CN103987655B - 氢气发生器 - Google Patents

Abstract

本发明是具有外壳(12)内的贮液器(24)、反应区(22)、副产物容纳区(26)和氢容纳区(28)的氢发生器(10)。来自贮液器的液体可以在反应区内反应以产生氢气和副产物，所述副产物流到副产物容纳区，并且氢气进入氢容纳区(28)并且根据需要通过氢出口(38)从外壳释放。贮液器和反应区各自在由不渗透液体的材料制成的容器(18,20)内，副产物容纳区在由可渗透氢的、不渗透液体的材料制成的柔性容器(16)内，并且氢容纳区在由不渗透氢的材料制成的柔性容器(14)内。副产物容纳区与贮液器和反应区中的一个或两者是体积交换关系。

Description

氢气发生器

技术领域

本发明涉及氢气发生器，特别是用于燃料电池系统的氢发生器。

背景技术

燃料电池蓄电池作为用于便携式电子设备的电源的关注已经增长。燃料电池是一种电化电池，其利用来自电池外部的材料作为用于正电极和负电极的活性材料。因为燃料电池不必包含用来产生电的所有活性材料，所以相对于所产生的电能的量，与其他类型电池相比，燃料电池可以以小体积制造。

燃料电池可以根据正电极(阴极)和负电极(阳极)反应中所用的材料类型来分类。一种类别的燃料电池是使用氢作为负电极活性材料并且氧作为正电极活性材料的氢燃料电池。当这样的燃料电池放电时，氢在负电极处被氧化以产生氢离子和电子。氢离子通过不导电的、可渗透离子的隔板(separator)，而电子通过外部电路到达正电极，在正电极处氧被还原。

在一些类型的氢燃料电池中，氢由供应至燃料电池的负电极侧的燃料形成。在其他类型的氢燃料电池中，氢气从燃料电池外部的源(source)供应至燃料电池。燃料电池系统可包括燃料电池蓄电池，其包括一个或多个燃料电池；和氢源，诸如燃料罐、氢罐或氢发生器。在一些燃料电池系统中，在氢被耗尽后氢源可以被更换。可更换的氢源可以是可再装填的或一次性的。

氢发生器利用一种或多种包含氢的反应物，其可以反应以产生氢气。反应可以以多种方式引发，诸如水解和热解。例如，两种反应物可以产生氢和副产物。加速剂和/或催化剂可以用来增加反应速率或催化反应。当反应物反应时，产生包括氢气和副产物的反应产物。

为了最小化氢发生器的体积，通过将氢发生器的组件布置成体积交换构造(volume exchanging configuration)，随着反应物被消耗，初始被反应物占据的体积可以用来容纳反应产物。随着反应物被消耗，反应物已占据的体积可同时被用来包含反应产物。

将氢气从副产物和未反应的反应物中分离，并且气体离开氢发生器并被提供至燃料电池蓄电池。各种用于分离氢气的装置是已知的，包括将固体与氢气分离的多孔滤器和将氢气与液体分离的可渗透气体、不渗透液体的膜。此类分离氢气的装置可被固体填充或阻塞，由此限制或阻止了氢气的流动，因此气体不能离开氢发生器。

期望的是提供能够将氢气供应至燃料电池组的氢发生器，所述氢发生器具有在氢发生器内将氢气与液体和固体分离的提高的有效性和可靠性。氢发生器有利地不易发生可妨碍氢气的分离和释放的内部限制或阻塞。进一步期望的是氢发生器具有优异的可靠性、安全性、体积效率和容易以低成本制造的简单设计。

发明内容

如下所述的氢发生器和燃料电池系统满足了上述目的并且克服了现有技术的上述缺点。

因此，本发明的一个方面是氢发生器，其包括外壳；贮液器，所述贮液器在外壳内并且包括液体反应物容器，所述液体反应物容器由不渗透液体的材料制成，并且包含包括第一反应物的液体；反应区，所述反应区在所述外壳内并且包括反应容器，所述反应容器由不渗透液体的材料制成，并且在所述反应容器内所述第一反应物反应以产生氢气和副产物；副产物容纳区，所述副产物容纳区在所述外壳内并且包括柔性副产物容器，所述柔性副产物容器由固体和液体不能通过但氢气能够通过的可渗透氢的、不渗透液体的材料制成；氢容纳区，所述氢容纳区在所述外壳内并且包括柔性氢气容器，所述柔性氢气容器由不渗透氢的材料制成并且被配置为包含来自所述副产物容纳区的氢气；和从所述氢容纳区通过所述外壳的氢出口。所述副产物容纳区与所述贮液器和所述反应区中的至少一个是体积交换关系。

所述氢发生器可以包括下列特征中的一个或多个：

·副产物容器材料是能够拉伸和收缩的弹性材料；

·副产物容器材料包括含氟聚合物；含氟聚合物可以包括膨胀含氟聚合物；含氟聚合物可以包括聚四氟乙烯或聚四氟乙烯衍生物；

·氢容纳容器材料包括金属化聚合物膜或金属-聚合物复合膜；

·被配置成催化所述第一反应物的反应的催化剂最初包含在反应区内；

·第二反应物最初包含在反应区内；第二反应物可以包含化学氢化物，优选金属氢化物，更优选硼氢化钠；第二反应物可以是固体；固体球粒可以包括第二反应物；固体球粒还可以包含粘合剂；

·氢发生器包括能够提供增加的反应速率的加速剂；加速剂可以包括酸；

·反应容器包括出口，氢气和副产物通过所述出口可以离开到达产物容纳区；

·氢发生器还包括泵，所述泵被配置为将液体从贮液器泵送至反应区；泵可以布置在氢发生器内；和

·液体分散装置布置在反应室内。

本发明的另一方面是包括燃料电池组和如上所述氢发生器的燃料电池系统。所述氢发生器从所述燃料电池系统的其余部分是可拆卸的。

通过参照下面的说明书、权利要求书和附图，本领域技术人员将进一步理解和认识本发明的这些和其他特征、优势和目的。

除非另外指明，在本文中使用下面的定义和方法：

·“流出物”是指非气态的反应产物和未反应的反应物、溶剂和添加剂；

·“膨胀(expand)”当用于描述滤器时，指过滤材料同时增加体积、增加孔隙率和减少密度并且仅涉及制造滤器的材料；

·“最初”是指在引发反应产生氢之前，氢发生器处于未使用或新的(例如，重新填充)状态的情况；

·“体积交换关系”是指氢发生器内的两个或多个区域或容器之间的关系，使得由一个或多个所述区域或容器所损失的一定量的体积同时被一个或多个其他区域或容器获得；由此交换的体积不一定是相同的物理空间，因此在一个地方损失的体积可以在另一个地方获得。

除非在本文中另外指明，所有公开的特性和范围在室温(20-25℃)下确定。

附图说明

在附图中：

图1是处于最初状态的氢气发生器的示意性横截面图；和

图2是处于随后状态的图1中的氢气发生器的示意性横截面图。

具体实施方式

根据本发明实施方式的氢发生器包括可以反应以产生氢气的反应物。一种或多种反应物包含在储存于外壳中的贮器内的液体中。所述液体在贮器内基本上是稳定的。所述液体被转移至反应区，在其中反应物发生反应。如果所有反应物包含在液体中，可以通过一种方法或方法的组合来引发反应，诸如与催化剂接触、改变液体的pH或加热液体。可选地，至少一种反应物可以位于氢发生器中的其他地方。例如，如果其他反应物(一种或多种)包含在另一种液体中，则另一种液体可以储存在另一贮器中并且可以被转移到反应区以与第一液体反应，或另一种液体可以储存在反应区中。如果其他反应物(一种或多种)为固体形式，则它们可以储存在反应区内。

当反应物反应时，氢气和副产物在反应区中产生并且流到副产物容纳区。一些未反应的反应物可以通过氢气和副产物的流动被带到副产物容纳区。为了最小化副产物容纳区中未反应的反应物的量，筛子或其他类型的滤器可以位于反应区的出口附近以帮助将固体反应物的颗粒保留在反应区内，或另外的液体反应物可以被转移至副产物容纳区或中间区以与从反应区带来的未反应的反应物反应。未反应的反应物还可以继续在副产物容纳区内反应。催化剂或加速剂可以包括在副产物容纳区内以促进存在的任何未反应的反应物的反应。

在使用氢发生器的过程中，储存在贮器和反应区中的反应物被耗尽，因此对于那些区域需要较小的体积。如果当内容物被耗尽时用于那些区域的容器可以变得更小(例如，通过折叠或收缩)，那些区域所空出的体积可被用来容纳增加体积的具有膨胀容器的副产物容纳区。副产物容器由可渗透气体和不渗透液体的材料制成，从而允许副产物容纳区中的氢气而不是液体和固体通过，使得气体与液体和固体分离。通过副产物容器的气体被收集在氢容纳区内直至通过氢发生器外壳经由出口被释放，所述氢容纳区包含在由不渗透氢的材料制成的容器内。

产物容纳区与贮液器和反应区中的至少一个之间的体积交换提供了良好的体积效率，使得氢发生器的总体积不必大至足以容纳反应物加上副产物的体积的总和，并且氢发生器可以制造得尽可能小。

因为氢容纳区基本上紧密地密封在氢气容器内，所述氢气容器可以提供提高的抗氢气从氢发生器的泄露，外壳可以不必由不渗透氢的材料制成，并且外壳不一定必须被紧密密封。这允许使用许多不同类型的材料用于外壳，允许使用其他外壳密封方法，并且可以简化氢发生器制造工艺。材料可以基于与氢不渗透性无关的其他期望的性质来选择，诸如低成本、高强度、耐热性、可塑性、可加工性等等。可以考虑的材料的实例包括塑料(例如，聚苯硫类诸如(BoedekerPlastics)；聚砜类诸如聚苯砜(polyphenylsolfone)、聚砜和聚醚砜)、玻璃增强塑料诸如玻璃纤维增强聚丙烯酰胺诸如(Solvay AdvancedPolymers)、陶瓷(例如，碳化硅、高岭石和玻璃)及其组合(例如，金属衬里塑料)。容器还可以使用紧固件封闭，诸如螺钉、铆钉、螺母和螺栓、夹子、钳子等等，如果需要紧密密封，则这些可能不适合，并且另外的密封剂、堵塞材料(caulking)、垫圈等等的使用可能不是必需的。容器还可以使用可能够提供紧密密封的方法来封闭，但没有可确保密封是紧密的必不可少的过程控制等等。用于氢容纳区的独立容器还促进氢发生器的再利用，因为使用过的氢发生器的内容物可以快速地被去除和更换。

氢气可以由氢发生器提供至耗氢设备诸如氢燃料电池组。耗氢设备和氢发生器可以并入至系统中，所述系统包括用于控制液体从贮液器转移至氢发生器的反应区的控制。

氢发生器可以利用多种可以反应以产生氢气的反应物。实例包括化学氢化物、碱金属硅化物、金属/硅胶、水、醇类、稀酸和有机燃料(例如，N-乙基咔唑和全氢化芴)。

碱金属硅化物是在惰性气氛中将碱金属与硅混合并将得到的混合物加热至低于大约475℃温度的产物，其中碱金属硅化物组合物不与干燥的O₂反应。这种碱金属硅化物在美国专利公开2006/0002839中描述。尽管可以使用任何碱金属，包括钠、钾、铯和铷，优选的是在碱金属硅化物组合物中使用的碱金属是钠或钾。包括2族金属(铍、镁、钙、锶、钡和镭)的金属硅化物也可以是合适的。在一个实施方式中，硅化钠可以与水反应以产生氢气和可溶于水的硅酸钠。

金属/硅胶包括1族金属/硅胶组合物。所述组合物具有被吸收到硅胶孔中的一种或多种1族金属或合金。1族金属包括钠、钾、铷、铯以及两种或多种1族金属的合金。1族金属/硅胶组合物不与干燥的O₂反应。这样的1族金属/硅胶组合物在美国专利7,410,567B2中描述并且可以迅速地与水反应以产生氢气。包括一种或多种2族金属(铍、镁、钙、锶、钡和镭)的2族金属/硅胶组合物也可以是合适的。

如在本文中使用，术语“化学氢化物”广义地意在指能够与液体反应以产生氢的任何氢化物。适合用于本文所述的产氢设备的化学氢化物的实例包括，但不限于，元素周期表1-4族元素(国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)命名)的氢化物及其混合物，诸如碱性金属或碱金属氢化物，或其混合物。化学氢化物的具体实例包括氢化锂、氢化铝锂、硼氢化锂、氢化钠、硼氢化钠、氢化钾、硼氢化钾、氢化镁、氢化钙，和它们的盐和/或衍生物。在一个实施方式中，化学氢化物诸如硼氢化钠可以与水反应以产生氢气和副产物诸如硼酸盐。这可以在催化剂、热、稀酸或其组合的存在下进行。

化学氢化物可以与水反应以产生氢气和作为副产物的氧化物、氢氧化物和/或水合物。水解反应可能需要催化剂或一些其他方式的引发，诸如pH调节或加热。可溶于水的化学氢化物可以包括在液体反应物组合物中，特别是在碱性pH下从而使得液体充分稳定。反应可以通过使化学氢化物溶液与催化剂接触、降低pH(例如，用酸)，和/或加热来引发。化学氢化物可以作为固体保存，并且可以添加水。催化剂或酸可以包括在固体或液体组合物中。

一种或多种催化剂可以用来催化产氢反应。合适的催化剂的实例包括元素周期表的8至12族的过渡金属，以及其他过渡金属，包括钪、钛、钒、铬和锰。金属盐，诸如氯化物、氧化物、硝酸盐和乙酸盐也可以是合适的催化剂。

产氢的速率可以以多种方式控制，诸如控制液体运输至反应区的速率、调节pH和进行热调节。产氢速率可以被控制以与氢气的需求相匹配。控制系统可以用于此目的，并且控制系统可以在氢发生器内或至少部分地在氢发生器外部。

添加剂可以用于各种目的。例如，一种或多种添加剂可以作为粘合剂与固体反应物包括在一起以将固体材料保持在期望的形状，或作为润滑剂以促进形成期望形状的过程。其他添加剂可以与液体或固体反应物组合物包括在一起以控制pH。这样的添加剂包括但不限于酸类(例如，盐酸、硝酸、硫酸、柠檬酸、碳酸、硼酸、羧酸、磺酸、苹果酸、磷酸、琥珀酸和乙酸或其组合)或碱类(例如，氢氧化物诸如1族元素的那些、铵和有机化合物；金属氧化物诸如1族金属的那些；和有机胺和金属胺)。添加剂诸如醇类和基于聚乙二醇的化合物可以用来防止流体的冻结。添加剂诸如表面活性剂、润湿剂和消泡剂(例如，二醇类、聚乙二醇和多元醇)可以用来控制液体表面张力和反应产物粘度以促进氢气和/或流出物的流动。添加剂诸如多孔纤维(例如，聚乙烯醇和人造纤维(rayon fiber))可以有助于保持固体反应物组分的孔隙率并且促进含反应物流体的均匀分布和/或氢和流出物的流动。

在一个实施方式中，化学氢化物诸如硼氢化钠(SBH)是一种反应物，并且水是另一种反应物。化学氢化物可以是液体的组分诸如水。化学氢化物和水当暴露于反应室中的催化剂、酸或热时可以发生反应。可选地，化学氢化物可以作为固体储存在反应区中，例如，作为基本上疏松的颗粒或粉末或成形为期望形状。如果期望在化学氢化物和水之间增加的反应速率，则固体酸诸如苹果酸可以与化学氢化物混合，或酸可以添加至水中。化学氢化物可以成形为团块，诸如块料、片剂或球粒，以减少离开反应区的流出物中包含的未反应的化学氢化物的量。如下文使用的，“球粒”是指固体反应物和其他任选的成分成形于其中的任何合适形状或尺寸的团块。球粒应当被成形以使其提供固体和液体反应物之间的大接触表面积。在一个实例中，包含约50至65重量百分比SBH、约30至40重量百分比苹果酸和约1-5重量百分比聚乙二醇的混合物可以被压制成球粒。任选地，可以包括多达约3重量百分比的表面活性剂(消泡剂)、多达约3重量百分比的二氧化硅(防结块剂)和/或多达约3重量百分比的粉末加工流变助剂(powderprocessing rheology aid)。可以调节球粒的密度，这部分取决于期望的氢的体积和待产生氢的最大速率。期望高密度以从给定的体积产生大量的氢，但高孔隙率能够获得较高的产氢速率。另一方面，如果球粒是太多孔的，则未反应的SBH可以更容易地脱开并且作为流出物的一部分从反应区被冲走。此固体反应物组合物的一个或多个球粒可以用于氢发生器中，这取决于待由氢发生器产生的氢的期望体积。氢发生器中水与SBH的比率可变化，这部分基于氢的期望量和期望的产氢速率。如果该速率太低，则SBH利用可能太低，并且如果该速率太高，则所产生的氢的量可能太低，因为对于需要的SBH的量，在氢发生器中可得到的体积是不足的。

在使用过程中提供对氢发生器的冷却可能是期望的，因为产氢反应可产生热。外壳可以被设计为提供冷却剂通道。在一个实施方式中，支架肋(standoff rib)可以设置在外壳的一个或多个外表面上和/或具有燃料电池系统或装置的界面表面上，在所述燃料电池系统或装置中或在其上安装或装配有氢发生器用于使用。在另一实施方式中，氢发生器可以包括围绕外壳的外套，冷却剂通道在外壳和外套之间。可以使用任何合适的冷却剂，诸如水或空气。冷却剂可以通过对流或通过其他方式诸如泵送或鼓风进行流动。可以选择材料和/或可以向氢发生器添加结构诸如散热片(fin)来促进传热。

也可以期望提供用于加热氢发生器的装置，特别是在低温下在启动时和/或在操作期间。

氢发生器可以包括其他组件，诸如用于控制产氢速率的控制系统组件(例如，压力和温度监控组件、阀门、计时器等)、安全组件诸如减压孔、热管理组件、电子组件等等。在操作氢发生器中使用的一些组件可以位于外部而不是氢发生器本身的一部分，这使得在氢发生器中有更多可用的空间，并且即使更换氢发生器时通过允许再利用相同的组件而降低了成本。

氢发生器可以是一次性的或可重复填充的。对于可填充的氢发生器，反应物填充口可以包括在外壳中，或新鲜反应物可以通过打开外壳并更换反应物的容器来装填。如果使用外部泵来将液体从贮器泵送至反应区，则也可以使用起到至泵的流体反应物组合物出口作用的外部连接来用新鲜液体重新填充氢发生器。当组装新的氢发生器时，无论是一次性的还是可重复填充的，填充口也可以是有利的。如果氢发生器是一次性的，则在外部放置预期寿命大于氢发生器的预期寿命组件可以是有利的，诸如燃料电池系统或电电器中，特别是当那些组件是昂贵的。

贮液器、反应区、副产物容纳区和氢容纳区可以以许多不同方式布置。通过以与贮液器和反应区中的一个或两者的体积交换关系布置副产物容纳区，氢发生器可以是更加体积有效的并且提供每单位体积氢发生器更大的氢量。布置氢发生器组件的其他考虑包括热管理(用于期望反应速率的足够的热和反应产生的热的消散)、外部连接的期望位置(例如，用于进出外部泵的氢气、液体流动)、任何必不可少的电连接(例如，用于压力和温度监控以及流体反应物流速的控制)以及容易组装。

包含反应物的液体最初置于贮液器中，其由容器限定。所述容器由在氢发生器的环境中稳定的(例如，与贮器的内容物不反应)不渗透液体的材料制成。其可以是不渗透气体或可渗透气体的。可渗透气体的容器可以允许在贮液器内可形成的少量氢逸出。尽管所述容器可以是刚性容器，但柔性容器可以随着液体被转移出贮器而变得更小(例如，通过折叠和/或收缩)，使得最初被贮器占据的空间可用于膨胀的副产物容纳区。柔性容器的类型的实例包括具有带有手风琴状折叠(accordionfold)的壁的容器，类似于风箱(bellow)；弹性容器，其可以响应于压力的变化而拉伸和收缩，像气球一样；和由不是刚性的并且不能拉伸或收缩到很大的程度的非弹性材料制成的容器。柔性膜的实例包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、橡胶、胶乳、硅氧烷、尼龙、氟橡胶(Viton)、聚氨基甲酸酯、氯丁橡胶、丁腈橡胶(buna-N)、聚四氟乙烯、膨胀聚四氟乙烯、全氟弹性体和氟硅氧烷。在这些中，橡胶、胶乳、硅氧烷、氟橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶和全氟弹性体以及一些聚氯乙烯和聚氨基甲酸酯膜通常是弹性的。所有这些膜至少在一些程度上是可渗透氢的，并且大多数也通常是不渗透液体的。

液体从贮液器转移至反应区。这可以通过一种或多种方法来完成，包括向容器和/或容器内的液体加压、将液体芯吸(wicking)至反应区并泵送所述液体。例如可以在液体反应物容器内或外部用加压气体或偏置元件诸如弹簧、压缩橡胶或压缩泡沫向液体或液体反应物容器施加压力。可以经由容易通过毛细管作用被湿润并且可以通过毛细管作用输送液体的材料将液体从一个区域芯吸至另一个区域。芯吸材料可以沿从贮液器内至反应区内的整个液体输送路径延伸或仅沿液体输送路径的一部分延伸。芯吸组件可以由芯吸材料制成、包覆或衬里或填充。例如，当液体包括水时，芯吸材料可以是吸水材料诸如棉花、聚酯或尼龙。液体也可以使用一个或多个泵从贮液器泵送至反应区，所述泵可以在氢发生器内或外部。泵优选尽可能小，同时能够泵送足够的用于氢发生器的液体，从而以最大期望速率供应氢气。将泵定位在氢发生器外部可以允许外壳内更多用于反应物的空间，并且可以降低具有一次性氢发生器的系统的总成本。可以是适合的泵的类型的实例包括旋转式泵、螺杆泵、活塞泵、隔膜泵、蠕动泵、离心泵、径流泵、轴流泵和阻抗泵。

反应区可以是其中反应物彼此接触和/或与一种或多种反应引发剂诸如催化剂、酸或热接触并且其中反应物发生反应以产生氢气的区域。如上所述，所有反应物可以包括在一种或多种液体中，或一种或多种固体反应物可以最初储存在反应区内。该反应区是反应容器内的区域，所述反应容器可以是刚性或柔性容器，如上面对于液体反应物容器所述的。采用柔性容器，反应区可以通过随着最初储存在反应区内的反应物被消耗而变得更小而参与和副产物容纳区的体积交换。另外，施加于柔性容器内的反应区中的反应物的力可以促进反应物、反应引发剂和添加剂之间的良好接触，以及有助于使氢气和副产物从反应区出来朝向副产物容纳区移动，从而实现良好的反应物利用和产氢效率。在一个实施方式中，固体反应物和任选的添加剂形成为固体球粒，所述固体球粒最初置于反应区内；包括另一种反应物的液体被输送至反应区，在反应区其接触球粒，并且发生产氢反应。在此实施方式中，反应容器可以包括弹性材料，所述弹性材料最初被拉伸并且施加力压向球粒以最小化球粒之间的空间，液体反应物和副产物可以积累在所述空间中。弹性、柔性或非弹性容器可以用弹性材料(例如，弹性膜或带)缠绕或通过一个或多个弹簧或其他偏置元件偏置。

可以使用液体分散器来改善反应区内液体的分布。例如，液体分散器可以包括诸如下述的部件：一个或多个喷嘴(例如，喷雾嘴)、具有一个或多个分支和多个液体出口的管状结构、可以在与反应区中的另一反应物接触的大表面上芯吸液体的芯吸元件及其组合。

反应容器包括出口，氢气和副产物(气体、流体和固体)可以从所述出口离开反应区。出口可以正好是反应室中的开口、结合至容器壁中的附加结构、用于将大的固体颗粒保留在反应区内的筛子或滤器、阀门或其组合。

未反应的反应物可以被从反应区离开的氢气和副产物带出反应区。这些反应物可以在离开反应区后继续反应，例如，在副产物容纳区中。这产生了额外的氢气并且贡献至氢发生器产生的氢的总体积。为了使可能的氢输出最大化，将一些液体从贮液器输送至反应区外的区域(例如，至副产物容纳区的一部分或反应区和副产物容纳区之间的中间区)可以是有利的。当未反应的反应物包括固体颗粒时这可以是特别有益的，特别是如果存在的未反应的液体反应物是不足的。

来自反应区的氢气和副产物进入副产物容纳区，所述副产物容纳区具有由不渗透液体但至少可渗透氢气的材料制成的副产物容器。优选地，所述容器是柔性的，使得其最初围起小的体积但膨胀以容纳副产物。该容器可以类似于上面对于反应区和贮液器所述的那些，只要其是不渗透液体且可渗透氢的。优选地，该容器具有充分的氢渗透性以允许氢气在足以满足氢气需求的速率下进入氢容纳区。因为液体和固体将不渗透容器，该容器将氢气与进入副产物容纳区的液体和固体分离。该副产物容器可以具有大的表面积以同时提供至氢容纳区中的更高氢气进入的速率。大的表面积也可用于防止由于固体在副产物容器的内表面上的积累而引起的氢传送通过容器的阻塞。当副产物和/或未反应的反应物可以形成硬外壳(crust)时这是特别有利的，所述硬外壳可往往限制氢气的传送。柔性容器的运动也可以用来随着副产物容纳区扩大破碎和/或剥离积累的固体。副产物容器是弹性的从而进一步有助于破坏并去除来自容器表面的固体，这也可以是有利的。副产物容纳区的最初尺寸可以基于诸如以下因素确定：贮液器中液体的原始体积、反应区中反应物和添加剂的原始体积以及可产生的副产物的体积(副产物的体积可能大于反应物的组合体积)。

为了减少固体在副产物容器的内表面上的积累，一个或多个额外的滤器可以布置在副产物容纳区中，从而当来自反应区的流出物通过副产物容纳区至容器的表面时去除一部分固体。可以使用和布置一系列滤器，使得较大的颗粒将首先被去除。例如，通过副产物容纳区的一般流动路径可以首先通过较粗的、较多孔的滤器，随后相继地通过较细的、较少孔的滤器，从而防止滤器的堵塞。具有高稳定性、与来自反应区的流出物具有低反应性的滤器是优选的。一些类型的滤器也可以最初被压缩并且随着副产物容纳区膨胀时膨胀，这有助于氢发生器的体积效率或具有较少的耐阻塞性。滤器可以由诸如尼龙、聚四氟乙烯、聚烯烃、碳的材料和其他材料制成。

通过副产物容器的氢气进入氢容纳区，所述氢容纳区被密封在由不渗透氢的材料制成的氢气容器内。氢气容器用作所产生但还未从氢发生器释放的氢气的贮器。这提供了缓冲区(buffer)，所述缓冲区可以最初包含小量的氢气，所述小量的氢气可以在最初使用期间和在随后的启动后已产生充足的氢之前提供。氢容纳区还可以包含在氢气释放中止时、在停止向反应区转移液体与已经在反应区(和副产物容纳区)中的反应物被消耗和氢气产生中止的时间之间的时期期间所产生的氢气。氢容纳区的尺寸可以基于诸如以下因素确定：使用的反应物的类型、氢气产生的速率、产生的副产物的体积、供应氢气的速率和期望在启动时可获得的氢气量。

氢气容器关于氢气是不渗透的，由此防止了氢气通过氢发生器外壳的泄露，而不需要外壳壁关于氢气是不渗透的且不需要外壳是紧密密封的。内部氢气容器可以提供额外的气体密封，这增加了氢发生器的安全性和可靠性。不渗透氢的材料包括金属化聚合膜和金属-聚合复合膜诸如具有聚合和金属层的层压材料。合适的聚合膜的实例包括聚对苯二甲酸二乙酯(polyethyleneterephalate)、聚氯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚丙烯和聚酰胺。合适的金属的实例包括铝、铬、镍和金。胶粘剂可以包括在材料的表面上，所述材料表面被密封从而制成密封的容器。整个内表面可以是可起胶粘剂作用的材料层。例如，聚乙烯可以被热密封。该材料的优选类型是包括三层或更多层的层压材料，中间层是金属并且外层是聚合层。

氢气容器包围副产物容纳区和反应区两者。反应区中或反应区下游产生的所有氢气通过氢气容器，因此氢气被有效地与液体和固体分离。贮液器可以布置在氢气容器外部或之内。贮液器在氢气容器内可以是有利的，特别是如果液体包含氢源——其可以在不使用的时期期间反应以产生小量的氢气，因为该氢气也可以被捕获在氢气容器内，由此使来自氢发生器的氢气输出最大化。

氢气通过出口离开氢容纳区。氢气容器可以密封至出口。出口可以包括一个或多个阀门，从而当氢发生器不提供氢时密封氢发生器并且当需要时允许氢离开氢发生器。

一些反应物可包含或产生气态副产物，并且去除这些气体可能是期望的，特别是如果它们可损坏被供应有氢的耗氢设备。这可能在氢发生器内或在系统中的其他地方需要额外的滤器等。

氢发生器可以包括其他部件，诸如减压机构以安全地释放由于异常情况所引起的过多内部压力。

可以通过启动和停止液体从贮液器至反应区的转移启动和停止氢气的产生。这可以手动(例如，利用手动操作的开关)或自动完成。可以用控制系统来实现自动操作，所述控制系统可以布置在氢发生器内或外部，或其组合。控制可以基于例如燃料电池系统对氢的需求。在燃料电池系统中，需求可以通过监控燃料电池组、由该组供电的电器、由该组充电的蓄电池等等和/或与它们通信来确定。

氢发生器可以包括热控制。例如，可以施加热以辅助引发反应，特别是在启动时和当环境温度低时。需要的话，可冷却氢发生器以去除产氢反应中生成的过多的热。可以通过各种方法完成加热和冷却，包括空气对流、加热和冷却流体的循环、电加热器等等。热控制系统还可以包括温度监控器等。热控制系统可以布置在氢发生器内或外部，或其组合。

根据一个实施方式的氢发生器显示在图1和2中。显示的实施方式可以根据上面的描述进一步改进，以包括一些方面的变化如反应物的类型和原始位置；各个组件的尺寸、形状和相对位置；和向氢发生器中加入任选的部件和组件。图1是在使用前处于原始状态的氢发生器10的图示，图2是至少部分使用后氢发生器10的图示。氢发生器10包括外壳12。在外壳12内是反应区22，反应区22在反应容器20内，贮液器24在液体反应物容器18内。包含反应物诸如水的液体最初包含在贮液器24中。该液体还可以包含另一种反应物，诸如溶解在其中的化学氢化物，在这种情况下，在一定量的液体从贮液器24转移至反应区22后，水和化学氢化物之间的反应在反应区22内被引发。可选地，另一反应物可以包含在第二液体中，所述第二液体最初包含在反应区22内或第二贮液器(未显示)内，第二液体从第二贮液器转移至反应区22；或含有反应物的固体可以最初包含在反应区22内，例如以一个或多个球粒的形式。液体从贮液器24转移至反应区22，在反应区22反应物反应产生氢气和副产物。液体可以经由内部流动路径(未显示)从贮液器24或经由外部流动路径从贮液器24，通过液体反应物出口30，转移至氢发生器10外部的流动路径的一部分，通过液体反应物入口32返回至氢发生器10并且进入至反应区22中。液体可以通过液体分散器34分散在反应区22内。反应物在反应区22内反应，并且产生的氢气和反应副产物通过反应区出口36离开反应区22并且进入副产物容器16内的副产物容纳区26。副产物容器16是不渗透液体的并且可渗透氢的，因此液体和固体仍然在副产物容纳区26内，而氢气通过副产物容器16进入氢容纳区28。根据需要氢气通过氢气出口38从氢发生器10释放。

副产物容纳区26可以与贮液器24和反应区22中的一个或两者具有体积交换关系，如图2中所示。当使用氢发生器10时，液体从贮液器24转移，并且氢气和副产物离开反应区22。柔性容器20和18可以允许这些区域的体积变得更小，而同时副产物容纳区26的体积增加。副产物容纳区26最初可以非常小，或其可以较大以容纳较大预期体积的副产物。例如，如果副产物容器16是柔性的并且能够响应由副产物容纳区26和氢容纳区28的内容物施加的相对压力的变化而移动，则副产物容纳区26可以与氢容纳区28是体积交换关系。

本文所引用的所有参考文献以其整体通过引用特别地并入本文。就通过引用并入的出版物和专利或专利申请与本说明书中包含的公开内容相矛盾的方面，本说明书意在代替和/或优先于任何这种矛盾的资料。

实施本发明的那些人和本领域技术人员将要理解，在不背离所公开的构思的精神的前提下，可以对本发明做出各种更改和改进。提供的保护范围由权利要求和由法律所允许的解释宽度来确定。

Claims (23)

1.一种氢发生器(10)，其包括：

外壳(12)；

贮液器(24)，所述贮液器(24)在所述外壳(12)内并且包括液体反应物容器(18)，所述液体反应物容器(18)由不渗透液体的材料制成，并且包含含有第一反应物的液体；

反应区(22)，所述反应区(22)在所述外壳(12)内并且包括反应容器(20)，所述反应容器(20)由不渗透液体的材料制成，并且在所述反应容器(20)内所述第一反应物反应以产生氢气和副产物；

副产物容纳区(26)，所述副产物容纳区(26)在所述外壳(12)内并且包括柔性副产物容器(16)，所述柔性副产物容器(16)由固体和液体不能通过但氢气能够通过的可渗透氢的、不渗透液体的材料制成；

氢容纳区(28)，所述氢容纳区(28)在所述外壳(12)内并且包括柔性氢气容器(14)，所述柔性氢气容器(14)由不渗透氢的材料制成并且被配置为包含来自所述副产物容纳区(26)的氢气；和

从所述氢容纳区(28)通过所述外壳(12)的氢出口(38)；

其中所述副产物容纳区(26)与所述贮液器(24)和所述反应区(22)中的至少一个是体积交换关系；

其中所述柔性氢气容器(14)包含所述柔性副产物容器(16)和所述反应容器(20)两者。

2.根据权利要求1所述的氢发生器(10)，其中所述副产物容器材料是能够拉伸和收缩的弹性材料。

3.根据权利要求1所述的氢发生器(10)，其中所述副产物容器材料包括含氟聚合物。

4.根据权利要求3所述的氢发生器(10)，其中所述含氟聚合物包括膨胀含氟聚合物。

5.根据权利要求4所述的氢发生器(10)，其中所述含氟聚合物包括聚四氟乙烯或聚四氟乙烯衍生物。

6.根据权利要求1所述的氢发生器(10)，其中所述不渗透氢的材料包括金属化聚合物膜或金属-聚合物复合膜。

7.根据权利要求1所述的氢发生器(10)，其中所述反应区(22)包含配置为催化所述第一反应物的反应的催化剂。

8.根据权利要求1所述的氢发生器(10)，其中所述反应区(22)包含第二反应物。

9.根据权利要求8所述的氢发生器(10)，其中所述第二反应物包括化学氢化物。

10.根据权利要求8所述的氢发生器(10)，其中所述第二反应物是固体。

11.根据权利要求10所述的氢发生器(10)，其中固体球粒包括所述第二反应物。

12.根据权利要求11所述的氢发生器(10)，其中所述固体球粒还包括粘合剂。

13.根据权利要求8所述的氢发生器(10)，其中所述氢发生器(10)包括能够提供增加的反应速率的加速剂。

14.根据权利要求13所述的氢发生器(10)，其中所述加速剂包括酸。

15.根据权利要求1所述的氢发生器(10)，其中所述反应容器(20)包括出口(36)，氢气和副产物通过所述出口可以排出至所述副产物容纳区。

16.根据权利要求1所述的氢发生器(10)，其中所述氢发生器(10)还包括泵，所述泵被配置为将所述液体从所述贮液器(24)泵送至所述反应区(22)。

17.根据权利要求16所述的氢发生器(10)，其中所述泵布置在所述氢发生器(10)内。

18.根据权利要求1所述的氢发生器(10)，其中液体分散装置(34)布置在所述反应容器(20)内。

19.根据权利要求1所述的氢发生器(10)，其中所述贮液器(24)布置在所述柔性氢气容器(14)内或外部。

20.一种燃料电池系统，其包括燃料电池组和根据权利要求1-19任一项所述的氢发生器(10)。

21.根据权利要求20所述的燃料电池系统，其中所述氢发生器(10)可以从所述燃料电池系统的其余部分拆卸。

22.根据权利要求1所述的氢发生器(10)，其中所述氢容纳区(28)和所述副产物容纳区(26)通过包括所述可渗透氢的、不渗透液体的材料的公用壁分离，以便允许氢从所述副产物容纳区(26)通过至所述氢容纳区(28)。

23.根据权利要求22所述的氢发生器(10)，其中所述柔性副产物容器(16)包含所述液体反应物容器(18)和所述反应容器(20)；以及

所述柔性氢气容器(14)包含所述副产物容器(16)。