CN105016300A - 采用钠硅化物和钠硅胶材料的氢生成系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了混合反应物材料和水溶液来生成氢的系统、装置及方法。所述反应物材料可为钠硅化物或钠硅胶。所述氢生成装置用于燃料电池和其它工业应用中。一种系统结合冷却、泵送、储水和其它装置来感测和控制反应物材料和水溶液之间的反应以生成氢。不同布置几何形状的多个入口将水溶液输送至所述反应中。搅拌所述反应物材料和水溶液以控制所述反应的状态。可再循环所述水溶液并将其返回到所述反应中。一种系统在一定范围的温度和压力条件下运行，并且包括氢分离器、排热机构和反应状态控制装置。所述生成氢的系统、装置及方法提供了热稳定固体、与所述水溶液进行的近即时反应以及无毒液体副产物。

Description

采用钠硅化物和钠硅胶材料的氢生成系统及方法
本申请为分案申请，原申请的申请日为2010年03月30日，申请号为201080023688.5(PCT/US2010/029257)，发明名称为“采用钠硅化物和钠硅胶材料的氢生成系统及方法”。
相关专利申请的交叉参考
本申请要求2009年3月30日提交的序列号为61/164,888的美国临时专利申请和2009年6月6日提交的序列号为61/185,579的美国临时专利申请的优先权的权益，上述专利的全文均以引用的方式并入本文。
联邦政府资助的研究与开发
本发明是在政府资助(由美国能源部授予的合同号DE-FG36-08GO88108)下做出的。美国政府在本发明中享有一定权利。
技术领域
本技术整体涉及使用反应物燃料和水溶液来生成氢的系统及方法，并且更具体地，本技术涉及在与水或水溶液反应时使用钠硅化物(sodium silicide)、钠硅胶(sodium silica gel)或多组分混合物来生成氢的系统及方法。
背景技术
燃料电池是将外源燃料转换成电流的电化学能量转换装置。许多常见的燃料电池将氢用作燃料，并且将氧(通常来源于空气中)用作氧化剂。此燃料电池的副产物为水，从而使燃料电池成为环境影响极小的发电装置。
燃料电池可与许多其它发电技术(诸如汽油涡轮机、内燃机和蓄电池)匹敌。燃料电池提供可用于许多应用(包括固定发电、照明、备用电源、消费类电子产品、如电动自行车和景观设备等个人移动装置以及其它)中的直流(DC)电压。存在多种可用的燃料电池，每种燃料电池利用不同的化学性质来发电。通常根据燃料电池的工作温度及其采用的电解质体系的类型来对其进行分类。一种常见的燃料电池为聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)，该电池将氢用作燃料，同时将氧(通常为空气)用作其氧化剂。该电池具有高功率密度和通常低于80℃的低工作温度。这些燃料电池是可靠的，其具有适度的包装和系统实施要求。
氢储存和生成的挑战限制了PEM燃料电池的广泛采用。尽管分子氢如同环境条件下的气体一样具有非常高的能量密度(以质量计)，但以体积计其具有极低的能量密度。这些用于向便携式应用提供氢的技术(包括高压和低温)非常普遍，但其最常见地集中于可靠地释放所需氢气的化合物。目前存在三种广泛接受的用于储存材料中的氢的机制：吸收、吸附和化学反应。
在用于向燃料电池提供燃料的吸氢储存中，在高压下将氢气直接吸入整个特定的结晶材料(诸如，金属氢化物)中。大多数情况下，金属氢化物(如MgH2、NaAlH4和LaNi5H6)用于可逆地储存氢气。然而，金属氢化物体系具有弱比能量(即，低氢储存量与金属氢化物的质量之比)和差输入/输出流量特性。氢流动特性由金属氢化物的吸热性质驱动(除去氢时，内部温度降低，而再次加入氢时，内部温度升高)。由于具有这些性质，金属氢化物往往很重，并且需要复杂的系统来将其快速地加入和/或排出。例如，参见美国专利7,271,567，其描述了一种设计用于储存氢气，然后将加压氢气从含有金属氢化物或一些其它氢基化学燃料的料筒中可控制地释放的系统。该系统还通过测量金属氢化物燃料本身的温度和/或压力和/或通过测量燃料电池的电流输出来监测能够输送至燃料电池的剩余氢含量，以估算氢的消耗量。
在用于向燃料电池提供燃料的吸附氢储存中，通过物理吸附或化学吸附使分子氢与化学燃料相关。化学氢化物(如氢化锂(LiH)、氢化铝锂(LiAlH4)、硼氢化锂(LiBH4)、氢化钠(NaH)、硼氢化钠(NaBH4)等)用于非可逆地储存氢气。化学氢化物在其与水反应时产生大量氢气，如下所示：
NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2
为了可靠地控制化学氢化物与水的反应以从燃料储存装置中释放氢气，必须采用催化剂并严格控制水的pH。另外，化学氢化物通常存在于惰性稳定液的浆液中，以防止氢化物过早释放氢气。美国专利7,648,786；7,393,369；7,083,657；7,052,671；6,939,529；6,746,496和6,821,499中所示的化学氢化物体系利用了上述特性中的至少一种(但通常为多种)。
在用于制备燃料电池用氢的化学反应方法中，通常通过适度改变化学燃料的温度或压力来催化氢储存和氢释放。该化学体系的一个实例(经温度催化)为通过以下反应由硼烷氨生成氢：
NH3BH3→NH2BH2+H2→NHBH+H2
一级反应释放6.1重量％的氢，并在大约120℃下进行，而二级反应又释放6.5重量％的氢，并在大约160℃下进行。这些化学反应方法未将水用作产生氢气的引发剂，无需严格控制系统pH，并且通常不需要单独的催化剂材料。然而，这些化学反应方法常因经常发生热逸散而存在系统控制问题。参见(例如)美国专利7,682,411，其描述了一种设计用于由硼烷氨热引发氢生成并防止热逸散的系统。参见(例如)美国专利7,316,788和7,578,992，其描述了采用催化剂和溶剂来改变氢的热释放条件的化学反应方法。
鉴于上述情况，需要一种改进的氢生成系统及方法，其可克服现有技术中的上述许多或全部问题或缺点。
发明内容
下文所述的氢生成系统实现了不含任何储存氢气或分子氢原子的反应物燃料(诸如，稳定的碱金属材料，包括钠硅化物和/或钠硅胶)的大致完全反应。附加反应物可包括硼氢化钠(NaBH4)和/或硼烷氨等。另外，采用这些反应物的系统反应不需要附加催化剂室，并且仅通过加入合适的水介质便易于进行启停控制，以满足燃料电池或抽氢系统对氢的需求。另外，下面的实例满足所有上述要求，同时使整个系统的体积和重量最小化。
本公开的一个实例为包括反应物燃料的反应器，该反应器在反应物燃料暴露于水溶液中时生成氢。该反应器可以为可含有水溶液的独立式氢生成部件。相似地，另一个实例可包括通过外部供应将水溶液引入其中的反应器。氢生成也可由外部控制系统来控制、监测或处理。控制系统和反应器可作为用于向氢燃料电池提供氢或用于任何一般用途、实验室、工业或消费类用途的独立式氢生成系统来运行。同样，可在整个燃料电池系统中全部或部分地实施所述控制系统和反应器，以提供最终产品，诸如膝上型计算机、个人或商用电子产品以及需要电源的其它装置和设备。
一种氢气生成方法包括将反应物燃料加入到反应器中，并且在反应器中将水溶液与反应物燃料混合，以生成氢气。
反应物燃料可包括稳定的碱金属材料，诸如硅化物(包括钠硅化物粉末(NaSi)和钠硅胶(Na-SG)。稳定的碱金属材料也可与其它反应材料，包括(但不限于)含或不含催化剂的硼烷氨、与或不与催化剂混合的硼氢化钠以及在暴露于热或水溶液时会产生氢的一系列材料和材料混合物混合。材料和水溶液的混合物也可包括添加剂，以控制废产物的pH、改变这些废产物的溶解度、增加氢产量、增加氢产率并控制反应温度。水溶液可包括水、酸、碱、醇以及这些溶液的混合物。水溶液的实例可包括甲醇、乙醇、盐酸、乙酸、氢氧化钠等。水溶液也可包括添加剂，诸如增加H2的产量的共反应剂、絮凝剂、缓蚀剂或改变水溶液的热物理性质的热物理性添加剂。示例性絮凝剂包括氢氧化钙、硅酸钠及其它，而缓蚀剂可包括磷酸盐、硼酸盐及其它。此外，热物理性添加剂可改变反应的温度范围、反应的压力范围等。此外，水溶液的添加剂可包括多种不同的添加剂的混合物。
反应器可为独立式可更换部件，该部件使控制系统或燃料电池系统能够利用多个反应器。反应器也可称为料筒、圆筒、罐、容器、压力容器和/或封装件。反应器包括反应物燃料以及该反应器或一个入口或多个入口内的水溶液，其中水溶液通过所述入口引入反应器中。反应器也可具有氢气输出口，氢气一旦离开反应器并在供应至外部系统(如燃料电池)之前便可进行附加处理(如蒸汽冷凝、纯化、调节等)。
水溶液最初可由用户从外部储存或添加，或可从燃料电池系统返回到反应器的水溶液输入口中。可使用泵(诸如，手动泵、蓄电池供电泵、外部供电泵、弹簧控制泵等)经由上述入口将水溶液加入到反应器中的反应物燃料(包括稳定的碱金属)中。可将水溶液储存在反应器内，并且通过活塞、袋子、膜或其它分离装置与反应物燃料分离。
反应器可具有氢输出和水溶液输入，作为与一个装置或控制系统的一种连接方式的一部分。反应器可具有连接至一个装置或控制系统的氢输出和连接至不同装置或控制系统的进水。反应器可仅具有氢输出，该氢输出具有将反应物燃料和水溶液混合的内部控制件。
生成氢气的方法也可包括过滤生成的氢气，吸收氢气中的副产物和/或冷凝生成的氢气中的水。过滤可在反应器内、控制系统内或者两者内进行。例如，可将氢分离膜用于反应器或控制系统内(或两者内)，以过滤氢，而可使用冷凝器装置来冷凝生成的氢气中的水。过滤器和冷凝器可在生成的氢气从反应器的氢排出口排出时对其产生作用。可将过滤的氢气和/或冷凝水再循环返回反应器或储水容器中。在生成氢气过程中，可产生废产物，诸如硅酸钠或其它反应废产物。
在一个实例中，控制系统可包括监测反应器中反应物燃料与水溶液的反应参数的监测装置。监测装置可监测反应器中或反应器上或者外部控制系统中的一个或多个参数。这些参数可包括(但不限于)温度、反应器内容物的电导率、反应器中的压力、反应重量、反应物燃料的未反应量、反应实耗时间、反应器中的水溶液量以及待加入到反应器中的最大水溶液量。然后，可显示监测的系统特性或者将其用于计算中，以改变控制策略，向其它装置传输反应器状态或系统状态，或者将该特性或派生特性传输至用户。例如，用户通信装置的一个实例为诸如LCD显示器的视觉显示装置。
可使用反应控制装置结合监测装置来控制反应。反应控制装置的实例包括(但不限于)改变温度、电导率范围、压力、反应重量以及反应器中的反应物燃料和水溶液在其范围内进行混合的其它环境度量值的装置。例如，可使用反应控制装置将附加反应物燃料加入到反应器中、将附加水溶液加入到反应器中、将废产物从反应器中除去、冷却反应器、加热反应器、将反应物燃料和水溶液的化合(combination)混合、对反应器进行排放以降低压力并采取其它控制措施。
测量反应参数并采用反应控制装置可使生成氢气的方法在反应器中得到控制(当反应器中的任何环境度量值不在相应的范围内)或通过监测和处理任何参数的变化率的控制策略来控制。
反应器可包括多个不同的过滤器，以分离氢气中的反应物及其反应副产物。例如，生成清洁氢气的方法可包括分离和过滤步骤。在一个实例中，将反应物燃料、水溶液、氢气和/或反应废产物中的至少一种与其它分离。另外，可采用氢分离膜、化学过滤器、干燥剂过滤器、粗介质过滤器、干燥过滤器和/或二级反应室来纯化氢气。在使用过滤器时，可用在将水溶液输入反应器中时的一部分水溶液来清洗。
反应器也可包括进行水溶液分配的结构和装置，诸如管件网、喷嘴阵列、限流器以及水分配介质(如扩散器、弥雾机等)。水溶液可经反应器中的多个点以并联、串联或其组合的方式来分配。可整体或部分地使用水溶液分配系统，以与反应物燃料进行反应来产生氢，纯化氢气流，清洗过滤介质和/或控制废产物参数。
反应器可包括氢处理部件，诸如安全减压机构(如安全阀、防爆盘或可控反应器防爆点)。反应器也可包括退出流限制器，以最小化或控制氢输出率，以便提供所需的燃料电池特性或与过滤部件的瞬态流速限制条件一致。
生成氢气的系统也可包括压力传感器、安全阀、氢密封止回阀、风扇、热交换器和反应器冷却源。同样，该系统可包括用于再循环燃料电池反应废液并使再循环的燃料电池反应废液返回到反应器中的回收容器。
生成氢的方法也可包括将一部分水溶液引向反应器区域，以回收反应物燃料和水溶液的混合产生的废产物。例如，可将一部分水溶液加入到二级反应室，并且可使生成的氢气通过该部分的水溶液。过滤也可通过使用透液性筛网来进行，以从未反应的反应物燃料和水溶液中分离废产物。
当结合附图阅读以下详细说明时，这些和其它优点、方面和特征将变得更加明显。参照以下各图对非限制性和非详尽性实施方案进行描述。因此，以下图和说明应视为本质上为示例性，而非限制性。
附图说明
图1示出了氢生成系统的实例，该系统采用稳定的碱金属材料和水溶液向氢燃料电池或普通实验室、工业或消费类用途提供氢。
图2示出了具有两个反应器和一个提柄附件的氢生成系统的实例。
图3示出了示例性氢气生成系统，其包括反应器、水容器和多个附加部件。
图4A-4D示出了在所选位置采用多个水分配喷嘴的反应器。
图5示意性地示出了具有排热结构的示例性氢生成系统。
图6示出了示例性氢生成系统，其氢出口和进水口沿着向下的方向位于反应器的一端，以混合反应组分。
图7示出了具有图5和6所示的排热结构的氢生成系统的分解图。
图8示出了具有粗介质过滤器和氢滤膜的氢生成系统构造。
图9A-9C示出了给水网以及无给水网的过滤区域与采用给水网的那些过滤区域的比较。
图10-10B示出了膜/粗滤器系统的其它可选过滤器设计。
图11A-11B示出了废物收集和循环系统及技术。
图12A示出了具有多个反应隔室的反应器的实例。
图12B示出了具有多个保护性绝缘装置的示例性反应器。
图13示出了具有电触点以测量传导性变化的示例性反应器。
图14示出了示例性反应器，其具有连接至该反应器的压力容器盖的电触点。
图15A-15C示出了根据要求保护的发明的示例性轻质、低成本、可重复使用的反应器。
图16示出了根据要求保护的发明的低输出反应器系统的示例性架构。
图17示出了根据要求保护的发明的低输出反应器系统的详细实例。
图18示出了含有固体反应物燃料的反应器，其经阀门连接至基于弹簧的液泵系统。
图19示出了不具有联结阀的基于弹簧的液泵系统中振荡氢生成随时间推移的曲线图。
图20示出了具有联结阀的基于弹簧的液泵系统中氢生成压力随时间推移的曲线图。
图21示出了含有反应物燃料的反应器以及一体结合在单个料筒内的基于弹簧的液泵系统。
图22A示出了含有反应物燃料的反应器以及基于弹簧的一体式液泵系统。
图22B示出了具有反应器和基于弹簧的液泵系统的一体式料筒的三个主要子组件。
图23示出了具有反应器和基于弹簧的液泵系统的一体式料筒的透视图和剖面图。
图24示出了一体式料筒的装配图。
图25示出了给水分配机构。
图26示出了耦接可分离供液器/反应器氢生成装置的螺纹锁定机构。
图27示出了可分离供液器/反应器氢生成装置的示意图。
图28示出了具有锥形/伸缩弹簧的可分离供液器/反应器氢生成装置的示意图。
图29A-29B示出了有利于有限的超程力变化的可伸缩弹簧的正常视图和压缩视图。
图30A示出了具有基于弹簧的供液器和容积交换系统的氢生成料筒的透视图。
图30B示出了具有基于弹簧的供液器和容积交换系统的氢生成料筒的示意图。
图31示出了具有基于弹簧的容积交换供液器的氢生成料筒的透视图和剖视图。
图32示出了具有基于弹簧的容积交换供液器的氢生成料筒的装配图和剖视图。
图33示出了示例性一体式料筒过滤系统的装配图。
图34示出了分离反应器和供液器的常闭阀的装配图。
图35A-B示出了接合反应器和供液器的配合部件的装配图和透视图。
具体实施方式
在以下实例中，涉及氢燃料电池系统，但应当理解所讨论的系统和方法也可在任何氢气生成应用(诸如，实验室应用、商业或工业应用和消费类应用)中实施。
基本的氢控制系统
在一个实例中，可将钠硅化物和/或钠硅胶与水混合来生成氢气，但开发的技术也可使用其它稳定的碱金属材料，诸如掺杂硅化物和具有缔合氢的硅化物，或混合水溶液来产生氢气的固体粉末。另外，也可将开发的系统技术的许多方面应用于制氢中采用的替代材料，诸如铝粉或者在暴露于水溶液中时生成氢的任何其它材料或材料组合。
反应物燃料可为经压缩、模制、切割或成型为杆、锥体、球体、圆柱体或其它物理几何形状的自由流动粉末或材料。这些材料可包括可变的粉末粒度、几何变化、材料涂层或材料变化以控制反应速率。一种涂覆方法为将固体钠硅化物结构暴露于湿空气中，从而形成可溶于水的硅酸钠阻挡层。当然，可将其它形式和几何形状的反应物燃料与水溶液一起使用，以将反应物燃料和水溶液混合。
图1示出了使用反应物燃料和水溶液来生成氢气的氢生成系统100的实例。可将生成的氢气引向氢燃料电池或普通实验室、工业或消费类用途。可将反应物燃料101加入到反应器102中。在本公开中，术语反应器、料筒和压力容器作为同义词用于辨别放置反应物燃料的容器或其它收集容器。在图1所示的实例中，可拆式反应器102附接至进水口连接件106和氢出口连接件108。这些连接件可包括(但不限于)常闭双截止阀和/或常闭止回阀。反应器102与进水口连接件106和氢出口连接件108之间的连接件可为柔性连接件或可为刚性连接件(取决于具体用途)。将水或另一种水溶液加入到反应物燃料(诸如，稳定的碱金属101)中，以生成氢气和副产物(如硅酸钠)。氢气向上移动并从反应器102中排出。尽管图1示出了单个反应器102，但应当理解可将任何数量的可拆式或固定式反应器用于所描述的示例性氢气生成系统中。例如，图2中示出了两个可拆式反应器202、204。另外，可使用锁定机构、夹片或其它类似的固定装置将反应器在系统中固定到位。
在图1和2所示的实例中，将水溶液(如水)分别加入到加注口110、210。在另一个实施方式中，可使用有或无加注口的可拆式水容器，诸如水容器114。在其它实例中，反应器可预加注反应物燃料。水溶液可包括添加剂，以提高反应效率，增加氢产量，提高氢产率，减少污染物的形成，促进污染物的过滤，支持最终水解，减少腐蚀，控制废产物的pH，改变废产物的溶解度并扩大温度范围操作以及影响其它反应参数(诸如，反应物的热物理性质)。例如，添加剂可包括酸、碱、醇、其它添加剂以及这些添加剂的混合物。添加剂的实例可包括甲醇、乙醇、盐酸、乙酸、氢氧化钠、氢氧化钙、硅酸钠、磷酸盐、硼酸盐及其它。可将其它添加剂与反应物燃料(包括硼、碳和氮)混合，以提高氢产量、动力学和/或减少反应焓。关于温度范围操作，可将盐和/或其它添加剂并入水溶液中，以降低溶液的凝固点。
储存在其容器中的水溶液量可根据系统实施的具体方式而变化。例如，在图2中，该容器可储存超过足够体积的水溶液，以在多个料筒202、204中反应。该系统可包括将氢输出流中的水冷凝并使其直接返回到反应器中或将其引向水容器114的冷凝器(未示出)。该系统可包括用于外部水源(未示出)的进水口连接件106，以向水容器114提供附加水，或者以单独的实施方式直接将附加水提供至反应器。在一个实施方式中，可全部或部分地收集燃料电池的反应废水，并且此废水也可有助于供水，以减少水的总净需求量。
例如，硅酸钠废产物易吸水，因此其粘度会发生变化。可通过从未反应的反应物燃料中分离废产物来控制反应。例如，可加热或绝缘反应器的一端，以形成过量水存在时的溶解条件。然后，将该过量水经泵送回稳定的碱金属粉末中或者使其与仅被构造用于使耗水量最大化的一定量的钠硅化物反应。作为另外一种选择，反应时，硅酸盐废物变热，从而需要少量的液相水。反应时，利用分离筛网来从未反应的反应物燃料中分离废液。
附加系统部件
除了反应器和水溶液来源之外，氢气生成系统可包括附加系统部件。例如，图3示出了示例性氢气生成系统300，其包括反应器302、水容器314和多个附加部件。例如，水源入口306可按需要对水容器314进行加注或再加注。可使用泵320(诸如，蠕动泵、手动泵、正排量泵和其它泵)将水容器314中的水经由供水管线390泵送入反应器302中。可将压力传感器322设置为与供水管线390成一直线，并且可将其用于调节泵送入反应器302中的水量。例如，可将压力传感器322与泵320一起使用，以通过多路阀324将压力校准的水量输送至多个反应器中。也可部分使用压力传感器322来提供故障安全模式，从而防止过量的水被泵送入反应器302中。在一个实例中，可使用比较器(未示出)来比较压力传感器322的输出电压与系统电压参数。可评估比较器的输出，以确定电压是否在正确的工作范围内。当电压在工作范围内时，实施微控制器387的指令的附加电路系统可驱动泵320来向反应器302供水。当电压不在工作范围内时，泵320被损坏。该电路系统可使用电容器或其它定时电路使泵产生读数延迟，以允许在(例如)膜泵作用期间产生瞬时高读数。对于具有多个反应器的氢生成系统，可使用供给阀324来选择容纳水的反应器。
氢气生成系统300可包括蓄电池388，以操作泵320和/或以其它方式引发反应，并且操作其它控制电子元件(总体显示为386)。氢气生成系统300也可接收外部功率以通过任何外源(诸如，燃料电池、壁装电源插座)对蓄电池388再充电，或者任何其它来源的功率。系统300也可包括小型燃料电池系统(未示出)，以对其内部配套设备(balance-of-plant)部件进行内部操作。在一个实施方式中，蓄电池均不是独立存在的，而是功率得自位于总系统300内部或氢生成系统300外部的燃料电池或燃料电池-蓄电池混合体。在一个实施方式中，如果将工厂制造的过压氢给予反应器(这为启动系统提供了足够的氢)，则不需要蓄电池。此外，可将氢生成系统设计成具有小型手动操作泵(诸如，注射器等)，以通过物理用户互动(而非电启动)来启动反应。
类似于压力传感器322，止回阀326可用于反应器302或控制系统中，以防止反应器302中的氢压力将不能允许的高压施加在控制系统的部件(诸如，阀门324/361、传感器322和/或泵320)上。例如，当初始水进入反应器302并与反应器302中的反应物燃料301反应时，生成了氢，并且反应器302中形成了氢压力，直到氢达到系统压力参数值，此时氢气从反应器302中输送出并用于其它方面。在一些情况下，反应器302中的压力可超过泵320和其它系统部件容量的压力。可使用止回阀326来防止泵320、水容器314和水管线390过度受压并防止损坏系统。可使用止回阀326来确定反应器302中的压力并隔离反应器302对控制系统的压力量。
相似地，氢输出止回阀336、337控制反应器302中的回流。当系统用于高海拔或者多个筒的氢输出相互连接时，可发生回流。每个反应器和整个控制系统中的止回阀和传感器允许用于系统(使用多个反应器)的每个反应器具有独立的压力读数。每个反应器302的氢气输出线391可包括位于反应器302或控制系统303中的压力传感器340。在一个实施方式中，当连接和断开时或者如果系统无意地将另一电源的高压连接至反应器时，止回阀336仅可使氢从筒中流出，而与进入筒的空气相对。在另一个实施方式中，不需要止回阀336，而替代使用常闭止回阀3430(如图34所示)。在一个实施方式中，将止回阀连接在压力传感器340的下游，这可防止一个反应器反压另一个反应器，同时通过位于控制系统中的压力传感器为每个反应器提供独立压力读数。在其它实施方式中，止回阀326、336实际上可位于反应器302或控制系统303中，并且提供相同的功能。另外，系统可包括压力调节器344。有时，可能需要在较高的压力(如80psi或更高)下操作反应器302。在一个实例中，调节器344可使压力降至25psi。作为另外一种选择，可使用带刻度盘的调节器344或者其它压力调节装置，这些装置可使用户改变控制系统的输出压力。作为另外一种选择，可使用电子控制调节器，以使微控制器(诸如，微控制器387)根据所需压力来设置输出压力。在单独的实施方式中，可完全不使用调节器，并且微控制器可控制水的流速和量，以控制反应器的输出压力。
进料
其它可选反应物燃料(如钠硅化物)/液体(如水)机构是可能的。在一些构造中，可将反应物材料成型、模制或压成几何结构。例如，可将由稳定的碱金属材料形成的杆以限定的速率加入到水溶液中，以控制反应。相似地，可仅将该杆从水浴或其它水溶液中除去，便可停止反应。另外，也可将反应物燃料压缩成粒料。然后，可操纵这些粒料并将其以限定的速率置于水中或其它水溶液中，以进行反应。
水溶液进料
可以多种不同的方式将水注入反应器302中。例如，可使用单个进水口338或位于所选位置的多个水分配喷嘴(如图4A-4D所示)将水注入反应器中。在简单系统构造和小型系统中，单个进水便可满足需要。对于较大的系统，可使用多个进水来促进反应并有辅助重新启动反应。例如，在图4A中，进水管411从进水口406垂直延伸并采用多个水分配喷嘴413，并且通过这些水分配喷嘴将水供至采用单管411的反应器402的多个区域。如图4B一样，还使用水平水分配过滤喷雾器415将水供至反应器402的多个区域。在实施过程中，可使用单个或任何数量的管。这些管和水分配喷嘴可具有不同尺寸，并且在整个管中水分配喷嘴的模式和孔径可以变化，以优化反应器的混合条件。例如，可使用有多个小孔(诸如，直径尺寸为(例如).001”至.040”或更大的孔)的小型管件。在试图重新启动反应时，小孔可易于被反应副产物阻塞，而较大的喷嘴可使水溶液滴在反应物燃料而非喷流或喷雾上。使用具有高压能力的泵时，可使用较大的孔口将水注入反应点。使用低压给水系统时，可使用更多的喷嘴来限制喷嘴与反应点之间的距离。根据应用和具体反应物，可选择任何水溶液输送技术。
另外，进水管可弯曲或盘旋，如图4C和4D所示。在图4C和4D中，可使用螺旋形进水管421来进入采用单管的反应器402的多个区域。该螺旋形进水管421可具有位于多个可能位置的孔，以使其覆盖区域最大化并使反应器402的一个区域相对于另一个区域中的含水饱和度最小化。也可并入中心柱423，以用于机械支撑和排热。对于无需此支架或排热结构的设计而言，可将其除去。另外，可将给水网结合在中心柱423中。也可采用其它水分散构造。例如，在一个实施方式中，可采用各种细孔或网孔来促进输水。在其它实施方式中，给水网在整个筒的容积内可能不一致。例如，可优化给水网，以直接将水供至反应物燃料区域。如果反应器具有过量容积来容纳废产物或反应物泡沫，则给水网可以不向这些区域加水。另外，给水网可采用被构造成向用于氢分离的(多个)膜(如下所述)喷水的管件。该管件可包括孔或者其可包含(多个)管或喷嘴的(多个)附加阵列。这样，可将水直接供至反应器402的多个区域中的反应物燃料，以促进其与水溶液的反应。
通过将水供至反应器402的所选位置，可使水和随后的反应对反应器402中的反应物燃料进行搅拌或混合。随着氢的形成并上升，氢气可搅动反应器材料(即，水溶液和反应物燃料)，从而使这些反应组分能够接近完全反应。混合这些反应组分也可通过将氢出口和进水口沿着向下方向设置在反应器的一端上(如图6所示)来完成。该构造为氢生成系统提供了单一连接平面。吸氢器666位于反应器602的顶部，并且加压气体通过充氢管668移动到底部。该充氢管668可位于反应器内部或外部。也可采用不同的构造和管几何形状。
可采用不够完全的反应，这可增加能量密度(输送的H2/(所需的粉末质量+水质量))，因为所需的水量是非线性的。另外，局部反应可使废产物以半固态存在，因为废产物可从高局部反应温度冷却下来。固体废产物可有利于进行废物处理。
热传递
转到图3，随着反应物燃料301与水的反应的进行，反应器302中产生了热量。可使用一个或多个热敏电阻328来测量反应器302的热量并控制冷却系统，包括一个或多个可用于冷却反应器302的冷却风扇360。同样，冷却可通过采用整装式热管理电路的液体冷却回路(未示出)或采用单独水冷却段使水从水容器314开始围绕反应器302进行循环来进行。当然，热敏电阻328也可控制供水阀324，以调节流入反应器302中的水，从而根据反应器302的温度来控制反应，控制废产物的产生量，使耗水量最小化，使反应率最大化以及为了其它原因。
如图5所示，排热结构523也可位于反应器502的中央。排热结构523也可通过加压时将反应器的两端固定在一起来促进反应器的机械锁定机构。
在图5中，反应器的底部572也用作反应器502的散热器和支座。虽然通过反应器壁排除了一些热量，但如果这些壁透明并由玻璃或塑料制成，那么这些材料通常具有有限的导热率。在一个实施方式中，大量热量通过反应器的一端或两端562、572除去。反应器502的一端仅可为散热器(底部572)，而另一端(顶盖562)可容纳反应器的控制件和连接件，诸如氢连接器508和水连接器506、安全阀555、电连接件577、579(诸如，电馈线、电信号处理连接件、系统感测连接件和结构连接件)。在图5中，反应器502的整个主体可为透明或半透明的(如由玻璃或塑料制成)，从而提供了可对反应状态进行可视检测的特征(估算反应物燃料消耗量)以及独特的包装和外观。在另一个实施方式中，反应器总体上可为不透明的，但可通过其透明的观察窗来观察反应。
另外，如图7的实例所示，散热器723和所有部件均连接在一端762上。该几何结构有利于方便连接至具有气体连接件708、流体连接件706和电连接件777的氢生成系统，同时为采用空气冷却、液体冷却或任何其它方法的氢生成系统提供了直接的排热路径。
压力控制
转到图3，可在反应器302中实施防爆安全阀、防爆片或其它可控泄压点330，以控制其压力。例如，当反应器302中的压力达到预定系统参数时，氢气可控制地通过泄压点330从反应器302中排出。在一个实例中，可使用限流器来限制氢输出流量，将该流量保持在下游装置的容许范围内，和/或将该流量保持在成功过滤的容许速率内。限流器可为孔口或止回阀部件的功能件。可采用限制反应器的进水的限流器来避免产生过度的瞬时压力。
氢生成系统300可被构造为在压力范围内运行。在一个实施方式中，用户可使用按钮、开关或任何其它通信协议(如蓝牙(Bluetooth))来直接或远程地设置所需的压力极限或范围。在一个实施方式中，系统300将监测压力并由此控制反应，以将反应器302中的该压力保持在指定的许可范围内。可将系统300用于较低压力的应用(大约25psi)中，以有利于用户安全和操作简便。许多燃料电池应用在该压力范围内运行。然而，必要时，钠硅化物可对需要1000psi压力的应用产生这样的压力。
氢过滤
在一个实施方式中，反应物燃料为钠硅化物，其与水溶液混合而产生氢气和副产物(诸如，硅酸钠)，这作为初步反应。在实施过程中，当在某些条件下反应时，可产生其它副产物，诸如硅烷(如SiH4)。当也可使混合物与硼烷氨和其它物品(诸如，水蒸汽或氢氧化钠(NaOH)颗粒)反应时，可产生硼唑副产物。另外，水溶液(如水)、液体废产物(如硅酸盐)和反应物燃料(如钠硅化物)均可存在于反应器内。可采用多级过滤来仅将氢以适用于特定应用的纯度级别排出。
可使用可用于多种用途的氢分离器。在一个实施方式中，可使用由孔径为约0.45微米的层合聚四氟乙烯(PTFE)构成的分离介质。可采用多种孔径和特定的材料选择。实施特征包括高通过量的气体流速、水突破压力(最高30psi)和反应器盖的超声焊接。膜可以多种材料类型和厚度存在。可使用多层膜来进行粗过滤和精细过滤。例如，当将钠硅化物作为水溶液反应中的反应物燃料时，氢气泡可存在于硅酸钠泡沫中。在反应期间，该泡沫(或氢覆盖的硅酸钠气泡)可使滤膜覆盖有硅酸钠废产物。图8示出了在氢滤膜890进行更精细的过滤之前使用粗介质过滤器888来分解该泡沫的系统构造。在一个实施方式中，将铜丝网用作粗介质过滤器888。这成功地使高粘度材料远离细滤器氢滤膜890。也可使用其它粗过滤介质。可选择铜或者其它材料或材料涂层，包括用于催化水解或吸收污染物的有利的化学活化剂或吸收剂。细滤膜890的材料也可包括位于膜890和机械外壳892之间的背衬894。该背衬894为膜890提供了机械支撑，同时为氢从膜890中排出并进入特定的氢输出连接件(图8中未示出)提供了路径。
氢气生成系统通过向反应器组件提供粗过滤和精细过滤对容积约束进行利用。也可在氢发生器系统和/或燃料电池系统中进行额外的过滤。例如，附图中的氢生成系统可包括可拆式过滤装置，例如(诸如)可拆式干燥剂过滤器。也可将化学过滤器用于可在一段时间后维护的氢发生器系统中。作为另外一种选择，过滤器可被构造为具有较大尺寸，使得无需在反应器的整个产品寿命期间对其进行维护。对于许多燃料电池应用，氢气输出流中的水蒸汽由于燃料电池的所需湿度要求而合格。对于其它用途(诸如，在一些实验室环境、商业用途以及规定较低湿度的一些燃料电池应用中)，氢气输出流中的水蒸汽可能不合格，并且可采用干燥过滤器。要求保护的发明的氢生成系统可使用可拆式过滤器来便于(例如)商业、实验室和燃料电池应用。另外，一些燃料电池应用(诸如，金属氢化物的再加注)需要干氢。也可将图8中示出的吸水介质和/或冷凝器896用于这些应用中。冷凝器896的任何用途均可便于初步反应的集水和回水，以使反应器802中的废水减至最少。可使初步反应的回水直接用于进水口806或反应器802的另一个连接件。
在另一个实施方式中，反应器可为可拆式或固定式，并且可提供进入门或其它进入孔，以加入反应物燃料和/或一旦反应结束便除去反应废物。例如，可将进入门作为图5所示的反应器盖子或封盖562并入。作为另外一种选择，在图5所示的实施方式中，可将废产物的任何部分储存在反应器中，供以后处理或再循环利用。
清洗过滤器
将钠硅化物用作氢气生成系统中的反应物燃料并将水用作其中的水溶液时，初级废产物为易吸水的硅酸钠。在一些反应器构造中，大量硅酸钠泡沫会随时间推移而堵塞过滤装置。高粘度硅酸钠可阻塞过滤装置。通过向硅酸钠施加水，粘度会改变，这可使硅酸钠从过滤区域冲走。例如，在图9A-9C所示的一个构造中，一段给水网(诸如，以图3中的附图标号338为例)使一部分水流直接引向(多个)过滤装置(诸如，图8所示的粗介质过滤器888和氢滤膜890)。通过洒水器909施加在过滤装置上的水最终回滴在未反应的钠硅化物上并还进行反应，但当其部分被输送至反应器时其首先用于清洗过滤器。图9A中的附图标号909示出了旨在直接到达过滤装置的水流。图9B示出了在反应期间未清洗的过滤装置999b，而图9C示出了在反应期间通过将水喷洒在过滤装置999c上来清洗的过滤装置999c。从图9B和9C所示的滤渣差异可清楚地看出，通过将水喷洒子在过滤装置上不会阻塞过滤器。
附加过滤器
也可使用膜/粗滤器组件的其它可选过滤器设计。图10A-10B示出了多种不同的过滤器设计。例如，在图10A中，锥形过滤器1010可便于硅酸钠泡沫在整个过滤器1010中移动，从而导致气泡1012破裂。该锥形过滤器的几何形状也可致使泡沫移动至反应器1002的上隅角1014a、1014b中的液体收集区并使硅酸钠溶液重复循环直至反应器1002的底座1009上，如向下指示的竖箭头1050、1060所示。可将附加设计器件并入反应器1002本身内，以便于该操作。此类器件可包括冷却以促进反应器壁1040上进行冷凝的筒以及图10B中的芯吸材料1071，芯吸材料1071有助于将液体溶液向下移动至反应器壁1040或如向下指示的竖箭头1051、1061示出的其它适当区域。
多室反应器
即使采用上述过滤装置，一些无氢和/或无水物质也可从粗滤器和/或膜中逸出。图3示出了混合室355，以促进收集反应废产物(诸如，硅酸钠)的过程。图11A-11B采用多个过滤器和膜示意性地示出了使用图3的混合室355的方法。
图11A-11B示出了废物收集和循环方法。在一个实施方式中，废物收集和循环在一次性反应器中进行。在图11A中，在较大的反应室1154中通过使水与钠硅化物1101反应而生成氢气，并且氢气1191通过氢膜1190向上移动。一些硅酸钠、水和其它反应产物也可穿过膜1190或在该膜周围移动。这些产物的实际流速远低于进入的供水1138的流速。将所有这些产物(输出氢1191、进水1138和反应副产物)混合在较小的混合室1155内。可通过支架1133将较小的混合室1155支撑在反应器1102内。也可使用筛网过滤器1122来进行进一步的输入和输出过滤。
进水1138吸收混合的反应副产物，因为这些反应副产物可溶于水。然后将水1138和副产物泵送回较大的反应室1154中。输出氢1191将向上移动至二次膜1195，该膜的孔径可比膜1190的孔径小。一些水蒸汽和其它组分仍可存在于标记为“纯氢输出”1193的最终输出流中。在一些操作情况中，混合室1155和反应室1154中的压力可以相同，并且氢不会流过膜1190。
为了克服压力均衡，膜/过滤器的压力降低，止回阀的压力降低，并且可在反应之前或期间改变水泵的具体操作控制方法。例如，对供给泵进行循环可产生压力扰动，从而使得氢引发或重新引发流动。图11B中示出了用于无泵构造的另一种可选废产物再收集构造。在图11B中，采用供给水的过压将水供至反应器。
在反应器内使用较小隔室的构造
如上所述，可将这些实例中的反应器分成多个隔室。该构造可用于将水引向不同的反应区域。在一个实例中，可在不同时间内操作不同的反应区域，从而有利于较容易的重新启动条件，因为对于在仅存在钠硅化物时相对于存在钠硅化物和硅酸钠时而言，反应可更快启动。另外，已显示喷水器可有效控制反应。每个喷水器均可具有限定的水分散范围。采用隔室途径的喷水器可很好地控制反应。可使用多种方法和材料来分隔隔室。例如，可将细管松弛地插入反应器隔室中，可将蜂窝状网孔组件结合在反应器内部，或者可将柔性膜网并入反应器中。另外，用于隔开反应器的材料可将一个隔室中的水溶液密封而不进入其它隔室。可沿着反应器内的水平方向和垂直方向来构造隔室。这些隔室也可由透水和/或透氢材料或用于经由表面张力来输水的其它材料制成。
图12A示出了此途径的一个实施方式，其中可将反应物燃料辊轧成烟卷状构造。如图12A所示，可将反应物燃料包覆在可将水分配在整个粉末和/或透水氢周围的膜材料中。可将(例如)多个辊轧隔室1204a、1204b、1204c、1204d、1204e、1204f、1204g设置在反应器1202内。
随着反应在辊轧隔室1204a、1204b、1204c、1204d、1204e、1204f、1204g中进行，反应器1202将产生热量。对于类似于烟盒的薄型组装件，此类辊轧隔室的另一个实施方式在于将这些辊轧隔室呈彼此相邻水平布置。除了上述技术外，热耗散可通过反应器1202的壁1296(如图12B所示)来进行。因为反应器1202的壁1296会变热，反应器1202外部的多个区域可采用保护件1288或其它绝热装置来绝缘。可将这些绝热装置设置在反应器1202外部，以使得用户可接触反应器。
确定反应状态
在将水溶液加入到反应物燃料中后，发生反应，并且生成氢气。存在许多确定反应状态并检验反应进程的方式。这些技术可包括目视观察反应，对反应计时，并且在反应之前、之间和之后测量反应参数。例如，可在反应之前、之间和之后测量的参数包括(但不限于)反应物重量、温度、反应器中的水溶液量、反应器中的反应物燃料量、待加入到反应器中的最大水溶液量、通过已知的泵表征加入的水溶液量、电导率、压力、经由燃料电池电流的方式直接或间接测量的氢输出值等。
例如，钠硅化物的传导性最小。然而，硅酸钠一旦与水发生反应，便易于在适用于检测和测量的水平上导电。虽然可使用许多不同的方法来测量该传导性变化，但图13中示出一个实施方式，其中将不同电触点1366设置在反应器1302内部的带状电缆1350上。
电导率测量电路读取并比较垫片1313a、1313b、1313c、1313d、1313e、1313f之间的实际电阻测量值和/或查看垫片1313a、1313b、1313c、1313d、1313e、1313f之间的点对点传导性。可使用少至2个垫片或所需数量的垫片来得到这些测量值，以提供足够的反应状态分辨率。相似地，可将接触式探针设置在反应器的不同位置，以进行类似读数并实现类似效果。
此外，在另一个实例中，单个探针可接触两个电极端，以测量反应器中非常具体的距离处的特定点的电阻。可将该技术用于采用导电反应器的构造中。在类似的实施方式中，可使用单个探针、多个探针或导电垫片，并且也可将反应器本身用作测量地面。
在一个构造中，经由多种电接触法(诸如，弹簧加压触针、刷针、刀片插入装置、无线传输或者任何其它电信号传输方法)将电触点连接至氢生成系统。图14中示出使用此类触点的一个反应器的实例，其中电触点1414连接至反应器的压力容器盖1416。凹式带状电缆1418将触点1414连接至压力容器盖1416中的微控制器1420。氢生成系统可包括微控制器1420中的编程指令实施的检测电路系统，以检测或探测触点1414，测量电阻，和/或确定短路和/或断路。微控制器1420可包括编程指令和算法，以检测触点1414，确定信号电平，并且将该信号电平转换成传导性测量值以及将该传导性测量值转换为反应状态测量值。当然，微控制器可位于反应器组件上(诸如，图14的压力容器盖1416中)或如图3所示的控制系统303中。
在确定反应状态的另一个实例中，可使用力传感器(诸如，应变仪)来测量反应器的重量。关于反应状态，反应器由于加入钠硅化物中的水而变重。可采用天平或其它力传感器来测量反应器的重量变化，以确定反应之前、之间和之后的反应重量。通过在这些期间对反应器进行称量，可确定反应状态以及其它系统特定参数(诸如，反应效率、完成百分比、反应时间、从反应中生成的氢气量和其它参数)。
控制系统可根据反应状态来调整其泵参数。例如，反应在接近反应结束时比反应开始时可能需要更多的水来生成相同的氢量。微控制器可采用该系统参数，以通过调整其它控制度量值(诸如，温度范围、压力范围以及将水溶液加入到反应中的量和速度)来预测可使更均匀的氢生成的反应特性。
显示反应状态和反应参数
不管用于确定反应状态的测量值如何，如图2所示，可使用显示装置218来监测和控制反应物燃料与水溶液之间的反应。显示装置218可包括LCD(液晶显示器)或其它显示器，以显示确定的力或反应重量和其它操作参数或系统特定参数。图3中示出附加的示例性显示装置318。例如，显示装置318可显示实际重量，或者使用微控制器(诸如，图3中的微控制器387)来将该实际重量转换为完成百分比、时间或者与反应状态相关的另一个度量值。
单隔室反应器实例
一种示例性轻质、低成本、可重复使用的反应器1502在图15A中示意性地示出并在图15B中详细示出。将薄壁反应器1502冲压并成型为包括位于筒盖1555周围的凸缘1553。将单独的支撑件1557设置在凸缘1553的下侧。筒盖1555和支撑件1557压缩凸缘1553，从而有助于使反应器1502坚固，同时使用均可拆卸和再利用的壁极其薄的筒。凸缘1553有利于机械连接，以在未胶合或卷曲的情况下使用扣环来固定筒盖1555。这能够移除筒盖1555，维护反应器1502和盖1555，然后对反应器1502和盖1555进行再加注和再利用。维护反应器1502和盖1555可包括更换或整修部件，诸如分离器膜、过滤介质等。另外，可采用保护方法(诸如，封装或其它方法)来避免干扰反应器和/或提供反应器干扰检测。
图15C示出了用于制造此类薄壁容器(包括设计的上凸缘1553)的详图。另外如图15B所示，如果采用其它方法(诸如，卷曲或胶合方法)来附连反应器盖1555，则可省去凸缘1553。可设计盖1555的底部1563来使重量最小化并使强度最大化，同时提供实用连接装置(总体显示为1565)，诸如水溶液输入、氢气输入和输出、电连接装置等。
另外如图15B所示，并且如以上参考图3操作性地说明，反应器1502包括氢排出口1544和进水口1591。这些连接件可包含止回阀和/或常闭截止阀或其它装置，以调节水和氢流量。图34中示出了常闭截止阀3434的实例。可将常闭截止阀3434安装在反应器中的氢排出口1544和/或进水口1591(如图15B所示)上。将图35所示的配合部件3535安装在控制系统中，并且配合部件3535具有位于其表面的O形环3537或过模垫圈，该环或垫圈接触并下压常闭截止阀3434的表面。因为配合部件3535的表面下压阀门组件3434，所以截止阀3434的内部滑动，以提供开放式流体通道。在未开启状态中，弹簧3430推动阀体3434，并且使O形环密封并可使流体流动。将附加O形环用作动态密封件，其将阀门的空隙容积降至最小，从而在连接和断开时显著减少加入到氢气中的标准空气量。阀体3434包括螺纹3439，因此可将该阀体螺纹连接在筒盖1555中。可通过多个其它机构(诸如，通过胶合、压配合、扣环等)将阀门3434安装并保持到位。
所示的反应器包括一体式安全的安全阀1538和1588。可用其它可选方法(诸如，一次性可控泄压防爆点)来实施安全的安全阀1538、1588。在图15B中，一个安全阀1538用于通过过滤来排放压力，而另一个安全阀1588可用于在过滤前排放压力。在一个实施方式中，将阀门1538、1588两者设置为在相同的压力下释放。在另一个实施方式中，将后过滤阀1538设置为在低于预过滤阀1588的压力下释放。如果未注意到高压事件，则该系统将通过过滤输出排放所有高压氢。如果过滤器阻塞，二级阀1588也可用作高压事件情况下的备用阀。在另一个实施方式中，将浸料管1543连接至安全阀1588的气体通道并引向筒的底部以从筒中排出(如果倒置储存)。在该实施方式的一种形式中，浸料管1543可容纳顶部、底部或这两者上的多孔过滤介质，以选择性地将氢与硅酸钠或其它水溶液成分排出。
盖1555包括RFID芯片1522，例如(诸如)Atmel TK5551RFID芯片。反应器1502中示出了三个薄壁管1539、1541、1543。一个管1539将水从反应器1502的中央引向下方，并且包括一体式喷嘴1549a、1549b、1549c，以将水流引向反应器1502中存在反应物燃料的区域。另一个管1541与顶盖1561的平面水平。该管1541位于过滤器1561周围并将水喷洒在整个过滤器1561上，以清洗过滤器1561并促进水溶液和与反应物燃料之间的反应。
如上针对图3所述，可将止回阀(图15中未示出)设置为与反应器1502的水管线成一直线。如上所述，止回阀可位于控制系统中、反应器1502中或两者中。通过前述水网将水泵送入反应器1502中。随着氢经由氢排出口1591从反应器1502中排出，氢气也可通过止回阀(图15中未示出)。如上所指出，也可将氢气输出止回阀设置在控制系统(图3中示为附图标号303)中、反应器1502中或两者中。在利用多个反应器1502的系统中，将止回阀用于每个反应器的每个氢退出管线中。另外，可将独立的压力传感器用于独立地测量每个反应器的压力，并且再将这些独立的压力传感器连接至反应器或控制系统中的氢退出管线，但位于至少一个止回阀或其它下游隔离机构之前。可使用止回阀来防止一个反应器反压另一个反应器。可使用其它部件(诸如，常闭阀或流量控制调节器)来实现类似结果。
如上针对图3所述，氢气可直接从反应器302排出。在另一个实施方式中，氢气可首先通过高纯度污染过滤器。相似地，又如图3所示，可将输出的氢鼓泡通过水槽/冷凝器，诸如原水槽314或单独的水槽。这用于冷凝一些水蒸汽并收集可能存在于输出的氢气中的一些颗粒或污染物。
当鼓泡通过水槽314后，输出的氢气可通过高纯度细滤器369。水槽314可包括用于低温操作或其它目的的添加剂。添加剂可包括增加H2的产量的共反应剂、絮凝剂、缓蚀剂或改变水溶液的热物理性质的热物理性添加剂。例如，热物理性添加剂可改变反应的温度范围、反应的压力范围等。此外，水溶液的添加剂可包括多种不同的添加剂的混合物。
一些添加剂可促使输出的氢气流中存在较少的污染，或者添加剂本身可用于对反应中生成的任何形成的硅烷(SiH4)进行水解。可将反应器302中的氢气引向滤水器351。可将压力传感器340用于测量和调节氢气的压力。滤水器351用于对任何形成的硅烷进行水解，收集颗粒并将氢输出流中的水冷凝。如果硅烷发生水解，则会产生少量SiO2和氢。可将产生的氢用于氢气输出365中，并且可将SiO2泵送入反应器302中，同时剩余的水穿过阀门361、324。可根据需要排空并清洗水槽314。如果将输出的氢鼓泡通过水，水槽314顶部也可具有渗透膜367，以可使氢在氢排出口365处排出，但不得使水在严重倾斜或翻转的情况下排出。在一个实施方式中，水盖363具有盖接触传感器311或一旦水盖363完全关闭便通知微控制器387的其它检测器。在一个实施方式中，微控制器387可关闭水槽314前的输出阀362，以使(多个)反应器在加入更多水时保持受压。
在其它实例中，可在退出水槽314和细滤器367后设置输出阀366。该输出阀366可由微控制器387控制以启动反应，并使压力积聚到适当的水平以向终端应用(诸如，手机、膝上型计算机、住宅用电缆等)供应输出的氢气。另一个实例包括单独的安全阀368或排泄阀，以清除系统中的任何残存空气。如上所述，另一个实例包括与输出氢线成一直线的过滤器369(诸如冷凝器或干燥剂过滤器)，以支持特定应用要求(如适用)。
另一个实例可包括将反应器302中的所有水通过二次混合室351输送。另外，另一个实例包括将输入水泵送至二次混合室351中(沿该混合室直接通向反应器302)，或者通过独立的控制来进入二次混合室351。可将二次混合室351耦接至热控制系统(包括热敏电阻328)，以便增加和/或保持二次室的温度，从而促进水解和/或过滤，差不多如同对如上所述的反应器302提供热控制一样。
附加电连接件
在单隔室反应器和带附加隔室的那些反应器中，可使附加电连接件向用户提供关于反应状态和系统特定参数的附加信息。例如，在图3中，可使附加信号连接件(有线或无线)位于反应器302和控制系统303与控制电子元件386之间，以提供控制装置和显示装置测量数据，然后采用这些数据来监测和显示系统特定参数。
例如，一个或多个读/写RFID装置可用于通过储存和报告系统特定参数来评估反应状态。例如，微控制器387可将表示泵送入反应器302中的水量的数据写入RFID装置333，该RFID装置可位于反应器302的盖中。根据已知待加入到反应器302中的测量水量，并且采用其它测量值(诸如，压力和温度测量值)，可通过系统300来确定反应状态。相似地，可将附加RFID装置381、382、334并入整个反应器302和控制系统303中，以提供和储存往返于微控制器387之间的系统信息。例如，每个RFID装置均可包括信息，诸如序列号、加入到反应器中的水量、可加入到反应器中的总容许水量、反应器中的压力、水容器和系统其它位置中的压力。然后可使用压力测量值、温度测量值、水量以及RFID装置中的其它系统特性来确定反应状态。相似地，微控制器387可将其它系统参数，诸如水流速度、氢生成量以及其它参数写入RFID装置333、334、381、382和可位于控制系统303、反应器302和整个反应装置中的其它RFID装置。
另外，可将RFID装置(未独立示出)结合在反应器302中，以通过单独地识别反应器302来进行库存管理。可将该装置独立地用于库存管理，或者可将单个装置连同多组控制功能一起使用。RFID装置可与可用于多个位置的转发器和/或多个转发器通信。例如，可将转发器用于工厂制造的反应器上作为装配线的一部分或作为用于质量控制的手持装置。同样，转发器可位于本领域使用的匹配硬件中。匹配硬件可包括氢生成系统、燃料电池系统、完整电力系统或其它接口系统。
无源氢生成
图16中示出了无源架构反应器系统1600的实例，“无源架构”是指缺乏电动泵来启动反应。无源架构系统通常适用于低输出系统。采用该架构可使辅助操作减至最少。例如，通常可将低输出系统的部件组合成较少数量的物理组装件，并且可完全消除其它部件。例如，对于低功率系统，诸如手机或手机再充电器以及需要低功率并且必须使容积和成本最小化的其它应用，可除去反应器系统的风扇和泵。图16中示出了用于基于钠硅化物(或其它水性反应材料)的氢生成的无泵系统的简化架构。最初通过连接加压源1616或泵来对水槽1614进行加压。然后通过也可包括限流器1624的供水管线1690来供水。限流器1624可为有源部件(诸如，阀门)或无源部件(诸如，孔口)。作为另外一种选择，重力本身可提供初始力来使水通过供水管线1690。随着初始水进入反应器1602并与钠硅化物1601混合，便生成氢1634并形成氢压力，这又通过再加压管线1643对供水器1684进行再加压。当氢开始从系统中流出并返回到水槽1614中时，氢输出1666处的压力会降低。然而，水槽1614处的压力由于止回阀1677而得以保持。这形成促使更多水进入反应器1602中的压差，然后对系统1600再加压。随着压力增加，系统总压力平衡，使得水流停止。可使用限流器1624来控制反应器1602的进水速率。否则，可在形成氢压力之前将过量水加入到反应器1602中，这可潜在地导致正反馈情况的发生，并且过早发生反应。
另外，使用吸水管线(图16中未示出)时，供水源可能来自水槽1614的底部或通过槽1614上的另一个退出点(诸如，顶部)。也可通过适当地设置进水口和排水口将重力或虹吸给水机构并入系统中。
将低输出反应器系统1600的架构并入图17中的完整反应器组件1700中。反应器1702包括反应室1722中的反应物燃料1701。反应室1722可包括膜1733，以通过该膜来容纳反应物燃料1701并提供用于生成的氢气的逸出路径。反应室1722可为刚性室或柔性室。反应室1722可具有位于多个位置的膜1733，以使得反应室1722可沿任何数量的方向取向。反应室1722的周围为外氢室1793内的加压氢气1788，加压氢气根据特定应用的需要从输出阀1766中流出。与图16中示出的通用低输出反应器系统1600一样，通过供水管线1790将水1734供至反应器1702。可通过排水泵1716或通过外部水源经由水加注口1717将水1734供至系统。水再加压通过水再加压阀1777来实现。通过这种方式，低输出反应器系统1700可向终端应用提供氢气。
反应室1722可配备有多个给水机构。例如，可将小型泵结合在反应器1702中，以使完全一次性反应器具有反应室、水和泵送系统。也可将该泵与反应器分开。具有独立式泵的系统的一个实例为图18所示的弹簧驱动系统。
图18示出了具有一体式反应室1802、供水器1814和“泵送系统”1820的弹簧驱动反应器系统1800。反应器1802也可包括喷水装置(如下参照图25所述)。一个示例性弹簧驱动反应器系统包括推动滑动活塞1831并向水室1841(包括供水器1814)施加压力的弹簧1821。也可采用具有不同活塞方案(诸如，柔性材料、弹性体、波纹管或在向其整个部分施加压差时进行移动的其它结构)的附加实施方式。就弹簧而言，小平台区1851可与弹簧1821的边缘接触，以将力分布在较大区域上。另外，被制造成单体组装件2100的弹簧驱动反应器系统的实例在图21中示意性地示出并在图22A和23中图示出。图22B和24提供了单体组装件2100中弹簧驱动反应器系统的分解图。
转向图18，随着弹簧1821在水室1841中形成压力，将水注入反应室1802中。氢随着水与反应物燃料接触而生成。因为生成了氢，这使反应室1802中形成了压力，从而阻止了水的进入。在该实施方式中，给水机构为独立取向。在图18的反应器系统1800中，反应室1802为非独立取向，因为水溶液会堵塞过滤器1890，从而在系统1800倒置时不会使氢通过。为了补偿该情况，可通过多个吸收器来实施反应器膜系统(诸如，图17中示为附图标号1722的带膜的反应室)。另外，可将止回阀1824设置在给水器1814和反应室1802之间。如果没有此氢输送系统，氢压力因过压向后推动弹簧1821，这又使过量水注入。止回阀的缺乏可形成振荡系统。例如，图19示出了无止回阀的系统中随时间推移的示例性压力响应。如图19中的曲线图所示，当将压力均衡构件(诸如，止回阀)并入系统时振荡压力响应是明显的。
相比之下，图20示出了利用止回阀的系统中随时间推移的示例性压力响应。图20中的压力响应未呈现出振荡响应，相反显示出与弹簧压力相关的稳定衰退。
另外如图20所示，反应开始时的初始峰随着将少量初始水注入反应器中而发生。可使用水量限流器来削弱该效果，或者可增强该效果来形成暂时瞬态水平的高瞬态氢生成，以有利于燃料电池组吹扫。例如，除了止回阀1824外，可使用水量限制器来实施在重启动条件下减慢水流的方法。在重启动期间，瞬时氢压力可降至极低值，从而进行可导致较大的反应峰值的注水。可将限流器的功能并入配水功能中，以防止此效果。检查有利于弹簧设计所决定的近似恒压操作。也可使用针对止回阀特征的其它机构，诸如控制阀或调节器等。
在无源架构反应器系统中，可采用多种技术来进行喷水和配水。例如，如图25所示，喷水装置2515可为具有小分配孔2513的小直径管。配水系统也可包括硅胶管2555中的孔网(可在反应器腔体2502内看到)。以上描述了关于喷嘴的孔距、尺寸和类型可变性。另外，硅胶管2555结构的孔径可提供附加柔性。如上所述，小孔可易于被产生的反应废产物阻塞，因此使用硅胶管2555可使得压力形成在阻塞物周围疏通的较大孔，然后促使堵塞物从该孔中排出。也可使用其它配水机构，例如(诸如)硼硅酸盐纤维以及其它水芯吸材料来将水分配在整个反应区中。可将这些配水技术与任何类型的泵或控制系统架构一起使用。
如图18示意性地示出，两部分反应器系统1800的一个实例包括一个初级部件或容器(诸如，反应器1802)中的反应物燃料1834，并且水溶液最初在另一个初级部件或容器(诸如，水溶液筒1892)中。一旦反应结束，便可处理或再循环利用反应器1802，而水溶液筒1892可由用户重复使用并进行再加注。这两个初级部件1802、1892被称为“反应器和给水系统”。在图18所示的实例中，完整氢生成系统由两个核心部件(反应物燃料反应器1802和水溶液筒1892)构成。这两个单独的筒1802、1892连接在一起，并且相互作用，以生成氢气。作为另外一种选择，如上所述，可通过进水阀将这两个筒1802、1892简单地连接在一起，而控制系统(如燃料电池系统、消费者终端产品等)提供了机械刚度，以将这些筒保持到位并由此将其释放出来。此外，整个给水系统可位于控制系统内作为不可分离和/或可拆式部件。
接口阀1824可位于反应器1802中、供给系统1892中和/或两者中。当反应器1802和给水器1892相连时，接口阀可能不会使氢压力偏斜弹簧1821。这可通过将止回阀或控制开/关阀的器件并入接口阀1824中来实现。在一个单独的实施方式中，如果接口阀1824不提供此器件，则可采用单独的器件(诸如采用起子或不会用氢气对给水系统进行显著加压的其它机构来控制活塞组件)来防止弹簧反向移动。
图22-24示出了该系统实施方式中的示例性核心部件。如图22B所示，将金属弹簧2121用于水筒2192中，以产生压力并提供了使水流入反应器筒中的方式。该实例中的金属弹簧2121为减缩的锥形拉伸弹簧，但也可使用其它弹簧类型，诸如扭转弹簧、钟表弹簧、倒锥状锥形弹簧、压缩弹簧以及其它。可将弹簧2121固定安装至筒2192的底座2170以及柱塞2172上。此外，弹簧2121居中，以防止柱塞偏转。图22B中示出的柱塞2172具有一体化特征，以在柱塞2172滑动时进行导向和密封，但可采用其它水输送设计。例如，如上所述，不同的实例可采用在压缩下将水输送至反应器的柔性“袋”。
将止回阀2162和孔口2164(图23中示出)并入水筒2192和粉末(反应器)筒2102之间的出水口。止回阀2162用于防止氢压力对水筒2192进行再加压，从而防止系统不稳定性。在其它实例中，止回阀2162也可在水筒/反应器断开时进行密封。在其它实例中，如果系统中形成了过压，止回阀2162也可减轻压力。孔口2164用于限制水和反应器筒2102、2192之间存在高压差时反应器2102的水流量。
如图26和27所示，在其它实施方式中，反应器和给水子系统可分离。例如，如图26所示，一个示例性实施方式采用了螺纹锁定机构2666来耦接两个筒2102、2192。也可使用其它锁定设计，诸如锁定机构的棘爪或者进水口上的精细(10-32)内外螺纹。锁定机构的螺纹不必对水或氢进行密封，并且可使用O形环或垫圈类型的密封件将水结合在反应器筒的接口中。
该实例中的筒均为如上所述的薄壁压力容器。反应筒可用耐碱腐蚀材料(诸如，镀镍铝等)来构造。水筒可由轻金属或工程塑料构造。水筒可具有可在其断开或移除时防止水流动的锁定机构。该锁定机构可为需要用户来干预水流动的机械插销。作为另外一种选择，反应器可包含阀门或停止水流动直到具有用户交互装置时的其它机构。示例性用户交互装置包括通过将筒插入燃料电池系统组件中的动作来起动的物理开关或阀门。
另外，作为给水系统的一部分的弹簧可被构造为位于水的外侧(图27的实例中所示)或水的内侧(图28中所示)。如果该弹簧位于水内侧，可向水溶液加入缓蚀剂或者可适当地选择弹簧材料以防止腐蚀。
如图29A和29B的实例所示，可使用多种不同的构造以在将水加入到反应器中的整个时间内保持接近恒定的水压。可选择弹簧，因此实际移动距离相对于总压缩距离而言较短。实现此的一种方法为使用如图29A和29B所示的倒锥形弹簧。可压缩和倒置(如图29B所示)较长的未压缩弹簧2921，从而该弹簧可平直地向下拉动，同时仍处于压力下。这可使弹簧的压缩容积最小，同时仍然提供必要的力。
容积考虑因素
一些用户可能需要具有尽可能小的容积的构造，并且使所有需要的水置于组装件内，以使用户的操作复杂性最小化。在图30A和30B示出的一个实例中，反应器容积3002最初很小，而当水溶液被排空并加至反应点时随时间推移而增加。反应器容积3002开始处于极其压缩的状态。随时间推移，使用活塞3072或类似的机构将反应器容积3002交换成给水器容积3014。其后的驱动力可为动态泵送机构、弹簧驱动机构或其它机构。在一个实施方式中，将系统设计成使得通过使用螺杆驱动活塞组件、伸展垫圈等使产生的氢压力不会有助于输水压力的形成。在另一个实施方式中，将系统设计成使得通过将控制阀或压力调节器用作输水系统的一部分使产生的氢压力不会有助于输水压力的形成。通过图30B所示的弹簧驱动机构，示出了倒锥形弹簧3021，该弹簧可使给水器容积3014在反应结束时最小化，同时仍提供可接受的力，因为可将弹簧组件压缩至接近平直，同时仍保持在未松弛状态下。该方法使用了类似的活塞(或其它方法)、水溶液分配网、水溶液限流器以及一体化止回阀或功能相当的部件(未示出)。可采用将弹簧机械地锁定到位或阻止水溶液流动的机构，诸如阀门或其它机构。水溶液可在料筒外部流动，并且可通过活塞几何结构输送。也可将阀门、调节器或其它控制部件用在给水管线上。可采用几何形状和设计，使得仅弹簧施加的力进行排水。例如，可并入机构(诸如，螺纹接口)，使得氢压力的瞬时增加不会转换为水压力的瞬时增加。可采用其它器件，诸如伸展波纹管和其它。另外，图31-33示出了可用于系统(诸如，为膝上型计算机供电的燃料电池)中的较大料筒3100。
通过如此描述本发明的基本概念，对本领域的技术人员而言是显而易见的是上述详细公开旨在仅以举例的方式提出而不进行限制。虽然本文未明确说明，但各种改变、改进和修改将出现并且旨在供本领域的技术人员使用。这些改变、改进和修改据此被提出，并且在本发明的精神和范围内。另外，处理元件或序列的所述顺序，或者数字、字母或其它名称的使用并非在于将所要求保护的方案限制为除权利要求书中规定的任何顺序。因此，本发明仅受以下权利要求书及其等效形式限制。

Claims (22)

1.一种整装式氢气生成机构，所述机构包括：
反应器，其包括溶液入口和氢排出口，所述溶液入口被构造有将液体输送至所述反应器的加压供液装置。
2.根据权利要求1所述的整装式氢气生成机构，其中反应器含有反应物燃料材料，所述反应物燃料材料包含钠硅化物或钠硅胶。
3.根据根据权利要求1所述的整装式氢气生成机构，其中所述加压供液装置通过弹簧加压。
4.根据权利要求3所述的整装式氢气生成机构，其中所述弹簧为倒锥状锥形弹簧，其被构造为在基本上将所有液体供至所述反应器时保持液体压力，并且还被构造为在供液期间基本上消除压力变化。
5.根据权利要求1所述的整装式氢气生成机构，其中所述整装式氢气生成机构为料筒组件，其可分成一次性反应器和可重复使用的供液组件。
6.根据权利要求5所述的整装式氢气生成机构，其中所述可重复使用的供液组件为由另一装置进行结合、限制或容纳中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的整装式氢气生成机构，还包括液体限制机构，其被构造为限制液体流动到所述反应器中，并且还被构造为抑制瞬态条件下的氢气生成率。
8.根据权利要求7所述的整装式氢气生成机构，其中所述液体限制机构包括阀门或孔口中的至少一个。
9.根据权利要求3所述的整装式氢气生成机构，还包括将所述反应物燃料材料与所述加压供液装置分离的控制阀或止回阀中的至少一个，其中所述至少一个控制阀或止回阀被构造为防止在瞬态条件下氢气压力反压所述弹簧。
10.根据权利要求3所述的整装式氢气生成机构，还包括控制装置，其被构造为防止弹簧在氢气生成期间反向移动。
11.根据权利要求1所述的整装式氢气生成机构，还包括容积交换装置，其被构造为在反应器容积和供液体积之间进行容积交换。
12.根据权利要求11所述的整装式氢气生成机构，其中所述容积交换装置包括活塞或袋组件中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的整装式氢气生成机构，其中生成的氢压力不会有助于形成水压。
14.根据权利要求13所述的整装式氢气生成机构，其中所述生成的氢气压力通过机械装置来抑制。
15.根据权利要求13所述的整装式氢气生成机构，其中所述形成的输水压力通过阀门或调节器中的至少一个来控制。
16.根据权利要求5所述的整装式氢气生成机构，其中所述整装式氢气生成机构被构造为可重新密封。
17.根据权利要求1所述的整装式氢气生成机构，还包括：止动机构，其在所述整装式氢气生成机构处于非工作期间时防止供液，其中所述止动机构为插销、插头、障碍物、棘轮、阀门或触发器中的至少一种。
18.根据权利要求1所述的整装式氢气生成机构，其中所述液体溶液包括水。
19.根据权利要求1所述的整装式氢气生成机构，还包括：阀门，其被构造为需要用户操作来引发液体流动。
20.根据权利要求4所述的整装式氢气生成机构，还包括：手柄，其被构造为接合所述供液装置，以在拉动所述手柄时吸入液体并对所述弹簧重新加压。
21.一种在整装式氢气生成装置中生成氢气的方法，所述方法包括：
加压供液装置；以及
用所述供液装置将液体溶液与反应物燃料材料化合，以生成氢。
22.根据权利要求21所述的在整装式氢气生成装置中生成氢气的方法，其中所述整装式氢气生成装置容纳供给的液体，以进行清洗或重复使用所述供液装置中的至少一种。
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