JP2018502719A - 浮揚性触媒担体を具備するガス発生器 - Google Patents

浮揚性触媒担体を具備するガス発生器 Download PDF

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Abstract

触媒の存在下で反応してガスを生成する液体反応物を含むガス発生器が開示される。触媒は、液体反応物中で浮遊する担体中に含まれる。ガス発生器は、また、担体の位置を選択的に制御するように適合された少なくとも1つの担体移動規制部材と、所定量のガスを含む少なくとも1つの圧縮性本体とを有する。第1の構成では、ガス発生器の内圧が圧縮性本体の内圧よりも低い場合、圧縮性本体の容積が増加し、第2の構成では、ガス発生器の内圧が内圧よりも高い場合、圧縮可能な本体の体積が減少する。担体移動規制部材は、第1の構成における担体の移動を規制する。【選択図】図1

Description

本発明は、全般的にはガス発生器に関し、より詳細には、発生器内に懸架された触媒担体を具備する水素発生器に関する。ガス発生器は、受動的に制御され、すなわち、内圧があるレベルに達したときにガスの発生を自動的に停止し、その逆もまた同様である。
燃料電池は、反応物、すなわち燃料および酸化剤の化学エネルギーを直流(DC)電気に直接変換する装置である。ますます増大する用途に対して、燃料電池は、化石燃料の燃焼のような従来の発電機や、リチウムイオン電池のような可搬式蓄電装置より効率的である。特に、燃料電池の1つの用途は、可搬性または携帯型消費者電子装置、例えば、携帯電話、スマートフォン、パーソナルデジタルアシスタント、パーソナルゲームデバイス、グローバルポジショニングデバイス、充電式電池、コンピュータタブレット、ラップトップコンピュータ等に用いる携帯型の電源である。
燃料電池としては、アルカリ燃料電池、高分子電解質燃料電池、リン酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物型燃料電池、酵素燃料電池などが知られている。燃料電池は、一般に水素(H)燃料で作動し、非純水素燃料も消費することができる。非純水素燃料電池は、メタノールを使用する直接メタノール型燃料電池(DMFC)または高温で炭化水素を使用する固体酸化物型燃料電池(SOFC)などの直接酸化型燃料電池を含む。水素燃料は、圧縮された形で、またはアルコールまたは炭化水素または他の水素含有物質のような、水素燃料および副生成物に改質または変換され得る化合物内に貯蔵され得る。水素は、水素または副生成物を生成するために水またはアルコールと反応する水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)のような化学的水素化物に貯蔵することもできる。水素は、第1の圧力および温度で、ランタンペンタニッケル(LaNi)などの金属水素化物に吸着または吸収され、第2の圧力および温度で燃料電池に放出される。水素は、水素化マグネシウム(MgH)のような金属水素化物の熱分解反応によっても放出され得る。
ほとんどの低温水素燃料電池は、水素のプロトンを通過可能にするけれども、電子を外部回路を介して通過させるプロトン交換膜、すなわちポリマー電解質膜(PEM)を有している。この回路は、スマートフォン、PDA(personal digital assistant)、コンピュータ、電動工具、または電子流または電流を使用する任意の装置であり得る。燃料電池反応は、以下のように表すことができる。
燃料電池のアノードでの半反応:
→2H + 2e
燃料電池のカソードでの半反応:
2(2H + 2e)+ O→2H
一般に、PEMは、過フッ素化スルホン酸ポリマーであるDuPont社から入手可能なNafion(登録商標)または他の適切な膜のような、電解質として作用するプロトン交換ポリマーから製造される。アノードは、典型的には、その上に堆積された白金 − ルテニウムのような触媒の薄い層を有するテフロン(Teflonized)カーボンペーパー支持体から製造される。陰極は、典型的には白金粒子が膜の片側に結合されたガス拡散電極である。
特許文献および科学文献は、予め定められた圧力に達したときに触媒を反応物質から自動的に分離するガスまたは水素ガス生成システムをほとんど開示していない。しかし、さらなる設計が必要とされている。
本発明は、所定の圧力に達したときに触媒系を反応物から自動的に分離し、圧力が所定の圧力よりも低下したときに触媒系を反応物と化学的に接触させるガス発生システムに関する。
本発明はガス発生装置に関し、このガス発生装置は、
触媒の存在下で反応して気体を生成する液体反応物を含むハウジングであって、前記触媒は前記ハウジング内に配置された担体に含まれ、前記担体は前記液体反応物の全体密度よりも低い全体密度を有する、上記ハウジングと、
前記担体の位置を選択的に制御するように適合化された少なくとも1つの担体移動規制部材と、
所定体積のガスを含む少なくとも1つの圧縮性本体とを有し、
第1の構成では、前記ガス発生器の内圧が前記圧前記縮性本体の内圧よりも低く、前記圧縮性本体の容積が増加し、第2の構成では、前記ガス発生器の内圧が前記圧縮性本体の内圧よりも高く、前記圧縮性本体の容量が減少し、
前記少なくとも1つの担体規制部材は、前記第1の構成において、前記担体の動きを制限する。
前記少なくとも1つの担体移動規制部材は、前記液体反応物を流通可能とする少なくとも1つの多孔質閉じ込め部材であって、前記担体を少なくとも部分的に囲む、上記少なくとも1つの多孔質閉じ込め部材を含んで良い。前記第1の構成において、前記少なくとも1つの担体移動規制部材は、前記担体が前記液体反応物の頂部に浮くのを防止する。いくつかの実施例において、前記少なくとも1つの担体規制部材は、前記ガス発生器の前記ハウジングに対して固定されて良い。
代替的には、担体移動抑制部材は、担体の一方の端部および他方の端部でガス発生器のハウジングに接続された少なくとも1つの可撓性のストリングまたはストリップを備えることができる。
代替的には、担体移動抑制部材は、一端が担体に接続され、他端が発電機のハウジングに旋回可能に接続された少なくとも1つの実質的に非可撓性のロッドを備えてもよい。
いくつかの実施例では、少なくとも1つの多孔質閉じ込め部材は、ガス発生器のハウジングに対して移動可能である。一例では、少なくとも1つの多孔質閉じ込め部材を圧縮性本体に接続することができる。第1の構成では、少なくとも1つの多孔質閉じ込め部材が移動して、担体を液体反応物に浸す。
触媒担体は、少なくとも1つの浮揚部材および/または少なくとも1つのバラストを含むことができる。
また、本発明は、また、ガス発生器を操作する方法に関し、この方法は、
液体反応物および触媒担体を含むハウジングを準備するステップであって、前記触媒担体は前記液体反応物よりも浮揚性である、上記ステップと、
所定量のガスを内包する圧縮性本体を前記ハウジング内に準備するステップであって、第1の構成では、前記ガス発生器の内圧が前記圧縮性本体の内圧よりも低く、前記圧縮性本体の体積が増加し、第2の構成では、前記圧縮性本体は、前記ガス発生器の内圧が前記圧縮性本体の内圧よりも高く、前記圧縮性本体の体積が減少する、上記ステップと、
前記第1の構成において、前記触媒担体の移動を制限するステップとを有する。
添付の図面では、本明細書の一部を形成し、これと併せて読まれるべきであり、同様の参照番号は、様々な図において同様の部分を示すために使用される。
本発明のガス発生器の概略図である。 本発明の触媒フロートの一実施例の斜視図である。 図2Aの触媒フロートの断面図である。 Fig.3A、Fig.3B、およびF.g.3Cは、様々な構成の本発明のガス発生器の別の実施例の断面図である。 本発明のガス発生器の別の実施例の断面図である。 本発明のガス発生器の別の実施例の断面図である。 本発明のガス発生器の別の実施例の断面図である。 本発明のガス発生器の別の実施例の断面図である。
本発明は、ガス発生器内で動きが制約された触媒担体を具備するガス発生器に関する。好ましくは、触媒担体は、ガス発生器内の液体反応物よりも低い全体密度を有する触媒フロートを含み、触媒が液体反応物の上に浮遊するのに十分な浮力を与え、それにより、触媒を液体反応物から持ち上げ、または分離して、反応物によるガスを生成するための反応を停止させる。いくつかの実施例では、触媒担体またはフロートは、ガス発生器に取り付けられておらず、このケージまたは開放/多孔質閉じ込めシステム内に収容され、このケージまたは閉じ込めシステムは、液体反応物がそこを流れ、発生したガスがそこから出ることを可能にする。他の実施例では、触媒担体は、ストリングまたはストリップなどの可撓性の取り付け手段を介してガス発生器のハウジングに取り付けられる。動作中、一実施例では、封じ込めシステムは、ガス発生器のハウジングに対して実質的に静止したままである。ガス発生器は、少なくとも1つの膨張部材または圧縮可能部材をさらに備える。この膨張部材の容積は、ガス発生器の内圧に依存する。この実施例では、内圧が低い場合には、膨張部材の容積が増加して液体反応物のレベルを上昇させて、液体の反応物が触媒フロートを実質的に覆い、触媒フロートの動きは開放型封じ込めシステムによって制限され、液体反応物が触媒フロート中の触媒に到達できるようにする。内圧が高い場合には、膨張部材の体積が減少して液体反応物のレベルを低下させ、触媒フロートは、開放封じ込めシステムによる拘束がなく、液体反応物の頂部に浮遊し、触媒を、液体反応物のレベルより上に持ち上げる。別の実施例では、多孔質封じ込めシステムは、ガス発生器の内部圧力に応答して移動して触媒担体を移動させて液体反応物に浸漬する少なくとも1つの可動多孔質部材を有する。
触媒フロートは、その浮力または全体の密度を制御するための浮揚部材および/またはバラストを有していてもよく、フロートは、液体反応物がフロートおよび出口チャネルに入ることを可能にする進入チャネルを有してもよい。生成されたガスが流出する。好ましくは、触媒フロート内の触媒は、進入チャネルの入口端から離れてフロートの中心に向かって配置され、触媒フロートが液体反応物の頂部に浮遊するときに、触媒が液体反応物の表面から離間するようになっている。本発明のガス発生器は、動作するための1つ以上の好ましい特定の向きまたは向きの範囲を有してもよく、またはガス発生器の向きとは独立して動作してもよい。
図1を参照すると、ガス発生器10は、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウム、水、および水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムのような保存剤の混合物12を有して良い、液体反応物を含む。この混合物は、触媒の存在下で反応して水素を生成する。本発明は、水素を生成するために反応する特定の燃料混合物に限定されない。他の好適な燃料は、米国特許第8,636,961号および米国特許第8,636,826号に記載されている。さらに、他の燃料混合物をガス発生器10と共に使用して、酸素炭酸ガスなどの他のガスを生成することができる。非水素ガス発生器の非限定的な例は、米国特許第8,142,726号および第150,995号に開示されている。その全体が参照により本明細書に組み込まれる。液体反応物12の最上部レベルは、ガス発生器10の内圧および好ましくは一定量のガスを含む圧縮性本体14の内圧によって制御される。ガス発生器10内の内圧(P10)が圧縮性本体14の内圧(P14)よりも高い場合、まず、この相対圧力(P10>P14)が圧縮性本体14を圧縮して液面を低下させる。一方、ガス発生器10内の内圧(P10)が圧縮性本体14の内圧(P14)よりも低い場合には、この第2相対圧(P14>P10)により圧縮性本体14が膨張して液体レベルを上昇させる。したがって、P14は、大気圧の値を含む任意の値を有する基準圧力と考えることができる。圧縮性本体14の容積は、液体反応物12のレベル上昇量を決定する。
ガス発生器10は、触媒18、オプションの浮揚部材20およびオプションのバラスト22を含む、触媒担体/システムすなわち触媒フロート16をさらに有する。液体反応物12は、触媒18の存在下で反応して、ガス、好ましくは水素24を生成する。浮揚部材20および/またはバラスト22は、触媒フロート16の動きが拘束されていない場合、フロート16が液体反応物12の表面の上に浮くように、触媒フロート16の密度を調整するために使用される。図1に示すように、触媒フロート16の動きは境界内に限定され、例えば、ケージまたはスクリーンエンクロージャなどの多孔質エンクロージャ26のような担体移動抑制部材によって提供されてもよい。好ましくは、多孔質のエンクロージャ26は、ガス発生器10のハウジング27に相対的に固定される。例えば、多孔質のエンクロージャ26は、ハウジング27に直接的または間接的に取り付けることができる。
動作を説明すると、液体反応物12は触媒18の存在下で反応してガス24を生成する。ガス24がガス発生器10内に残っている場合、またはガス発生速度よりも低い速度でガス24が抜き出される場合、ガス発生器10の内圧P10が上昇する。P10が圧縮性本体14の内圧P14より大きい場合、第1の圧力差(P10−P14)は本体14を圧縮し、それによって液体反応物12のレベルを低下させる。液体レベルが多孔質エンクロージャ26、図1に示すレベル30では、液体反応物12はもはや触媒18に接触せず、ガス24を生成する反応は停止する。一方、ガス24がガス発生器10を出て燃料電池のような装置によって消費される場合、P10は減少し、P10がP14よりも低い場合、この第2の圧力差(P14−P10)液体レベルが多孔質エンクロージャ26の上に上昇するまで液体反応物12の液体レベルを上昇させ、それによって液体反応物12が触媒フロート16および触媒18に入ることを可能にする。触媒フロート16が液体の上を浮遊するので、反応物12では、触媒フロート16の動きが多孔質囲い26の頂部によって阻止されるまで反応は起こらない。
ガス発生器10は、また、使用済み液体反応物12を新鮮な供給物で置き換えるための液体反応物入口32および液体反応物出口34と、ガス発生器から生成物ガスを除去するためのガス出口36とを具備して良い。さらに、ガス発生器10は、米国特許第8,636,826号明細書および米国特許出願公開第2011/0212374号明細書に記載され、特許請求されているようなガスセパレータまたはガスセパレータ複合体を有し、液体反応物12および副産物から生成ガスを分離および除去して良い。
図2Aおよび図2Bは、フロート16のハウジング28を形成する2つのハーフシェルを有する触媒フロート16の一実施例を示す。2つのハーフシェルが中心線38で接合される。触媒18は、好ましくは、触媒フロート16の中心の近くに蓄えられる。触媒フロート16が液体反応物12の表面の上に浮くことを確実にするために、浮揚部材20が設けられている。バラスト22(図1に示す)を追加しても良い。触媒フロート16は、少なくとも1つの入口40および1つの出口42を具備する。典型的には、図2Aおよび図2Bに示す向きでは、液体反応物12は入口40で触媒フロート16に入り、生成されたガスは出口42で触媒フロート16を出る。触媒フロート16の当該実施例は対称的であるので、逆さまになって入口が出口になり、逆もまた逆になったときにも作動し続ける。また、触媒18が入口/出口40、42の外縁から離間していることが好ましく、もって、触媒フロート16が液体反応物12の上に位置するとき、触媒18は液体反応物12と接触しないようになっている。(P14>P10)の際に圧縮性本体14が膨張して液体反応物12のレベルが上昇するので、多孔質エンクロージャ26を設けて、触媒フロート16を囲み、触媒フロート16を液体反応物12に浸漬させるようにして良い。
図3Aは、ガス発生器10の他の実施例を、作動中およびガス発生中の状態で示す。触媒フロート16は、液体反応物12内に浸漬され、圧縮性本体14は膨張する。この実施例の多孔質エンクロージャ26は、触媒フロート16を少なくとも部分的に囲むが、触媒フロート16を完全に囲むこともできる。図3Bは、作動中であるが圧縮可能な本体14が収縮しているガス発生器10を示し、液体反応物12の表面レベルが多孔質囲い26の頂部の下に落ちて、触媒フロート16が液体反応物12の上に浮き、それによって触媒18を液体反応物12から持ち上げて遠ざける。図3Aおよび図3Bに示すように、ガス発生器が作動している間、多孔質囲い26はガス発生器10のハウジング28に対して固定されている。
図3Cは、触媒フロート16が液体反応物12の上に常に残るように、貯蔵中および最初の使用前に触媒フロート16を液体反応物12から離して保持する1つの可能な方法を示す。最初の使用、または最初の販売の前にガス発生器を貯蔵する他の方法は、液体反応物12の2以上の成分を分離状態または非混合状態に維持し、例えば最初の使用の直前まで水を水素化ホウ素ナトリウムと混合しないようにすることである。
図1および図3Aおよび図3Bに示すように、ガス発生器10は図示の向きで動作する。しかしながら、ガス発生器10は、ハウジング27および多孔質囲い26の形状が実質的に類似し、ハウジング28内に配置された多孔質囲い26がそれらの幾何学的中心が互いに一致するように配置されるならば、例えば、ハウジング27および多孔質囲い26は、それらの中心が実質的に同じ点に位置する球形を有することができる。多孔質囲い26とハウジング27との間の距離は、この場合、実質的に同じである。別の例では、ハウジング27および多孔質囲い26は、それらの幾何学的中心が互いに一致する立方体形状を有する。立方体多孔質エンクロージャ26と立方体ハウジング28との間の距離は、角を除いて実質的に同じである。
別の実施例では、図4Aおよび図4Bに示すように、多孔質囲い26は、圧縮性本体14に取り付けられた多孔質ピストン44であるように簡略化されている。(P14>P10)では、圧縮性本体14が膨張し、多孔質ピストン44および触媒フロート16を液体反応物12に押し込む。(P14<P10)と同様に、圧縮性本体が収縮して液体反応物12から多孔質ピストンを持ち上げ、触媒フロート16を上に浮かべて反応を停止させる。この場合、圧縮性本体14の膨張及び収縮は、液体反応物レベルを著しく又は顕著に増大させず、液体反応物12を触媒フロート16に移動させないことに留意されたい。圧縮性本体14の膨張/収縮は、触媒フロート16(図4A)、および収縮状態(図4B)にあるときに触媒フロート16を液体反応物12から放出させることによって、液体反応物12の出入りを制御することができる。
図5A〜図5Bは、図4Aおよび図4Bの実施例の変形例を示す。この変形は、ハウジング27の壁に取り付けられた複数の、例えば4組の圧縮性本体14/多孔質スクリーン44を示す。この変形例は、ガス発生器10が複数の向きで動作することを可能にする。例えば、各セット14/44は、少なくとも1つの動作可能な配位を実現する。
本発明によれば、図6Aおよび図6Bに示すように、触媒フロート16の移動は、紐またはストリップ50などの可撓性部材を含む少なくとも1つの担体移動拘束部材によって制限されてもよく、これは、一方の端部では、触媒フロート16に結合され、他方の端部では、ハウジング27のフロア上に、および/または、頂部、および/または、側壁に位置決めされた固着点55に結合される。この実施例では、図6Aから明らかなように、P14>P10であるとき、液体反応物12中の1つ以上の圧縮性本体14は、膨張張状態に膨張し、その結果、ハウジング27内の液体反応物のレベルがレベルL1に上昇する。図6Bから明らかなように、P14<P10の場合、液体反応物12内の1つ以上の圧縮性本体14は収縮状態に収縮し、その結果、ハウジング27内の液体反応物のレベルはレベルL2に低下し、レベルL1よりも低い。ストリング/ストリップ50は、図6Bでは、緩められていても、引っ張られていてもよい。図6Aおよび図6Bから明らかなように、レベルL1はレベルL2よりも高い。
代替的には、部材50は、一端が触媒フロート16に接続され、端部55においてハウジング27に旋回可能に接続された実質的に非可撓性のロッドまたはリンク50であってもよく、図6Bに示すように、ロッド50は、反応物質の表面の上に触媒フロート16を維持するように旋回することができる。
本明細書に開示された本発明の例示的な実施例は、上述の目的を満たすことは明らかであるが、多くの変更および他の実施例が当業者によって発明できることに留意されたい。さらに、一実施例の特徴は、他の実施例と共に使用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の趣旨および範囲内に入るすべてのそのような変更および実施例を網羅することが意図されていることを理解されたい。
10 ガス発生器
12 液体反応物(混合物)
14 圧縮性本体
16 触媒フロート
18 触媒
20 浮揚部材
22 バラスト
24 ガス(水素)
26 多孔質エンクロージャ
28 ハウジング
32 液体反応物入口
34 液体反応物出口
36 ガス出口
40 入口
42 出口

Claims (17)

  1. ガス発生装置において、
    触媒の存在下で反応して気体を生成する液体反応物を含むハウジングであって、前記触媒は前記ハウジング内に配置された担体に含まれ、前記担体は前記液体反応物の全体密度よりも低い全体密度を有するm上記ハウジングと、
    前記担体の位置を選択的に制御するように適合化された少なくとも1つの担体移動規制部材と、
    所定体積のガスを含む少なくとも1つの圧縮性本体とを有し、
    第1の構成では、前記ガス発生器の内圧が前記圧前記縮性本体の内圧よりも低く、前記圧縮性本体の容積が増加し、第2の構成では、前記ガス発生器の内圧が前記圧縮性本体の内圧よりも高く、前記圧縮性本体の容量が減少し、
    前記少なくとも1つの担体規制部材は、前記第1の構成において、前記担体の動きを制限することを特徴とするガス発生装置。
  2. 前記少なくとも1つの担体移動規制部材は、前記液体反応物を流通可能とする少なくとも1つの多孔質閉じ込め部材であって、前記担体を少なくとも部分的に囲む、上記少なくとも1つの多孔質閉じ込め部材を含む、請求項1に記載のガス発生器。
  3. 前記第1の構成において、前記少なくとも1つの担体移動規制部材は、前記担体が前記液体反応物の頂部に浮くのを防止する、請求項1に記載のガス発生器。
  4. 前記少なくとも1つの担体規制部材は、前記ガス発生器の前記ハウジングに対して固定されている、請求項3に記載のガス発生器。
  5. 前記第1の構成では、前記圧縮性本体が、前記ハウジング内の前記液体反応物のレベルを上げるために体積を増加させ、前記第2の構成では、前記圧縮性本体が、前記ハウジング内の前記液体反応物のレベルを低下させるために胆石を減少させる、請求項4に記載のガス発生器。
  6. 前記圧縮性本体が、前記液体反応物の中に少なくとも部分的に沈められている、請求項5に記載のガス発生器。
  7. 前記第1の構成において、前記少なくとも1つの多孔質閉じ込め部材は、前記液体反応物の上で前記担体が浮遊するのを防止する、請求項2に記載のガス発生器。
  8. 前記少なくとも1つの多孔質閉じ込め部材は、前記ガス発生器の前記ハウジングに対して移動可能である、請求項7に記載のガス発生器。
  9. 前記少なくとも1つの多孔質閉じ込め部材は、前記圧縮性本体に結合されている、請求項8に記載のガス発生器。
  10. 前記第1の構成では、前記少なくとも1つの多孔質閉じ込め部材が移動して前記担体を前記液体反応物の中に浸漬する、請求項9に記載のガス発生器。
  11. 前記触媒は、前記担体の中心に近接して配置される、請求項1に記載のガス発生器。
  12. 前記触媒は、少なくとも1つの平面の周りで対称である、請求項1に記載のガス発生器。
  13. 前記担体は、少なくとも1つの浮揚部材をさらに含む、請求項1に記載のガス発生器。
  14. 前記担体が、少なくとも1つのバラストをさらに含む、請求項13に記載のガス発生器。
  15. 前記少なくとも1つの担体移動規制部材は、前記担体と、前記ハウジングの表面に位置決めされた固定点とに接続された少なくとも1つのストリップを含む、請求項1に記載のガス発生器。
  16. 前記少なくとも1つの担体移動規制部材は、一端が前記担体に結合され、他端が前記ハウジングの表面に位置決めされた固定点に枢動可能に結合された、少なくとも1つの実質的に非可撓性のロッドまたはリンクを含む、請求項1に記載のガス発生器。
  17. ガス発生器を操作する方法において、
    (i)液体反応物および触媒担体を含むハウジングを準備するステップであって、前記触媒担体は前記液体反応物よりも浮揚性である、上記ステップと、
    (ii)所定量のガスを内包する圧縮性本体を前記ハウジング内に準備するステップであって、第1の構成では、前記ガス発生器の内圧が前記圧縮性本体の内圧よりも低く、前記圧縮性本体の体積が増加し、第2の構成では、前記圧縮性本体は、前記ガス発生器の内圧が前記圧縮性本体の内圧よりも高く、前記圧縮性本体の体積が減少する、上記ステップと、
    (iii)前記第1の構成において、前記触媒担体の移動を制限するステップとを有することを特徴とする、前記方法。
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