CN112996591A - 流动导管中具有催化剂的氢反应器 - Google Patents

Abstract

一种使用氢液体载体管线生成氢气的反应腔室可包括通道，该通道包括用于使氢气从氢液体载体中产生的催化剂，该通道包括用于氢液体载体的入口端和用于废载体的出口端。反应腔室还可包括用于控制流过通道的氢液体载体的流速的阀；气体出口，其用于排出通道中生成的氢气；以及至少一个处理器，其被配置成接收对氢气的需求的至少一个指标，并控制所述阀以调节氢液体载体的流速，从而满足对氢气的需求。

Description

流动导管中具有催化剂的氢反应器

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年4月17日提交的美国临时申请号62/658,635和2018年8月27日提交的美国临时申请号62/723,331的权益。前述申请中的每一者都通过引用整体并入本文。

技术领域

当前公开的系统可用于从氢液体载体获得氢。特别地，当前公开的系统可被配置成用于在使氢液体载体流过装有催化剂的流动导管时从氢液体载体获得氢。

背景技术

由于化石燃料供应有限及其对气候和环境的不利影响，寻找清洁、丰富且可持续的替代能源已成为全球的优先事项。虽然诸如太阳、风和氢等源可以满足世界的能量需求，但寻找能够高效存储和/或转换能量的材料仍面临相当大的挑战。

从氢液体载体高效生成氢是在包括固定电源、便携式电源和运输的应用中推进氢和燃料电池技术的关键使能技术。在所有燃料中，氢的单位质量能量最高。然而，其低环境温度密度导致每单位体积的低能量，因此需要开发具有更高能量密度潜力的先进存储方法。氢被认为是运输业的理想燃料。然而，为了将氢用于运输目的，仍然需要解决与从氢液体载体生成氢相关的相当大的挑战。

在环境条件下，氢是一种挥发性气体。一千克氢占11.2m³（~100g/m³）的体积，对于某些基于氢的能量应用来说，这个体积可能不切实际地大。因此，氢利用的一个目标是通过压缩、液化、吸附到高表面积材料或嵌入固体化合物来减少氢体积。固态氢存储可导致最高的氢体积密度，超过液体氢的体积密度例如多于两倍。从材料的角度来看，其它挑战可包括运输业中使用可能需要的组合的体积和重量氢密度（例如，分别为5.5质量% H₂和40 kgH₂ /m³）、对于工作温度（例如，-40 to 85°C）合适的热力学稳定性以及足够快的反应动力学，以允许快速的氢吸收和输送（例如，在几分钟内补充5 kg H₂）。

金属氢化物，诸如金属硼氢化物，可提供储氢介质。金属硼氢化物可以溶解在液体（诸如水）中，从而产生氢液体载体。金属硼氢化物可能够以每升液体载体7.5重量% H₂和70g H₂的目标水平存储氢。在适当的温度和压力条件下，金属硼氢化物可释放出可以用作燃料的氢（例如，用于燃料电池）。

然而，从这种液体载体中高效地释放氢和/或获得存储在液体载体中的大部分或全部氢可带来某些挑战。因此，需要开发用于从氢液体载体高效生产氢从而导致废载体含有低浓度的氢的解决方案。

发明内容

与公开的实施例一致，提供了用于生成氢气的反应腔室。使用氢液体载体管线生成氢气的反应腔室可包括通道，该通道包括用于使氢气从氢液体载体产生的催化剂，该通道包括用于氢液体载体的入口端和用于废载体的出口端。反应腔室还可包括用于控制流过通道的氢液体载体的流速的阀、用于排空在通道中生成的氢气的气体出口；以及至少一个处理器，其被配置成接收对氢气的需求的至少一个指示，并控制所述阀以调节氢液体载体的流速从而满足对氢气的需求。

与另一个公开的实施例一致，提供了用于生成氢气的反应腔室。使用硼氢化物液体溶液载体管线生成氢气的反应腔室可包括通道，该通道包括用于使氢气从硼氢化物液体溶液产生的催化剂，该通道包括用于硼氢化物液体溶液的入口端和用于废溶液的出口端。反应腔室还可包括用于控制硼氢化物液体溶液流过通道的流速的阀；气体出口，其用于排出在通道中生成的氢气；以及至少一个处理器，其被配置成接收对氢气的需求的至少一个指标、基于接收到的需求使用流量控制器来调节硼氢化物液体溶液在通道中的流速，并且基于接收到的需求排出在通道中生成的一定量的氢气。反应腔室可基于接收到的需求排出通道中生成的一定量的氢气。

与另一个公开的实施例一致，提供了一种使用硼氢化物液体溶液生成氢气的系统。使用硼氢化物液体溶液生成氢气的系统可包括通道，该通道包括用于使氢气从硼氢化物液体溶液产生的催化剂，该通道包括用于硼氢化物液体溶液的入口端和用于废溶液的出口端。该系统还可包括用于控制硼氢化物液体溶液通过通道的流速的阀；气体出口，其用于排空在通道中生成的氢气；以及至少一个处理器，其被配置成接收对氢气的需求的至少一个指示，并控制阀以调节硼氢化物液体溶液在通道中的流速，从而满足对氢气的需求。此外，该系统可以包括氢存储箱。

前面的一般描述和下面的详细描述仅仅是示例性和解释性的，而不是对权利要求的限制。

附图说明

随附附图不一定是按比例的或详尽的。相反，重点一般放在图示本文描述的本发明的原理上。这些附图被并入并构成本说明书的一部分，图示了与本公开一致的几个实施例，并且与详细描述一起用于解释本公开的原理。在附图中：

图1是与公开的实施例一致的用于氢生成的说明性系统。

图2是与公开的实施例一致的用于氢生成的系统的说明性横截面图。

图3是与公开的实施例一致的用于氢生成的系统的另一个说明性横截面图。

图4-6是与公开的实施例一致的用于氢生成的反应腔室的说明性横截面图。

图7是与公开的实施例一致的具有混合元件的用于氢生成的反应腔室的说明性视图。

图8是与公开的实施例一致的具有多个入口的用于氢生成的反应腔室的说明性视图。

图9是与公开的实施例一致的具有多个元件的用于氢生成的反应腔室的说明性视图。

图10是与公开的实施例一致的用于氢生成的反应腔室的说明性视图。

图11是与公开的实施例一致的包含多个通道的用于氢生成的反应腔室的说明性视图。

图12是与公开的实施例一致的包含膨胀通道的用于氢生成的反应腔室的示意性横截面图。

图13A-13D是与公开的实施例一致的包含蛇形通道的用于氢生成的反应腔室的说明性视图。

图13E是与公开的实施例一致的用于氢生成的反应腔室中的液体载体的流动的说明性视图。

图14是与公开的实施例一致的包含回路通道的用于氢生成的反应腔室的说明性横截面图。

图15是与公开的实施例一致的操作包含回路通道的用于氢生成的反应腔室的过程的说明性流程图。

图16是与公开的实施例一致的呈喷头形式的用于氢生成的反应腔室的说明性横截面图。

具体实施方式

现在将详细参考参照随附附图讨论的示例性实施例。在一些情况下，相同的附图标记将在整个附图和以下描述中用于指代相同或相似的部分。除非另有定义，否则技术和/或科学术语具有本领域普通技术人员通常理解的含义。充分详细地描述了所公开的实施例，以使本领域技术人员能够实践所公开的实施例。应当理解，可利用其他实施例，并且可以在不脱离所公开的实施例的范围的情况下进行改变。因此，材料、方法和示例仅是说明性的，并且不旨在必须是限制性的。

在本发明的各种实施例中，公开了一种用于存储氢液体载体和相关化学化合物和/或副产物的系统，该系统与用于生成氢以给燃料电池供能的氢生成系统10相连。在图1所示的说明性实施例中，氢生成系统10可包括用于存储氢液体载体的存储系统20。存储系统20可包括具有几个腔室（例如，腔室101和102）的载体箱、载体出口管线113（箭头114指示氢液体载体的流动）、废载体入口管线115（箭头116指示废载体的流动）、用于产生氢的反应腔室120和用于有助于由氢液体载体生成氢的催化剂121。在图1所示的说明性实施例中，氢流出管线125A（箭头122指示氢流动的方向）可将氢从反应腔室120输送到氢存储腔室126。腔室126然后可经由氢管线125B将氢输送到燃料电池130。

在各种实施例中，氢液体载体可以包括金属氢化物，并且在一些实施例中，包括金属硼氢化物。在说明性实施例中，金属硼氢化物可包括可由式M¹-BH₄描述的任何化学化合物，其中M¹可以是选自元素周期表第一列的金属，或选自元素周期表第一列的金属的合金。在说明性实施例中，金属M¹可包括Li、Na、K、Rb、Cs、Ca和Fr中的任一者。然而，在一些实施例中，金属M¹可选自元素周期表的第二列，并且可包括Mg和Be。替代地，M¹金属也可包括Al、Ti、Be、Ca或其他合适的金属。

在一些实施例中，氢液体载体可包括含有多于一种的金属的化学化合物。在说明性实施例中，氢液体载体可包括三元氢化物，其中，化学化合物由式M^1aM^1b -H₄描述，其中M^1a和M^1b可以是金属。在示例实施例中，M^1a可包括Li、Na、K、Rb、Cs、Ti、Be、Fr或其他合适的金属。在示例实施例中，M^1b可包括Al、Ni、Be、Ca、Ti或其他合适的金属。附加地或替代地，氢液体载体可包括四元氢化物，诸如Li-B-H或由式M^1a -H₄描述的其他合适的四元氢化物。

氢液体载体可包括除金属氢化物或金属硼氢化物的水溶液之外的其他化学化合物。例如，氢液体载体可包括提高溶解度的化学品或稳定剂，诸如可溶性金属氢氧化物（例如，氢氧化钠）。其他可用的稳定剂可包括氢氧化钾或氢氧化锂等。氢液体载体的液体成分可包括任何合适的液体。这种液体可包括水或乙醇。氢液体载体还可包括添加剂、稳定剂或其他反应增强剂，诸如作为稳定剂的氢氧化钠、作为表面活性剂的聚乙二醇或许多其他物质。

在各种实施例中，氢液体载体也可被称为液体载体、载体或基于氢的液体燃料。如本文所使用的，除非另有说明，否则术语“液体载体”或“氢液体载体”可指被配置成在催化剂附近的适当温度和压力条件下释放氢的载体。如本文所使用的，除非另有说明，否则术语“耗尽的”在指废载体时描述完全抑或部分释放氢之后的氢液体载体。例如，当载体耗尽百分之五十时，与载体可以释放的最大量的氢相比，所有可用氢的一半已经被载体释放。在各种实施例中，耗尽的载体也可被称为废载体。在一些实施例中，废载体可包括部分耗尽的载体，并且可包含仍然可以从载体释放的一些氢。

在各种实施例中，当氢从氢液体载体释放时，在反应期间形成废载体。在示例实施例中，反应可包括金属硼氢化物（由式M¹-BH₄描述）与水的反应，其导致M¹-偏硼酸盐形成，其中M¹ 是Li、Na、K、Rb、Cs、Ti、Be、Fr或其他合适的金属。

在各种实施例中，当反应物溶解在水中时，可执行反应物（诸如M¹-BH₄）和水之间的化学反应。在说明性实施例中，M¹-BH₄的水溶液可用作氢液体载体，并且经由化学反应，可释放氢并形成废载体，该废载体可以是金属硼酸盐的水溶液。虽然金属硼酸盐的水溶液是废载体的一个示例，但是废载体可包括各种其他化学化合物。在说明性过程中，当金属氢化物用作氢液体载体时，所得的废载体可包括金属和偏硼酸盐。

在各种实施例中，当与催化剂121接触时，氢液体载体可在反应腔室120中释放氢。在各种实施例中，催化剂121可包括用于有助于制氢的任何合适的催化剂，并且可包括过渡金属，诸如Fe、Co、Cu、Ni、Ru、Pt、B、合金及其组合。在一些实施例中，催化剂121可包括第三族金属、钴-P、钴-B、钴-Ni、P和钴-NIB或Electriq Global™电子开关（E-Switich）。在各种实施例中，生成的氢可经由流出管线125A输送到氢存储腔室126，并随后输送到燃料电池130。在各种实施例中，系统10可包括压力传感器和压力泵（图1中未示出），其有助于氢液体载体、废载体的流动以及氢通过管线113、115、125A和125B的流动。例如，泵可用于将氢液体载体泵入到加压反应腔室120中。在一些实施例中，当氢从反应腔室120中释放并存储在氢腔室126中时，氢液体载体可流入反应腔室120中。在示例实施例中，泵可用于将氢从腔室120转移到腔室126。

在各种实施例中，系统10可包括可由图1示意性示出的计算系统15操作的控制器。计算系统15可包括计算机可读存储介质150，其可以保存和存储由处理器140执行的数据和程序指令。存储介质150可包括例如电子存储装置、磁存储装置、光存储装置、电磁存储装置或这种装置或其他合适的电子存储装置的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例的非详尽列表可包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或闪存）、静态随机存取存储器（SRAM）、记忆棒或/和类似物。

存储在计算机可读存储介质150上的程序指令可包括汇编指令、机器相关指令、固件指令、源代码或以一种或多种编程语言（包括面向对象编程语言、过程编程语言或功能编程语言）的任何组合撰写的目标代码。编程语言可以是Fortran、Lisp、C++等。程序指令可由计算系统15的处理器140执行。在一些实施例中，计算系统可提供用于修改数据、用于更新程序指令或用于输入由程序指令使用的各种参数的用户界面16。

在各种实施例中，计算机系统15的处理器140可被配置成接收指示对氢气的需求的信号（也称为指标）。作为响应，处理器140可控制一个或多个阀来调节氢液体载体的流速，以满足对氢气的需求。在说明性实施例中，指示对氢气的需求的信号可由配置成使用氢作为燃料源的任何耗电系统生成。例如，对于安装在车辆上的系统10，指示对氢气的需求的信号可源自或与各种车辆系统相关联（例如，功率控制处理器、加速器系统、氢燃烧控制系统、高级驾驶员辅助系统（ADAS）、自主车辆控制系统等）。

图2示出了系统10的说明性实施例，包括载体箱100、反应器腔室120、氢供应出口125A、催化剂121以及反应器截止阀201、主载体轨道207、排放阀203和载体供应阀205。在各种实施例中，载体供应阀205可将来自外部源的氢液体载体供应到载体箱100，排放阀203可从反应器120排放废载体，并且反应器截止阀201可控制氢液体载体从载体箱到反应器120的流动。在说明性实施例中，图2中描绘的系统10可在不连续的周期性循环中从氢液体载体产生氢。在这样的实施例中，主载体轨道207可用于从载体箱100向反应器腔室120供应氢液体载体，以及用于经由排放阀203从反应器腔室120排放废载体。在示例实施例中，系统10可通过首先使氢液体载体经由轨道207从载体贮存器100流向反应器腔室120来操作。在那里，氢液体载体可与催化剂121反应以释放氢，氢可通过氢供应出口125A从反应器腔室120中被输运出来。在制氢循环完成之后，或者在任何其他合适的时间，废氢液体载体可从反应器腔室120被收集，流过载体轨道207，并且可经由排放阀203从系统10离开。

与图2的循环氢生成系统10相对比，图3中所示的实施例可以以更连续的方式生成氢。例如，氢液体载体可从上部缸盖流出，如例如箭头301所示，并作为废载体被收集在腔室120的底部处。在各种实施例中，催化剂121可沉积在腔室120的壁310上，并且可有助于氢在载体经过壁310附近时从氢液体载体中释放。在各种实施例中，氢可被收集在腔室120的顶部处，例如在用于流向氢存储腔室126或者流向燃料电池130（或者任何其他氢存储或消耗单元）的氢歧管315处。

在各种实施例中，腔室120可包括液体冷却系统，诸如例如如图3所示的冷却水护套325。护套325可被配置成冷却反应腔室120的壁310。冷却护套可包括设置在护套内的液体。在一些实施例中，冷却护套可包含冷却流体以促进热管理。冷却流体可由水、乙二醇或其他气体或液体冷却剂或其组合组成。冷却护套可在护套内包含数个翅片或挡板，以促进热传递。替代地，冷却护套可包括壳管式热交换器或其他已知的热传递装置。冷却护套可通过各种替代结构包括在反应腔室120的壁内。

在图4中示出了反应腔室120的另一个实施例。该实施例包括通道412，其具有用于接收氢液体载体的入口401和用于输出废载体的出口410。氢液体载体的流速可通过流速控制器420经由入口阀402和出口阀409来控制。反应腔室120可包括催化剂403A和403B。在示例实施例中，催化剂403A可沉积在通道412的壁310的表面的至少一部分上。附加地或替代地，催化剂403B可设置在通道内。

在各种实施例中，催化剂403B可被配置成可移除的，并且可通过螺钉、螺栓、夹具、夹子、锁定机构、焊接、粘合剂或任何其他方式固定到通道412。在图示的实施例中，催化剂403B可包括定位在由流过通道412的氢液体载体形成的流内的多个多孔片材。在说明性实施例中，催化剂403B可包括多孔片材，该多孔片材横跨流定位、与流对准或者与流动成一定角度布置。在一些实施例中，催化剂403B可包括多个多孔片材，其中一些片材相对于流以第一角度定位，并且一些片材相对于流以第二角度定位。例如，一些片材可横跨流定位，且一些片材可沿着流定位。

虽然本公开提供了催化剂403B的示例构型，但是应当注意，本公开不限于催化剂403B的特定构型。例如，催化剂403B可被配置成基本上平面的构型、圆柱形构型、作为多孔块、作为多孔圆柱体、或者所谓二维或三维网格、或配置成任何其他合适的构型。在一些实施例中，催化剂403B可被配置成具有各种其他形状，例如，以促进氢液体载体在通道412内的流动，或者最大化催化剂403A或催化剂403B被氢液体载体润湿的表面面积。在一些实施例中，催化剂403B可被配置为波纹片材或网格。在其他实施例中，催化剂403B可以以规整填料构型布置。这可包括已知的规整填料构型，诸如蜂窝、纱布、针织、金属片、栅格或其他已知的规整填料构型。在其他实施例中，催化剂403B可包括球形或管状构型。在一些实施例中，反应腔室120的通道412可具有包含催化剂403A或催化剂403B的多个区域。

在各种实施例中，形成催化剂403A或催化剂403B的催化剂材料可包括金属结构和金属结构上的催化涂层。在一些实施例中，涂层可包括Ni。涂层可形成为单层或者可包括多层（例如，通过不同工艺形成的层和/或包括不同材料的层等）。虽然本公开提供了具有Ni涂层的催化剂的示例，但是应当注意，本公开的各方面在其最广泛的意义上不限于催化剂403A或催化剂403B的任何特定组成或结构。

在一些实施例中，金属结构可由不锈钢构成。金属结构上的Ni涂层可能需要特定的粗糙度值或粗糙度值范围。在一些实施例中，Ni层可具有作为粗糙度平均值（Ra）计算的6.3-25 μm范围内的粗糙度值。虽然本公开提供了示例性粗糙度值的示例，但是应当注意，本公开的各方面在其最广泛的意义上不限于这些特定值。

在各种实施例中，氢液体载体的流速可根据氢释放速率和制氢的请求或要求速率来确定。例如，在一些情况下，为了从氢液体载体中获得更高的氢释放速率，可增加氢液体载体到反应腔室的流速。在各种实施例中，氢液体载体的流速可被校准或与氢释放速率或氢耗尽速率相关联。校准或相关数据可存储在存储器单元中（例如，计算机可读存储介质50）作为可以由流量控制器访问的操作数据。在各种实施例中，流量控制器可由计算系统15控制。

在各种实施例中，氢液体载体的流速可影响氢液体载体耗尽的程度（例如，氢液体载体中被释放的可用氢的百分比是多少）。在一些实施例中，通道412的长度、催化剂403A和403B的量或催化剂403B在通道412内的放置中的任一者都可影响氢液体载体的耗尽量。在一些实施例中，通道412可被配置成根据氢液体载体的特定流速而导致完全耗尽或几乎完全耗尽的氢液体载体（例如，耗尽百分比接近或等于百分之百）。在一些情况下，即使当反应腔室120正在以允许的操作参数内的最大输出水平操作时，通道412的设计也可有助于氢液体载体的完全耗尽。

一个或多个氢出口可位于反应腔室120内任何合适的位置。在一些情况下，氢出口405A-405C可沿着通道412的上壁部分定位。在说明性实施例中，来自通道412的氢的流速可通过氢流量控制器430操作用于氢出口405A-405C的阀421A-421C来控制。在各种实施例中，氢流量控制器430可由系统10的计算系统15操作。

在说明性实施例中，系统15的处理器140可接收指示对氢气的需求的信号，并基于接收到的需求而使用控制阀402和409的流速控制器420来调节液体载体在通道中的流速。在各种实施例中，处理器140可被配置成接收对氢气的需求的至少一个指标，并调节氢液体载体的流速以满足对氢气的需求。附加地或替代地，处理器140可操作氢流量控制器430，以基于接收到的需求排出通道中生成的一定量的氢气。

对氢气的需求的指标可包括由配置成使用氢的任何系统生成的信号。该信号可由一个或多个传感器（诸如压力传感器、氢流速传感器等）生成。在一些实施例中，由氢流量控制器430排出的氢气量可由传感器（诸如氢压力传感器、氢流速传感器和/或类似物）检测。在各种实施例中，压力传感器可安装在腔室120的包含氢的区域中。在各种实施例中，对氢气的需求可对应于对更多氢气的需求、对更少氢气的需求或者对维持氢气供应水平的需求。流速控制器420和氢流量控制器430可以通过控制阀（例如，由流速控制器420控制的阀402和409，以及由氢流量控制器430控制的阀421A-421C）做出响应，以增加、减少或维持氢气的供应。

在一些实施例中，反应腔室120主要包括具有几个子区段的通道412，每个子区段具有用于排空氢气的子区段出口。在一些实施例中，可选择数个子区段，使得载体在通过所有子区段之后被耗尽，从而产生废载体，并且其中，废载体经由出口410从反应腔室120排出。在一些实施例中，反应腔室120可包括用于监测通道412的各个子区段出口处的氢压力的传感器。

图5-7示出了与所公开的实施例的各个方面一致的用于控制腔室120内的氢液体载体的流动的各种实施例。在图5所示的说明性实施例中，氢液体载体的流可经由流入入口401进入腔室120。在各种实施例中，流动控制翅片510可存在于腔室120内。流动控制翅片510可被配置成如箭头513示意性图示的那样在各种方向上移动，或者可被配置成如箭头514示意性图示的那样围绕中心区域512旋转。翅片510可以以任何合适的方式移动或旋转。在各种实施例中，翅片510的位置和取向可由计算系统15控制。在说明性实施例中，翅片510可被定位成在氢液体载体的流内产生涡流，以增强载体混合并最大化载体与催化剂403A和403B的相互作用。在各种实施例中，腔室120可包括一个或多个翅片510。在一些实施例中，催化剂403B可沉积在翅片510上。

在图6所示的说明性实施例中，腔室120可包括用于进入氢液体载体的多于一个的入口。例如，如图6所示，腔室120可包括入口601A和入口601B，在一些情况下，入口601B可相对于入口601A以角度θ定位，如图6所示。在一些实施例中，流量控制器可控制进入入口601A和入口601B中的氢液体载体的流速，以提供氢液体载体通过腔室120的足够的流（例如，流速和流混合）。氢液体载体入口的各种其他构型也是可能的。例如，腔室120可具有多于两个的入口。腔室120可具有一组入口，这些入口贯穿腔室120的一部分或全部分布，等。

在一些构型中，诸如601A和601B的入口可以是平行的、垂直的或相对于彼此位于反应腔室的相对侧上。载体入口的另一个示例如图7所示。特别地，入口701可被定位成相对于腔室120的壁切向地输送氢液体载体，如图7通过流线702所示。在说明性实施例中，氢液体载体可具有沿着腔室120的壁的旋转速度。在说明性实施例中，腔室120可包括放置在腔室120内的混合元件703，该混合元件703被配置成增强氢液体载体的混合。在说明性实施例中，混合元件703可以是静止的。在一些实施例中，混合部件703可围绕轴线704旋转。在一些实施例中，轴线704可与腔室120的轴线对准，并且在一些实施例中，轴线704可以不与腔室120的轴线对准。

图8示出了包括多个入口的说明性实施例，诸如可存在于腔室120中的入口801A-801C。每个入口801A-801C可与对应的流量控制器802A-802C相关联。在各种实施例中，每个流量控制器802A-802C可单独控制氢液体载体到对应入口的流量。在各种实施例中，腔室120可包括氢出口803，其具有相应的氢流量控制器804。控制器804可允许氢从腔室120中释放出来。在一些实施例中，控制器804根据由传感器820感测的腔室120内的压力和温度来实现氢释放。

在各种实施例中，腔室120可包括入口805和对应的流量控制器806，以用于使液体815流动，其可用于有助于腔室120内的氢生成。在一些实施例中，液体815可包括可用于形成氢液体载体溶液的化学化合物。这种化学化合物可包括提高溶解度的化学品或稳定剂，诸如可溶的金属氢氧化物，如LiOH、NaOH、CaOH或KOH等。在各种实施例中，液体815可包括能够与含氢化学化合物（例如，金属硼氢化物）反应的任何液体，并且可包括但不限于水。液体溶剂还可包括添加剂、稳定剂或其他反应增强剂，诸如表面活性剂等。在各种实施例中，液体和含氢化学化合物的混合物可产生胶体或悬浮液。在一些实施例中，液体815可包括去稳定剂。

在各种实施例中，图8中描绘的腔室120可具有出口820和相关的流量控制器821，用于从腔室120排出耗尽的（废）载体。在各种实施例中，流量控制器802A-802C、804、806、808和821可用于控制腔室120内的压力。在各种实施例中，计算机系统15可用于控制图8所示的各种流量控制器。

图9示出了具有入口901、氢出口902和废载体出口910的腔室120的说明性实施例，腔室120包括设计成影响腔室内流动的各种元件905。在各种实施例中，流动元件905可以包括二维和三维网格元件或多孔圆柱体。在一些实施例中，元件905可以被催化剂涂覆。在各种实施例中，催化剂可包括金属结构（例如，支撑结构）和金属结构上的催化涂层。在一些实施例中，涂层可包括包含Ni的内层和包含催化剂材料的一个或多个外层。

图10示出了腔室120的说明性实施例，其中入口1001和出口1010位于腔室的底侧1020上。氢液体载体的流动可在腔室120的顶侧处转弯，从而导致氢出口1002附近的额外涡流。在各种实施例中，腔室120可竖直定位，使得氢出口1002位于腔室120的顶部部分中。图10中描绘的腔室120的说明性实施例从设计的观点来看可能是有用的，因为流体和气体连接位于腔室的不同侧上，由于在腔室120的顶侧处的流动转弯，这可有助于在流内混合。

图11示出了被配置成具有多个通道的腔室120的说明性设计。在说明性实施例中，每个通道可具有覆盖有催化剂的壁。在各种实施例中，通道可具有不同的横截面。作为说明性示例，中间通道，诸如通道1101A和1101B可具有第一横截面，通道1102A和1102B可具有不同于第一横截面的第二横截面，并且通道1103可具有不同于第一或第二横截面的第三横截面。在一些实施例中，可选择通道的横截面，使得至少在通道出口附近的流促进混合。应注意的是，上面讨论的通道的方面仅仅是说明性的，并且各种其他实施例是可能的。例如，通道可全都具有相同的横截面。

在各种实施例中，多个通道的存在可允许对氢液体载体的流动进行额外的（更精细的）控制。例如，在一些实施例中，每个通道可具有单独的流量控制。在一些实施例中，根据对氢释放速率的要求，一些通道可针对流动打开，并且一些通道可针对流动关闭。在一些实施例中，通道可在通道中存在的催化剂方面不同，或者可在通道壁粗糙度方面不同。在一些实施例中，通道可在旨在流过通道的氢液体载体的化学成分上不同。例如，通道1101A和1101B可使具有第一溶剂-溶质比的氢液体载体的水溶液流动，而通道1102A和1102B可使具有第二溶剂-溶质比的氢液体载体的水溶液流动。在一些说明性实施例中，流过通道1102A和1102B的氢液体载体可比流过通道1101A和1101B的氢液体载体更浓缩。

在一些实施例中，反应腔室120可包括可变横截面。在图12所示的腔室120的横截面的说明性实施例中。腔室120可包括逐渐膨胀的轮廓，这可导致氢液体载体的流动变慢（氢液体载体的流动由流线1231指示）。在说明性实施例中，腔室120的体积的膨胀可有助于控制在腔室120的出口附近部分耗尽的氢液体载体的氢释放速率。在图12所示的示例实施例中，腔室120可包括存在于腔室120中的催化壁1221。在各种实施例中，氢出口通道1211可存在于腔室120中，每单位面积的氢通道的数量在腔室120的出口附近增加。

在各种实施例中，载体耗尽可朝向腔室120的端部增加，例如如曲线1251所示，其表示在腔室120的长度上氢液体载体中的氢浓度。在各种实施例中，流速可降低，例如如曲线1253所示，该曲线表示氢液体载体在其穿过腔室120的长度时的流速。在各种实施例中，由于催化壁1221的存在而导致的氢液体载体的流速的降低和润湿的催化表面的增加可抵消氢液体载体的耗尽，从而导致在腔室120的长度轮廓上恒定或接近恒定的氢释放速率，如曲线1256所示。应当注意，氢释放速率不一定需要在整个腔室120中保持恒定，并且任何其他合适的氢释放速率都是足够的。在各种实施例中，腔室120可包括多个氢出口通道1221，并且可包括放置在腔室120的任何位置处的任何数量的通道。

图13A和13B示出了形成蛇形通道1305并且具有入口1301和出口1302的腔室120的说明性实施例，蛇形通道1305可有助于氢液体载体与催化剂的相互作用，催化剂可以沉积在蛇形通道1305的壁上。在各种实施例中，蛇形通道1305可导致氢液体载体的流动通过可促进载体混合的转弯。此外，蛇形通道1305可被选择成具有大的表面积，以进一步促进催化剂与载体流的相互作用。在各种实施例中，蛇形通道1305可包括多个氢出口1310，如图13A和13B所示。将腔室120设计为蛇形通道1305对于腔室120需要占据小体积同时保持长腔室的应用可能是有益的。将腔室120配置为蛇形通道1305对于腔室的热管理可能是方便的。例如，如图13C所示的加热或冷却模块1370可安装在蛇形腔室1305的至少一侧附近，以用于高效的热管理。图13D示出了实施例，其中热管理单元1372和1371可安装在蛇形通道1305的相对侧上，多个氢出口1310如图13D所示定位。在各种实施例中，蛇形通道1305可促进混合，例如如图13E中的流线1350所示。这种流线可例如通过对蛇形腔室1305中的流动进行计算流体动力学模拟来生成。

图13C示出了具有模块1370的蛇形腔室1305的示例。在一些实施例中，多于一个的反应腔室可用于从氢液体载体制氢。在示例实施例中，可使用两个或更多个反应腔室（例如，第一和第二反应腔室），对于每个反应腔室，具有加热和/或冷却模块。在一个示例性实施例中，这些腔室的加热模量可热连接，使得来自第一反应腔室的热量可传递到第二反应腔室。

图14示出了配置成包括回路通道1410的腔室120的说明性实施例。在一些实施例中，氢液体载体可经由入口1401进入回路通道1410，其中，流量由流入阀1411控制。在各种实施例中，通道1410可包括催化剂。在一些情况下，催化剂可沉积在通道1410的壁上，并且在一些情况下，催化剂可作为可插入元件存在于通道内。类似于上面讨论的实施例，催化剂单元可被配置成可移除的，并且可通过螺钉、螺栓、夹具、夹子、锁定机构、粘合剂或任何其他方式固定到通道1410的一部分。在图示的实施例中，催化剂可包括定位在回路通道1410内的多个多孔片材。在各种实施例中，回路通道1410的壁可包括粗糙元件。在一些实施例中，壁可具有作为粗糙度平均值计算的在6.3 - 25 µm范围内的粗糙度值。在一些实施例中，壁可以被Ni涂覆，随后沉积催化剂。在各种实施例中，催化剂可包括有助于制氢的任何合适催化剂，并且可包括过渡金属，诸如Fe、Co、Cu、Ni、Ru、Pt、合金及其组合。虽然本公开提供了示例性粗糙度值的示例，但是应当注意，本公开的方面在其最广泛的意义上不限于这些特定值。

在各种实施例中，可以通过泵有助于氢液体载体的流入，因为反应腔室120内的压力可高于流入阀中的压力。在一些实施例中，反应腔室120中的压力可通过经由氢流出1421释放氢来降低。在说明性实施例中，如图14所示，腔室120可包括用于存储氢的区段1422。

在各种实施例中，氢液体载体可通过泵1415的操作在回路通道1410内循环，泵1415可以以预定的间隔和/或在预定的时间量内操作。在示例实施例中，氢液体载体的流速和载体在腔室内的循环时间可由计算系统15控制。在示例实施例中，腔室120可包括测量压力（例如，氢压力）的压力传感器。在示例实施例中，来自压力传感器1460的数据可被传输到计算系统15，以用于评估压力根据时间的变化，例如如曲线1461所示。当压力基本不变或恒定时（例如，曲线1461的区域1462），可观察到没有氢的释放（或生成），这可指示氢液体载体可能被耗尽。通过打开流出阀1402，可经由出口1431排出耗尽的（或废）氢液体载体。

在一些实施例中，随着氢液体载体流入腔室中，废载体可以从腔室120排出。在各种实施例中，腔室120还可包括用于使各种化学化合物或液体流入腔室120中的入口1440。在一些实施例中，入口1440可被配置成使水流动。例如，在一些实施例中，水可在通道1410中循环，以用于清洁通道1410。

在一些实施例中，入口1401可允许浓缩的氢液体载体进入回路通道1410，并且水可经由入口1440添加。在氢液体载体在回路通道1410内的循环期间，浓缩的氢液体载体可与水混合，以提供氢液体载体的水溶液。在排出废载体的过程期间，废载体可通过打开流出阀来释放，而同时，经由入口1440将更多的水添加到回路通道1410中。

图15图示了用于操作腔室120的回路通道1410的过程1500。在过程1500的步骤1501，可打开氢流出1421，从而允许一些氢从通道1410中释放；在步骤1503，可打开流入阀1411，从而允许氢液体载体进入通道1410；在步骤1505，氢阀1421可关闭，并且流入阀1411可关闭，并且泵在步骤1507开始循环氢液体载体。在载体循环期间，载体释放氢而被耗尽并增加腔室120内的压力。在步骤1509，当氢液体载体被部分或完全耗尽时（例如，如可以通过压力传感器1460进行测试），阀1431可打开，从而允许废载体离开通道1410。

在各种实施例中，系统10可包括多于一个的回路通道1410，如图14所示。例如，系统10可包括快速和慢速回路通道。快速回路通道可类似于回路通道1410，并且可被配置成用于快速释放大量氢。例如，快速通道可被配置成以快速率循环氢液体载体通过快速回路通道。快速通道可不被配置成完全耗尽氢液体载体，并且部分耗尽的氢液体载体可流向慢速通道。另一方面，慢速通道可被配置成通过允许载体通过慢速循环过程释放其包含的所有氢来完全耗尽氢液体载体。

图16示出了以喷头1630的形式配置的腔室120的说明性实施例。基于氢的流体可经由入口1601进入喷头1630，穿过蛇形区段1612，以减少由于流入条件引起的流速和压力的变化。在通过蛇形区段1612之后，流可进入一组流出通道1602。每个流出通道可包括催化剂。在说明性实施例中，催化剂可沉积在通道1602的壁上。在各种实施例中，催化剂也可存在于蛇形区段1612中。例如，催化剂可沉积在形成蛇形区段1602的壁上。在各种实施例中，流出通道可包括用于从腔室120释放氢的氢出口1610。

在各种实施例中，腔室120的设计可包括计算模拟以评估氢释放的效率。例如，在计算模拟期间，可评估氢液体载体流内的液体体积的各种轨迹。对于每个轨迹，可估计描述液体体积与催化剂相互作用的有效时间。

前面的描述是为了说明的目的而给出的。它不是详尽的，并且不限于所公开的精确形式或实施例。考虑到说明书和所公开实施例的实践，实施例的修改和改编将是显而易见的。例如，虽然某些部件已经被描述为彼此联接，但是这些部件可以彼此集成或者以任何合适的方式分布。

此外，虽然本文已经描述了说明性实施例，但是范围包括具有等同元素、修改、省略、组合（例如，遍及各种实施例的各方面的）、基于本公开的修改和/或变更的任何和所有实施例。权利要求中的元素将基于权利要求中采用的语言被广义地解释，并且不限于在本说明书中描述的或者在申请过程期间描述的示例，这些示例将被解释为非排他性的。此外，所公开的方法的步骤可以以任何方式修改，包括重新排序步骤和/或插入或删除步骤。

根据详细的说明书，本公开的特征和优点是显而易见的，并且因此，所附权利要求旨在覆盖落入本公开的真实精神和范围内的所有系统和方法。如本文所使用的，不定冠词“一”和“一个”是指“一个或多个”。类似地，除非在给定的上下文中明确，否则复数术语的使用不一定表示复数。诸如“和”或“或”之类的词意指“和/或”，除非另有特别说明。此外，由于通过研究本公开将容易出现许多修改和变化，因此不希望将本公开限制于所图示和描述的确切构造和操作，并且因此，可以采用落入本公开范围内的所有合适的修改和等同物。

考虑到说明书和本文公开的实施例的实践，其他实施例将是显而易见的。意图是，说明书和示例仅被视为示例，所公开的实施例的真实范围和精神由以下权利要求指示。

Claims (20)

1.一种使用氢液体载体管线生成氢气的反应腔室，所述反应腔室包括：

通道，其包括用于使氢气从所述氢液体载体产生的催化剂，所述通道包括用于氢液体载体的入口端和用于废载体的出口端；

阀，其用于控制流过所述通道的氢液体载体的流速；

气体出口，其用于排空所述通道中生成的氢气；和

至少一个处理器，其被配置成接收对氢气的需求的至少一个指标，并控制所述阀以调节所述氢液体载体的流速，从而满足对氢气的需求。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其中，所述气体出口位于所述通道的上壁部分中。

3.根据权利要求1所述的反应腔室，其中，所述催化剂是Electriq^TM催化剂。

4.根据权利要求1所述的反应腔室，其中，所述催化剂包括铁、镍、钴、磷和硼中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的反应腔室，其中，所述催化剂进一步包括具有类金属催化涂层的金属结构，其中，所述涂层包括多层，其中至少内层为Ni，并且外层为类金属催化涂层。

6.根据权利要求5所述的反应腔室，其中，所述外层包括第三族金属、钴-P、钴-B、钴-Ni、P和钴-NIB中的至少一种。

7. 根据权利要求1所述的反应腔室，进一步包括：

控制器，其用于控制氢气经由所述气体出口的释放；和

用于监测所述通道内的氢气压力的传感器。

8.根据权利要求1所述的反应腔室，其中，所述通道包括几个子区段，每个子区段具有用于排空氢气的子区段出口。

9.根据权利要求8所述的反应腔室，其中，选择数个子区段，使得所述氢液体载体在通过所有子区段后被耗尽，从而产生废载体，并且其中所述废载体从所述反应腔室中排出。

10.根据权利要求8所述的反应腔室，进一步包括用于监测所述子区段出口处的氢气压力的传感器。

11.根据权利要求1所述的反应腔室，其中，所述通道的内表面的至少一部分包括催化表面。

12.根据权利要求1所述的反应腔室，进一步包括定位在所述腔室的通道内的混合元件。

13.根据权利要求1所述的反应腔室，其中，所述通道中的氢液体载体的流速是不一致的。

14.根据权利要求1所述的反应腔室，其中，所述氢液体载体的流速朝向所述出口端降低。

15.一种使用硼氢化物液体溶液来生成氢气的反应腔室，所述反应腔室包括：

通道，其包括用于使氢气从硼氢化物液体溶液中产生的催化剂，所述通道包括用于所述硼氢化物液体溶液的入口端和用于废溶液的出口端；

阀，其用于控制所述硼氢化物液体溶液流过所述通道的速率；

气体出口，其用于排出在所述通道中生成的氢气；和

至少一个处理器，其被配置成：

接收对所述氢气的需求的至少一个指标；

基于接收到的需求，使用流量控制器调节硼氢化物液体溶液在所述通道中的流速；以及

基于接收到的需求，排出在所述通道中生成的一定量的氢气。

16.根据权利要求15所述的反应腔室，其中，所述通道包括几个子区段，每个子区段具有用于排空氢气的子区段出口。

17.根据权利要求16所述的反应腔室，其中，所述通道的内表面的至少一部分包括催化表面。

18.一种使用硼氢化物液体溶液来生成氢气的系统，所述系统包括：

通道，其包括用于使氢气从硼氢化物液体溶液中产生的催化剂，所述通道包括用于硼氢化物液体溶液的入口端和用于废溶液的出口端；

阀，其用于控制硼氢化物液体溶液通过所述通道的流速；

气体出口，其用于排空在所述通道中生成的氢气；

至少一个处理器，其被配置成接收对氢气的需求的至少一个指标，并控制阀以调节硼氢化物液体溶液在所述通道中的流速，从而满足对氢气的需求；和

氢存储箱。

19.根据权利要求18所述的系统，进一步包括硼氢化物液体溶液存储装置和废溶液存储装置。

20.根据权利要求18所述的系统，进一步包括燃料电池系统和可充电电池。

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