CN1774390A - 氢气发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于氢燃料电池的自调式氢气发生器。该设备包括以下组成：一个具有额定容积的可定义内部空间的燃料箱，该燃料箱配备有与内部空间相通的氢气排放口；含有氢储存材料并储存于燃料箱内的催化剂，其中催化剂填充于催化反应器内，该反应器配备有关闭部分，可用来阻断催化剂与燃料液体之间的接触，以及与燃料液体相接触的开口部分，因此可根据燃料箱内压力的升降来主动调整是否生成氢气或中止氢气生成。
Description
技术领域
本发明涉及的是自调式氢气发生器，特别着重于氢气发生器能主动调整由于燃料箱内气压变化氢气的生成，此压力变化取决于燃料箱内所产生的氢气体积的多少，而不论外部受力如何。
背景技术
近些年来，工业的发展提高了生活质量，但能源需求的快速增长却带来了诸如环境污染及化石燃料资源枯竭的严重问题。
世界各国正不遗余力地探索各种替代能源以防止化石燃料资源枯竭，例如石油。特别是化石燃料的常规使用已造成了严重的环境(空气)污染问题，进而加速了全球变暖及环境破坏的趋势。众所周知，工厂或车辆排放的氮化物、碳氢化合物及二氧化碳是造成环境污染的主要因素。
这些排放的废气破坏了臭氧层，从而引发出各种各样的自然危害，例如阳光中有害射线对地面的直接照射，气候变化，生态系统的破坏以及各式各样疾病的发生。
为了减少由于使用化石燃料而造成的空气污染，完全燃烧燃料得以快速发展。
尤其值得一提的是，已有人提议将氢气作为一种替代的完全燃烧燃料来发展。氢气，是一种富足的地球资源，能与氧气发生反应产生大量的能量，而副产品仅仅是水，因此它一方面解决了能源资源耗尽的问题，同时也解决了环境污染问题。
然而，为了能将氢气作为一种能源资源来运用，就必须解决一些因氢气生产、储存及运输而带来的技术问题。特别是当氢气作为一种燃料用于移动设备时，如氢气发动机或用于车辆的氢燃料电池，或是用于小型信息电子设备上的氢燃料电池，由于储存在设备中的燃料数量受到限制，因此从根本就需要一种技术，以便能最大程度上减小燃料箱体积和质量，以获得一个较高的能量密度。
特别是当氢气作为供给车辆及IT电子设备的氢燃料电池的燃料时，这些车辆及信息电子设备的运作性能很大程度上取决于燃料的储存方法及燃料箱的容积。因此，氢气的生产及存储方法被视为是首要技术。目前有人提议可采用三种方法来储存氢气，即液态氢气储存法，气态氢气储存法及固态氢气储存法。
液态氢气储存法的好处是可以通过超低温来液化氢气以大大增加所储存的氢气的密度。然而，必须降低液化氢气的自然损失，同时也要考虑到由于低温冷却带来的能量丢失。
在气态氢气储存法中，氢气被施以高压进行压缩，而压缩后的氢气才能得以储存。为了获得一个适合于移动设备的能量密度，上百种气体要一同作用于氢气上，这样一方面增加了能源消耗，另一方面也就需要有一个安全的储存方法来储存超高压氢气。
固态氢气储存法的好处在于能够在室温及低压环境下使用氢气，就安全性及减少能量损失而言也是很出色的，但其不利之处在于由于氢储存材料密度较高，因此单位质量的能量密度较低。例如，最近引起公众注意的氢燃料电池车辆，它使用的燃料就是氢气而非汽油或是轻瓦斯油。
为了能将氢气作为氢燃料电池车辆的燃料，需要将大量的氢气储存在储存容器中。如果上述氢燃料电池车辆运用的是传统的固态氢气储存法，那么这种车辆的行驶里程只有以汽油为燃料的车辆所行驶里程的一半，因此从经济上来说运用传统的固态氢气储存法存在一定的困难。根据运用一种固态氢气储存法解决以上所有问题的原则，将催化剂与溶解氢储存材料得到的燃料液体相接触，从而产生氢气。由于可以在临近于大气压的情况下将氢气以液体形式储存起来，因此这种方法具有很高的稳定性以及很大的氢气储存量，因而可用于移动设备之上。
以上方法是通过燃料液体与催化剂之间的反应而生产氢气。相应地，如果要开始生产或停止生产氢气，这种方法就会涉及到这样一个过程，即将催化剂与燃料液体接触以发生反应或是将催化剂与燃料液体隔离开来阻止反应，而这种接触或隔离可以通过供给催化剂以燃料液体或是运用电泵来阻止燃料液体的供给，或者是通过移动催化剂至燃料液体或运用马达将催化剂与燃料液体分离的方法得以实现。
尤其是当上述方法运用于装备有氢燃料电池的移动设备时，如果产生的氢气超过该移动设备所需的氢气量时，氢气就会在氢燃料电池中积聚起来，并增加系统压力。此时，为了维持系统压力处于规定值范围之内，需要在系统中额外安装一些设备，例如用于排放累积氢气的设备，用于测量压力及使用传感器测量所供氢气量的装置，通过外部机械能量分离催化剂和燃料液体的方法调节催化剂反应量的调节装置，以及/或对含有氢储存材料的燃料液体所供给量进行变化调节的装置，从而使得系统结构复杂化并增加了系统体积。因此，系统的运用得到限制。
为了解决上文所述及的问题，并且由于增加燃料液体与附着在催化剂固定部分的催化剂之间接触面的实例并不是很具体充分，因此就需要有更多的实例进行。为了防止泡末状态的氢气所含的水分阻塞气液分离膜的微空气孔，当燃料箱中生成氢气中含有的细小水分子与气液分离膜碰撞时，就需要用上一些技术解决方案。而且，如果含有微小水分子的燃料液体中产生的氢气与气液分离膜碰撞时，就需要用上一些技术方法，用来防止泡末状态的氢气所含的水分阻塞气液分离膜的微空气孔并提高设备性能。
发明内容
因此，鉴于对以上问题的考虑，本项发明得以实现。本发明之目的在于提供一种自调式氢气发生器，可在初始阶段自行运作而无需外部能源资源。该发生器可以产生并提供氢气作为一种能源资源，因此使得氢气被当作一种洁净的完全燃烧替代能源加以运用，从而防止环境污染并增加了氢气的利用率。
本发明之另一目的是要提供一种自调式氢气发生器，其特点是结构简单，体积小，从而可为那些以氢气作为燃料的装置、系统及移动设备获得商业用途的氢气。
然而，本发明还有一个目的，即旨在于提供一种自调式氢气发生器，在该发生器内配有能与燃料液体接触产生氢气的催化剂固定单元，而在该单元上附着有催化剂，该发生器形状多样，可以产生大量的氢气；该氢气发生器还有一个固定的燃料箱、移动和便携设备，其结构可使产生在燃料箱中的氢气得以充分排出并通过气液分离膜，从而大大提高机器生能。
按照本发明设想，只要提供有自调式氢气发生器就可以实现以上及其它目的；对于用于氢燃料电池的自调式氢气发生器，其通常由以下几个部分组成：燃料箱——用来定义内部空间，具有额定容积，配备有与内部空间相通的氢气排放口；燃料液体——含有氢储存材料，储存在燃料箱中；与燃料液体相接触就能产生氢气的催化剂，其中，催化剂填充在催化反应器中，该反应器设计有关闭部分和开口部分；如果催化剂与燃料液体接触产生的氢气使燃料箱内压力升高时，关闭部分可用来切断催化剂与燃料液体的接触而阻止氢气的生成；如果由于使用燃料电池生成的氢气引起燃料箱内压力的下降时，开口部分可用来连通催化剂与燃料液体的接触而产生氢气，因此可根据燃料箱内压力的升降来主动调整是否生成氢气或中止氢气生成。
可取的是，催化反应器包含有具有规定压缩力及恢复力的弹性装置，可以根据氢气生成时燃料箱内压力的升降情况，推动催化剂向关闭部分或开口部分移动，以调节氢气的生成，并且催化剂可与催化剂固定单元结合起来使用，而该单元在催化反应器中是可以移动的。
而且，燃料箱还有气液分离装置，可以将生成的氢气与液体状的燃料液体分离开来并将隔离出的氢气排放到外部。
更可取的是，气液分离装置可以是气液分离膜，这种分离膜可以多种形式牢固地安装在燃料箱内，因此排放口的内孔及燃料液体之间的额定空间可重新确定以便轻易将氢气从排放口排出。
而且，这种气液分离装置包括浮在燃料液面上的收集器，这些燃料液体填充到燃料箱所规定的液面水平。收集器有如下设计：从收集器上突出有一个收集孔，朝向燃料液体上表面，用来从此处引入燃燃料箱中生成的氢气，一根连接收集器另一侧的排放软管，与收集孔相对，以及用于排放收集器所收集的氢气的排放口。而且，更可取的是，燃料箱可具有氢气保留装置，可以将燃料液体与催化剂接触而产生的微小泡沫状的氢气转化成体积较大的氢气气泡，并进而使得这些气泡通过气液分离装置。另外更可取的是，可以在燃料液体与气液分离膜中间插入一种碰撞单元，这种装置可以避免与气液分离膜的直接接触而在燃料箱内生成泡沫状的含有水分的氢气气体。
附图说明
本发明所涉及上述目的及其它目的，特点及优势可从以下详细的描述中知晓，可结合随附的图纸帮助理解。内容如下：
图1为根据本发明的氢气发生器的爆炸透视图。
图2和3为根据本发明的局部爆炸透视图，说明用于氢气发生器上的催化反应器的运作方式。
图4为图2和图3催化反应器的爆炸透视图。
图5和图6为不同于图2和图3所示催化反应器的另一种催化剂的局部爆炸透视图。
图7-13为催化剂固定单元的实例说明，催化剂与该单元连接。
图14-18为燃料箱中配备的气液分离装置的实例说明。
图19和20说明了生成于充满燃料液体的催化反应器外表面的氢气保持装置；
图21和22对位于燃料箱的燃料液体和气液分离膜之间的碰撞单元进行了说明；
图23和28为根据本发明第二，第三和第四个实例而做出的氢气发生器示意图；
图29为本发明氢气发生器被用作手提电话燃料供给系统时的示意图。
具体实施方式
现在，本发明的较佳实例将参照附图进行详细说明。并将在下文省略对氢气发生器的传统外设的说明。
本发明氢气发生器(H)的特点在于其可以反复生成和截留氢气而无需运用外部能源。
具体来说，本发明氢气发生器(H)由1个具有规定尺寸维持气密空间的燃料箱(10)，装在燃料箱(10)中的氢储存材料的燃料液体(17)以及与氢储存材料燃料液体(17)接触以产生氢气的催化剂(21)。催化剂(21)装在具有固定形状的催化反应器内(20)。图1为氢气发生器的透视图，图中燃料箱(10)为根据本发明首次实例做出的爆炸图。
如图1所示，燃料箱(10)具有固定尺寸可以容纳一定量的燃料液体，但具体的燃料箱(10)的尺寸因其用途及形状不同随之不同。用于排放燃料箱(10)内生产的氢气的排放口(12)位于燃料箱的一侧表面，阀门如快锁接头(15)装在排放口(12)上，并与氢燃料电池结合在一起。
燃料箱内装有一定量的氢储存材料燃料液体(17)，燃料箱(10)最初生产出来的时候是金属气密的，因此燃料箱不可以被再次充液或放液。但可以另一种方式进行，在燃料箱(10)的一侧生成有一个孔(14)，因此使用之后的燃料(17)可从燃料箱(10)通过孔(14)排放出来，然后再通过孔(14)注入新的燃料液体(17)，作为安全防范作用的通风孔(13)位于燃料箱(10)的一侧，通过以上操作可将氢气从燃料箱(10)内部排出。
运用于本发明实例的氢储存材料燃料液体含有20％的NaBH4，8％的KOH和72％的H20。催化剂(21)由一种与燃料液体(17)相接触就能有效产生氢气的材料制成。本发明中，催化剂(21)由雷尼镍材料制成。
图2和3为根据本发明首次实例作用于氢气发生器的催化反应器(20)运作说明的局部爆炸透视图。图4为图2和图3所示的催化反应器(20)的爆炸透视图。
本发明氢气发生器(H)的催化反应器(20)具有这样一种结构，即催化剂(21)和燃料箱(10)的燃料液体(17)之间的接触或隔离是通过燃料箱(10)中产生的氢气压力进行自动控制的。在本发明实例中，催化反应器(20)被置于燃料箱(10)的内部，如果催化反应器(20)浸入到燃料液体(10)中，燃料液体(17)和催化剂(21)就会因相互接触而产生氢气。
在本发明的其它实例中，催化反应器(20)被置于燃料箱(10)的外部，将会在下文予以简单说明。
也就是如图2，3和4所示，催化反应器(20)最好是管状的，包括配备了置于反应器一端并与外界通讯的开口部分(28)以及位于另一端的关闭部分(27)的反应器机体。
开口部分(28)是通过在主机身(29)一端开口而形成的，或者在主机身(29)一侧的侧表面形成的一个切口，并且具有这样一种结构，即通过开口部分(28)将催化剂暴露在外并与燃料液体(17)相接触。
而且，恢复力良好的弹性装置(24)被置于机体(29)一端的关闭部分内侧，催化剂(21)附着在催化剂固定单元(22)上，在关闭部分(27)做往复运动。如果燃料箱(10)中的压力增加，催化剂固定单元(22)就会朝关闭部分(17)移动以防止催化剂(21)与燃料液本相接触；如果燃料箱(10)中的压力下降，那么朝关闭部分(27)移动的催化剂固定单元(22)就会通过弹性装置调转初始位置而向开口部分(28)移动，从而通过开口部分(28)使催化剂(21)与燃料液体(17)相接触而生成氢气。
催化剂(21)为粉状或块状物。如果催化剂(21)是粉状物，则粉状的催化剂(21)可导入到由多种材料制成的网内，除了燃料液体(17)和氢气可以通过这种网外，粉末是无法通过的；或是用粘合剂将粉末状的催化剂(21)附着于网上或培养基上，然后再附着到催化剂固定单元(22)。另外，在此例中，粉状的催化剂(21)经加工处理成一种适宜于催化剂固定单元(22)结构的形状，烧结后再附着于催化剂固定单元(22)上。
更具体地说，本发明实例是用作催化剂21的雷尼镍具有较大的表面积，因此可以储存在水中，其特点在于这种雷尼镍一经空气接触就会发生自燃。相应地，为使雷尼镍作为催化剂(21)使用，只有雷尼镍的表面被氧化，因此雷尼镍可以暴露在空气中稳定的使用。这种方法减少了催化剂(21)的氢气生产能力，因此在本发明的实例中，催化剂(21)是以两种方法制作出来的，在这两种方法中雷尼镍表面都未被氧化。在第一种方法中，催化剂固定单元(22)(参见图12)上附着有一个磁铁，然后再将雷尼镍附着到附着有催化剂固定单元(22)的磁体上。
在第二种方法中，雷尼镍在水溶液中如蒸馏水被附着到网状物上或由多种材料制成的培养基上。
由于雷尼镍是储存在蒸馏水中，因此当储存在蒸馏水中的雷尼镍被制作成催化剂(21)时，就可以防止由于表面氧化而引起的催化剂(21)氢气生产能力的下降。本发明实例中，催化剂(21)的生产是通过运用聚氨酯泡沫将雷尼镍固定在镍网上得以实现的。
因为温度越高，催化剂(21)如雷尼镍的氢气生产能力就越高。如果操作员希望以较小量的催化剂(21)来生产大量的氢气，则燃料箱(10)，催化反应器(20)和催化剂固定单元(22)三者中必须至少有一个应安装有热媒，如加热金属线，此种热媒可以凭自身或凭外部能源来加热催化剂(21)或燃料。上述运用热媒的方法增强了氢储存材料及其副产品的溶解性，因此使得这些氢储存材料及其副产品可以储存大量的氢气。
催化剂固定单元(22)有这样一种结构或形状，可以使催化剂(21)轻易地附着牢靠，并在催化剂(21)进入及退出主体(29)内部时能有效地防止燃料液体(17)的进入。本发明实例的催化剂固定单元(22)含有两翼(23和23’)以及催化剂固定部分(23c)，其形状各异，用以接收催化剂(21)，位于两翼(23和23’)之间。
当催化剂固定单元(22)往主体(29)关闭部分(27)的内部和外部移动时，为了防止处于液体状态的燃料液体(17)沿催化剂固定单元(22)外表面进入关闭部分，因此在催化剂固定单元(22)两端和主体(29)的内表面之间或催化剂固定单元(22)和弹性装置(24)之间会分别并同时生成燃料截留单元(23a)和(23b).安装槽(25a)形成于主体(29)的内围，环状的辅助截留单元(25)被插入安装槽(25a)内以防止当配备有催化剂(21)的催化剂固定单元(22)移动时燃料液体沿着催化剂固定单元(22)的外围进入主体(29)。图4为上催化反应器的上述结构组成作了说明。
图5和图6显示的是另一种催化反应器(20)的局部爆炸透视图，该催化反应器在形状上有别于上文所述的催化反应器(20)。此处，开口部分(28)形成于主体的一端，催化剂(21)被附着于催化剂固定单元(23c)上，催化剂(21)包围在催化剂固定部分(23c)的外围以扩大催化剂(21)和燃料液体之间的接触面，从而增加了生成氢气的数量。催化反应器(20)的其它部件与上文所述的催化反应器相同。
本发明实例所运用的弹性装置(24)由压缩空气及弹性体组成，当发生以下情况时可以把催化剂固定单元(22)恢复到初始位置，即当催化剂固定单元(22)被强制进入关闭部分(27)时，填充燃料箱(10)的氢气会因氢燃料电池的运用而从排放口排空出去，因此燃料箱(10)内的压力下降；如果位于催化剂固定单元(22)上的催化剂(21)的暴露状态保持在大气压力范围之内，则燃料箱内的压力会上升，并且燃料箱内的压力上升会高于大气压，上升的压力就会作用于暴露于催化反应器(20)开口部分(28)的催化剂固定单元(22)的一侧表面。
在本发明实例中，弹性装置(24)由压缩螺旋弹簧构成。
图7-13说明了催化剂固定单元(22)的各种实例。催化剂固定单元(22)的各种实例说明旨在于改善催化剂(21)所附着的催化剂固定部分(23c)的结构，以便能最大程度地扩大催化剂(21)和燃料液体(17)的接触面积。
也就是说，作用于本发明实例的催化剂固定单元(22)包括滑行于主体(29)内表面的侧翼23和23’，以及具有多种形状以接收催化剂(21)的位于两翼23和23’之间的催化剂固定部分(23c)。特别一提的是，催化剂固定部分(23c)具有多层结构，由众多的堆积式承载板组成，或是由多种结构如风扇，圆锥形或圆形结构等构成，因此在催化剂固定部分(23c)表面可以附着大量的催化剂(21)。可以将磁铁(23d)附着在催化剂固定部分(23c)的一侧表面或两侧，以便金属催化剂(21)可以附着在催化剂固定部分(23c)而无需进行任何额外处理(参见图12)。
关于本发明氢气发生器生产氢气的过程将会在下文加以详细说明。将体积为10mA的燃料液体(17)和0.1克的雷尼镍催化剂(17)加入到燃料箱(10)中。然后燃料箱(10)在室温下以相当于12SCCM(标准立方厘米/分钟)的流量或以燃料电池1W的速率生成氢气，大约可持续10个小时。产生于燃料箱(10)中的氢气可通过燃料箱(10)的出气口(12)供给外部系统，如以氢气为燃料的氢发动机或氢燃料电池。如果外部系统所需氢气少于12SCCM的流量，或者断电后氢气还未排出，则产生的氢气就会聚集在燃料箱(10)中，那么箱中的压力就会上升为1.5个大气压(P1)。
在燃料箱(10)和催化反应器(20)之间产生了一个压力差，因此燃料箱(10)中的上升压力会压迫催化反应器(20)主体(29)的开口部分(28)。当催化剂固定单元(22)朝催化反应器(20)主体(29)的关闭部分(27)移动时，暴露于以氢储存材料制成的燃料液体(17)的催化剂(21)就会进入主体(29)，因此催化剂(21)和燃料液体(17)之间的接触面就会减小，从而减少氢气生成量并进而阻止氢气的生成。
当外部系统再次运用氢气时，产生的氢气才从燃料箱(10)中排出。此时，燃料箱(10)中的压力降低，燃料箱(10)与催化反应器(20)的主体(29)之间的压力差就会减小，位于主体(29)的弹性装置(24)则会返回到初始位，从而催化剂固定单元(22)往开口部分(28)移动，催化剂(21)可与接触燃料液体(17)再次接触。
因此，本发明氢气发生器可以间歇式地生成氢气。
图14-18为燃料箱(10)中配备的气液分离装置(40)的实例说明。
气液分离装置(40)可用来防止在装有溶于水的燃料液体(17)的燃料箱(10)中生成的处于气体状态的氢气的排出以及处于液体状态的燃料液体的排出，更适用于移动或便携式燃料电池，而非固定燃料电池。
也就是说，图14-16中所示的每个气液分离装置(40)都包括有各自的气液分离膜(42)。气液分离膜(42)由疏水硅橡胶(其氢浸透性比水要好)，多孔渗水非金属如特氟纶，以及对氢气具有选择性通透性的金属材料制成。图14中，安装在燃料箱(10)中的气液分离膜(42)按规定的距离与出气口(12)内孔隔离开来。配有气孔或氢气通道的灌输单元(43)置于出气口(12)所在的燃料箱(10)内表面和气液分离膜(42)之间，该灌输单元用以阻止气液分离膜(42)的运动以及有效排出氢气，特别是由于氢气生成而出现的燃料箱(10)压力上升或是燃料箱移动时。气液分离膜(42)也可以是不具有灌输单元(43)的其它结构形式，以便气液分离膜(42)可以固定在燃料箱(10)的内表面，产生的氢气也可以被有效的排出。
图15中，位于燃料箱(10)中的密闭型气液分离膜(42)具有与燃料箱(10)相同的外观，只是尺寸要销微小了些，并与燃料箱(10)的内壁隔离开来。同样，在燃料箱(10)内壁与气液分离膜(42)之间装有灌输单元(43)，其可以阻止由于上升的压力或燃料箱(10)的运动而导致燃料箱(10)内壁与气液分离膜(42)的接触，并使氢气得以自由流动。图16中，气液分离膜(42)形状为U形，被放置在燃料箱(10)中，使得气液分离膜(42)的中间位置处于出气口内孔之下。
图17和18中，气液分离装置(40)带有一个收集器，该收集器由可漂浮于液体状的燃料液体(17)液面上的材料制成，用以收集产生的氢气并将气体排放到外部。在收集器的一侧突出有一个收集孔(46)，用以引入燃料箱(10)里的氢气，还有一根连通收集器另一侧的排放管(48)，位于收集孔(46)和出气口(12)对面，用来将收集器(44)收集的氢气排放到出气口(12)。
以上所讲述的多种气液分离装置(40)可根据氢燃料使用设备的不同特点进行适当选择，收集器(44)可以选用重力比水小的任何材料制成。
图19和20为氢气保留装置(50)，用来临时性收集产生于催化反应器(20)内的氢气，该反应器位于燃料箱(10)中装有燃料液体(17)，以及用来将微小泡沫状的体积较小的氢气泡转化成体积较大的氢气泡。氢气保留装置(50)具有多种结构，可用来直接切断与催化反应器(20)的接触，从而使得处于微小泡沫状的氢气泡可以暂时积聚起来，然后再排放到外部。
当灌注于燃料箱(10)内的燃料液体(17)与催化反应器(20)中的催化剂接触而释放出微小氢气泡沫时，氢气保留装置(50)就会收集所产生的微小氢气泡沫并将其转化为体积较大的氢气泡，然后让这些氢气穿过气液分离膜(42)。如果微小氢气泡沫状的体积较小的氢气泡直接到达气液分离膜，这些处于微小氢气泡沫状的体积较小的氢气泡就会阻塞气液微小孔，从而不能有效地排出氢气。
而氢气保留装置(50)可以防止发生以上问题。
特别一提的是，本发明氢气发生器可用于以氢燃料电池为能量的固定、移动或便携设备。即使燃料箱(10)被置于设备的任一位置，但产生于燃料箱(10)中的氢气必须得以有效排出。因此，气液分离膜(42)可安装在燃料箱(10)内部的任何部位，左、右、上或下部位都可以。在图19和20所示的本发明实例中，气液分离装置(42)就分别安装在燃料箱(10)的上部和下部，连接管(54)连通上下气液分离装置(42)之间的空间。尽管燃料箱(10)可位于任何部位，但被气液分离膜(42)隔开的空间却可以通过连接管(54)得以联通，因此产生于燃料箱(10)中的氢气气泡可以在两个空间内相通，因而可以有效地将氢气泡通过出气口(12)排放出去。氢气保留装置(50)与燃料箱(10)形成于一体，或者催化反应器(20)与氢气保留装置(50)形成于一体。
图21和22分别为实例说明，其中碰撞单元(52)被置于燃料箱(10)的燃料液体(17)和气液分离膜(42)之间。也就是说，碰撞单元(52)可用来阻止微小氢气泡沫与气液分离膜(42)的直接接触，这种氢气泡沫产生于燃料箱(10)中并含有水分。当氢气上升并与碰撞单元(52)碰撞时，由于燃料液体(17)的缘故使含有氢气的水分从氢气气体中脱离出来。因此，只有获得的是纯净的氢气才能通过气液分离膜(42)。与上文所述关于氢气保留装置(50)方式一样，根据燃料箱(10)安装方式的不同或所运用对象的不同，碰撞单元(52)具有多种结构形式。
图23-28为根据本发明第二，第三和第四实例中氢气发生器的示意图。在本发明的这些实例中，氢气发生器为外安装式燃料箱，里面的催化反应器(20)可分开放置于燃料箱(10)的外表面。
也就是说，配备有弹性装置(24)和安置于催化反应器内的催化剂固定单元(22)的催化反应器(20)被插入到燃料箱(10)外表面的安装槽(60)内。
更具体来说，在所示图23和24的实例中，从催化反应器(20)的一端突出来一个制止器(62a)，并还有一个用以固定制止器(60a)的制止器夹具(60b)出现于安装槽(60)的内部前端。与燃料箱(10)相通的通透孔(62)形成于安装槽(60)内围的指定位置，弹性装置(24)位于通透孔(62)内部的安装槽(60)底部。用于密封通透孔(62)的通透孔密封单元(26)与弹性装置(24)结合在一起；与燃料箱(10)内部相通的用于引入燃料箱(10)中液体的氢气生成调节孔(64)形成于整个安装槽(60)的底部，而气液分离膜(42)则安装在燃料箱(10)中氢气生成调节孔(64)的前部。
如图23所示，在将催化反应器(20)插入燃料箱(10)的安装槽(60)之前，位于安装槽(60)内的通透孔密封单元(26)将通透孔密闭。然后如图24所示，当把催化反应器(20)插入到燃料箱(10)的安装槽(60)内时，通透孔密封单元(26)将会压迫弹性装置(24)以使通透孔(62)暴露于催化反应器(20)的外围，当催化反应器(20)完全被插入燃料箱(10)的安装槽(60)后，通透孔(62)就会与装在催化反应器(20)上的催化剂(21)相接触而产生氢气。
当燃料箱(10)的内部压力因产生的氢气而上升并超过规定水平时(如果氢气未被使用的话)，积聚在燃料箱(10)内的一部分氢气就会通过形成于安装槽(60)底部的氢气生成调节孔(64)而进入到安装槽(60)内，那么安装槽(60)内的压力就会上升。接着，通透孔密封单元(26)会推动催化反应器(20)的催化剂固定单元(22)，并从弹性装置(24)释放力量。由于弹性装置(24)被拉伸，催化剂(21)和燃料液体(17)之间的接触面积就逐渐减小，而通透孔(62)则被通透孔密封单元(26)完全密封，从而阻止氢气的生成。当外部系统运用所生成的氢气时，燃料箱中的氢气压力就会下降，安装槽(60)内的液体就会流向燃料箱(10)。接着，位于催化反应器(20)上的弹性装置(24)收缩，催化剂固定单元(22)推动通透孔密封单元(26)，从而使得催化剂21与燃料液体(17)相接触。通过运用以上所述操作达到自动生产氢气及中断氢气的生成，本发明氢气发生器(H)生成并提供氢燃料电池等产品所需要的氢气。氢气生成调节孔(64)可位于任何部位，可以使得由于燃料箱(10)内部压力上升而将燃料箱(10)的液体引入到安装槽内，从而推动通透孔密封单元(26)或催化反应器(20)的催化剂固定单元(22)运动。
在图25和26所示的第三个实例中，具有密封空间的催化剂暴露调节部分(66)从上文述及的催化反应器(20)末端即催化剂固定单元(22)外表面延展开来。氢气生成调节孔(64’)透过催化剂暴露调节部分(66)的指定位形成，当催化反应器(20)被插入到安装槽(60)内并根据燃料箱(10)内部压力的升降情况来移动催化剂固定单元(22)以调节氢气生成时，该孔正好就是氢气生成调节孔(64)。
第三个实例氢气发生器(H)和第二实例的氢气发生器(H)相同，原因在于氢气的生成和中断是通过燃料箱(10)内部压力的升降而实现的。然而，在第三个实例中，当燃料箱(10)的内部压力上升时，处于高压位的液体就会进入位于催化反应器(20)内部前端的催化剂暴露调节部分(66)，并推动催化反应器(20)的催化剂固定单元(22)。另一方面，当燃料箱(10)的内部压力下降时，已经进入催化剂暴露调节部分(66)的液体会被排出，并通过位于催化反应器(20)中弹性装置(24)推动催化剂固定单元(22)，以便催化剂(21)可与燃料液体(17)接触，从而生成氢气。
在图27和28所示的第四个实例中，弹性装置没有装在与安装槽(60)结合在一起的催化反应器(20)内，而且催化剂固定单元(22)也仅仅是配备在催化剂固定单元(22)主体(29)的前端之上。作为固定装置的制止器(61a)通过安置在安装孔(65)内的弹簧(67)从主体(29)外表面弹入弹出，该安装孔形成于主体(29)的中间区域；当催化反应器(20)插入安装槽(60)后，用来固定制止器(61a)以防止催化反应器(20)从安装槽(60)脱离出来的制止器夹具(61b)。
如图28所示，当催化发生器(20)被强行插入安装槽(60)时，位于催化发生器(20)外围的制止器(61a)就会被制止器夹具所捕获，从而便将催化反应器(20)固定在安装槽(60)内。
如上文所描述的一样，与燃料箱(10)结合在一起的催化反应器(20)中的催化剂(21)与装在燃料箱(10)中的燃料液体(17)相接触而产生氢气。当燃料箱(10)的内部压力上升超出规定值时，处于燃料箱(10)上升压力位的液体就会通过位于安装槽(60)底部的氢气生成孔(64)引入到安装槽(60)内，并推动通透孔密封单元(26)运动。接着，通透孔密封单元(26)施加压力作用于与通透孔密封单元(26)相接触的催化反应器(20)，然后通过按压安装孔(65)内的弹簧(67)将位于催化反应器(20)外围的制止器(61a)弹入到孔(65)内，然后与制止器夹具(61b)脱离开来。因此，根据本发明实例，氢气发生器(H)是通过强行将催化反应器(20)插入安装槽(60)来生成氢气。
如图29所示，本发明氢气发生器(H)可用于手机电话(P)氢燃料电池上。
如上文所述，本发明氢气发生器(H)可根据所产生氢气压力的大小积极自行调节氢气的生成和中止氢气的生成而无需借助外力，因此结构简单并能减少生产成本。而且，本发明氢气发生器(H)已减小了体积和质量，因而大大提高了按每个燃料电池容积和质量计算的能量密度，可作为名种设备的能源。
当来自于燃料液体(17)的所有氢气耗尽时，与传统燃料电池一样，本发明氢气发生器(H)会从位于燃料箱(10)上的孔(14)排出废弃的燃料液体(17)，并重新灌注新的燃料液体(17)。如果氢气发生器(H)通过位于燃料箱排放口(12)上的快速连接器(15)与燃料电池结合，快速连接器(15)将被打开并为燃料电池提供氢气；如果氢气发生器(H)与燃料电池相分离，则快速连接器将被关闭以防止氢气被排放到外部，则燃料箱(10)的压力会有轻微上升，催化剂(21)和燃料液体(17)之间的反应被阻止，从而可在指定压力范围内稳定地储存氢气。
通过对催化剂固定单元(22)的众多实例的说明，氢气发生器(H)可以最大程度地增加催化剂(21)和燃料液体(17)之间的接触面积，从而产生大量的氢气并扩大氢燃料电池的运用范围。而且，氢气发生器(H)包含有结构多样的氢气保留装置(50)以及位于燃料液体(17)和气液分离膜(42)之间的结构多样的碰撞单元(52)，因此产生于燃料箱(10)内的氢气能被有效地输出到外部，从而提高了氢燃料电池的性能。如果在燃料箱(10)中再另外安装几个气液分离膜(42)，那么氢气就可通过联接管(54)顺畅地循环了。
因此，基于所运用产品的不同，燃料箱(10)多样结构适用于氢燃料电池，并能扩大氢燃料电池的运用范围，从而更有效地利用能源。
从以上说明可以明显地看出，本发明提供的是一种自调式氢气发生器，其具有小型化的特点，可降低生产成本，减少体积及质量，从而提高单位体积和质量的能量密度，并可运用于以氢气为燃料的移动或便携式设备以及以氢气为燃料的大型氢燃料电池设备。自调式氢气发生器也相应地刺激了将氢气作为清洁替代能源的运用，使得氢气成为日渐枯竭的化石燃料的替代能源，从而防止了环境污染，为我们提供一个洁净的环境。
出于说明之目的，尽管此文已披露了一些关于本发明的较佳实例，但对此项技术熟练的人依然可进行各种修改，添加以及替换，但不应偏离于本文所附声明所揭露的有关本发明的范围及意图。
Claims (26)
1.一种用于氢燃料电池的自调式氢气发生器，其包括：
燃料箱，定义具有额定容积内部空间，配备有与内部空间通讯的氢气排放口；燃料液体，含有氢储存材料，储存于燃料箱内；与燃料液体相接触而产生氢气的催化剂，其中催化反应器装有催化剂，配备有可以中断催化剂与燃料液体接触以阻止氢气生成的关闭部分(如果因催化剂与燃料液体接触产生氢气导致燃料箱内压力上升时)，以及与燃料液体接触而产生氢气的开口部分(如果因燃料电池利用所生成氢气而出现燃料箱内压力下降时)；因而氢气产生器可根据燃料箱内压力的升降主动调节氢气的生成或中止氢气的生成。
2.如权利要求1所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，催化反应器装配有额定压缩力及恢复力的弹性装置，该装置可以根据氢气生产时燃料箱内压力的升降将催化剂向关闭或开口部分移动从而调节氢气的生成。
3.如权利要求2所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，可在催化反应器内移动的催化剂固定单元是与弹性装置相连的，该催化剂固定单元配备了与之相连的催化剂。
4.如权利要求3所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，用来防止当催化剂固定单元因燃料箱压力上升而使催化剂固定单元向关闭部分移动时燃料液体通过开口部分进入催化反应器的燃料液体截流单元被安置在催化剂固定单元和催化反应器内围的任一位置。
5.如权利要求3所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，用来防止当催化剂固定单元因燃料箱压力上升而使催化剂固定单元向关闭部分移动时燃料液体通过开口部分进入催化反应器的燃料液体截流单元被安置在催化剂固定单元和弹性装置之间。
6.如权利要求3所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，燃料箱包含有气液分离装置，该装置可用来将生成的氢气与处于液体状的燃料液体分离开来并将生成的氢气排出。
7.如权利要求6所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中包括：
安装槽位于燃料箱的指定位置，可从外部将催化反应器拆散插入该安装槽内，其包括允许催化反应器的催化剂与燃料箱液体接触以产生氢气的通透孔；位于安装槽底部的弹性装置；与弹性装置结合的通透孔密封单元：当催化反应器与安装槽分离时，当燃料箱内压力上升时，其可用来密封通透孔并推动催化反应器的催化剂固定单元移动，该反应器与催化剂固定单元相连接；形成于安装槽底部的氢气生成调节孔：通过通透孔密封单元定义一个密闭空间，可允许燃料箱内生成的氢气进入并离开安装槽。
8.如权利要求7所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，配备有氢气生成调节孔的气液分离膜被安置在燃料箱内部，用来将催化反应器固定在燃料箱的固定装置则被置于催化反应器的一端及安装槽入口处。
9.如权利要求8所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，包括有催化剂暴露调节部分以及一个形成于催化剂暴露调节部分指定位置的氢气生成调节孔。用于定义密封空间的催化剂暴露调节部分在催化剂固定单元的外表面从催化反应器的一端延展开来；当催化反应器插入到安装槽，并根据燃料箱内压力的升降移动催化剂固定单元的调结氢气的生成时，该调节孔与氢气生成孔为同一个孔。
10.如权利要求6或7或8或9所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，气液分离装置是一种具有多种形状的被牢固安装在燃料箱内部的气液分离膜，因此氢气可轻易地从介于出气口内孔和燃料液体之间的指定空间通过出气口排出。
11.如权利要求10所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，带有气孔的灌输单元被安置于燃料箱内表面和气液分离膜之间，当生成氢气引起或移动燃料箱引起燃料箱压力升高时，可用来阻止气液分离膜的运动并能有效排出氢气。
12.如权利要求11所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，气液分离膜是完全密封的，包含有催化反应器和燃料液体，并以指定间隔将反应器的外表面与燃料箱内壁隔离开来。
13.如权利要求6或7或8或9所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，气液分离装置包括有一个浮于燃料液面上的收集器，该液体填充到燃料箱的指定液面水平；以及从收集上伸出来的收集孔，该收集孔暴露于燃料液体上表面，可用来将燃料箱中产生的氢气导入到收集器；与收集器另一侧相连的排放软管，其位于收集孔对面，以及用来排出收集器所收集气体的出口。
14.如权利要求3或6或7所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，催化剂固定单元包括以下内容：
位于氢气发生器两端的两翼，可在管子内表面滑动；以及位于两翼之间用来固定催化剂的催化剂固定区。
15.如权利要求14所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，在催化剂固定区装有一个永久性磁铁，以便金属材料制成的催化剂可以仅依靠永久性磁铁而无需额外处理并可附着在催化剂固定区。
16.如权利要求14所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，催化剂固定区被细分为多个小区，以增加催化剂与燃料液体之间的接触面积从而产生大量氢气。
17.如权利要求10所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，燃料箱包含有氢气保留装置，可将燃料液体与催化剂相接触而生成的处于微小泡沫状的氢气转化为体积较大的氢气气泡，从而让这些氢气泡通过气液分离装置。
18.如权利要求10所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，催化反应器内部配备有氢气保留装置，该保留装置有很多孔，可将燃料液体与催化剂相接触而生成的处于微小泡沫状的氢气转化为体积较大的氢气气泡，从而让这些氢气泡通过气液分离装置。
19.如权利要求10所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，在燃料液体与气液分离膜之间应至少装有一个碰撞单元，用来防止产生于燃料箱内含有水分的微小泡沫状氢气直接与气液分离膜接触。
20.如权利要求10所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，燃料箱上有一个孔，通过该孔可以从燃料箱中排出废弃的燃料液体或其副产品，也可通过该孔为燃料箱灌注新的燃料液体。
21.如权利要求10所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，燃料箱上有通风孔，以防止燃料箱超压。
22.如权利要求14所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，由雷尼镍制成的催化剂附着在蒸馏水或运用了粘合剂的常规水中的网上或培养基上，而无需运用额外的干燥或表面氧化处理便可凝固在水中。该催化剂与催化剂固定区结合在一起。
23.如权利要求2或3或6或7所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，弹性装置含有一个压缩螺旋弹簧。
24.如权利要求2或3或6或7所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，弹性装置包含有可压缩气体。
25.如权利要求10所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，如果在装有燃料液体的燃料箱内部的左、右、上、下部分分别安装多个气液分离膜以得到未装有燃料液体的多个空间，那么通过一个连接管就可以联通这些位于燃料箱内没有灌注燃料液体的被隔开的空间。
26.如权利要求1或3所述的自调式氢气发生器，其特征为：在该自调式氢气发生器中，用于产热的热媒应至少应安装在燃料箱，催化反应器和催化剂固定单元这三个设备中的任何一个上。
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