物或特f朱的水〉容液中产生氢气。/人更广 的来说， 一般意义上，在本文件中描述的概念和机械设计可以全 面应用到4壬4可气体产生系统，在所述系统中，特定的气体^f昔助选 才奪的催化剂、装置或部件等装置，/人4壬4可气体、液体、混合物或 者甚至固体的化学物质中以自控式的方式产生。
在一些实施方案中，催化剂与小部件(例如，活塞或盘状物)
相连接，以将催化剂移进或移出更大量的NaBH4补给的化学物 质。在移动补给的化学物质到催化剂时，这将具有优势，因为与 移动相对大量的液体化学物质相比，这是更容易、更安全以及更 小的能量敏感性来移动小活塞或盘状物(的方式)。
附图2A显示了附图1中自控式气体发生器10a的第一个实 施方案。所述气体发生器10a有三个腔室化学物质补纟合腔室41 (左边)、产生的气体存储腔室40(中间)，和参考压力腔室26(右 边)。
例如，在为燃并+电池11产生氢气的实施方案中，化学物质 补给腔室41存^f诸可溶于水的NaBH4溶液42。人们应该理解，在 本文件中描述的总的i殳计扭X念对于硼氢化钠(NaBH"或实际上甚 至是化学物质氢化物并没有限制。^皮暴露在经4兆选的催化剂中，在适合的环境下能够产生需要的特定气体(例如，氢气)的任何固
体、液体或气体可以替代可溶于水的NaBHU溶液42。
在附图2A的实施方案中，用固体壁或由切割或形成孑L 18穿 过的^反壁16将化学物质补症合腔室41与气体存4诸月空室40相隔离。 在所述孑L18中，部1"牛30a,例3口，中空活塞30a， #皮安装。 <尤选 的是，所述孔18与活塞30a穿过部分的形状匹配。4安照这样的 方式设计制造的中空活塞30a能够很容易在两个腔室40和41之 间前后移动。所述中空活塞30a滑动穿过合适的固定的密封22 (例如，O型圈)。所述密去于以这才羊的方式安装在孔18,以致实质 上没有液体或气体在活塞30a和隔墙16之间，或乂人补乡会的化学 物质部分41与气体存储部分40之间穿过。人们应该理解，活塞 30a也可以是非圆形的几何形状的穿越部分((例如，矩形或椭圆 形)，并且它的内部孑L穴或通道34可以分隔成多个通道(例如， 活塞30a可以包括内部支撑壁或结构(未显示))。
在附图2A的实施方案中，气体存储腔室40被板壁16、有 弹性的或"有弹力的"隔力莫50a和或许是气体发生器10a的主体 78的一部分所限定。气体存4诸腔室40可以有一个或多个气体出 口 14，通过所述气体出口，能够将产生的气体43控制地排放到 燃料电池11中或其它气体消耗系统中，例如氢气燃烧发动机。 在短暂的响应需要的基础上，可以决定所述气体存4诸腔室40最 小或最大容积。因此，对于气体存储腔室40的必要的能够存储 气体的容积可以通过现有l支术中的4支术所确定。
通过出口 27,所述参考压力腔室26能够排放大气压力或其 它参考压力。所述参考压力，即i殳置气体发生器10的绝对^喿作 压力，施加直接的相反的压力给弹性隔膜50a。所述弹性隔膜50a 的外围部分被外围密封29所密封，以防止在气体存4诸腔室40的 气体产品泄漏而进入参考压力腔室26。在这个实施方案中，弹性隔膜50a在气体存储腔室40与参考压力腔室26之间有压力差时， 具有扩大和缩小的功能。
活塞30a连接到弹性隔膜50a上，当弹性隔膜50a收缩和扩 张时，所述活塞30a分别伸进或4敎出化学物质补乡合月空室41。弹簧 65可以对弹性隔力莫50a施加一个偏心压力，结果施力o的偏心压力 作用于活塞30a上以偏离弹性隔力莫50a。对于压力和弹力如何影 响产生气体的更加详细的i兌明将在下文中参考附图2A和附图 4A-4C的说明中继续介绍。在描述之前，活塞30a和与其相联系 的催化剂32的细节在参考附图3中予以介绍。
附图3是附图2A中的中空活塞30a的封闭一见图。所述中空 活塞30a可以由气体可;参透结构36构成，覆盖(例如，空心轴) 或涂抹(例如，薄膜，隔膜或其它合适的能渗透的材料)，所述 气体可渗透结构允许氢气(一般来说，任何负载气体)穿过其本 身。然而，水、水蒸汽或溶解的盐，例如NaBH4, NaB02或者 NaOH是不能穿过气体可渗透结构36的。才奐句话i兌，在中空活 塞30周围的气体可渗透结构36对氢气气体分子(例如)比水分 子或NaBH4更具有渗透性。因此，在化学物质补给腔室41中产 生的任何氢气优先渗透穿过气体可渗透结构36。气体排出孔51 设置在活塞30a的右边，用于将产生的气体43从孔口 34完全排 到气体存储腔室40。
在用于氢气的合适的气体可;参透结构36例子中，例如4巴金 属薄，在现有技术中是众所周知的。其它的实施例包括但不限于 聚合物材料，例如，聚丙烯，被有意的蚀刻以允许小的分子，例 如氢气(或<壬^可气体)、渗透。还有另外的实施例包括^参透气体的'渗 透聚合物，例如PBO (聚亚苯基-2,6-并二噁唑)，或者PVDF(聚 偏二氟乙烯)，可选择的是，象硅铜合成橡胶等材料可以被使用。继续参考附图3，中空活塞30a覆盖着或包括氢气渗透特征 (未显示)，例如孔或孔洞。气体渗透特征可以由选择性地涂抹， 或嵌入经过4兆选的催化剂32的薄层中。在其它的实施方案中， 催化剂32可以被应用到沿着或在气体渗透特征附近的活塞的后 表面。
在又一个实施方案中，经过4兆选的催化剂32可以形成，或 连4妄，或沉积在4妄近气体可-参透结构36的i也方，以致催化剂32 高度接近气体可渗透结构36或覆盖气体可渗透结构36的孔。
留下的活塞的供应的化学物质的一边末端35没有涂纟末或覆 盖非〗崔4t剂材津牛35,以防止在活塞30a完全/人供应的化学物质 42中撤出时产生气体。
气体可渗透结构36或活塞30a的表面可以被设计为具有"浅 凹，，或其它的,皮估支成壁凹的方式来盛装催化剂32,佳:得气体可'渗 透结构36或活塞30表面光滑。气体可渗透结构36或活塞30a 光滑的表面用O型圈22 (附图2A)形成和保持轻微的密封，用 于保持化学物质补乡会腔室41中的物质与气体存^f诸腔室40隔离。 催化剂32和气体可渗透结构的位置可以共同定位，以致气泡33 借助压力差能够迅速找到进入气体可渗透结构36的出^各，所述 气泡的形成是补给的化学物质42和催化剂32化学反应的结果。 在所述活塞30a的实施方案中，在气泡33中的氢气经过孔进入 在活塞30a中的中空3L穴34。
被选定的催化剂32的特定的类型是大家所熟知的，用于催 化NaBH4溶液的分解。在一般意义上，可以挑选任何产生气体的 催化剂。例如，催化剂的实施例包括钉(Ru),铑(Rh)，钇(Pd),铱 (Ir),柏(Pt),铼((Re)和镍(Ni)金属，金属化合物，或者金属硼化物。 这些催化剂能够#1单独^吏用，也可以与其它混合4吏用，这一点在现有技术中为人们所熟知。可替代的是，气体可渗透结构36可 以由金属或其它材料制成，所述材料不仅对于氢气是可渗透的， 而且对于NaBH^容液的分解起着催化的作用。所述气体可;参透结 构36的实施例包括过渡的金属薄膜，所述金属薄膜具有催化作 用的活i 夭的外部表面，例如，4巴，4巴合金，或任何堆积成层的膜 构成的氬气渗透结构36和表面，所述表面本身对NaBH4分解起 着催化活3夭的作用。
再次参考附图2A,涂4未的催化剂，中空的活塞30a在包含可 溶于水的NaBH4溶液42的化学物质补给腔室41和存储有产生的 气体43的气体存4诸腔室40之间自由移动。中空活塞30a既可以 :被确定位置，以致完全处于化学物质补给腔室41中，完全处于 气体存储腔室40中，或者处于两个腔室40和41之间的任何位 置。
在本文中描述的气体发生器10a可以由^f象海绵体一样的吸收 材料(未显示)所构成，其被有意地放置在气体存储腔室40中 以吸收(或甚至中和)任何NaBHU溶液(或任何其它浓缩的液体)， 所述NaBH4溶液/人化学物质补给腔室41中泄漏或通过。
中空活塞30a或板壁16的设计是为了防止燃料泄漏而进入 气体存^诸腔室40或^是高性能。例如，正如上文中的建议，活塞 30a的左边末端35 (例如，被插入NaBH4溶液42的末端)用固 体的非渗透性材并牛35或隔离部件所密封，有时作为一种末端帽 35。所述非渗透性材料35或末端帽35防止NaBH4溶液进入中空 的活塞30a和进入氢气存储腔室40。当活塞30a完全^皮撤回(例 如，当活塞30a完全离开NaBH4溶液42时，氢气的需求为零或 非常小(或者更低))时，所述非渗透性材料35或末端帽35也 有助于防止补纟会的化学物质42泄漏到气体存储腔室40。正如上文所描述的，合适的密封22(例如，O型圈或其它 合适的密封材并牛)可以—皮安装在4反壁孔18上，以防止补纟合的化 学物质经过两条^各径泄漏进入气体腔室，所述的两条3各径是(i ) 沿着活塞30a的侧表面，和(ii )密封22和板壁16之间。另夕卜， 活塞30a能够^^殳计成滑动或穿过时4妄触刷13或其它有弹性的 装置，通过与活塞30a相反的方式移动以防止或减少固体产品附 在或堆积在活塞30a上。这种反依附或反堆积措施有效的延长了 催化剂的有效期。紧靠着刷13而4妻触的活塞30a的光滑表面改 善其性能。
也可以使用其它的刷设计以提供反堆积措施。人们应该理 解，刷13不会^^活塞30a的运动施加重大的阻力。
在附图2A关于气体发生器10才喿作的i兌明中，活塞30a连接 在弹性隔"莫50a上，因此，响应于气体存^(诸腔室40的压力而产 生移动。4昔助参考压力腔室26中的压力，施加以右-左方向的恒 定的阻力。参考压力腔室26也可以包含弹簧65，其增大了直4妄 对弹性隔膜50a的施加的参考压力。因此，如果参考压力腔室26 没有泄漏，在那里存储的被限制的无活动能力的气体就像空气弹 簧一样动作。因此，作为在补纟合的化学物质42与催化剂反应的 结果，由于气体压力增加，活塞30a逐渐向右移动，弹性隔膜50a 或弹簧65逐、渐阻挡中空的活塞30a。
在描述附图4A-4C (进一步说明附图2A中的自控式气体发 生器10a的操作)之前，附图2A提供了对气体发生器10a启动 过程实施方案的简单"i兌明的描述。现在描述的启动过程也可以应 用于附图2B。
参考附图2A,在开始^f吏用前，化学物质供应腔室42中压力 是环绕四周的，以防止补给的化学物质在存储过程中泄露。而且，补纟合的4匕学物质42也与4iM匕剂才干30a相隔离，以至丈没有气体产 生。在第一移动配置方案中，通过可能的将气体发生器10a的活 塞30a完全从化学物质补给腔室41中释》文出来来完成，所述化 学物质补乡合腔室41位于通过固定4丁 (未显示)来固定的位置上， 其它适合的机械装置，或，例如，旋转活塞30a到"固定的"位 置。对于未固定的活塞30a，由于弹簧65作用在活塞30a上的弹 力引起活塞30a释放，从右边到左边进入补给的化学物质42中。
在第二移动配置方案中，不是移动气体发生器10a的活塞 30a，所述活塞固定在某个位置，以^f呆持催化剂32远离补《会的化 学物质42,在4吏用之前，由于补给的化学物质在组成部分的隔离， 补给的化学物质可能无活动能力。在所述第二个移动配置方案 中，使补给的化学物质的组份相结合，所述结合就是在可能通过 石皮裂隔膜(未显示)或挤压或添加化学物质小丸之前实现的，所述 化学物质小丸最终混合形成活i沃的补纟合的化学物质42。人们应该 理解，4壬<可各种其它移动配置方案都是可能的。
参考第二个移动配置方案，^f崔化剂^干30a可以一皮运送在完全 延伸的位置(例如，由于弹簧65在其上施加/人右向左的弹力而 使其向左移动)，这是由于补给的化学物质无活动能力。 一旦补 给的化学物质 一皮激活以及催化剂杆3Oa完全延伸进入补给的化学 物质42中，气体产品迅速产生。
关于这一点，外部装置11对气体的需求为零。由于化学物 质燃并牛压力在初始时是环绕四周的，因此没有压力差在穿越中空 活塞30a中的气体可;参透结构36以4,动产生的气体穿过中空活 塞30a并进入气体存储腔室40。因此，催化剂杆30a产生的气体 "泡沫化"，且漂移到化学物质补纟会腔室41的顶部。因为产生的 气体停留在化学物质补乡会腔室41中，在4匕学物质SM合月空室41的 压力增加。当化学物质补l会腔室41中的压力增加时，压力开始施加在杆30a的左端35上，这引起其移到右边对弹簧65产生阻 力。弹簧65逐渐再次将催化剂/人化学物质补纟合月空室42中移开。 同时，穿过渗透结构36的压力差增加，直到产生的气体开始优 先进入催化剂杆30a，而不是产生泡沫流入化学物质燃料腔室41。 产生的气体43开始增加气体存储腔室40的压力，因此，又在弹 性隔膜50a以及在活塞30a上施加从左向右的力。当化学燃料腔 室41中的压力进一步增加时，更多的气体进入气体存4诸腔室40， 在此出现活塞30a确定催化剂32完全/人化学物质补给腔室42中 撤回的点。因为在将燃并+电池11与气体发生器连4妄之前，燃料 电池11没有对产生的气体的需求，因此，气体发生器10a现在 处于"初始，，状态， 一旦有气体的需求，就可以迅速传送控制的 气体。
附图5A, 5B, 6A, 7和8中的其它实施方案的启动顺序， 与附图2A(除附图2A没有使用中空杆30a和隔膜50a夕卜)的启 动顺序是相似的。对于所述固体杆30b的例子来i^，在开始使用 前，补给的化学物质42和催化剂32之间需要同样的隔离。 一旦 开始工作，^f昔助弹簧65，催化剂杆30a完全伸进补纟会的化学物质 42中，而且补乡合的化学物质压力与参考压力保持相同。产生的气 体一皮释》文出来并漂移穿过补纟会的化学物质42以到达化学物质补 给腔室41的顶部，最终依附在;参透结构36上。然后，由于补纟会 的化学物质42和气体存^诸腔室40之间的压力差的增加，气体流 经渗透结构进入气体存4诸腔室40。当补症合的化学物质的压力增加 时，催化剂杆30b从左边移动到右边，且最终离开补给的化学物 质42，以致停止气体的产生。由于燃料电池11连4妄之前，对气 体没有需求，因此，气体发生器10a现在处于"初始，，状态，一 旦对气体有需求，就可以迅速传送控制的气体。现在参考附图4A,活塞30a可以移到一个"锁定，，位置，意 p未着5舌塞30a (和4崔4匕齐J 32)完全远离NaBH4溶、液42，正^口上 面参考第一移动配置方案中的"i兑明一样。用户通过解开闭锁、制 动器或其它^f呆险的枳4戒装置(未显示)来将活塞30ai殳置为"未 锁定"位置以允许活塞(和催化剂32 )进入到NaBH"容液42中， 这将开始自动控制过程，将在下文中立即予以描述。
继续参考附图4A，自动控制过程开始于活塞30a的完全处于 4匕学物质4M合月空室41中的初始^立置。正如上面参考附图2A启动 顺序所描述的， 一旦活塞30a上的催化剂32暴露在NaBHU溶液 42中，就会催化产生氢气。在氢气产生的步骤中，在催化剂32 附近的NaBH^容液42中形成的氪气气泡33, 4妄合并与气体可渗 透结构36相4妄触。这些气泡33在压力差的作用下经过气体可渗 透结构36。然后，在气体排出气泡33并进入中空活塞30a之后， 气体43经过中空活塞30a并进入气体发生器10a中的氢气存储 腔室40。
涂抹在活塞30上的催化剂侵入可溶于水的溶液42的长度最 终控制了氢气产生率。如果涂抹在活塞30上的催化剂被完全推 入化学物质补给腔室42中(附图4A),则氢气产生率最大，因 为大量催化剂的表面面积暴露在NaBH4溶液42中。
在附图4B中，涂4末的催化剂，中空活塞30a处于化学物质 补给腔室41和气体存〗诸腔室40之间的位置。在这种情况下，氢 气产生率处于最大氢气产生率和零之间，且代表一种典型的操作 状态，即容许气体在需求上波动。
在附图4C中，活塞30a完全处于气体存^f诸腔室40中。在这 种情况下，因为没有催化剂32暴露在NaBH"容液42中，所以NaBH"容液42并没有氢气43产生。只要活塞30a保持完全地处 于气体存储腔室40中，氢气产生率保持为零。
气体发生器10基本的操作原理已经予以描述，下面将提供 对反馈系统的详细说明以及气体发生器10的反馈系统如何操作 的说明。
总的来"i兌，反々贵系统利用了部分产生于至少腔室40， 41中 的力来确定催化剂32在补给的化学物质41中的位置，以控制产 生气体43的产生率。反馈系统可以包括一些实施方案中下列组 成部分的子集活塞30a，弹性隔膜50a,弹簧65，参考压力腔 室26,气体存4诸腔室40，或化学物质补纟会腔室41。
参考附图4C，活塞30a的位置取决于四个力的平衡(i ) 由于在化学物质补给强的压力产生施加在活塞30a的左端35上 的/人左向右的力；(ii )在气体存4诸腔室40中的气体43的压力 乂人左向右施加在弹性隔力莫50a上，又在活塞30a上施力。^人左向右 的力；(iii )参考压力腔室26的压力/人右向左施加在隔力莫上，又 乂人右向左施加在活塞30a上；和(iv )弹簧65施加在活塞30a 上的力。
在本文件中描述的其它实施方案可以包4舌相同的或其它部 分中作为反馈系统的部分。在现有技术中知道的相同的结构或功 能可以代一齐或与本文件所描述的包括反々贵系统的结构或功能相 结合。
继续参考附图2A和4A-4C气体发生器10a的才喿作，当有对 氢气的需求时，(例如，燃料电池或其它氢气消库毛装置在负荷下 并消耗氢气)，在气体存储腔室40中的空气压力降低。较低的氢 气压力引起弹性隔膜或柔性隔膜50a较少的伸展，因此移动到左边(例如，朝化学物质补纟合腔室41的方向)，这将减少气体存^f诸 腔室40的容积。当柔性壁50a向左移动时，其同时4,动涂4末在 活塞30a上的催化剂向左移动，且使其进入NaBH4溶液42。由 于在中空活塞30a上的大面积催化剂32暴露在NaBH4溶液，所 以氢气产生率提高。
在NaBH"容液42中的催化剂32反应产生的氢气迅速扩散经 过气体可渗透结构36，穿过中空活塞30a，且进入氢气存储腔室 40。然后，在氢气存储腔室40中的氢气压力迅速增大。只要产 生的氢气43继续一皮燃^牛电池11 (附图1)或其它所4吏用氢气消 耗装置所利用，那么在参考压力腔室中将保持低的氢气压力。涂 才末在活塞30a上的〗崔化剂的重要部分处于^1学物质补纟合腔室41 中，和气体发生器10a继续与负荷相当的速率产生氢气。
然而，当在燃料电池11上的负荷减小且产生的氢气使用速 率与产生速率不一致时，未使用的氢气43累积在气体存储腔室 40中。在氢气存储腔室40中的增大的氢气压力(相对于化学物 质补给腔室41中的压力)推动弹性隔力莫50a向参考压力腔室26 方向移动。当弹性隔膜50a向右移动时，其同时4巴覆盖在活塞30a 上的催化剂从NaBH4燃料溶液42中拉出，这样暴露于NaBH4溶 液42的催化剂32减少。放緩了产生氢气的反应，直至其与使用 速率相一致，以及当气体需求量为零时，氢气产生的反应减速至 停止。这样，在气体发生器10中的机械反馈系统包括非常少的 移动部件，和以自控的方式迅速动作控制氢气的产生。
当在燃泮牛电池11的负荷再次增大时，以及燃冲+电池(或其 它氢气使用装置)开始再次使用氢气，在气体存储腔室40中的 氢气容量和压力开始减少。所述减少的压力允许弹性隔膜50a再 次移动回到左边。所述运动同时推动涂纟本的催化剂、气体可渗透 结构、中空活塞30a返回进入NaBH4溶液42, 4昔此增加的氢气产生率再次出现，正例如上面所描述的过程。涂4末在活塞30a上 的催化剂进入或离开NaBH4溶液42的运动是自控式的。活塞30a 进入或离开所述;容液的运动有额外的优势，即4觉动4M合的化学物 质以提供统一的溶液组分并实施清扫动作，以从活塞30a上清除 反应的残留物或其它积聚的物质(未显示)。
人们应该理解，本发明的原理不^l限于上面单独描述的实施 方案。其它枳4成的或结构的实施方案可以完成相同的自控式的气 体产生功能。这些其它的气体实施方案可以4吏用活塞或由涂、抹的 催化剂的适合移动的部件、气体可渗透结构和气体反々贵系统。本 文中其它实施方案或部4牛可以与附图2A中的关于配置、形^l犬、 尺寸、压力、气体运动速率、孔的i殳计、个别零部件的运动和其 它方面的实施方案存在不同。所述配置和有关耳关的i殳计之间的平 #f能够通过现有4支术理解，而且在本文的下面部分予以描述其中 的一部分。
例如，附图2B是附图2A中的气体发生器10a的另一个实施 方案。在这个实施方案中，弹性隔月莫50b包4舌刚性壁60和具有 边纟彖密封29的柔性密封的风箱52。风箱52通过压力调节枳4成或 气体弹簧65来响应于压力的变化。在另一个实施方案中，风箱 52的回复力和气体参考压力腔室26的压力足以冲罢脱弹簧65。除 弹性隔月莫50b (附图2B)和弹性隔月莫50a (附图2A )之间的差 异，附图2B中的气体发生器10与附图2A中的气体发生器10a 在操作上实质上是相同的。
作为另一个实施例，附图5A和5B举例i兌明了气体发生器 10b的实施方案，其中催化剂32沉积，或与固体活塞30b和囊状 物合并，所述嚢状物包括气体可渗透结构36，形成至少成为化学 物质腔室41中的一部分。在这些实施方案中，在NaBH4溶液42 边纟彖(附图5A)或环绕周边(附图5B) —部分处，气体可-参透结构36与活塞30b相分离。在涂、抹在活塞30b上的催化剂附近 产生的氢气泡33在NaBH4溶液42中扩散，且渗透经过气体可渗 透结构36进入气体存^f诸腔室40。
附图5A和5B的实施方案可以简化气体发生器10b装置的结 构和操作。尽管催化剂32仍然与活塞30b相关联，氢气渗透结 构36 4皮;故置在远离活塞32的位置上。因此，在这些实施方案中， 没有需要在气体可渗透结构36附近或顶部构造催化剂层。催化 剂32和气体可渗透结构36可以^皮分别构建。这些实施方案的优 点是不仅容易制造，而且提高氢气产生率。当氢气气泡33经过 NaBH4溶液42到达气体可渗透结构36时，其有助于搅动/搅和 NaBH4;容'液42。所述动作有助于,人^崔^f匕剂32表面上去除^f壬〗可依 附的反映产品以及4吏:容液42更加均匀，由此改善随后的氢气产 生。
简化附图5A和5B气体发生器10b固体活塞30b的实施方案 可以有效减少成本以^是供可用性。同时，如果有需要，这些实施 方案也可能重复使用被重复的气体发生器。例如，圆筒状气体发 生器不仅减少产生成本，而且化学物质补给腔室41能够安装可 移除的螺帽(未显示)。当NaBH4溶液被消耗时，螺帽可以i走+〉， 消诔毛NaBH4 ;容液时，用新的NaBH4 ;容液再次i真充化学物质补绐^ 腔室。可^,代的是，阳才及代替注入端口 (未显示) 一皮才是供在化学 物质补给腔室41上，以允许用新的补乡合的化学物质代^,已消^毛 的补给的化学物质。
另外，如果气体可渗透结构36由金属(例如，钇)或其它 合适的加热调节器，可以用作加热池以4非除由产生氢气的反应而 产生的废热。这使得气体发生器大的氢气发生器总的容积能够用于存^f诸NaBH4'溶液42，这增加 产生的氢气/单位容积的数量。
在附图5A和5B的实施方案的才喿作中，由于产生过量的氢气 43和未一皮氢气消津毛装置11 (附图1 )所4吏用的，当在NaBH4溶 液42中的压力增加时，涂4未在活塞30b上的〗崔化剂朝着可调节 的弹簧65祐:挤压，而且活塞30b被推出NaBH4溶液42。所述动 作停止或限制了氢气产生率。这些实施方案并不依靠气体可渗透 结构36的柔性。耳又决于活塞30b后面的弹簧65可调节的压缩程 度，在NaBH4溶液42中的压力足够将涂抹在活塞30b上的催化 剂推出溶液42以减慢反应速度。
附图5A和5B实施方案具有额外的优势，在圓筒状主体78 中，涂抹在活塞30b上的催化剂能够容易被密封。所述优势防止 NaBH4溶液42或氢气偶尔泄露经过活塞3 0b 。 4艮据特殊的应用需 要、理想的气体压力或要求的气体流动速度来枳4成定时调节或人 工调节推动活塞30b的弹簧65的压缩程度。在现有技术中，各 种人工调节机4成装置可以净皮使用，用于调节弹簧65的压缩和拉 伸。
附图6A是气体发生器10另一个实施方案的积4戒图解示意 图。这个实施方案与附图5A和5B实施方案相似，^f旦是通过将 活塞30b移进或移出补给的化学物质42，代替将催化剂32暴露 在补给的化学物质42中的活塞30b，部件30b,在这个实施方案 中，旋转的杆30b，用S走转来改变催化剂暴露在补乡合的化学物质 42中的数量。为了产生旋转运动而转动杆30b，所述杆30b与凸 轮80机械连接。所述凸轮80经联动装置55与风箱77的坚硬壁 79相连接。所述风箱77被设计为与气体存储腔室40中的压力起 反应，沿着弹性隔膜50c外面延伸，且进入风箱77。在操作过程中，为了产生电能，燃料电池11或其它气体消
耗装置使用越来越多的产生的气体43，例如，在气体存储腔室 40中的压力下降，引起风箱77缩回，转动旋转杆30b以将更多 的催化剂暴露在补^合的化学物质42中。当燃并+电池11或其它气 体消库4装置4吏用4交少的产生的气体43时，在气体存〗诸腔室40中 的压力增加，引起风箱77扩张，又引起凸轮80转动杆30b以将 较少催化剂32暴露在补给的化学物质42中。这导致气泡33的 产生，气体存^f诸腔室40中的压力减速而最终到达平Hf,与产生 的气体43被使用的数量相称。
人们应该理解，可以采用用于允许旋转杆30b和凸4仑80平 滑地旋转并产生最小的阻力滚珠轴承、气体轴承或其它技术。在 另一个实施方案中，与密封22相似的是，附图6A的实施方案中 的^走转杆30b可以包括加长的密封(未显示)，以防止补给的化 学物质42进入旋转杆30b所处在的腔室。反污刷(未显示)也 可以用来防止产品或其它物质堆积、在4干30b或4崔4匕剂32上。
附图6B和6C举例说明了可替代的旋转杆的实施方案，所述 方案可以在附图6A中气体发生器中使用。在附图6B中，旋转 杆30a是通过对中空实施方案轴向剖视图显示的，这与附图2A 中的轴30a相似。在这个实施方案中，催化剂32^皮布置在气体 渗透隔膜36上。催化剂32沉积在浅凹上形成气体、渗透隔膜36, 如附图3所示。当参考附图2A的描述，产生的气体43开始形成 气泡33,进入中空活塞30a通道34，并进入气体存储腔室40。 人们应该理解，在附图6A中描述的实施方案一皮适当改变以适应 中空杆30a的实施方案。人们应该注意到中空杆30a包括非催化 剂和非渗透材料55,当暴露在化学物质溶液42中，既不与化学 物质-容液42产生反应，也不允"i午化学物质溶液42或产生的气体 43穿过。附图6C是使用在附图6A中气体发生器10b中的实心杆30b 的轴向剖^L图。实心旋转杆30b支撑催化剂32,可能与实心杆 30b在任何深度上相关联，和非催化剂和非渗透材料55。参考下 面附图6D-6F描述了实心杆30b的使用。
首先参考附图6D，实心i走转4干30b所处于^皮制成圓形的隔 ^反16中，以致于催化剂32不会暴露于化学物质-容液42中。密 封22防止4匕学物质;容液42进入实心才干30b所处区i或。在已显示 的位置上，旋转实心杆30b不会导致产生气体，这是因为催化剂 32没有出现在化学物质溶液42中。旋转杆30b角度可以用于移 动气体发生器10或用于停止气体的产生，例如在燃津+电池没有 电负荷的'lt况。
附图6E举例^L明了一些气体正在产生的情况。在这种情况 下，力走转杆30b^皮;旋转，以致一些催化剂暴露在补主合的化学物质 42中。随后，气泡33产生了。气泡33沿着气体可、渗透结构36 上(附图6A)接触在不同点上的气体渗透隔膜，而且产生的气 体43到达气体存4诸腔室40。
附图6F是对要求产生最大气体以满足气体消耗装置的需求 的情况的举例说明。在这种情况下，旋转的实心杆30b^皮定位， 以致催化剂32借助隔板16所允许的最大程度暴露在补给的化学 物质42中。
人们应该理解，旋转杆实施方案30a或30b都可以是能支撑 催化剂32在上面描述的相似的方式中起作用的旋转的球体或其 它几〗可形习犬。
附图7是采用了两个实心4干30b与附图2B实施方案相同方 式起作用的气体发生器10b的枳4戒图解示意图。在一些实施方案中，活塞30b以相互平4亍的方式移动其各自相关耳关的催化剂32, 4吏其进入补给的4匕学物质42中，以在化学物质补给腔室41中产 生气体43。在替代的实施方案中，仅使用其中一个活塞30b,直 到其催化剂32被消耗，然后，另一个活塞30b动作。在另一个 实施方案中， 一个活塞30b移动其相关4关的活塞32进入补主会的 化学物质42中，除非需要产生额外产生的气体43以经过气体出 口 14补给气体消耗装置。 一致或相互独立的操作活塞30b的其 它例子中一皮i人为处于本发明原理范围之内。
附图7中的气体发生器10b也包括超压安全装置67。如果化 学物质补给腔室41经历太高的压力，安全装置自动消^^化学物 质补给腔室41中的一些补给的化学物质。超压安全装置67也可 以运用到主体78中的一部分上(环绕气体存储腔室40)以释放 腔室内产生超压情况时产生的压力。
超压安全装置67也可以^皮用于增加更多补《合的4匕学物质42、
超压安全装置67也可以一皮用作乂人化学物质4M合腔室41中抽耳又出 已消库毛的补纟会的化学物质42。超压安全装置67可以连接到气体 发生器10的主体78上，通过缠结线、制动器、扣环或其它才几械 的紧固技术和可以包括密封垫或O形圈以防止气体或补给的化 学物质泄漏。可^^换的，超压安全装置67可以永久连4妄在主体 78上。在又一个实施方案中，超压安全装置67可以构成主体78 的整体的一部分。
在附图7中气体发生器10b中的实施方案中i兌明的另一个特 4正是过滤器/增湿器75，所述的过滤器/增湿器75 /人气体存储腔 室40产生的气体43经过气体出口 14进入气体使用装置。过滤 器/增湿器75可以完成一个或两个功能。在作为过滤器的功能给 出的例子中，过滤器/增湿器75可以是实质上限制除了氢气以外的所有气体经过。在作为增湿器的功能例子中，过滤器/增湿器 75在氢气经过时，为其补充水蒸气或其它气体水蒸气。过滤器/
增湿器75可以如现有4支术中的^象海绵体材料的方式来实施。
附图7中的气体发生器10也包括杆状定4立的传感器72和杆 定位标识74,用于检测杆30b的位置。传感器可以是霍尔效应传 感器、电容4企测器或其它的能够感知可兼容的安装在活塞30b上 的标识74的电磁传感器。在另一个实施方案中，传感器72是视 觉传感器，监测活塞30b的位置。在这个实施方案中，提供视觉 观测窗口，用于允许传感器72 "见测"标识74,或在一些例子中， 直接观测活塞30b。人们将理解具有视觉编码器的操纵轮(未 显示)或其它的3见有#支术中定<立感知装置可以^^使用。在每一个 实施例中，表示活塞位置的信号的使用可以用于向外部装置(未 显示)提供信息，或用于产生马达(例如，线状的噪音线圈马达)、 泵或其它装置(未显示)的电子反々贵，在这些实施方案中，确定 活塞30b在补《会的化合物质42中的位置，以致通过向气体消耗^ 装置中11提供足以产生足够的气体43，催化剂32暴露在补给的 化学物质42中。线性噪音线圈实施方案中可以具有安装在气体 发生器10b的主体78区域内的线圏，具有允许^磁场与在活塞30b 上的f兹性部件(未显示)连4姿以控制催化剂32在补纟合的化学物 质42中的位置。能帮助移动活塞30b的装置的^f吏用在现有4支术 中得到理解。 -使用这样一种装置，定位传感器72,定位标识74 以及控制电流(未显示)可以改变附图7所描述的积4戒配置。
气体发生器10b也可以包括用于通知用户或枳4戒装置的气体 存储腔室正在或已经大致达到最大的容量的容量指示器(未显 示)。所述指示器也可以指示低容量或容量范围。容量指示器也 包括刻度盘、电子显示器、灯(例如，LED，S)、听得见的信号、 无线传送信息装置或其它的现有技术中的指示器。容量指示器可以用作压力传感器或其它的现有技术中的传感器。其它的指示 器，例如，"燃料消耗"或"催化剂消耗，，指示器也可以使用。
附图8i兌明了气体发生器IOC的另一个实施方案。在这个实
施方案中，并不^象上文中所描述，将^皮涂4末在活塞30a上的催化 剂移进或移出NaBH4溶液42,在附图8中，整个NaBH4溶液42 向朝向或远离实心的，涂纟未在活塞30b上的催爿化剂的方向移动， 在一个实施方案中^f呆持固定的方向。由于在更大容量的NaBH4 溶液42 (NaB02溶解性保持为高)形成NaB02，潜在的催化剂 污垢为最少。因此，催化剂的有效期明显延长。人们应该理解， 在其它的实施方案中，活塞30a或30b也可以像上面所描述的方 式移动；因此，表现出在NaBH4溶液42和涂4末在活塞30b上的 催化剂之间运动的不同。
气体可;参透结构36可能位于例如附图5B中的弹性隔月莫50c 的部分上或整个弹性隔膜50d上。附图8的实施方案表现出圆筒 状主体78的构造，和在末端可移动的螺帽(未显示)。在这个设 计中，不4又当NaBH4溶液42 #1消库毛时能一皮^K戈，而且通过*# 活塞30b，催化剂32也可以被容易地改变。这将允许用更加活跃 或较活跃催化剂(取决于特殊的应用)来替代现有的催化剂32。 人们应该理解，在这个实施方案中，中空活塞30a也可以^K吏用， 并在这个或其它实施方案中祐^K义。
应用于燃并牛电池之外的应用实施例。
附图9A,气体发生器10产生氢气43，并通过气体出口14向 J朱宝商^f吏用的喷火4仓81或其它组合装置才是供所述的气体。人们 应该理解，在催化剂出现时(在本文件未描述，^旦在本领域内是众所周知的)，气体发生器IO可以通过分解补纟会的化学物质为组 合喷火枪81或其它组合装置产生其它气体。
附图9B，气体发生器IO产生氧气82并通过气体出口 14向 氧气呼吸装置83提供所述的气体。气体发生器IO也可以与其它 呼吸装置相结合^f吏用，例如潜水罐，在这个例子中，可以4吏用单 个或多个气体发生器10,用于向潜水员在水下潜水中使用的罐子 提供氮气和氧气的混合物。
附图9A和9B气体发生器分別位于气体消库毛装置81和83 的外部，〗又为了i兌明为目的。应该理解，在实践中，气体消一毛装 置81， 83可以4是供放置气体发生器的隔间。气体消耗装置81可 以包括一般的或定做的锁紧机械装置(未显示)，用于固定气体 发生器。
虽然在此本发明通过优选的实施方案已经得到特别的显示 和描述，但人们应该理解对于本领域内的普通技术人员来说， 在形式上的各种变化和细节都没有离开本发明附属权利要求所 包含的范围。
例如，众所周知的是，可溶于水的NaBH4溶液具有緩慢自我 分解的趋势和如等式1 一样形成氢气，甚至在缺乏任何催化剂的 情况下。对长期存储的可能办法就是包装好NaBH4粉末，同时烘 干，且与水和/或NaOH隔离，然后，当需要产生氢气时，就将 两种成分混合。这两种组成部分可以包装在易石卒的玻璃杯或隔膜 设计中，以致于当玻璃杯或隔膜在催化剂使用前破裂时，补给的 化学物质NaBH4溶液42和水能混合。在本文中描述的气体发生器的实施方案中作为一种补充的
安全或控制特;f正，电压可以运用在催化剂32和化学物质溶液42 之间以能够通过催化剂32控制气体产生进度。
被揭示的气体发生器的实施方案考虑了包括可以^提高存储， 控制和处理的气体的附加特4正。除已经描述过的实施例以外，实 施例包括力。热部件，(在加热部件中)增加温度加速气体产品的 产生，或压电装置，通过振动从特殊的溶液或混合物中产生气体。
为了使本文中描述的气体发生器能够便于用户使用和自我 限定，气体出口 14可以有标准4妄口或定啦文形状4姿口 ，用于连接 标准的或基于^f壬务分解方式的各种装置。例如气体出口可以估文成 O型或H型以分别指示由气体发生器10产生的氧气或氢气。这 样的设计能够在给定的应用中4吏用大量的气体发生器时防止用 户出现4普i吴。
权利要求
1.一种自控式气体发生器，包括化学物质补给腔室，该化学物质补给腔室被配置以包含化学物质补给；气体存储腔室，该气体存储腔室被配置以存储气体直到使用时；气体可渗透而液体不可渗透结构，该结构被配置以使得气体穿过从化学物质补给舱室到达气体存储腔室的路径；以及靠近来自化学物质补给舱室的化学物质补给的通道的部件，该部件被安排以将催化剂暴露给化学物质补给，以根据在腔室的至少一个中的气体所产生的压力使得化学物质补给在它的舱室中分解成包含气体的产品。
2. 根据权利要求l所述的气体发生器，其特征在于至少一个部 件相对于化学物质补纟合腔室移动。
3. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于至少一个部 件相对于化学物质补给腔室S走转。
4. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于至少一个部 件的运动改变催化剂暴露在补给的化学物质中的数量。
5. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于至少一个部件是实心活塞，所述实心活塞相对于化学物 质补给腔室移动到产生作用在实心活塞上的力平4軒的位置； 以及至少 一部分化学物质补纟会腔室与气体可渗透结构相连接。
6. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于至少一个部件是实心活塞，所述实心活塞相对于化学物 质补乡合腔室移动到产生作用在实心活塞上的力的平^軒的位 置，所述力包括由于弹簧在使用中连接到实心活塞上所产生 的力；以及至少 一部分化学物质补给腔室与气体可、渗透结构相连接。
7. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于进一步包括 可调节的弹簧，所述弹簧在使用中连接到至少一个部件上， 允i午气体存4诸月空室中的压力与至少 一个部件的位置之间的 关系是能够被调节的。
8. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于所述气体可 渗透结构将产生的气体与补给的化学物质相隔离。
9. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于所述催化剂 包括至少下列催化剂中的一个:金属、金属硼化物或聚合物。
10. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于所述催化剂 连接或涂:沬在所述的至少 一个部件的非'渗透部分上。
11. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于进一步包括 至少 一个减压阀，如果在所述气体存〗渚力空室或化学物质补纟合 月空室内的压力超过予贞先确定的4及限时，所述减压阀减少相应 腔室内的压力。
12. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于进一步包括参考压力腔室以及其中的反々贵系统利用了化学物质补*会腔 室和参考压力腔室之间的压力差产生的力。
13. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于所述补给的 化学物质是液体。
14. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于所述补给的 化学物质包括4壬<可化学氢化物。
15. 根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于所述补给的 化学物质是溶于水的NaBH4溶液，所述NaBH4溶液在催化 剂出现时分解产生氢气，其中催化剂包括至少下列催化剂的 一种钌、铑、把、铱、柏、铼和镍。
16. 根据权利要求1所述的气体发生器，其中所述的部件被安排 以将催化剂通过运动而不是在4匕学物质补给腔室和气体存 储腔室之间的平移来暴露主会化学物质补给。
17. 根据权利要求1所述的气体发生器，其中该气体发生器被配 置以4吏得运4亍不耳又决于方位。
18. —种自控式产生气体的方法，该方法包;fe:将化学物质补给包含在化学物质补#会腔室中； 将气体存储在气体存储腔室中直到使用时；4吏气体以 一种方式穿过/人化学物质补纟会腔室到气体存4诸 腔室的路径，其中所述的方式是实质上不让化学物质补给到 达气体存^诸腔室；以及将催化剂暴露纟会化学物质补给以+艮据由腔室的至少 一 个i成包含气体的产品。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于所述利用力的动作包括相对于补给的化学物质移动催化剂。
20. 才艮据4又利要求18所述方法，其特4正在于所述利用力的动作包括相对于补纟合的化学物质^走转催化剂。
21. 根据权利要求18所述方法，其特征在于所述利用力的动作包括改变暴露在补给的化学物质中的催化剂的数量。
22. 根据权利要求18所述方法，其特征在于以及允许产生的气体经过气体可渗透结构从化学物质补给腔室到达气体存4诸腔室，包括产生的气体流动到补纟合的化学物质的周围。
23. 根据权利要求18所述方法，其特征在于所述利用力的动作包括相对于补给的化学物质移动催化剂到产生作用于与催化剂相连接的部件的力的平衡的位置，所述力包括由于弹簧在使用中被连接到部件上产生的力；以及允许产生的气体经过气体可渗透结构从化学物质补给腔室到达气体存储腔室，包括产生的气体流动到补给的化学物质的周围。
24. 4艮据4又利要求18所述方法，其特4正在于所述利用力以确定 催化剂的位置的动作包括能够调节气体存储腔室中的压力 与催化剂的位置之间的关系。
25. 根据权利要求18所述方法，其特征在于进一步包括将氢气 与补给的化学物质隔离。
26. 才艮据^L利要求18所述方法，其特征在于所述催化剂至少包 括下列催化剂中的一种金属、金属硼化物或者聚合物。
27. 根据权利要求18所述方法，其特征在于所述催化剂连接或 涂抹在气体可渗透结构上。
28. 根据权利要求18所述方法，其特征在于进一步包括如果在 存^f诸腔室或化学物质补症会腔室内的的压力超过预先确定的 才及限时，减少相应腔室内的压力。
29. 根据权利要求18所述方法，其特征在于进一步包括参考压件在补给的化学物质中的位置以作为气体存储腔室与参考 压力腔室之间的压力差的函数。
30. 才艮据4又利要求18所述方法，其特4正在于进一步包括分解补 给的化学物质包括把液体分解成产品。
31. 根据权利要求18所述方法，其特征在于包括分解补给的化 学物质包4舌分解4壬何化学氢化物。
32. 4艮据权利要求18所述方法，其特征在于进一步包括分解补 给的化学物质包括为产生氢气分解溶解于水的NaBH4溶液， 使用至少使用了下列催化剂中的一种钌、铑、钇、铱、柏、 铼和镍。
33. 根据权利要求18所述的方法，其中将催化剂暴露给化学物 质补纟会的动作是通过运动来完成的，而不是通过在化学物质 补给腔室和气体存储腔室之间平移部件来完成的。
34. 根据权利要求18所述的方法，其中该方法的操作不取决于 方位。
35. —种自控式气体发生器，包括将化学物质补给包含在化学物质补给腔室中的装置；将气体存储在气体存储腔室中直到使用的装置；使气体以 一种方式穿过从化学物质补给腔室到气体存储 腔室的^^f圣的装置，其中所述的方式是实质上是不让化学物 质补纟合到达气体存^f诸腔室；以及靠近来自化学物质补纟会腔室中的化学物质补给的通道的 装置，其用于将催化剂暴露给化学物质补给，以才艮据腔室中 的至少 一 个腔室中分解城包含气体的产口口 ，
全文摘要
一种响应于气体需要的自控式气体发生器，该气体发生器提供并自动调节在化学物质补给腔室(41)中由适合的补给化学物质催化产生的气体的数量(例如，氢气或氧气)，所述补给的化学物质包括例如化学溶液、溶解在液体里的气体或者混合物。气体发生器可以使用活塞、旋转杆(30a)或者其它部件，以一定数量的补给的化学物质暴露在催化剂中。气体发生器可以为各种气体消耗装置提供气体，例如燃料电池、火炬、或者氧气呼吸装置。
文档编号H01M8/04GK101623612SQ20091015137
公开日2010年1月13日 申请日期2004年11月14日 优先权日2003年11月14日
发明者丹·M·帕克, 彼得·N·平陶罗, 斯蒂芬·A·马莎 申请人:集成燃料电池技术公司