CN109415204A

CN109415204A - 装置

Info

Publication number: CN109415204A
Application number: CN201780036039.0A
Authority: CN
Inventors: 金珂
Original assignee: Taicang Kleipsa Energy Technology Co ltd
Current assignee: Taicang Kleipsa Energy Technology Co ltd
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2019-03-01
Anticipated expiration: 2037-03-13
Also published as: CN109415204B; WO2018000855A1

Abstract

一种由固态产氢物质产生氢气的反应容器(100)，所述反应容器(100)包括第一端部(160)、第二端部(150)和至少一个介于其间的外周侧壁(115)，其共同界定反应室(110)，所述反应室(110)包含用于接收流体的入口(120)、用于排出氢气的出口(130)和一个或多个分隔件(180，170，210，240)，所述分隔件构造成界定一系列产氢反应层，容许流体连通，并界定至少一个延伸于此入口及出口之间的气体传输通道。

Description

装置

技术领域

本说明书对在先公开文件的罗列或讨论，并不作为此文件是现有技术或公知知识的一部分的确认。

本发明涉及用于产生氢气的反应容器，以及包含一个或多个所述反应容器的系统。

背景技术

具备较高的体积和重量储氢密度的产氢装置，具有各种用途。这包括用于实施移动式和驻立式应用的燃料电池技术。近年来，通过水解固态硼氢化物产生氢气的反应容器，被设计成可以用于移动式应用的产氢器。然而，这些装置具有很多缺点，例如要求全面的和/或持续的加热以及全面的保温。重要地，此类反应容器需要在使用之前输入大量的能量，这导致了所述反应容器产生能量的高能源及货币成本。

尤其是，设计一种固态硼氢化物或其它固态产氢物质安全水解的具有能源及成本效率的反应容器，，仍是一种挑战。

发明内容

依照本发明的第一方面，提供了一种由固态产氢物质产生氢气的反应容器，所述反应容器包含第一端部、第二端部、和至少一个介于所述第一端部和所述第二端部之间的外周侧壁，所述第一端部、第二端部、和外周侧壁共同界定反应室，所述反应室包含：用于接收流体的入口；用于排出氢气的出口；和一个或多个分隔件，所述分隔件构造成界定一系列产氢反应层、允容许流体连通和界定至少一个延伸于此入口及出口之间的气体传输通道。

在本发明的某些实施例中，所述反应层可以被构造成便于热量从一个或多个前置反应层传递到一个或多个后续反应层，以产生氢气。

在本发明的进一步实施例中，所述入口可以被布置在靠近或位于所述反应室的底部，远离所述出口。进一步地或可选地，所述出口可以被布置在靠近或位于所述反应室的顶部。

在本发明的进一步实施例中：

所述至少一个气体传输通道由所述外周侧壁的一部分、和位于所述分隔件的一个或多个外周部分的多个透气部分所界定，所述分隔件和反应室排列向布置在所述分隔件上方的后一个反应层引入向心流；

和/或

所述至少一个气体传输通道由位于所述分隔件的一个或多个透气部分所界定，所述透气部分排列成向布置在所述分隔件上方的后一个反应层引入离心流。

在进一步实施例中，所述反应室可以包含多个分隔件，所述多个分隔件以间隔关系依次向上排列，并构造成交替地向后续反应层引入向心流和离心流。

在此提到某些实施例，所述反应室可以包含多个分隔件，所述多个分隔件以间隔关系依次向上排列，每个分隔件包含一透气部分，所述透气部分布置在靠近所述反应室的外周部分，所述多个分隔件排列成，一个分隔件的所述透气部分位于后一分隔件的所述透气部分的斜对面。

在本发明的进一步实施例中，所述分隔件可以包含一个或多个螺旋形分隔板。可选地或进一步地，所述反应容器和/或反应室可以大体上为圆筒形。

在本发明的实施例中，所述反应容器和/或分隔件可以由金属或合金制造。例如，所述金属或合金可以包含铝、铝合金、铁、铬、镍、马口铁、钢、钛或其组合。进一步地或可选地，反应层的厚度可以是约2cm或以下，并且所有反应层的总厚度是约15cm或以下。也就是说，所述反应室构造成容纳一个或多个反应层，其中这些反应层的总厚度为15cm或以下。所述反应层的总厚度可以包含或者不包含所述分隔件层的厚度。为避免疑义而说明，当反应层的厚度不包括分隔件层的厚度时，所述反应室构造成能够容纳反应层的总厚度与分隔件层的总厚度的厚度之和。

在本发明的某些实施例中，所述入口可以进一步包括透气的过滤件。

在本发明的进一步实施例中，所述反应容器可以包含固态产氢物质，所述固态产氢物质布置在所述反应层中。例如，此固态产氢物质可以是包含硼氢化钠的组合物，例如纯的硼氢化钠。

在本发明的进一步实施例中，所述反应容器可以包含一个或多个加热件，所述加热件与所述反应室的底部热接触，并用于允许加热第一反应层。

在本发明的实施例中，所述反应容器可以包含充当集热部件的顶部和/或底部。在本发明的一种变化形式中，所述反应容器可进一步包含一个或多个与所述反应室的底部热接触的集热件，和/或，与所述反应室的顶部热接触的集热件。在具有一个或多个附加的集热件的实施例中，所述反应容器可以进一步包含一个或多个蒸发件，所述蒸发件与流体源及所述反应室的入口均流体连通，与位于底部和/或顶部的集热件热接触，并用于蒸发来自流体源的流体。

在本发明的实施例中，所述反应容器可以进一步包含保护片，其设置在所述顶部和/或底部的表面上，直接接触反应容器内的化学品。内部保护片的使用允许在反应容器的顶部和底部使用导热金属，避免由于接触化学品而易受到的腐蚀。例如，如果使用了保护片，则导热金属可以是铝。

为避免误解而说明，对本发明的第一方面的各实施例的任何技术上可行的组合，是明确考虑的。

在本发明的第二方面，提供了一种由固态产氢物质产生氢气的系统，所述系统包含由隔热材料形成的外罩，所述外罩具有至少一个凹部，所述凹部成形为容纳如本发明第一方面所述的反应容器，以及任何实施例(或实施例的组合)；每个凹部提供有加热元件，所述加热元件用于与所述反应容器的底部热接触，并允许加热第一反应层。

在本发明的实施例中，所述系统可以包含用于向蒸发件的入口提供液体的液罐，所述蒸发件与集热件热接触，并用于将接收的液体蒸发成蒸汽以供给至少一个反应容器。进一步地或可选地，所述系统可以包含用于接收来源于至少一个反应容器出口的氢气的缓冲罐。

本发明的第三方面，提供了一种由固态产氢物质产生氢气的方法，所述方法包含如下步骤：提供如本发明第一方面所述的反应容器；提供预定量的热量以均匀加热第一反应层，所述第一反应层布置在靠近所述反应容器的底部；向所述入口提供蒸汽以在所述第一反应层及后置反应层产生氢气。

在本发明的实施例中，所述反应层可以构造成允许热量由一个或多个前置反应层传递至后续反应层，以产生氢气。

附图说明

以下将仅以非限制性的示例方式，并参考说明性附图，对本发明的例示实施方式进行描述。

图1为本发明的一个实施例中的反应容器的横截面；

图2为图1所示的反应容器使用的第一种分隔件的平面图；

图3为图1所示的反应容器使用的另一种分隔件的平面图；

图4A为本发明的一个实施例中的反应容器的底部平面图；

图4B为图4A的底部经过A-A切线的横截面；

图5A为本发明的一个实施例中的反应容器的顶部平面图；

图5B为图5A的顶部经过A-A切线的横截面；

图6A为本发明的一个进一步实施例中的反应容器的纵截面；

图6B为本发明的另一个实施例中的反应容器的侧截面；

图7A为本发明的一个进一步实施例中的反应容器的横截面；

图7B为图7A的反应容器的纵截面；

图8为包含图1(以横截面显示的反应容器)所示反应容器的系统的方框图。

具体实施方式

在下文中，结合相应的附图，对本发明的例示实施方式作出更为充分的描述；然而，本发明可以有其他的实施方式，不应该被解读为局限于此处阐述的实施例。本发明中提供的实施例是为了披露得彻底完全地向现有技术人员展示具体的实施方式。

在附图中，层及区域的尺寸可以是为了清楚说明而放大的。相同的标记数字始终指向相同的元件。

本发明允许各种变换及许多实施例，本说明书参考附图详细地阐述了某些特别的实施例。然而，这并不是试图将本发明限制在特别的实施方式中，应注意所有的不背离此技术范围的转换、等同、替代，都包括在本发明中。在描述中，不详细描述本领的某些细节避免不必要地模糊本发明的精髓。诸如“第一”“第二”之类的术语，可能被用于描述各种元件，这些元件不应被限制于上述术语。上述术语仅用于区分各个元件。用于本说明书的术语，仅用于描述特定实施例，并不是为了限制本发明。除非文中另有明确说明，单数表述包含了复数表述。在本说明书中，应该理解，诸如“包括”或“具有”之类的术语，是为了披露存在的特征、数量、步骤、动作、元件、部件或其组合，并不是为了排除其它的一个或多个特征、数量、步骤、动作、元件、部件或其组合可以存在或被加入的可能性。而且，诸如“至少一个”的表述，当位于一列元素之前时，修饰整列元素，而不是修饰列内的单个元素。

本发明的实施例中，词语“包含”可以解译为需要提到的特征，但并不限制其它特征的出现。可选地，词语“包括”也可涉及只存在列出的元件/特征的情况(例如，词语“包含”可以更换为“包括”或“基本上包括”)。明确的是，广义和狭义的解译都能被用于本发明的所有方面及实施例。

当使用术语“热接触”时，意味着涉及任何类型的可以传递热能的接触。这种热能的传递，可以由元件之间的直接物理接触实现，也可以不由任何物理接触实现，诸如通过任何已知的热传递方式，例如对流和/或辐射加热。

本说明书中的术语“透气部分”涉及与分隔件连接的孔、缺口、缝隙、裂缝或通道，允许气体从分隔件的一面通向另一面。(例如从底面到顶面)。所述“透气部分”可以进一步包含一透气过滤件，其置于此孔、缺口、缝隙、裂缝或通道之中和/或上下，以防止固态产氢颗粒(例如NaBH4)的团聚，从而防止气体传输通道的堵塞。合适的透气过滤件可以包括任何能够承受反应容器运行温度(例如约300℃)的材料，并且由对反应室内的反应环境呈惰性的材料构成，耐弱碱，孔径小于最小期望颗粒尺寸(例如NaBH₄的颗粒尺寸)。例如，合适的过滤件可以包括碳纤维过滤件。

本说明书中的术语“反应容器”包括任何合适形状的、能根据本发明用于产生氢气的三维结构，诸如多面体、圆筒、锥体、球体。合适的多面体容器的形状可以为例如立方体、矩形棱柱、四面体或金字塔形。在四面体或金字塔形的情况中，其顶端可以被作为顶部或第一端部，其底面可以被作为底部或第二端部，其周侧可以被作为至少一个外周侧壁。反应容器的形状，可以在不违背本发明的情况下作出变化。

首先参照图1，如图所示，使用固态产氢物质产生氢气的反应容器100包含圆筒形反应室110，其有一个垂直于地面的纵轴125。所述反应室110由顶部/第一端部160、底部/第二端部150、和居于其间的外周侧壁115共同界定。此反应室110可以进一步包含用于接收流体(例如水蒸气)的入口120和排出氢气的出口130。重要地，可以使用一种或多种分隔件，并将其构造成界定一系列用于产生氢气的反应层140，容许流体连通和界定至少一个延伸于此入口120和出口130之间的气体传输通道。

在如图1所示的反应容器的一个实施例中，所述反应层140可以被构造成便于热量从一个或多个前置反应层传递到一个或多个后续反应层，以产生氢气。

如图1所示，所述至少一个气体传输通道可以使用多组两种不同类型的分隔件界定。首先，所述至少一个气体传输通道可以被部分界定于所述反应容器100的外周侧壁115的一部分220，以及位于第一种分隔件240的一个或多个外周部分的多个透气部分230。分隔件240及反应容器的反应室110可以排列成向分隔件240上方的后一个反应层250引入向心流190。图2描述了分隔件240的一个实施例，包含位于其一个或多个周边部分的多个透气部分230。如图2所示，此透气部分230可以简单地是位于分隔件外周的多个槽口，从而气体通道产生于所述分隔件的外周与所述侧壁的外周部分之间。

所述至少一个气体传输通道的剩余部分可以被分隔件180上的一个或多个透气部分260界定。透气部分260，可以排列成向位于分隔件180上方的后一个反应层140引入离心流200。图3描述了分隔件180的一个实施例。分隔件180包含的透气部分260其为位于所述分隔件180的中心部分的孔260。这种排列界定了气体进入下一个反应层的中心通道。

在图1所示的实施例中，所述反应室110可以包含多个分隔件170、180、210，以间隔关系一个排列在另一个之上，以便结合所述反应容器的外周侧壁115，界定至少一个气体传输通道190、200。分隔件170、180、210可以被构造成交替地向后续反应层引入向心流和离心流。优选地，分隔件布置为大体上相互平行。应注意的是，反应层的数量可以根据反应容器的尺寸以及固态产氢物质的用量而变化。

为此，本发明的反应容器仅以两种分隔件的简单排列产生至少一个气体传输通道。这提高了反应容器的制造便利性。

在如图1所示的反应容器的实施例中，多个分隔件180可以使用任何适合防止气体旁路的材料205将其附接至外周侧壁115的一部分。例如，适合的材料可以包括但不限于硅粘结剂和/或氟碳橡胶(Viton)。应注意的是，适当的厚度及用量的硅粘结剂和/或氟碳橡胶可以用于密封分隔件180的边沿和/或分隔件240的不透气边沿与反应室之间的空隙。为此，分隔件可以与反应室紧密配合，从而确保蒸汽和/或氢气的出路为指定出口130和/或透气部分/边沿。应注意的是，任何能够形成气密附件的材料(例如焊料)都可以被使用。不同于分隔件180，已发现将分隔件240的不透气边以气密方式附接至外周侧壁115的部分并不是必须的，尽管可以这么做，如果希望这么做的话。任何边沿泄漏都是无害的，其也还可以有益地促进向心流。此外，分隔件240的突出边沿有助于将分隔件居中放置以使其良好配合容器的内径。

在任何一个前述实施例中，所述一个或多个分隔件的孔、缺口、缝隙、通道、裂缝或透气部分，可以进一步包含透气过滤件，其被上置、下置和/或内置于所述孔、缺口、缝隙、裂缝或通道，以便防止固态产氢颗粒，例如硼氢化钠的团聚，从而防止气体传输通道的堵塞。

在如图1所示的反应容器的一个实施例中，具有垂直于地面的纵轴的圆筒形反应室的高度为2至20厘米，优选约为8厘米。所述反应室的直径可以约为10厘米。在该实施例中，所述反应室可以包含8个反应层，所述反应层由多个分隔件以间隔关系一个排列在另一个之上的方式界定，并被构造成交替地向后续反应层引入向心流和离心流。优选地，这些分隔件可以被布置/分隔成约1厘米的间距。应注意的是，所述分隔件可以类似前述图1至3的分隔件，因此不再赘述。应进一步注意的是，反应层的数量可以根据目标应用而变化。

在同一实施例中，每个分隔件180、240的厚度可以约为0.01厘米。进一步地，如图2所示的每个分隔件240，可以包含约为9.95厘米的第一直径300和约为9.75厘米第二直径290。如图3所示的每个分隔件180，可以包含约为9.85厘米的直径315和直径约为1厘米的透气部分260。

一种产生氢气的方法已描述于PCT/SG2015/050205的PCT申请中，所述方法可包括将固态产氢物质，例如包含硼氢化钠的组合物，置于110～160℃温度下，并使其接触气态反应剂(例如水蒸气)。

本发明的前述反应容器100，所述容器及系统(如下所述)的进一步实施例，可以适合容纳颗粒状固态产氢物质以便与由入口120接收的气态反应剂(例如水蒸气)反应。然后所述气态反应剂与颗粒状组合物反应以产生氢气，产生的氢气由反应容器的出口130排出。这个方法能使得所耗水与所产氢气的摩尔比小于0.9:1。

对反应容器加热也是必要的，以保证反应室的内部温度足够高以维持气态反应剂处于气相，从而避免由于气态反应剂的冷凝及化学团聚而抑制反应。应注意的是，根据本发明，达到所述内部温度仅需对前几个(例如1、2或3)反应层进行外加热。也就是说，不必采用初始热量来提高其它反应层的温度，因为每个后续反应层的温度将被前置层的反应热提高直至达到在这些层内引发反应的初始温度。这减少了启动及维持反应的能量消耗，从而减少了能源及货币成本，以及降低装载向系统提供热量的电源的需求。

优选地，在所述产氢的方法中，组合物所经受的温度是至少150℃(例如从150℃到200℃)，或至少250℃(例如从250℃到350℃)。在本发明的一个特别的实施例中，经受产氢反应的各个反应层的温度可以是至少250℃(例如从250℃到350℃)。经受反应的各个反应层加热了一个或多个后续反应层减少了所需的初始启动热显著减少及初始化系统所需的时间。

由于本发明的前述反应容器的排列，一个或多个先前的反应层的产氢反应热(反应焓)可以被传递(或传导)，并被再利用于一个或多个后置反应层的产氢。为此，所传递的热量维持了足以让后置反应层于产氢的最佳温度。例如，后置反应层的温度可以是至少150℃(例如从150℃到200℃)，或至少250℃(例如从250℃到350℃)。

应注意所述内部温度仅需被外加热于前几个(例如1、2或3)反应层。也就是说，不需要采用初始热量来提高其它反应层的温度，因为反应层的温度将被前置层的反应热提高至能够引发层内反应的初始温度。这减少了启动及维持此反应所需的能量消耗，从而减少了能源及货币成本，以及降低装载向系统提供热量的电源的需求。

应注意的是，由入口接收的未反应的气态反应剂可以离开一个或多个前置反应层，并可以与一个或多个后续反应层的固态产氢物质反应。

为此，本发明的反应容器有利地消除了设置额外的后置反应层的加热及绝热元件的需求，并因此解决了已知产氢装置的前述问题(例如全面的和/或持续的加热要求以及全面的绝热要求)，从而避免了不必要地高功率/能量输入和高运行费用。

换言之，应该注意的是，所述内部温度仅需被外加热于前几个(例如1、2或3)反应层。也就是说，不需要采用初始热量来提高其它反应层的温度，因为反应层的温度将被前置层的反应热提高至能够引发层内反应的初始温度。这减少了启动及维持此反应所需的能量消耗，从而减少了能源及货币成本，以及降低装载向系统提供热量的电源的需求。

在本发明的一个实施例中，所述入口120可以被布置在接近或位于所述反应容器110的底部150，远离出口130。图4A和4B描绘了所述反应容器的底部150的一个实施例，其包含开口310即为入口120。

在本发明的任何实施例中，所述出口130可以被布置在接近或位于所述反应容器100的顶部160。图5A和5B描绘了所述反应容器的顶部160的一个实施例，其包含开口320即为出口130。

在本发明的实施例中，所述反应容器(亦即顶部160、底部150、和外周侧壁)和/或所述分隔件可以包含任何合适的金属或合金，其能承受在使用中所述反应室内产生的内部压力1.5-2.5Bar(表压)，以及反应容器的运行温度(例如从150℃到200℃，或至少250℃，或大约300℃(例如从250℃到350℃))。所述金属优选对反应室内的反应环境呈惰性的金属。例如，合适的金属或合金可以包括，但不限于铝、不锈钢或更特别地，马口铁、钢、钛、铁、铬、镍或其任意组合。

为此，本发明的所述反应容器可以被低成本制造，因为其可以由价格实惠且低成本的材料例如马口铁构造。进一步地，由于马口铁或钛的反应容器是轻质的因而可以特别适用于移动应用领域(例如无人飞机)燃料电池技术的实施。

在本发明的某些实施例中，所述反应容器的顶部160和/或底部150可以由高导热金属构造，以便将反应焓传导到一个或多个蒸发件，所述蒸发件可以一体成型或者可拆卸地设置于反应容器的顶部和/或底部以形成气态反应剂(例如水蒸气)。如果反应容器的顶部和/或底部并不接触所述反应化学品(例如由于此顶部和底部是用耐腐蚀金属片与此化学品分开的)，那么这些部分就不必是耐腐蚀的并且可以由任何合适的金属或合金制造，例如马口铁、铝或铝合金(例如铝6061)。为了防止机械弱化，倘若维持高导热性则容器的顶部和/或底部可以厚于侧面部分。例如，可以在接近顶部和/或底部处放置不锈钢片以机械强化所述部分。

在一个实施例中，所述反应容器的外周侧壁可以由相同的高导热金属或不同的金属或合金制造。然而，对于直接接触化学品的部件，例如容器侧壁的内表面，铝并非优选，鉴于其在高温时具有不良的机械强度和弱的耐腐蚀特性。在本发明的一个特别实施例中，所述反应容器的侧壁、顶部和底部可以由马口铁、钛或钢构造。

在本发明的一个实施例中，合适的O型圈可以被安装于所述顶部和/或底部的沟槽中，用于密封所述顶部和/或底部与所述反应容器内壁之间的缝隙。例如，合适的O型圈可以包括，但不限于氟橡胶O型圈。

在本发明的实施例中，合适的机械结构195，例如螺纹圆柱杆，可以被提供以相互紧固顶部160、底部150与侧壁，从而将它们锁紧定置。所述机械结构195可在使用中承压时维持所述反应容器的完整。否则，快速和/或不可控的压力及热量积聚于未紧固的反应容器可导致反应容器的破裂。进一步，所述机械结构195确保反应容器是气密的以及所产氢气的出路是所述指定出口，而非任何可能存在于未适当地紧固以对抗压力积聚的反应容器中的缺口和/或开口。。

在本发明的一个实施例中，所述入口120可以包含合适的透气过滤件270，其阻止固态产氢物质进入入口120并造成入口堵塞。合适的过滤件可以包括，但不限于，任何能够承受高温的(例如300℃)类型，由对所述反应室110内的反应环境呈惰性的材料构成，耐弱碱，具有小于最小期望颗粒尺寸的孔径。例如，合适的过滤件可以包括碳纤维过滤件。

在本发明的实施例中，所述反应容器可以包含大体上呈圆柱形的反应室。图1例示的是一个圆柱形反应室，其构造为其纵轴125垂直于地面。应注意的是，如图6A的圆柱形反应室，其构造为纵轴345平行于地面，也可起到相同作用。圆柱形反应室是优选的，因其制造简单，并且反应室的环向应力分布均匀。更重要的是，圆柱形反应室构造成纵轴垂直于地面，可以促进更好的热传导和热分布。

图6A和6B是本发明的反应容器的替代实施例。特别地，图6A显示了圆柱形反应室400具有平行于地面的纵轴345。所述反应室400可以包含多个分隔件330、340、350，以间隔关系依次向上排列以界定一系列产氢反应层。每个分隔件330、340、350可以包含透气部分360、370、380，其被布置在靠近反应容器的外围侧壁的部分420、430、440。此多个分隔件可以排列成分隔件330的透气部分360与后置分隔件340的透气部分370呈斜对角关系(依次类推)，从而界定至少一个气体传输通道550。

特别地，所述反应室400可以包含入口470及出口480于其外周部分，以各自接收流体及排出氢气。合适的机械结构(例如加强筋)490可以被提供，横穿或位于反应室400的顶部450和/或底部460，以增强反应室抵御使用时积聚于反应容器的内部压力。

重要地，实施例中的反应室400可以构造成类似前述图1所示，使得流体能够连通，界定延伸于所述入口和出口之间的至少一个传输通道，使得热量能够从一个或多个前置反应层传递到一个或多个后置反应层以产生氢气。

应注意，如图6A所示的反应室400内的多个分隔件，可以采用适合防止气体旁路的材料495将其附接至反应室的外周部分，其类似于前述图1至图3所示，因此不再赘述。

在如图6A所示的反应容器的一个实施例中，具有平行于地面的纵轴的圆柱形反应室，可以有任何合适的纵向长度。根据一个反应层的厚度以及所有反应层的总厚度，反应室的直径或高度可以放大或缩小。优选地，一个反应层的厚度约为2cm或更少，这有助于层内温度的均匀分布。更优选地，一个反应层的厚度约为1cm或更少。优选地，分隔件的厚度范围为0.005cm—0.02cm，并且反应器内可以具有4到15个反应层。更优选地，分隔件的厚度约为0.01cm，并且反应器内可以具有8个反应层。优选地，反应室的高度或直径，亦即所有反应层及分隔件的总厚度(各个反应层相互间隔)，为15cm或更少。更优选地，反应室的直径或高度约为8cm。更大的直径或厚度可能不便于收集反应焓或反应热以产生水蒸汽，也不利于在高的水蒸汽流量和/或高功率运行时冷却反应容器。

图6B显示了所述反应容器的进一步实施例。特别地，所述一系列的反应层，及至少一个气体传输通道，可以由包含一个或多个透气部分(未显示)的多个分隔件510界定。分隔件510可以采用适合防止气体旁路的材料525将其附接至所述反应室侧壁的外周部分，其类似于前述图1至图3所示，因此不再赘述。具体来说，分隔件510可以通过线切割方法(如线锯)调整尺寸以适应此圆柱形反应室520的尺寸，如此它们可以以间隔关系依次向上排列。各个分隔件的透气部分可以是采用相同的线切割方式产生的袋状空间。

应注意此所述反应室520可以包含顶部530和底部540，其类似前述图1，因此不再赘述。可选地，反应室520可以包含合适的机械结构490(例如加强筋)，其类似前述图6A，因此不再赘述。

图7A和7B显示了反应容器的又一进一步实施例。反应容器包含反应室560，所述反应室具有一个或多个螺旋形的分隔板570(在本例中为一个分隔板)以界定一个或多个反应层及气体传输通道580。反应室560可以包含接收流体的进口590及排出氢气的出口600。应注意反应室560可以包含顶部610或机械结构，其类似于前述图1或图6A，因此不再赘述。

应注意所述螺旋分隔板可以采用适合防止气体旁路的材料将其附接至所述反应室侧壁的外周部分，其类似于前述图1、图6A和图6B，因此不再赘述。此外，螺旋分隔件，如图1所述的容器，厚度可为0.01厘米及间距可为1厘米。

反应室的半径(所有层的总厚度)优选约为15厘米或更少，以保证良好的热传导。反应室的高度(通过中央核心的垂直轴)优选为5厘米或更少，以保证均匀的内部环境。

前述实施例的反应容器可以适合容纳颗粒状固态产氢物质，例如硼氢化钠或包含硼氢化钠的组合物，与由入口120、470、590接收的气态反应剂(例如水蒸气)反应。气态反应剂与颗粒状组合物反应产生的氢气由所述反应室的出口130、480、600排出。

在本发明的实施例中，所述反应容器可以包含一个或多个加热件，一体成形于或可拆卸地附接至所述反应室的底部150、460、540。重要地，加热件与底部150、460、540热接触以均匀加热第一反应层。对于图7A及7B所示的实施例，一个或多个加热件一体成形于或可拆卸地附接至反应容器的底部630，可以用于加热第一反应层。

在任一前述实施例中，所述加热件可以是一个或多个陶瓷加热片(尽管其它类型的加热件也可使用)。

在本发明的任一实施例中，所述反应容器可以包含一个或多个集热件，一体成形于或可拆卸地附接至所述反应室的底部150、460。依据运行参数(例如入口接收的高蒸气流量)和/或期望的应用，反应容器可以具有一个或多个集热件，一体成形于或可拆卸地附接至反应室的顶部160、450、530、610，以及位于或靠近底部。

尤其是，所述一个或多个集热件可以与一个或多个蒸发件热接触，蒸发件与流体源及所述反应室的入口120、470、590流体连通，并可以被用于蒸发流体源(例如水罐)接收的流体(例如水)，以便为在反应容器内产生氢气提供气态反应剂(例如水蒸气)。集热件吸收来自反应焓的热量，其可以转而被用于在蒸发件内蒸发接收的流体。应注意，在此反应室顶部提供的额外的集热件和蒸发件，可以作为冷却装置，以在高蒸气流量运行时冷却反应容器。

在这方面，本发明的前述反应容器是垂直集成排列的，从而其反应焓被再用为所述蒸发件的能量。这消除了对额外的用于加热、蒸发、及冷却的功率/能量供应的需要，因此进一步节约了成本。

所述集热件可以位于所述反应室的外部。这样，如果所述反应容器的容纳固态燃料的零件被制造成一次性的，该零件相对于内置于反应室的集热件更轻、更便宜。进一步地，通过将集热件外置于反应室，能有更大的容量储存固态燃料，同时维持相同的外尺寸。

在本发明的任一实施例中，所述一个或多个蒸发件可以包含铜管蒸发件。此蒸发件可以任何合适的形式安装。例如，合适的形式可以包括但不限于螺旋板形或开口圆形。蒸发件的尺寸可以随期望的应用和/或所述反应容器的尺寸而变化。例如，蒸发件可以内径约0.15厘米，外径约0.3厘米，及长度约50厘米。

现参考图8，其例示了产生氢气的系统640，所述系统包含反应容器650和底部655，其可以是图1至7B所示的形式，因此不再赘述。应注意此产氢系统可以容纳任一前述反应容器。此系统640可以包含由隔热材料形成的外罩660，例如发泡塑料或者双层不锈钢真空隔热体。类似的双层不锈钢真空隔热体，主要地可以被发现用于一些保温容器中的物品的保暖。在本发明中，此双层不锈钢真空隔热体外罩，被倒置(和容纳)于反应容器外部。

所述外罩660可以包含成形为容纳所述反应容器650的凹部670，。所述外罩660可以包含多个这样的凹部，从而容纳多个反应容器。

反应容器650可以被提供一或多个加热件与底部655热接触，一个或多个集热件710与底部655热接触。一个或多个蒸发件720可以被配置为与集热件710热接触。蒸发件可以连接至蠕动泵690(其它类型的泵当然也可以使用)，其转而连接至水源700。此泵690可以被配置为以期望速率向一个或多个蒸发件720供水以形成蒸气。

一个或多个集热件750以及一个或多个蒸发件740可以依据运行条件(例如高的蒸气流量)和/或预期应用被提供位于或靠近所述反应容器650的顶部730，除了那些位于或靠近所述底部655的之外。尤其是，蒸发件740可以被配置为与集热件750热接触。蒸发件740可以经由开关阀760连接至所述泵690和水源700。为此，反应容器可以进一步包含遍及所述反应室的温度传感器，并被配置为当反应室的温度(例如在此顶部或在预设反应层)在高蒸气流量运行时超过预设温度则触发冷却机制。这可以通过触发开关阀将水源700的水输送至蒸发件740以形成蒸气来实现，转而冷却反应容器/反应室。此外，冷却泵770可以被提供于蒸发件740和水源700之间，作为附加的冷却能力。

在一个实施例中，所述蒸发件740可以被提供有出口795以排出所产生的蒸气。在替代实施例中，出口795的蒸气可以被回收至所述水罐700。

在本发明的这个实施例中，所述蒸发件740的出口785和蒸发件720的出口787，经由连接件780连接至所述反应室650的入口680，从而将蒸发件720、740产生的蒸气导入反应容器650以产生氢气。此连接件可以是T型接头，由能够承受反应容器的温度的任何合适材料制造(例如热固性聚合物或金属，如PTFE)。

所述反应室650的出口790，可以被连接至缓冲罐800，转而连接至背压阀810。缓冲罐800接收由出口790排出的氢气并在输出至耗氢负载830(例如燃料电池)之前帮助稳定氢气压力。质量流量计820可以被提供于背压阀810和耗氢负载830之间以标示传送至耗氢负载830的氢气的质量流量。

应注意所述蒸发件720、740可以被配置成蒸发从一个或多个水罐接收的流体，并将所产蒸气供给一个或多个反应容器。应进一步注意缓冲罐可以变换尺寸，以能够接收来自至少一个反应容器的出口的氢气。

典型地，由所述反应容器出口790输出的气体包含氢气以及水蒸气。此水蒸气在所述缓冲罐800中冷凝，此冷凝液经由缓冲罐800的附加出口(未显示)被回收至所述水源700。水回收的控制可由置于连接至附加出口的输出管路的电磁阀实施。

在本发明的任一实施例中，由产氢物质产生氢气的方法，可以包含步骤：提供任一前述反应容器；提供预定量的热量以均匀加热第一反应层，其中第一反应层被布置在靠近所述反应室的底部；向所述入口提供蒸气，以在第一反应层及后置反应层产生氢气。

在本发明的实施例中，所述反应层可以被配置为容许热量从一个或多个前置反应层传递至后置反应层，以产生氢气。

本发明的反应容器、系统及方法，以低成本的、划算的、高能效的方式实现高产氢密度。本发明进一步允许非常低水平的能量/功率消耗，其可以归功于再利用反应焓，从而消除了对外源的能量/功率补充的需要。因此本发明的反应容器及系统的布置，显著地提高了耗氢负载(例如燃料电池)的可维护性和环境独立性。

实验例

采用了如图1所述的反应容器和如图8所述的系统。此反应容器填充了340克的NaBH₄组合物，包含80wt％的NaBH₄混合20wt％的Mg(OH)₂细粉。

所述顶部温度及向此顶部及底部的蒸发件供水的流量被手动控制以便观察它们与其它实验参数，诸如氢气产量和底部温度之间的关系。

产氢过程连续实施两次。具体地，向所述反应容器的底部和/或顶部供水的泵，在240分钟时被关闭，从而将各个部分的水流量降低至零。此泵在250分钟时被重启。

表1显示了在指定条件下随时间变化的氢气产量(列2)、输出流量(列3)和压力(列5)。

如表1的列6所示，所述底部被预热至190℃(目标温度)，并且所述反应容器及系统被配置为维持此温度。在此预热阶段，一些氢气被产生，这可能归因于被NaBH₄所吸收的潮气(水)。在大约400分钟时，所述前几个反应层的产氢过程的反应焓将目标温度提高至超过190℃。

当所述顶部的温度达到约200℃时，所述底部温度稳定在约190℃。在这个阶段，所述开关阀被激活，向顶部蒸发件的供水流量逐步增大，以利用顶部的高热量。根据本发明，反应层的安排允许以链式反应的形式将一个层所产生的反应热传给后置层，从而由于向所述热源要求较少的热量来维持所述容器的内部产氢温度而在运行系统中提供了节能的好处。

如表1的列2所示，总的产氢量为609.72标准升(SL)，产出率为95.07％，从而表明本发明的产生氢气的反应容器、系统及方法，能够持续很长一段时间的高体积密度的连续供氢。进一步地，供氢能够便利地启动和停止以适应用户的需要，从而使填充了产氢物质的单个反应容器系统能够按需使用。

对产出率95.07％的计算如下所列：

反应式：NaBH₄+2H₂O→NaBO₂+4H₂

80wt％的340克组合物＝272克NaBH₄

NaBH₄的摩尔量＝272克/(38克/摩尔)＝7.158摩尔

H₂的摩尔量＝4x 7.158摩尔＝28.632摩尔

总的产氢量＝28.632摩尔x 22.4升/摩尔＝641.35升

产出率＝609.72升(实际)/641.35升(理论)＝95.07％

表1

Claims

1.一种由固态产氢物质产生氢气的反应容器，其特征在于，所述反应容器包含第一端部、第二端部、和至少一个介于所述第一端部和所述第二端部之间的外周侧壁，所述第一端部、第二端部、和外周侧壁共同界定反应室，所述反应室包含：

用于接收流体的入口；

用于排出氢气的出口；和

一个或多个分隔件，所述分隔件构造成界定一系列产氢反应层、容许流体连通和界定至少一个延伸于此入口及出口之间的气体传输通道。

2.如权利要求1所述的反应容器，其特征在于：所述反应层被构造成便于热量由一个或多个前置反应层传递到一个或多个后续反应层，以产生氢气。

3.如权利要求1或2所述的反应容器，其特征在于：

(a)所述入口被布置在靠近或位于所述反应室的底部，远离所述出口；和/或

(b)所述出口被布置在靠近或位于所述反应室的顶部。

4.如上述任一权利要求所述的反应容器，其特征在于，

所述至少一个气体传输通道，由所述外周侧壁的一部分和位于所述分隔件的一个或多个外周部分的多个透气部分所界定，所述分隔件和反应室排列成向设置于所述分隔件上方的后一个反应层引入向心流；和/或

所述至少一个气体传输通道由位于所述分隔件的一个或多个透气部分所界定，所述透气部分排列成向设置于所述分隔件上方的后一个反应层引入离心流。

5.如权利要求4所述的反应容器，其特征在于，所述反应室包含多个分隔件，所述多个分隔件以间隔关系依次向上排列，并构造成交替地向后续反应层引入向心流和离心流。

6.如权利要求1至3中任一项所述的反应容器，其特征在于：所述分隔件包含一个或多个螺旋形分隔板。

7.如权利要求1至3中任一项所述的反应容器，其特征在于：所述反应室包含多个分隔件，所述多个分隔件以间隔关系依次向上排列，每个所述分隔件包含一透气部分，所述透气部分布置在靠近所述侧壁的外周部分，所述多个分隔件排列成，所述分隔件的所述透气部分位于后一所述分隔件的所述透气部分的斜对面。

8.如上述任一权利要求所述的反应容器，其特征在于：所述反应容器和/或反应室大体上为圆筒形。

9.如上述任一权利要求所述的反应容器，其特征在于：所述反应容器和/或分隔件由金属或合金制造，可选地，所述金属或合金包含铝、铁、铬、镍、马口铁、钢、钛或其组合。

10.如上述任一权利要求所述的反应容器，其特征在于：反应层的厚度约为2cm或以下，并且所有反应层的总厚度约为15cm或以下。

11.如上述任一权利要求所述的反应容器，其特征在于：所述入口和/或出口进一步包含透气的过滤件。

12.如上述任一权利要求所述的反应容器，其特征在于：所述反应室包含固态产氢物质，所述固态产氢物质布置在所述反应层中。

13.如权利要求12所述的反应容器，其特征在于：所述固态产氢物质是包含硼氢化钠的组合物。

14.如上述任一权利要求所述的反应容器，其特征在于，进一步包含一个或多个加热件，所述加热件与所述反应室的底部热接触，并用于加热第一反应层。

15.如上述任一权利要求所述的反应容器，其特征在于，进一步包含一个或多个与所述反应室的底部热接触的集热件，和/或，与所述反应室的顶部热接触的集热件。

16.如权利要求15所述的反应容器，其特征在于，进一步包含一个或多个蒸发件，所述蒸发件与流体源及所述反应室的入口均流体连通，与位于底部和/或顶部的集热件热接触，并用于蒸发来自流体源的流体。

17.一种由固态产氢物质产生氢气的系统，其特征在于，包含：

由隔热材料形成的外罩，所述外罩具有至少一个凹部，所述凹部成形为容纳如权利要求1至16中任意一项所述的反应容器；

每个凹部提供有加热元件，所述加热元件用于与所述反应容器的底部热接触，并允许加热第一反应层。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，进一步包含：

(a)用于向蒸发件的入口提供液体的液罐，所述蒸发件与集热件热接触，并用于将接收的液体蒸发成蒸汽以供给至少一个反应容器；和/或

(b)缓冲罐，所述缓冲罐用于接收来自至少一个反应容器出口的氢气。

19.一种由固态产氢物质产生氢气的方法，其特征在于，包含如下步骤：

提供如权利要求1所述的反应容器；

提供预定量的热量以均匀加热第一反应层，所述第一反应层设置于靠近所述反应容器的底部；

向所述入口提供蒸汽以在所述第一反应层及后续反应层产生氢气。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述反应层构造成允许热量由一个或多个前置反应层传递至后续反应层，以产生氢气。