CN100522797C - 自控式气体发生器及其方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

自控式气体发生器及其方法
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，破坏大气层的臭氧和电池的酸性废物)。
燃料电池已经被提议作为解决这个问题的具有环保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竞争力的价格。
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，所述燃料电池被期望用于多种不同的军事、工业和民用，在这些市场中，受欢迎的是便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，被用于从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给的通道，包含或涂抹催化剂(例如，铂)。在一个实施方案中，所述部件相对于化学物质补给腔室移动到催化剂相对于补给的化学物质的位置。在存在催化剂时，在化学物质补给腔室中补给的化学物质分解成产品，包括产生的气体，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储腔室的路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放置的部件上，或者定位在催化剂放置的部件内，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给的化学物质的催化剂的位置可以通过反馈系统来控制，所述反馈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化剂的位置。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旋转，或者相对于包括化学物质腔室的主体保持在固定的位置上。所述部件的运动可以改变暴露在补给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，所述部件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，以允许产生的气体从化学物质补给腔室到气体存储腔室的路途中经过活塞。
在一些实施方案中，所述部件是实心活塞，相对于补给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操作地连接到所述部件中的弹簧产生的力。在实心活塞实施方案中，化学物质补给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，气体可渗透结构包括气体渗透隔膜部分和非气体渗透隔膜部分。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接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。
所述部件可能被气体可渗透结构所涂抹、被气体可渗透结构所覆盖或者与气体可渗透结构构成整体。所述部件也可以包括非催化剂部分，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被操作的情况下，非催化剂部分可以定位在活塞末端的位置上。相对于补给的化学物质，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，因此没有催化剂保露在化学物质中。在所述位置中止补给的化学物质的分解。气体发生器也可以包括“擦刷”，适合从所述部件中取出产品，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。
气体可渗透结构可以包括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。所述气体可渗透结构可以被机械地连接到部件上。
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。催化剂可以连接在气体可渗透结构上、涂抹气体可渗透结构上、连接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征。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耗尽的显示。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储腔室内的压力超过预先确定的压力，则所述减压阀降低各自腔室中的压力。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使用。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使用。气体发生器也可以包括传感器，用于检测所述部件相对于化学物质补给腔室的已知位置的位置。
所述反馈系统可以控制产生气体的生产率。反馈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，和反馈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。
补给的化学物质可以由多种形式来提供。例如，补给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溶液以及至少一种碱金属盐，在这种情况下，溶于水的NaBH4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，补给的化学物质是溶于水的NaBH4，在催化剂出现时，分解产生氢气，此时催化剂可以从下列催化剂中的至少一个选择：钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、铱(Ir)、铂(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。所述干粉可以通过以下动作与预先确定的液体混合：(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(O2)。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。人们应该理解，本发明原理不局限于或者通过本文描述的实施方案中产生的气体的类型。
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、可操作性的特点，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，大量的氢气正在被产生)，系统可以自动关闭。
附图说明
本发明前述和其它的目的、特征和优点将从下面更详细的优选的发明实施方案说明中显示出来，这点在附随的附图中得以说明，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，而是将重点放在于说明本发明的原理上。
附图1是燃料电池应用的绘画示意图。在其中，根据本发明原理，气体发生器可以被采用。
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图；
附图3是附图2A所示的气体发生器中的部件(例如，活塞)的详细机械示意图，所述部件用于将催化剂移进或移出补给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图；
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图；
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图；
附图6B-6C是附图6A所示的气体发生器中使用的部件(例如，旋转的杆)的机械示意图；
附图6D-6F是附图6C中的部件在操作中的机械示意图；
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图；
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9C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10可以被采用。在所述燃料电池应中，气体发生器10产生和传送氢气到燃料电池11。正如现有技术中所知道的那样，燃料电池11使氢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播放器)、遥控小车12b，或手提式电脑12c。其它的燃料电池应用包括军事电子、工业电子(例如，印刷机)，或民用电子(例如，微型电话，个人数字助理(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，燃料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储燃料。
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10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溶解于水的固体反映物产生的。因此，具有任何金属氢化物的化学物质补给都适于应用在气体发生器10中。可以理解的是，应用在气体发生器10中的催化剂可以被特别选择用于催化所选择的金属氢化物以产生氢气。一种特殊的氢化物，硼氢化钠，NaBH4，作为一种便利的、安全的氢气来源，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择的金属、金属化合物、金属硼化物催化剂时，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。这种催化驱使，分解(水解)反应可以写为：
NaBH4(aq)+2H2O(l)   4H2(g)+NaBO2(aq)(等式1)
                 →
在等式1中，描述了水解反应，水(H2O)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氢气时，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溶液中的减少的补给水并不是一个直接的问题，等式1中的其它反应产品，在出现水较少时，形成硼酸钠，NaBO2。这将导致在催化剂附近形成更加浓缩的溶液。硼酸钠是可溶于水的，但并不是非常易溶于水的。这意味着当氢气产生的同时，NaBO2产品形成，一些NaBO2可以开始迅速产生且在催化剂上或催化剂附近沉积。在催化剂上的NaBO2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，催化剂位置(例如，经过选择的催化剂浸入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NaBO2趋向于保持可溶性并溶于溶液中。即使是NaBO2溶解度最终过度，NaBO2沉淀并沉积在NaBH4溶液周围，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，被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，反馈系统来控制。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机械。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10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低成本和便携式方面的应用，以及对方向的敏感性。
其它的实施方案使用活塞(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、球体或其组合物有关联，通过增加或减少催化剂暴露在补给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馈系统在下文中被描述。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”意味着实质上没有补给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，但包括有防止补给的物质流经到气体存储腔室的结构。
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，而从化学物质补给腔室到达气体存储腔室。
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料电池的应用的氢气的产生。在燃料电池应用中，氢气从一种特殊的化学物质氢化物的水溶液中产生，但并不限制气体发生器10从特殊的化学物质氢化物或特殊的水溶液中产生氢气。从更广的来说，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任何气体产生系统，在所述系统中，特定的气体借助选择的催化剂、装置或部件等装置，从任何气体、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：化学物质补给腔室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，在为燃料电池11产生氢气的实施方案中，化学物质补给腔室41存储可溶于水的NaBH4溶液42。人们应该理解，在本文件中描述的总的设计概念对于硼氢化钠(NaBH4)或实际上甚至是化学物质氢化物并没有限制。被暴露在经挑选的催化剂中，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NaBH4溶液42。
在附图2A的实施方案中，用固体壁或由切割或形成孔18穿过的板壁16将化学物质补给腔室41与气体存储腔室40相隔离。在所述孔18中，部件30a，例如，中空活塞30a，被安装。优选的是，所述孔18与活塞30a穿过部分的形状匹配。按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)。所述密封以这样的方式安装在孔18，以致实质上没有液体或气体在活塞30a和隔墙16之间，或从补给的化学物质部分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)，并且它的内部孔穴或通道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”隔膜50a和或许是气体发生器10a的主体78的一部分所限定。气体存储腔室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储腔室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技术中的技术所确定。
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，即设置气体发生器10的绝对操作压力，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，以防止在气体存储腔室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分别伸进或撤出化学物质补给腔室41。弹簧65可以对弹性隔膜50a施加一个偏心压力，结果施加的偏心压力作用于活塞30a上以偏离弹性隔膜50a。对于压力和弹力如何影响产生气体的更加详细的说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的封闭视图。所述中空活塞30a可以由气体可渗透结构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，NaBO2或者NaOH是不能穿过气体可渗透结构36的。换句话说，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渗透结构36例子中，例如钯金属薄，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(或任何气体)渗透。还有另外的实施例包括渗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，或嵌入经过挑选的催化剂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，经过挑选的催化剂32可以形成，或连接，或沉积在接近气体可渗透结构36的地方，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没有涂抹或覆盖非催化剂材料35，以防止在活塞30a完全从供应的化学物质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”或其它的被做成壁凹的方式来盛装催化剂32，使得气体可渗透结构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给腔室41中的物质与气体存储腔室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的出路，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中的中空孔穴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钌(Ru)，铑(Rh)，钯(Pd)，铱(Ir)，铂(Pt)，铼((Re)和镍(Ni)金属，金属化合物，或者金属硼化物。这些催化剂能够被单独使用，也可以与其它混合使用，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NaBH4溶液的分解起着催化的作用。所述气体可渗透结构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跃的外部表面，例如，钯，钯合金，或任何堆积成层的膜构成的氢气渗透结构36和表面，所述表面本身对NaBH4分解起着催化活跃的作用。
再次参考附图2A，涂抹的催化剂，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的气体存储腔室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可以由像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NaBH4溶液(或任何其它浓缩的液体)，所述NaBH4溶液从化学物质补给腔室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储腔室40或提高性能。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料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完全被撤回(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也有助于防止补给的化学物质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料)可以被安装在板壁孔18上，以防止补给的化学物质经过两条路径泄漏进入气体腔室，所述的两条路径是(i)沿着活塞30a的侧表面，和(ii)密封22和板壁16之间。另外，活塞30a能够被设计成滑动或穿过时接触刷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而接触的活塞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不会给活塞30a的运动施加重大的阻力。
在附图2A关于气体发生器10操作的说明中，活塞30a连接在弹性隔膜50a上，因此，响应于气体存储腔室40的压力而产生移动。借助参考压力腔室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，其增大了直接对弹性隔膜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，作为在补给的化学物质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说明的描述。现在描述的启动过程也可以应用于附图2B。
参考附图2A，在开始使用前，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，补给的化学物质42也与催化剂杆30a相隔离，以致没有气体产生。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中释放出来来完成，所述化学物质补给腔室41位于通过固定钉(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，以保持催化剂32远离补给的化学物质42，在使用之前，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破裂隔膜(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跃的补给的化学物质42。人们应该理解，任何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，催化剂杆30a可以被运送在完全延伸的位置(例如，由于弹簧65在其上施加从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被激活以及催化剂杆30a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。由于化学物质燃料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中的气体可渗透结构36以推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给腔室41的顶部。因为产生的气体停留在化学物质补给腔室41中，在化学物质补给腔室41的压力增加。当化学物质补给腔室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逐渐再次将催化剂从化学物质补给腔室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储腔室40，在此出现活塞30a确定催化剂32完全从化学物质补给腔室42中撤回的点。因为在将燃料电池11与气体发生器连接之前，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外)的启动顺序是相似的。对于所述固体杆30b的例子来说，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，借助弹簧65，催化剂杆30a完全伸进补给的化学物质42中，而且补给的化学物质压力与参考压力保持相同。产生的气体被释放出来并漂移穿过补给的化学物质42以到达化学物质补给腔室41的顶部，最终依附在渗透结构36上。然后，由于补给的化学物质42和气体存储腔室40之间的压力差的增加，气体流经渗透结构进入气体存储腔室40。当补给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连接之前，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，意味着活塞30a(和催化剂32)完全远离NaBH4溶液42，正如上面参考第一移动配置方案中的说明一样。用户通过解开闭锁、制动器或其它保险的机械装置(未显示)来将活塞30a设置为“未锁定”位置以允许活塞(和催化剂32)进入到NaBH4溶液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的完全处于化学物质补给腔室41中的初始位置。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NaBH4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NaBH4溶液42中形成的氢气气泡33，接合并与气体可渗透结构36相接触。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，涂抹的催化剂，中空活塞30a处于化学物质补给腔室41和气体存储腔室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完全处于气体存储腔室40中。在这种情况下，因为没有催化剂32暴露在NaBH4溶液42中，所以NaBH4溶液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。
总的来说，反馈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，气体存储腔室40，或化学物质补给腔室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上的从左向右的力；(ii)在气体存储腔室40中的气体43的压力从左向右施加在弹性隔膜50a上，又在活塞30a上施加从左向右的力；(iii)参考压力腔室26的压力从右向左施加在隔膜上，又从右向左施加在活塞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括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替或与本文件所描述的包括反馈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的操作，当有对氢气的需求时，(例如，燃料电池或其它氢气消耗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，朝化学物质补给腔室41的方向)，这将减少气体存储腔室40的容积。当柔性壁50a向左移动时，其同时推动涂抹在活塞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NaBH4溶液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继续被燃料电池11(附图1)或其它所使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。涂抹在活塞30a上的催化剂的重要部分处于化学物质补给腔室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)推动弹性隔膜50a向参考压力腔室26方向移动。当弹性隔膜50a向右移动时，其同时把覆盖在活塞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。放缓了产生氢气的反应，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。
当在燃料电池11的负荷再次增大时，以及燃料电池(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抹的催化剂、气体可渗透结构、中空活塞30a返回进入NaBH4溶液42，借此增加的氢气产生率再次出现，正例如上面所描述的过程。涂抹在活塞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进入或离开所述溶液的运动有额外的优势，即搅动补给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，本发明的原理不仅限于上面单独描述的实施方案。其它机械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使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馈系统。本文中其它实施方案或部件可以与附图2A中的关于配置、形状、尺寸、压力、气体运动速率、孔的设计、个别零部件的运动和其它方面的实施方案存在不同。所述配置和有关联的设计之间的平衡能够通过现有技术理解，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，弹性隔膜50b包括刚性壁60和具有边缘密封29的柔性密封的风箱52。风箱52通过压力调节机械或气体弹簧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的压力足以摆脱弹簧65。除弹性隔膜50b(附图2B)和弹性隔膜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举例说明了气体发生器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，所述囊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边缘(附图5A)或环绕周边(附图5B)一部分处，气体可渗透结构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进入气体存储腔室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被放置在远离活塞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可以被分别构建。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溶液42。所述动作有助于从催化剂32表面上去除任何依附的反映产品以及使溶液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提供可用性。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，螺帽可以旋松，消耗NaBH4溶液时，用新的NaBH4溶液再次填充化学物质补给腔室。可替代的是，阳极代替注入端口(未显示)被提供在化学物质补给腔室41上，以允许用新的补给的化学物质代替已消耗的补给的化学物质。
另外，如果气体可渗透结构36由金属(例如，钯)或其它合适的加热调节器，可以用作加热池以排除由产生氢气的反应而产生的废热。这使得气体发生器10b保持低的操作温度。这种实施方案另外一个优势是氢气储存腔室40可以定位在气体发生器10b的外围(例如NaBH4化学物质存储腔室41的周围)。因为更大的氢气发生器总的容积能够用于存储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的实施方案的操作中，由于产生过量的氢气43和未被氢气消耗装置11(附图1)所使用的，当在NaBH4溶液42中的压力增加时，涂抹在活塞30b上的催化剂朝着可调节的弹簧65被挤压，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。取决于活塞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，在圆筒状主体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30b。根据特殊的应用需要、理想的气体压力或要求的气体流动速度来机械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，各种人工调节机械装置可以被使用，用于调节弹簧65的压缩和拉伸。
附图6A是气体发生器10另一个实施方案的机械图解示意图。这个实施方案与附图5A和5B实施方案相似，但是通过将活塞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，用旋转来改变催化剂暴露在补给的化学物质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给的化学物质42中。当燃料电池11或其它气体消耗装置使用较少的产生的气体43时，在气体存储腔室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，气体存储腔室40中的压力减速而最终到达平衡，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和凸轮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的实施方案中的旋转杆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杆30b或催化剂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被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中描述的实施方案被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，既不与化学物质溶液42产生反应，也不允许化学物质溶液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的轴向剖视图。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，实心旋转杆30b所处于被制成圆形的隔板16中，以致于催化剂32不会暴露于化学物质溶液42中。密封22防止化学物质溶液42进入实心杆30b所处区域。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，例如在燃料电池没有电负荷的情况。
附图6E举例说明了一些气体正在产生的情况。在这种情况下，旋转杆30b被旋转，以致一些催化剂暴露在补给的化学物质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到达气体存储腔室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被定位，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何形状。
附图7是采用了两个实心杆30b与附图2B实施方案相同方式起作用的气体发生器10b的机械图解示意图。在一些实施方案中，活塞30b以相互平行的方式移动其各自相关联的催化剂32，使其进入补给的化学物质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移动其相关联的活塞32进入补给的化学物质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的其它例子中被认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，安全装置自动消耗化学物质补给腔室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也可以被用于增加更多补给的化学物质42、水或其它的在产生气体时使用的作为补给的化学物质。相同地，超压安全装置67也可以被用作从化学物质补给腔室41中抽取出已消耗的补给的化学物质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、扣环或其它机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。可替换的，超压安全装置67可以永久连接在主体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中的实施方案中说明的另一个特征是过滤器/增湿器75，所述的过滤器/增湿器75从气体存储腔室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可以如现有技术中的像海绵体材料的方式来实施。
附图7中的气体发生器10也包括杆状定位的传感器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、电容检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“观测”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)或其它的现有技术中定位感知装置可以被使用。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)的电子反馈，在这些实施方案中，确定活塞30b在补给的化合物质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区域内的线圈，具有允许磁场与在活塞30b上的磁性部件(未显示)连接以控制催化剂32在补给的化学物质42中的位置。能帮助移动活塞30b的装置的使用在现有技术中得到理解。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所描述的机械配置。
气体发生器10b也可以包括用于通知用户或机械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8说明了气体发生器10c的另一个实施方案。在这个实施方案中，并不像上文中所描述，将被涂抹在活塞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，涂抹在活塞30b上的催化剂的方向移动，在一个实施方案中保持固定的方向。由于在更大容量的NaBH4溶液42(NaBO2溶解性保持为高)形成NaBO2，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和涂抹在活塞30b上的催化剂之间运动的不同。
气体可渗透结构36可能位于例如附图5B中的弹性隔膜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，不仅当NaBH4溶液42被消耗时能被替代，而且通过替代活塞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也可以被使用，并在这个或其它实施方案中被替代。
附图9A和9B举例说明了根据本发明的原理气体发生器除了应用于燃料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向珠宝商使用的喷火枪81或其它组合装置提供所述的气体。人们应该理解，在催化剂出现时(在本文件未描述，但在本领域内是众所周知的)，气体发生器10可以通过分解补给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10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10也可以与其它呼吸装置相结合使用，例如潜水罐，在这个例子中，可以使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气体发生器分别位于气体消耗装置81和83的外部，仅为了说明为目的。应该理解，在实践中，气体消耗装置81，83可以提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溶液具有缓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碎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征，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征。除已经描述过的实施例以外，实施例包括加热部件，(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可以有标准接口或定做形状接口，用于连接标准的或基于任务分解方式的各种装置。例如气体出口可以做成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使用大量的气体发生器时防止用户出现错误。

Claims (113)

1.一种自控式气体发生器，包括：
包含补给的化学物质的化学物质补给腔室；
至少一个靠近补给的化学物质的通道的部件，所述部件与补给的化学物质相接触；
与至少一个部件相连接的催化剂，所述部件在催化剂出现时导致补给的化学物质分解成产品，该产品包括在化学物质补给腔室中产生的气体；
用于存储产生的气体直到使用的气体存储腔室；
气体可渗透结构，产生的气体穿过所述气体可渗透结构从化学物质补给腔室到气体存储腔室的路径经过；以及
反馈系统，该系统利用部分由在至少一个腔室中产生的压力，以确定催化剂在补给的化学物质中的位置来控制产生的气体的产生率。
2.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旋转。
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相对于主体保持在固定位置上，所述主体包括化学物质补给腔室。
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的运动改变催化剂暴露在补给的化学物质中的数量。
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陶器的或者是由导热材料制成的。
7.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活塞。
8.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中空的。
9.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包括多个通道，所述通道适于允许产生的气体经过。
10.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的。
11.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衡的位置；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。
12.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的平衡的位置，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。
13.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，允许气体存储腔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。
14.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被涂抹气体渗透催化剂层和气体可渗透结构。
15.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被涂抹气体可渗透结构。
16.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被覆盖气体可渗透结构。
17.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与气体可渗透结构构成整体。
18.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包括非催化剂部分。
19.根据权利要求18所述的气体发生器，其特征在于至少一个部件是活塞，而且所述非催化剂部分处于活塞的末端。
20.根据权利要求18所述的气体发生器，其特征在于至少一个部件适合于根据补给的化学物质来确定非催化剂部分的位置以中止补给的化学物质的分解。
21.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擦刷以移去至少一个部件上的产品。
22.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。
23.根据权利要求22所述的气体发生器，其特征在于所述气体可渗透结构包括金属。
24.根据权利要求22所述的气体发生器，其特征在于所述气体可渗透结构包括钯。
25.根据权利要求22所述的气体发生器，其特征在于所述气体可渗透结构包括钯合金。
26.根据权利要求22所述的气体发生器，其特征在于所述气体可渗透结构包括聚合物。
27.根据权利要求22所述的气体发生器，其特征在于所述气体可渗透结构包括陶器。
28.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。
29.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在所述气体可渗透结构上。
30.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被涂抹在气体可渗透结构上。
31.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抹在所述的至少一个部件的非渗透部分上。
32.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容量指示器，如果所述气体存储腔室到达预先确定的空气压力，所述容量指示器动作。
33.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指示气体压力的容量指示器。
34.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指示至少一个部件的位置的容量指示器。
35.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指示未消耗的补给的化学物质的数量的容量指示器。
36.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人工阅读的容量指示器。
37.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，如果在所述气体存储腔室或化学物质补给腔室内的压力超过预先确定的极限时，所述减压阀减少相应腔室内的压力。
38.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过滤器，产生的气体在被外部的装置使用前经过所述过滤器。
39.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增湿器，产生的气体在被外部的装置使用前经过所述增湿器。
40.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用于监测至少一个部件相对于化学物质补给腔室的已知位置的位置的传感器。
41.根据权利要求40所述的气体发生器，其特征在于所述传感器是机械的、电磁的或者视觉传感器。
42.根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于反馈系统利用了气体存储腔室和化学物质补给腔室之间的压力差产生的力。
43.根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于包括参考压力腔室，以及其中的反馈系统利用了气体存储腔室与参考压力腔室之间的压力差产生的力。
44.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馈系统利用了化学物质补给腔室和参考压力腔室之间的压力差产生的力。
45.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连接至少一个部件的弹簧，其中反馈系统利用了作用在至少一个部件上的至少一个腔室内的压力与作用在至少一个部件上弹簧的弹力之间的压力差。
46.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固体。
47.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。
48.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解在液体中的气体。
49.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被固体吸收的气体。
50.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和溶解在液体中的气体的混合物。
51.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任何化学氢化物。
52.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任何金属氢化物。
53.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。
54.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NaBH4溶液和至少一种碱金属盐。
55.根据权利要求54所述的气体发生器，其特征在于溶于水的NaBH4溶液包括相等数量的助溶剂或者其它添加剂。
56.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、钯、铱、铂、铼和镍。
57.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作为干粉被保存的NaBH4，所述干粉通过以下动作与预先确定的液体混合：(i)破裂保存的NaBH4干粉的隔膜，(ii)振动或挤压气体发生器，或(iii)通过刺穿隔膜。
58.根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于产生的气体是氢气。
59.根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于产生的气体是氧气。
60.根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于适合于燃料电池。
61.根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于适用于气体组合装置。
62.根据权利要求1所述的气体发生器，其特征在于适用于呼吸器。
63.一种产生气体的方法，包括：
将补给的化学物质分解成产品，包括当催化剂出现时，在化学物质补给腔室中产生气体；
允许产生的气体完全游离于补给的化学物质，以经过气体可渗透结构从化学物质补给腔室到气体存储腔室进行存储，直至被使用为止；以及
利用由至少一个腔室内的压力所产生的部分力来确定催化剂在补给的化学物质中的位置，以控制气体发生器的产生率。
64.根据权利要求63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。
65.根据权利要求63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旋转催化剂。
66.根据权利要求63所述方法，其特征在于所述利用力的动作包括相对于催化剂的移动补给的化学物质。
67.根据权利要求63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。
68.根据权利要求63所述方法，其特征在于所述催化剂被连接到陶器上或者所述催化剂是由导热材料制成。
69.根据权利要求63所述方法，其特征在于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，包括允许产生的气体经过中空部件中的通道。
70.根据权利要求63所述方法，其特征在于允许产生的气体经过气体可渗透结构，包括允许产生的气体流经补给的化学物质和穿过处于远离催化剂位置的气体可渗透结构。
71.根据权利要求63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；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。
72.根据权利要求63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。
73.根据权利要求63所述方法，其特征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。
74.根据权利要求63所述方法，其特征在于所述催化剂被涂抹在气体可渗透结构上。
75.根据权利要求63所述方法，其特征在于分解补给的化学物质包括如果产生的气体没有被使用，中止分解补给的化学物质。
76.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括从催化剂上移去产品。
77.根据权利要求63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。
78.根据权利要求63所述方法，其特征在于气体可渗透结构包括钯或者聚合物结构。
79.根据权利要求63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。
80.根据权利要求63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。
81.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括如果气体存储腔室中的压力超过预先确定的气体压力，将激活活塞容量指示器。
82.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括指示气体压力。
83.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括指示催化剂在化学物质补给腔室中的位置。
84.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括指示未消耗补给的化学物质的数量。
85.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括显示与产生的气体产生率相关联的刻度。
86.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括如果在存储腔室或化学物质补给腔室内的的压力超过预先确定的极限时，减少相应腔室内的压力。
87.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括在被外部装置使用前，过滤产生的气体。
88.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括在被外部装置使用前，增加产生的气体的湿度。
89.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括监测在化学物质补给腔室中催化剂的位置。
90.根据权利要求63所述方法，其特征在于所述利用力的动作包括确定催化剂在补给的化学物质中的位置以作为气体存储腔室与化学物质补给腔室之间的压力差的函数。
91.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括参考压力腔室，以及其中所述利用力的动作包括确定催化剂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。
92.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括参考压力腔室，以及其中所述利用力的动作包括确定有催化剂的部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。
93.根据权利要求63所述方法，其特征在于进一步包括在连接有催化剂的部件上施加非压力性质的力，以及其中所述利用力的动作包括确定有催化剂的部件的位置以作为作用在部件的至少一个腔室内的压力与作用在部件上非压力性质的力之间的压力差的函数。。
94.根据权利要求63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分解固体。
95.根据权利要求63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把液体分解成产品。
96.根据权利要求63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把溶解在液体的气体分解成产品。
97.根据权利要求63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把吸收在固体中的气体分解成产品。
98.根据权利要求63所述方法，其特征在于包括分解补给的化学物质包括把液体化合物和溶解在液体中的气体分解成产品。
99.根据权利要求63所述方法，其特征在于包括分解补给的化学物质包括分解任何化学氢化物。
100.根据权利要求63所述方法，其特征在于包括分解补给的化学物质包括分解溶于水的NaBH4溶液。
101.根据权利要求63所述方法，其特征在于包括分解补给的化学物质包括分解NaBH4溶液和至少一种碱金属盐。
102.根据权利要求101所述方法，其特征在于所述溶解于水的NaBH4溶液包括有效数量的助溶剂或者其它添加剂。
103.根据权利要求63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、钯、铱、铂、铼和镍。
104.根据权利要求63所述方法，其特征在于补给的化学物质以干粉被保存，和进一步包括在补给的化学物质分解成产品之前，将补给的化学物质和预先确定的液体相混合。
105.根据权利要求63所述方法，其特征在于产生的气体是氢气。
106.根据权利要求63所述方法，其特征在于产生的气体是氧气。
107.根据权利要求63所述方法，其特征在于应用于燃料电池。
108.根据权利要求63所述方法，其特征在于应用于气体组合装置。
109.根据权利要求63所述方法，其特征在于应用于呼吸器。
110.一种产生气体的装置，包括：
将补给的化学物质分解成产品的装置，包括在催化剂出现时，在化学物质补给腔室中产生气体；
允许产生的气体完全游离于补给的化学物质以经过气体可渗透结构从化学物质补给腔室到气体存储腔室进行存储，直至被使用为止的装置；以及
利用至少部分由一个腔室中的压力产生的力的装置，以确定催化剂在补给的化学物质中的位置来控制气体发生器的产生率。
111.一种自控式气体发生器，包括：
含有化学物质供给的化学物质供给腔室；
至少一个靠近化学物质补给的通道的部件，所述的部件与化学物质补给相接触；
与至少一个部件相连接的催化剂，所述部件在催化剂出现时导致补给的化学物质分解成产品，该产品包括在化学物质补给腔室中产生的气体；
用于存储产生的气体直到使用的气体存储腔室；
气体可渗透的而液体不可渗透结构，产生的气体穿过所述的气体可渗透的而液体不可渗透结构从化学物质补给腔室到气体存储腔室的路径经过；以及
至少催化剂和化学物质补给腔室以反馈关系被配置以利用部分由在至少一个腔室中产生的压力来确定催化剂在化学物质补给中的位置，从而控制产生的气体的产生率。
112.一种产生气体的方法，包括：
将补给的化学物质分解成产品，包括当催化剂出现时，在化学物质补给腔室中产生气体；
允许产生的气体本质上游离于补给的化学物质，以经过气体可渗透而液体不可渗透结构从化学物质补给腔室到气体存储腔室进行存储，直至被使用为止；以及
利用部分由至少一个腔室内的压力所产生的力来确定催化剂在化学物质补给中的位置，以控制生成的气体的产生率。
113.一种用于产生气体的装置，包括：
将补给的化学物质分解成产品的装置，包括在催化剂出现时，在化学物质补给腔室中产生气体；
允许产生的气体本质上游离于补给的化学物质以经过气体可渗透而液体不可渗透结构从化学物质补给腔室到气体存储腔室进行存储，直至被使用为止的装置；以及
利用由至少一个腔室中的压力部分所产生的力来确定催化剂在化学补给中的位置，以控制所产生的气体的产生率。
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