MX2011006742A - Generador de hidrogeno con catalizador en aerogel. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere un aparato generador de gas de hidrógeno (10) que comprende (1) un depósito (100) que comprende un componente acuoso (110), (2) un compartimiento de combustible (200) que comprende un componente sólido de combustible de borohidruro metálico (210), y (3) una cámara de reacción (300) que comprende un catalizador como aerogel (310). Una primera vía de fluido introduce el componente acuoso en el compartimiento de combustible cuando se disuelve el componente sólido de combustible de borohidruro metálico en un componente líquido de combustible de borohidruro metálico (210´). Una segunda vía de fluido introduce el componente líquido de combustible de borohidruro metálico en la cámara de reacción para producir un gas de hidrógeno por medio de una reacción de oxidación de hidruro-agua que se acelera por el catalizador como aerogel. La temperatura y/o la presión de la cámara de reacción están predeterminadas para mantener el agua en el subproducto de borato para estar prácticamente en la fase líquida para reducir al mínimo la precipitación del subproducto de borato.

Description

GENERADOR DE HIDRÓGENO CON CATALIZADOR EN AEROGEL REFERENCIA CRUZADA CON SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reclama la prioridad de la solicitud de patente provisional de los Estados Unidos núm. 61/140,313, presentada el 23 de Diciembre de 2008, que se incorpora a la presente como referencia en su totalidad.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere en general a los métodos y sistemas para generar hidrógeno para celdas de combustible. Más particularmente, la presente invención se refiere a los aparatos que generan hidrógeno que comprenden un aerogel orgánico cubierto con una fina dispersión de catalizador, el cual acelera las reacciones de oxidación exotérmica de hidruro-agua que liberan hidrógeno. La presente invención se refiere también a una cámara de reacción que puede sostener la reacción hasta que se consumen prácticamente todos los reactivos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las celdas de combustible son dispositivos que convierten directamente la energía química de los reactivos es decir, el combustible y oxidante en electricidad de corriente continua (CC) . Para una serie de aplicaciones las celdas de combustible pueden ser más eficientes que la generación de energía convencional, como la combustión de combustible fósil, así como almacenamiento de energía portátil, tales como baterías de iones de litio.

En general, la tecnología de celdas de combustible incluye una variedad de diferentes celdas de combustible, tales como las celdas de combustible alcalinas, las celdas de combustible de electrolito polimérico, las celdas de combustible de ácido fosfórico, las celdas de combustible de carbonato fundido, las celdas de combustible de óxido sólido y celdas de combustible de enzimas. Las celdas de combustible más importantes en la actualidad se pueden dividir en varias categorías generales, es decir, (i) las celdas de combustible que utilizan hidrógeno comprimido (H2) como combustible; (ii) celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) que utilizan alcoholes, por ejemplo, metanol (CH3OH) , hidruros metálicos, por ejemplo, borohidruro de sodio (NaBH4) , hidrocarburos u otros combustibles reformados en combustible de hidrógeno; (iii) celdas de combustible PEM que pueden consumir combustible diferente al hidrógeno directamente o celdas de combustible de oxidación directa; y (iv) las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) que convierten directamente los combustibles de hidrocarburo en electricidad a alta temperatura .

El hidrógeno comprimido se mantiene generalmente a alta presión y, por lo tanto, es difícil de manejar. Por otra parte, típicamente se requieren grandes tanques de almacenamiento y no pueden hacerse lo suficientemente pequeños para dispositivos electrónicos de consumo. Las celdas de combustible reformadas convencionales requieren reformadores y otros sistemas de vaporización y auxiliares para convertir a los combustibles en hidrógeno al reaccionar con el oxidante en la celda de combustible. Los avances recientes hacen al reformador o a las celdas de combustible reformadas, prometedores para los dispositivos electrónicos de consumo. Las celdas de combustible de oxidación directa más comunes son celdas de combustible de metanol directo o DMFC por sus siglas en inglés . Otras celdas de combustible de oxidación directa incluyen celdas de combustible de etanol directo y celdas de combustible de ortocarbonato de tetrametilo directo. Las DMFC, en donde el metanol reacciona directamente con el oxidante en la celda de combustible tienen una aplicación de energía prometedora para dispositivos electrónicos de consumo. Las SOFC convierten los combustibles de hidrocarburos tales como butano a alta temperatura para producir electricidad. Las SOFC requieren temperaturas relativamente altas en un intervalo de 1000 °C para que se produzca la reacción de la celda de combustible .

Otro tipo de combustible líquido es la hidrazina, que puede ser anhidra o en su forma monohidratada . La hidrazina es soluble en agua y se descompone para formar hidrógeno en presencia de agua de la siguiente manera: N2H4H20 + H20 ? 2H2 + N2 + 2H20 Las reacciones químicas que producen electricidad son diferentes para cada tipo de celda de combustible. Para las DMFC; a continuación se describen la reacción química-eléctrica en cada electrodo y la reacción general de una celda de combustible de metanol directo- La mitad de la reacción en el ánodo: CH3OH + H20 ? C02 + 6H+ + 6e~ La mitad de la reacción en el cátodo: 1.502 + 6H+ + 6e~ ? 3H20 La reacción de la celda de combustible en general : CH3OH + 1.502 ? C02 + 2H20 Debido a la migración de los iones hidrógeno (H+) a través de la PEM del ánodo al cátodo y debido a la incapacidad de los electrones libres (e") para pasar a través de la PEM, los electrones fluyen a través de un circuito externo, lo que produce una corriente eléctrica a través del circuito externo. El circuito externo se puede usar para energizar muchos dispositivos electrónicos de consumo útiles, tales como teléfonos móviles o celulares, calculadoras, asistentes digitales personales, computadoras portátiles, y herramientas eléctricas, entre otros.

La DMFC se describe en las Patentes de los Estados Unidos Núms . 5,992,008 y 5,945,231, que se incorporan como referencia en la presente en su totalidad. En general, la PEM se hace a partir de un polímero, tal como Nafion® disponible de DuPont que es un polímero de ácido sulfónico perfluorado con un espesor en el intervalo de aproximadamente 0.05 milímetros hasta aproximadamente 0.50 mm u otra membrana adecuada. El ánodo se hace típicamente a partir de un soporte de papel carbón Teflonado con una capa delgada de catalizador tal como platino-rutenio, depositada sobre él. El cátodo es típicamente un electrodo de difusión de gas en el que las partículas de platino se unen a un lado de la membrana.

En otra celda de combustible de oxidación directa, la celda de combustible de borohidruro (DBFC) reacciona de la siguiente manera: La mitad de la reacción en el ánodo: BH4- + 80H" -» B02~ + 6H20 + 8e~ La mitad de la reacción en el cátodo: 202 + 4H20 + 8e" 80H" Los combustibles químicos de hidruro metálico son prometedores debido a su densidad de energía relativamente alta, es decir, la cantidad de hidrógeno por masa o volumen de combustible. En una celda de combustible químico de hidruro metálico, el borohidruro de sodio se reforma y reacciona de la siguiente manera: NaBH + 2H20 ? (calor o catalizador) ? 4(H2) + (NaB02) La mitad de la reacción en el ánodo: H2 ? 2H+ + 2e~ La mitad de la reacción en el cátodo: 2 (2H+ + 2e") + 02 ? 2H20 Catalizadores adecuados para esta reacción incluyen platino, rutenio y otros metales. El combustible de hidrógeno producido a partir de la reforma de borohidruro de sodio se hace reaccionar en la celda de combustible con un oxidante como 02, para generar electricidad (o un flujo de electrones) y subproducto del agua. El subproducto de borato de sodio (NaB02) también se produce mediante el proceso de reforma. Una celda de combustible de borohidruro de sodio se describe en la Patente de los Estados Unidos Núm. 4,261,956, que se incorpora como referencia en la presente en su totalidad.

Una desventaja de los generadores de gas de hidrógeno conocidos es que la reacción de oxidación de borohidruro-agua mencionada anteriormente, genera subproductos indeseables de borato que limitan la liberación de hidrógeno a partir de borohidruro. En consecuencia, hay un deseo de obtener un aparato generador de gas de hidrógeno que sea capaz de maximizar la liberación de hidrógeno a partir de combustibles químicos de hidruro metálico.

STJMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un aparato generador de gas de hidrógeno que comprende un depósito que comprende un componente acuoso tal como el agua o metanol y aditivos, un compartimiento de combustible que comprende un componente de combustible sólido como un hidruro metálico y aditivos, una cámara de reacción que comprende un catalizador disperso en una plataforma de aerogel. Una primera vía de fluido introduce el componente acuoso que está de preferencia presurizado, en el compartimiento de combustible, en donde el componente sólido de combustible se disuelve para formar una mezcla acuosa de combustible. Una segunda vía de fluido introduce la mezcla de combustible acuoso en la cámara de reacción para producir un gas como el hidrógeno mediante una reacción de oxidación que se acelera por el catalizador como aerogel .

En una modalidad preferida, el catalizador como aerogel se coloca dentro de una cámara de reacción, que recoge tanto el gas de hidrógeno como subproductos. La cámara de reacción, incluye de preferencia un recipiente flexible que contiene una cantidad suficiente de agua para mantener los subproductos en un estado acuoso, y evitar así la formación de precipitados que pueden obstruir los poros en el catalizador como aerogel.

La cámara de reacción se mantiene de preferencia a cierta temperatura y/o presión para reducir al mínimo la probabilidad de desarrollar una evaporación excesiva del agua y el potencial para la precipitación de los subproductos .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS En los dibujos anexos, que forman parte de la especificación y deben ser leídos en conjunto con ésta y en donde se utilizan números de referencia similares para indicar partes similares en las diferentes vistas: La Figura 1 es una vista esquemática en sección transversal de un aparato generador de gas de acuerdo con la presente invención; La figura 2 es una vista en despiece de un equipo disolvente de la invención; La figura 3 es una vista en despiece de otro equipo disolvente de la invención,· y La Figura 4 es un diagrama de temperatura-presión que muestra las tres fases del agua.

La Figura 5 es un diagrama que representa la hidratación en función de la temperatura.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCION Como se ilustra en los dibujos anexos y se describe en detalle más adelante, la presente invención se refiere a un suministro de combustible que almacena los combustibles de celdas de combustible. El metanol y otros alcoholes se pueden utilizar en muchos tipos de celdas de combustible por ejemplo, DMFC celdas de combustible de enzimas y celdas de combustible reformadas, entre otros. El suministro de combustible puede contener otros tipos de combustibles de celdas de combustible, tales como el etanol o alcoholes; hidruros metálicos, tales como borohidruros de sodio; otros productos químicos que pueden ser reformados en hidrógeno; u otros productos químicos que pueden mejorar el desempeño o la eficiencia de las celdas de combustible. Los combustibles también incluyen electrolito de hidróxido de potasio (KOH) , que se puede utilizar con celdas de combustible de metal o celdas de combustible alcalino y se puede almacenar en los suministros de combustible. Para las celdas de combustible de metal, el combustible está en la forma de partículas de zinc que llevan fluido, inmersas en una solución de reacción electrolítica de KOH y los ánodos dentro de las cavidades de las celdas son ánodos particulados formados por las partículas de zinc. En la Publicación de Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. 2003/0077493, titulada "Method of Using Fuel Cell System Configured to Provide Power to One or More Loads" , publicada el 24 de Abril de 2003, que se incorpora como referencia en la presente en su totalidad. Los combustibles también pueden incluir una mezcla de metanol, peróxido de hidrógeno y ácido sulfúrico que fluye al pasar por un catalizador formado en hojuelas de silicio para crear una reacción de la celda de combustible. Por otra parte, los combustibles incluyen una combinación o mezcla de metanol, borohidruro de sodio, un electrolito, y otros compuestos, tales como los descritos en las Patentes de los Estados Unidos Núms. 6,554,877, 6,562,497 y 6,758,871, que se incorporan como referencia en la presente en su totalidad. Además, los combustibles incluyen esas composiciones que están parcialmente disueltas en un solvente y parcialmente suspendidas en un solvente que se describen en la Patente de los Estados Unidos Núm. 6,773,470 y las composiciones que incluyen tanto el combustible líquido como los combustibles sólidos, que se describen en la Publicación de Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. 2002/0076602. Combustibles adecuados también se describen en la publicación internacional de copropiedad Núm. O 2006/135,895, titulada "Fuels for Hydrogen-Generating Cartridges" , publicada el 21 de Diciembre de 2006. Estas referencias también se incorporan como referencia en la presente en su totalidad.

Los combustibles además pueden incluir combustibles de hidrocarburo que incluyen, sin restricción, butano, queroseno, alcohol y gas natural, según lo establecido en la Publicación de Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. 2003/0096150, titulada "Liquid Hereto-Interface Fuel Cell Device" , publicada el 22 de Mayo de 2003, que se incorpora como referencia en la presente en su totalidad. Los combustibles también pueden incluir oxidantes líquidos que reaccionan con los combustibles. Por lo tanto, la presente invención no se limita a algún tipo de combustibles, soluciones electrolíticas, soluciones oxidantes, líquidos o sólidos contenidos en el suministro o utilizado de otro modo por el sistema de celda de combustible. El término "combustible" que se utiliza en la presente incluye todos los combustibles que se pueden hacer reaccionar en celdas de combustible o en el suministro de combustible e incluye, sin restricción, todos los combustibles adecuados anteriores, soluciones electrolíticas, soluciones oxidantes, gases, líquidos, sólidos y/o productos químicos que incluyen aditivos, catalizadores y mezclas de los mismos . Los combustibles preferidos incluyen un hidruro metálico, tal como borohidruro de sodio (NaBH4) y agua indicados anteriormente .

Como se utiliza en la presente, el término "suministro de combustible" incluye, sin restricción, cartuchos desechables, cartuchos rellenables reusables, recipientes, cartuchos que residen en el interior del dispositivo electrónico, cartuchos desmontables, cartuchos que se encuentran fuera del dispositivo electrónico, tanques de combustible, tanques de relleno de combustible, otros recipientes que almacenen el combustible y los tubos conectados a los tanques de combustible y recipientes . Mientras que un cartucho se describe a continuación en relación con las modalidades ejemplares de la presente invención, se observa que estas modalidades son también aplicables a otros suministros de combustible y la presente invención no se limita a algún tipo particular de suministro de combustible.

El suministro de combustible de la presente invención también se puede utilizar para almacenar combustibles que no se utilizan en las celdas de combustible. Estas aplicaciones pueden incluir, sin restricción el almacenamiento de hidrocarburos y combustibles de hidrógeno para los motores de microturbinas de gas construidos en hojuelas de silicio, descritos en "Here Come the Microengines" , publicado en The Industrial Physicist (Diciembre 2001/Enero 2002) en las pp . 20-25. Como se utiliza en la presente solicitud, el término "celda de combustible" también puede incluir micromotores . Otras aplicaciones pueden incluir el almacenamiento de combustibles tradicionales para los motores de combustión interna e hidrocarburos como el butano para encendedores de bolsillo y de uso general y el propano líquido.

En la Patente de los Estados Unidos de propiedad común Núm. 7,329,470, la Publicación de Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. US 2005-0074643 Al, la Publicación de Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. 2006-0174952 Al, la Publicación de Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. 2006-0191198 Al y la publicación internacional Núm. WO 2006/135,895 se describen aparatos de generación de hidrógeno, conocidos, adecuados. Las descripciones de estas referencias se incorporan como referencia en la presente en su totalidad.

La presente invención se refiere a un aparato de generación de hidrógeno que comprende un catalizador como aerogel, que acelera las reacciones exotérmicas de oxidación de borohidruro-agua que liberan gas hidrógeno, que incluyen sin restricción, la siguiente reacción (1) : X(BH4)y + 2H20 -> X(B02) + 4H2 (1) en donde X incluye, sin restricción, cualesquier metales del Grupo IA o Grupo IIA tales como Na, g, Li, K, o similares o una combinación de los mismos y donde y es un número que representa la valencia de X. Como se representa en la Figura 1 y se describe con mayor detalle más adelante, la presente invención incluye otras diversas innovaciones estructurales, que están diseñadas para maximizar la generación de gas hidrógeno y reducir al mínimo la resistencia al flujo.

Como se utiliza en la presente el término "aerogel" se refiere a un material muy poroso de baja densidad, que es preparado mediante la formación de un gel y luego la eliminación de líquido del gel mientras que substancialmerite conserva la estructura del gel . Por lo general un aerogel es una estructura en donde el gas se dispersa en un sólido amorfo compuesto de partículas interconectadas que forman poros interconectados , pequeños. Específicamente y como se utiliza en la presente, un aerogel es una estructura en la que: (1) el diámetro de poro promedio oscila entre aproximadamente 2 nm y aproximadamente 50 nm, que se determina a partir de la curva de adsorción de N2 de BJH (Barrett, Joyner y Halenda) de múltiples puntos en un intervalo de presiones relativas, típicamente de 0.01 a 0.99 ("el método BJH" mide el diámetro de poro promedio de los poros que tienen diámetros entre 1 y 300 nm y que no toma en cuenta los poros más grandes) ; y (2) al menos el 50% de su volumen de poro total comprende poros que tienen un diámetro de poro de entre 1 y 300 nm. Más descripción de los aerogeles se puede encontrar en la Patente de los Estados Unidos Núm. 7,005,181, que se incorpora en la presente como referencia en su totalidad.

Se conoce una variedad de composiciones diferentes como aerogel, que incluyen sin restricción, híbridos inorgánicos, orgánicos u orgánicos inorgánicos. Los aerogeles inorgánicos se pueden basar en alcóxidos metálicos, tales como la sílice [S. S. Kistler, ature, 1931, 127,764 y S.S. Kistler, Patente de los Estados Unidos Núm. 2,093,454], alúmina [S . J. Teichner et al., Adv. Colloid Interface Sci. 1976, 5, 245], y varios carburos [C. I. Merzbacher et al., J. Non-Cryst. Solid, 2000, 285, 210-215] . Los aerogeles orgánicos incluyen, sin restricción, aerogeles de uretano [G. Biesmans et al., 1998, 225, 36], aerogeles de resorcinol formaldehído [R. W. Pekala, Patente de los Estados Unidos Núm. 4,873,218], aerogeles fenólicos [D. Albert et al., Patente de los Estados Unidos Núm. 7,005,181] y aerogeles de poliimida [ . Rhine et al., Patente de los Estados Unidos Núm. 7,074,880] .

Los aerogeles están disponibles en el mercado de varias fuentes que incluyen Cabot Corp. (Billerica, Mass.), Aspen Aerogel, Inc. (No thborough, Mass.), Hoechst AG (Alemania) , y American Aerogel Corp. (Rochester, NY) .

En una modalidad preferida, la presente invención utiliza aerogeles orgánicos (por ejemplo, aerogeles fenólicos) , tales como los descritos en la patente '181 de Albert et al . y tales como los disponibles en el mercado como AEROBLACK® de American Aerogel Corp. Más particularmente, los aerogeles orgánicos preferidos se preparan de acuerdo con un proceso de polimerización en dos pasos descrito en la patente *181. El primer paso comprende la reacción de un aromático hidroxilado o una resina polimérica que comprende un aromático hidroxilado (por ejemplo, resina fenólica, de preferencia una resina fenólica-novolaca tal como GP-2018c, disponible en el mercado de Georgia-Pacific Resins, Inc., de Decatur, Georgia) con al menos un agente de enlace electrofílico (por ejemplo, alcohol tal como el metanol) en un solvente. El solvente comprende por lo menos un compuesto, que es un líquido que disuelve el precursor orgánico, precipita el producto reticulado y sirve para reforzar la red sólida durante el segundo paso (es decir, el secado) . Los mecanismos para esta interacción de refuerzo pueden incluir unión fuerte de hidrógeno y/o modificaciones covalentes que endurecen la columna vertebral del polímero para reducir al mínimo (y de preferencia evitar) el agrietamiento y el encogimiento durante el secado. La reacción puede producirse en presencia de un catalizador (por ejemplo, ácidos minerales tales como el ácido bromhídrico) que promueve la polimerización y/o reticulación.

El segundo paso consiste en el secado para eliminar los componentes líquidos. A diferencia de otros procesos conocidos en la técnica el paso de secado no requiere la extracción supercrítica y/o no provoca una degradación sustancial. Los métodos de extracción supercrítica opcionalmente se pueden usar solos o en combinación con otros métodos de secado.

El proceso de polimerización de dos pasos mencionado anteriormente produce un aerogel que se puede utilizar como un soporte o plataforma del catalizador ya que presenta propiedades óptimas de la superficie tales como la alta porosidad y los valores del área de superficie. En general, el potencial catalítico del aerogel está relacionado proporcionalmente con la estructura de celda abierta del aerogel y el área de superficie. Por lo tanto, el aerogel utilizado en esta invención comprende una estructura de celda abierta en la que más de aproximadamente el 80% de las celdas o los poros están abiertos, de preferencia más de aproximadamente el 90% de las celdas o los poros están abiertos de preferencia más de aproximadamente el 100% de las celdas o los poros están abiertos. Del mismo modo, el aerogel utilizado en esta invención comprende un área de superficie superior a aproximadamente 100 m2/g, de preferencia mayor de aproximadamente 250 m2/g, con más preferencia superior a aproximadamente 500 m2/g, y con preferencia superlativa superior a aproximadamente 1000 m2/g.

Debido a que el aerogel utilizado en la presente invención tiene tan alta porosidad y área de superficie, hay grandes multitudes de sitios o poros donde se pueden depositar catalizadores, por ejemplo mediante atrapamiento mecánico y/o enlaces químicos, para facilitar las reacciones de oxidación de borohidruro-agua . Los catalizadores de forma genérica se pueden definir mediante la siguiente fórmula: en donde M es un metal de transición o de tierras raras, X es una porción enlazada covalentemente , iónicamente o a través de enlaces de hidrógeno al metal y "a" y "b" son números enteros de 1 a 6 según sea necesario para equilibrar la valencia de M .

Cationes de metales de transición adecuados pueden incluir, sin restricción, hierro (II) (Fe2+) , hierro (III) (Fe3+) , cobalto (Co2+) , níquel (II) (Ni2+) , níquel (III) (Ni3+) , rutenio (III) (Ru3+) , rutenio (IV) (RU4+) , rutenio (V) (Ru5+) , rutenio (VI) (Ru6+) , rutenio (VIII) (Ru8+) , rodio (III) (Rh3+) , rodio (IV) (RH4+) , rodio (VI) (Rhs+) , paladio (Pd2+) , osmio (III) (Os3+) , osmio (IV) (Os4+) , osmio (V) (Os5+) , osmio (VI) (Ose+) , osmio (VIII) (Os8+) , iridio (III) (Ir3+), iridio (IV) (Ir4+) , iridio (VI) (Ir6+) , platino (II) (Pt2+) , platino (III) (Pt3+) , platino (IV) (Pt4+) , platino (VI) (Pt6+) , cobre (I) (Cu+) , cobre (II) (Cu2+) , plata (I) (Ag+) , plata (II) (Ag2+) , oro (I) (Au+) , oro (III) (Au3+) , zinc (Zn2+) , cadmio (Cd2+) , mercurio (I) (Hg+) , mercurio (II) (Hg2+) , tantalio (Ta), y similares.

Porciones X adecuadas pueden incluir, sin restricción, hidruro (H~) , fluoruro (F") , cloruro (Cl") , bromuro (Br") , yoduro (I") , óxido (O2") , sulfuro (S2") , nitruro (N3") , fosfuro (P4") , hipoclorito (CIO") , clorito (C102") , clorato (cio3") , perclorato (C1CV) , sulfito (S032") , bisulfito (HSO3") , sulfato (S02") , bisulfato (HS04") , hidróxido (OH") , cianuro (CN") , tiocianato (SCN") , cianato (OCN") , peróxido (022") , hidroperóxido (HOO") , manganato (Mn042") , permanganato (??04') , cromato (Cr02") , dicromato (Cr207 ~) carbonato (C032") , carbonato ácido (HC03") , fosfato (?02') , fosfato ácido (??04') , fosfato diácido (?2??4~) , fosfito (P032") , fosfito ácido (HP03~) , hipofosfito (P02") , aluminato (?12042') , arseniato (As03") , nitrato (N03") , nitrito (N02") , acetato (CH3COO") , oxalato (C2042") , alcóxido CH3(CH2)nO", en donde n es un número entero de 0 a aproximadamente 19), y similares.

Como se usa en la presente, el término "catalizador como aerogel" se refiere a la combinación de un aerogel y uno o más catalizadores. En una modalidad preferida, un catalizador como aerogel está formado por catalizadores de depósito, de preferencia catalizadores ácidos tales como CoCl2 y RuCl3, en un aerogel adecuado. En un ejemplo 0.25 g de CoCl2, 0.15 g de RuCl3 y 10 mi de agua o porciones similares de los mismos se mezclan para formar una solución catalítica. Un sustrato de 0.5 gramos de aerogel se calienta y luego se satura con una dispersión fina de la solución catalítica. Posteriormente, el aerogel saturado se seca al vacío durante aproximadamente 2-4 horas a aproximadamente 140-160°C.

Como se ilustra en la Figura 1, en una modalidad preferida el aparato generador de hidrógeno o gas 10 comprende al menos tres compartimientos: un depósito 100 para almacenar un componente acuoso 110, un equipo disolvente 200 para alojar un componente de combustible químico sólido de hidruro metálico 210 y una cámara de reacción 300 para alojar un catalizador como aerogel 310 y albergar la reacción para producir un gas, por ejemplo, hidrógeno. De acuerdo con la presente invención, la cámara de reacción 300 se encuentra lejos de donde el combustible sólido se mezcla con el combustible acuoso. En una modalidad, la cámara de reacción 300 se coloca dentro de la misma cámara que los subproductos. Más específicamente, la cámara de reacción 300 es almacenada dentro de un forro 320. Como se describe con mayor detalle a continuación, el componente acuoso 110, que comprende principalmente el agua, un estabilizante tal como NaOH y otros aditivos opcionales, fluye en el equipo disolvente 200 donde disuelve el combustible sólido de hidruro metálico 210 en una mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 210'. La mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 210' fluye entonces a la cámara de reacción 300 donde se somete a una reacción exotérmica, tal como y de acuerdo con la ecuación (1) , en las celdas abiertas o poros del catalizador como aerogel 310.

El catalizador como aerogel 310 se coloca de preferencia dentro de un alojamiento 330, que está colocado dentro del forro 320. El alojamiento 330 comprende además un limitador de flujo para maximizar el tiempo que la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 210' tiene que reaccionar en presencia del catalizador como aerogel 310. En una modalidad, el limitador de flujo comprende un retén 340 con una válvula de paraguas 350. La válvula de paraguas 350 ventajoso disminuye el flujo de líquido con el fin de dar a la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 210' más tiempo para reaccionar en el catalizador como aerogel 310. En la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. de Serie 11/917,238 presentada el 12 de Diciembre de 2007 (publicada como WO 2006/135,896) se describe una válvula de paraguas ejemplar y se representa en la misma en la Figura 14 con el número de referencia 981. La descripción de la solicitud '238 se incorpora en la presente como referencia en su totalidad.

El catalizador como aerogel 310 acelera la oxidación de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 210' . Como se observa en la reacción expresada por la ecuación (1) , la reacción exotérmica de oxidación de borohidruro-agua genera tanto gas hidrógeno como subproductos indeseables de borato, incluyendo metaborato (B02") y otras formas de boratos. A medida que continúa la reacción de oxidación los subproductos de borato pueden tener una tendencia a precipitarse y formar una piel o cáscara en la superficie del catalizador como aerogel 310, obstruyendo así los múltiples sitios de poros abiertos en éste e inhiben las reacciones de oxidación del borohidruro-agua. Por otra parte, el metaborato y otros iones de borato pueden formar un enlace con varias moléculas de agua cada uno, que reacciona con algunos y se quela con otros, lo cual hace que la reacción de oxidación de hidruro metálico necesite más agua que la reacción estequiométrica ideal. También, se cree que el agua debe pasar a través de la piel del borato y no ser quelada por, o reaccionar con, los subproductos de la oxidación del borato antes de llegar por debajo del catalizador como aerogel. A pesar de que el metaborato y otros iones de borato son menos reactivos con el agua que las moléculas de borohidruro, la piel de borato causa que se limite la velocidad del paso de reacción de borato-agua/quelación. Mayores consideraciones sobre la inconveniencia de los subproductos de borato se pueden encontrar en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. de serie 12/089,018 presentada el 2 de Abril 2008 (publicada como O 2007/041,403), que se incorpora en la presente como referencia en su totalidad.

Por consiguiente, es preferible evitar la precipitación de borato y la formación de una piel de borato. En una modalidad preferida, el catalizador como aerogel 310, contenido en el alojamiento 330, se coloca dentro del forro 320, en donde se recogen los subproductos. Esta estructura permite que el gas hidrógeno y los subproductos de borato fluyan fácilmente fuera del alojamiento del catalizador 330 en el forro 320, en donde los subproductos de borato permanecen disueltos en un medio acuoso. En otra modalidad estructural (no mostrada), el catalizador como aerogel 310 y su alojamiento 330 se colocan fuera del forro 320.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, el medio acuoso en el forro 320 que contiene los subproductos de borato, de preferencia se mantiene a cierta temperatura y presión de preferencia a aproximadamente 45 °C o menos y por encima de aproximadamente 0.1054 kg/cm2 (1.5 psi) , como se explica en detalle a continuación. Si la temperatura aumenta por encima de este nivel por ejemplo mediante la reacción exotérmica (1) , entonces el agua en el forro 320 se evaporaría gradualmente, conduciendo así a la precipitación indeseable de los subproductos de borato y a la obstrucción de la multitud de poros del aerogel. Un experto en la técnica apreciará fácilmente que a mayores presiones, el agua puede mantenerse a temperaturas más altas. La termodinámica y el equilibrio térmico de masa se describen en detalle más adelante.

Volviendo a la Figura 1, ahora se describirá el flujo de líquido del depósito 100 a la cámara de reacción 300. El depósito 100 comprende preferentemente un forro, vejiga o recipiente de fluido similar 120 que almacena el componente acuoso 110 como se muestra. El componente acuoso 110 es una solución que comprende principalmente agua, un agente estabilizante que impide la hidrólisis prematura del componente de combustible de hidruro metálico 210 y otros aditivos opcionales. Agentes estabilizantes ejemplares pueden incluir, sin restricción, metales e hidróxidos metálicos, tales como los hidróxidos de metales alcalinos, por ejemplo, KOH y/o NaOH. Ejemplos de tales estabilizantes se describen en la Patente de los Estados Unidos Núm. 6,683,025, que se incorpora como referencia en la presente en su totalidad.

De preferencia en una modalidad, el componente acuoso 110 comprende 35 mi de una solución acuosa, en donde el agente estabilizante es NaOH y en donde el NaOH tiene una concentración de aproximadamente 0.1%-30% vol . , con más preferencia 0.3%-20% vol., con mayor preferencia 0.5%-10% vol. El componente acuoso 110 es transportado inicialmente o bombeado hacia el recipiente de fluido 120 por una válvula de llenado 130 que puede ser cualquier válvula adecuada, incluyendo sin restricción, válvulas de bola, válvulas de aguja, válvulas de tres vías y de cuatro vías, válvulas de compuerta, válvulas de mariposa, válvulas giratorias y válvulas de retención.

El recipiente de fluido 120 está compuesto de cualquier material deformable. De preferencia, el recipiente de fluido 120 se fabrica de un material elastomérico, deformable conocido en la técnica, tal como caucho, uretano, o silicona. En una modalidad preferida, el recipiente de fluido 120 es una silicona elastomérica que está presurizada tal como por resortes o por gas presurizado o hidrocarburo licuado (por ejemplo, butano, propano e iso-propano) , aunque también puede ser sin presurizar. Cuando se utiliza hidrocarburo licuado, éste se inyecta en el depósito 100 y se contiene en el espacio entre el recipiente de fluido 120 y el depósito 100.

El depósito 100 y el equipo disolvente 200 se conectan de manera fluida mediante un conducto de transferencia de fluido 150. Una válvula de transferencia de fluido de entrada 220, dispuesta en un extremo del equipo disolvente 200 que controla el flujo de componente acuoso 110 por medio del conducto 150 hacia el equipo disolvente 200. Opcionalmente , una válvula de cierre 140, dispuesta en la parte superior del recipiente de fluido 120, puede ser apretada por un usuario para encender o apagar manualmente el flujo por medio del conducto 150. Una válvula de transferencia de fluido de salida 260 se dispone en el extremo opuesto del equipo disolvente 200.

Como se muestra en la Figura 1, la válvula de transferencia de fluido de entrada 220 puede ser cualquier tipo de válvula de una vía sensible a la presión, conocida en la técnica, que incluye sin restricción, una válvula de retención, una válvula de solenoide, una válvula de pico de pato o, de preferencia, una válvula que tiene un diafragma sensible a la presión, que se abre o se cierra cuando se alcanza una presión de umbral. En una modalidad preferida, la válvula de transferencia de fluido 220 es una válvula de diafragma, como la que se muestra en la Figura 2 y se describe a continuación. La válvula de transferencia de fluido 220 está ajustada al tamaño de manera que en o por encima de una presión predeterminada dentro del equipo disolvente 200, la válvula 220 se apaga. Un limitador de flujo 226 puede ser incluido para disminuir el flujo del componente acuoso 110 para maximizar el tiempo de residencia dentro del equipo disolvente 200. El resistor de flujo 226 puede ser cualquier dispositivo que disminuya el flujo del componente acuoso 110, tales como los que se muestran en las Figuras 2 y 3 y se describen a continuación .

El equipo disolvente 200 también comprende un componente sólido de combustible de hidruro metálico 210 que está rodeado herméticamente por la vejiga deformable 230. La vejiga 230 puede ser de cualquier tipo de material capaz de expandirse y contraerse sin la aplicación de fuerzas externas. Por ejemplo, la vejiga 230 puede ser una estructura similar a un globo hecha de un elastómero tal como caucho o látex. Alternativamente, la vejiga expandible 230 puede fabricarse de un material plástico que pueda ser calentado para volver a su configuración original cuando se vacía tal como tereftalato de polietileno (PET) .

El almacenamiento del combustible de hidruro metálico que lleva hidrógeno en forma sólida es preferible a la forma acuosa. En general, se cree que los combustibles sólidos de hidruro son más ventajosos que los combustibles acuosos de hidruro debido a que los combustibles acuosos contienen proporcionalmente menos energía que los combustibles sólidos. Sin embargo, también se puede utilizar combustible acuoso de hidruro premezclado para suministrar combustible a la cámara de reacción. En una modalidad preferida, el componente sólido de combustible de hidruro metálico 210 es una pildora o tableta cilindrica. Sin embargo, también son apropiados los gránulos, granos u otras formas de material sólido. El componente sólido de combustible de hidruro metálico 210 tiene un tapón sólido o impermeable 250 (por ejemplo, un tapón de silicona) colocado en cada extremo y, por lo tanto, el componente sólido de combustible de hidruro metálico 210 se disuelve en el componente acuoso 210' a lo largo de su área superficial lateral, no en los extremos. Un tamiz poroso 240 se encuentra entre el tapón impermeable 250 y la válvula de entrada 220, permitiendo así que el componente acuoso 110 entre en el equipo disolvente 200, como se muestra en la Figura 1. Una válvula de transferencia de fluido de salida 260 se encuentra en el extremo de salida del equipo disolvente 200 y un segundo tamiz poroso 240 se sitúa similarmente entre la válvula de salida 260 y el segundo tapón impermeable 250 para permitir que la mezcla acuosa disuelta de combustible de hidruro metálico 210' salga al equipo disolvente 200. La válvula de salida 260 está ajustada al tamaño de modo que si la presión dentro de la cámara de reacción es mayor que una cantidad predeterminada la válvula de salida 260 se cierra para detener el flujo de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico a la cámara de reacción 300 para disminuir o detener la reacción para producir hidrógeno. La válvula de salida 260 también tiende a disminuir el flujo a través del equipo disolvente 200 para favorecer la mezcla entre el componente acuoso 110 y el combustible sólido 210.

Inicialmente o durante el arranque, un usuario abre la válvula de cierre 140 en el depósito 100. El componente acuoso presurizado 110 sale o se bombea a través de la válvula de cierre 140 y el conducto 150. La presión del componente acuoso 110 abre la válvula de entrada 200 que permite que el componente acuoso 110 entre en la vejiga 230 a través del primer tamiz poroso 240. El limitador de flujo 226 disminuye el flujo del componente acuoso 110 a través del equipo disolvente 200 para aumentar el tiempo de contacto entre el componente acuoso 110 y el componente sólido de combustible de hidruro metálico 210. El limitador de flujo 226 puede ser cualquier dispositivo que restrinja el flujo y sus modalidades ejemplares se describen a continuación y el limitador de flujo 226 también se puede colocar en el extremo de salida del equipo disolvente 200 próximo a la válvula de salida 260.

El componente acuoso presurizado 110 infla la vejiga 230 y el componente acuoso 110 contacta y disuelve el hidruro metálico sólido 210 a lo largo de su superficie externa o lateral para formar la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 210' que sale del segundo tamiz poroso 240 y la válvula de salida 260 y hacia la cámara de reacción 300.

Para asegurar que el combustible sólido de hidruro metálico 210 se disuelva de manera uniforme en su superficie lateral o externa y para asegurar que no se forme una o varias cavidades en la superficie externa del combustible sólido de hidruro metálico 210 como se muestra mejor en la vista en despiece de la Figura 2, se proporciona un tamiz poroso 228 para ajustarse alrededor del combustible sólido 210 para moderar el flujo- del combustible acuoso 110 alrededor del combustible sólido 210. El tamiz poroso 228 puede ser una malla hecha de un metal, plástico o compuesto o puede ser de papel. De preferencia, el tamiz 228 también se coloca alrededor de los dos tapones impermeables 250 mostrados en la Figura 1, para evitar que la vejiga 230 forme un sello con los tapones 250. La vejiga 230 es elastomérica y sigue la forma del combustible sólido 210, a medida que se disuelve por el combustible acuoso 110.

Volviendo a la Figura 2 se ilustra una variación del equipo disolvente 200. La combinación del tapón impermeable 250 y el tamiz poroso 240 es sustituida por el disco impermeable 252 y los espaciadores 254 respectivamente. De preferencia, el disco 252 y los espaciadores 254 se fabrican integrales entre sí. Los espaciadores 254 permiten que el combustible acuoso 110 y la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 210' fluyan perfectamente y el disco impermeable 252 evita que los extremos de combustible sólido 210 se disuelvan o erosionen .

Además, la válvula 220, 260 en esta modalidad, es una válvula de diafragma que comprende el diafragma 222 y el cuerpo de válvula 224. Cuando se ensambla el diafragma 222 se intercala entre el cuerpo de la válvula 224 y la tapa de extremo 225. Cuando el diafragma 222 se inclina hacia el cuerpo de la válvula 224, la válvula se abre y el componente acuoso 110 fluye a través del canal 223 del cuerpo de la válvula 224 y a través de los espaciadores 254. Cuando el diafragma 222 se presiona contra la tapa de extremo 225 el diafragma se sella contra la tapa de extremo para cerrar la válvula.

También, el limitador de flujo 226 en esta modalidad es un tornillo de ajuste que se acopla roscadamente con el canal 223 del cuerpo de la válvula 224. Cuando el tornillo de ajuste 226 se establece o se coloca cerca del diafragma 222, el tornillo de ajuste limita el movimiento del diafragma 222 para limitar la velocidad de flujo. Cuando el tornillo de ajuste 226 se retira, permite que el diafragma 222 se incline más para aumentar la velocidad de flujo.

Otro limitador de flujo se ilustra en la Figura 3. Aquí, el limitador de flujo 226 es un tapón con una cabeza agrandada que se coloca a presión en el cuerpo de la válvula 224, definiendo entre éstos un canal de flujo. El canal de flujo es preferentemente pequeño y ajustado al tamaño y dimensiones para restringir el flujo de líquido a través de él. Reguladores de flujo tales como los descritos en la Solicitud de Patente Internacional núm. PCT/US2008/073865 se pueden utilizar en la presente para controlar el flujo del combustible acuoso 110 a través del equipo disolvente 200. Esta solicitud de patente internacional se incorpora como referencia en la presente en su totalidad.

Una segunda válvula de transferencia de fluidos 260 controla la transferencia del componente de combustible líquido de hidruro metálico 210' desde el compartimiento de combustible 300 hacia el catalizador como aerogel 310. La válvula de transferencia de fluido 260 es comparable a la válvula de transferencia de fluido 220, pero no necesariamente comprende un limitador, se abre y se cierra en forma inversa a la válvula 220. Alternativamente, el limitador de flujo 226 se puede utilizar con la válvula 260, en lugar de la válvula 220, o un limitador de flujo se puede utilizar con ambas válvulas. Más particularmente, a medida que la presión dentro de la vejiga 230 alcanza el umbral PT, la válvula 260 se abre gradualmente para permitir que la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 210' fluya al catalizador como aerogel 310.

Es deseable mantener la concentración de hidruro metálico disuelto en la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico para que sea prácticamente constante y de preferencia en aproximadamente 15%-30%, de preferencia en aproximadamente 20% de hidruro metálico. Una concentración significativamente más alta puede ser demasiado "rica" y puede no tener suficiente agua para reaccionar de una manera eficiente estequiométricamente . Una concentración significativamente menor puede ser demasiado "pobre" y puede no tener suficiente hidruro metálico para reaccionar. Aproximadamente el 0.5% en peso del agua es estabilizante NaOH. Las diferentes modalidades del equipo disolvente 200 se probaron y sus resultados son los siguientes : Disolvente # Tiempo de Reactor 310* Velocidad de Combustible Sólido 200 Corrida corrida Flujo H2 FIG. 1 3 1.5 hr-2.0 hr 0.08 g 24 ml/min 60%SBH + 40%KBH Diámetro 15.87 mm (0.625 pulgada) FIG. 1 + tamiz 1 > 3.0 hrs 24 ml/min 60%SBH + 40% BH de papel 228 15.87 mm (0.625 pulgada] FIG. 1 + tamiz 1 4.25 hrs 24 ml/min 60%SBH + 40%KBH de papel 228 19.05 mm (0.75 pulgada) FIG. 2 sin 1 4.45 hrs 26.5 ml/min 60%SBH + 40%KBH limitador de 19.05 mm (0.75 pulgada) flujo FIG. 2 con 2 4 hrs - 5.75 0.05g 26.5 ml/min (7g) 5 partes SBH limitador de hrs 2 partes KBH flujo 19.05 mm (0.75 pulgada) FIG. 2 con 3 8 hrs, 7.5 hrs, 0.08g 26.5 ml/min 5.5 partes SBH + 1.5 limitador de 7.5 hrs partes KBH (gravedad flujo específica 1 .08) 19.05 mm (0.75 pulgada).

* Reactor 310: 0.25 g de CoCl2, 0.15 g de RuCl3 y 0.5 g de aerogel = 0.8 g, que se subdivide en muestras más pequeñas utilizadas en los experimentos.

Combustibles de hidruro metálico, adecuados incluyen, sin restricción, hidruros de los elementos de los Grupos IA-IVA de la Tabla Periódica de los Elementos y sus mezclas, tales como hidruros alcalinos o de metales alcalinos, o sus mezclas. También se pueden emplear otros compuestos, tales como hidruros de metales alcalinos-aluminio (alanatos) y borohidruros de metales alcalinos. Ejemplos más específicos de hidruros metálicos incluyen, sin restricción, hidruro de litio, hidruro de litio y aluminio, borohidruro de litio, hidruro de sodio, borohidruro de sodio, hidruro de potasio, borohidruro de potasio, hidruro de magnesio, borohidruro de magnesio, hidruro de calcio y sales y/o derivados de los mismos. Los hidruros preferidos son hidruro de sodio, borohidruro de sodio, borohidruro de magnesio, borohidruro de litio y borohidruro de potasio.

En una modalidad preferida, la tableta de combustible sólido de hidruro metálico 210 comprende una mezcla de NaBH4 y KBH4 , en donde la proporción de NaBH4 : KBH4 es de preferencia de aproximadamente 5:2 ó 5.5:1.5 (11:3). Esta proporción puede ser tan baja como 6:4, como se muestra en la Tabla anterior, o 1:1, y puede ser tan alta como 5:1. Tal proporción es ventajosa ya que promueve la solubilidad y fluidez tanto del combustible de borohidruro y sus subproductos de borato. Más particularmente, aunque el NaBH4 sólido es muy soluble en agua, cuando participa en la reacción de oxidación de hidruro-agua, forma gas hidrógeno, así como una suspensión pastosa de borato. Por el contrario, aunque KBH4 forma una suspensión en agua, cuando participa en la reacción de oxidación de hidruro-agua, su subproducto borato acuoso no forma una suspensión, pero es relativamente soluble. Por lo tanto, teniendo en cuenta las desventajas potenciales de la utilización de NaBH4 o KBH solo, se ha descubierto que la mezcla de NaBH4 y KBH4 produce una combinación sinérgica que da por resultado tanto combustible soluble de borohidruro como subproductos solubles de borato.

Como se mencionó anteriormente, el componente sólido de combustible de hidruro metálico 210 se disuelve en el componente acuoso 110 para formar la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 210'. Sin embargo, debido a que el componente acuoso 110 de preferencia contiene un estabilizante tal como NaOH, la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 210' no participa en forma significativa en la reacción de oxidación de hidruro-agua hasta que encuentra el catalizador como aerogel 310.

Como se explica con mayor detalle en lo anterior, el catalizador como aerogel 310 genera gas hidrógeno y subproductos de borato que fluyen en un forro 320. El forro 320 se fabrica de una membrana impermeable a los líquidos, permeable al gas. La membrana puede evitar que los líquidos o subproductos sean transferidos a la celda de combustible (no mostrada) por medio de la válvula de hidrógeno 360 y el conducto de combustible (tampoco se muestra) . Opcionalmente, se pueden utilizar rellenos o espuma 380 en combinación con la membrana para retener ciertos líquidos o subproductos de la reacción de oxidación y para reducir la obstrucción. La membrana se puede formar de cualquier material permeable al gas, impermeables al líquido, conocido por los expertos en la técnica. Tales materiales pueden incluir, sin restricción, materiales hidrofóbicos que tengan un grupo alcano. Ejemplos más específicos incluyen, sin restricción: composiciones de polietileno, politetrafluoroetileno, polipropileno, poliglactina (por ejemplo, disponible en el mercado bajo el nombre comercial VICRYL®) , material de duraluminio liofilizado, los copolímeros vendidos bajo los nombres comerciales CELGARD® y/o GORE-TEX®, los materiales impermeables a los líquidos, permeables al gas descritos en la Patente de los Estados Unidos de Propiedad Común Núm. 7,147,955 (que se incorpora como referencia en la presente en su totalidad) , o copolímeros o combinaciones de los mismos.

Se puede colocar un tamiz en el exterior del forro 320 para reducir al mínimo la posibilidad de que se pueda sellar contra la pared lateral 370 de la cámara de reacción 300. Este tamiz también se puede fijar en el interior de la pared lateral 370. Otro tamiz también se puede colocar en el interior del forro 320 para reducir al mínimo la posibilidad de que el forro 320 se pueda sellar a sí mismo. Estos tamices pueden ser mallas u otros dispositivos porosos tales como espuma, un material tejido o uno no tejido, fibras, fibrillas, etc.

Cuando la celda de combustible necesita el gas hidrógeno, la válvula de hidrógeno 360 se abre. La válvula de hidrógeno 360 puede ser cualquier válvula conocida en la técnica que incluye sin restricción, válvula solenoide, válvula de retención, válvula en forma de hongo, válvula de diafragma (similar a las válvulas 220 y 260), etc., y se puede abrir manualmente por el usuario o por el controlador que controla la celda de combustible o el dispositivo electrónico. Un tamiz o filtro 380 también se puede colocar en la parte inferior de la cámara de reacción 300 para retener cualquier líquido en ésta.

En una modalidad alternativa, el aparato generador de hidrógeno o gas 10 puede ser alojado en un solo dispositivo o unitario que comprenda dos cilindros de lado a lado que contengan un depósito 100 y la cámara de reacción 300. El equipo disolvente 200 que comprende el componente sólido de combustible de borohidruro 210 se coloca en un extremo del dispositivo unitario. El aparato generador de hidrógeno 20 también puede comprender un impulso para iniciar el mecanismo que puede controlar la generación de gas hidrógeno.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, la termodinámica y la masa térmica del aparato generador de hidrógeno 10 son equilibradas para asegurar que la reacción entre el hidruro metálico y el componente líquido sea autosostenible y eficiente. La reacción autosostenible es necesaria para el suministro de combustible de hidrógeno constante a la celda de combustible u otro consumidor de hidrógeno. Se necesita alta eficiencia para mantener una alta densidad de energía para el aparato 10.

En general, las velocidades de flujo de hidrógeno de aproximadamente 30 mi (gas)/min a 60 ml/min durante aproximadamente 6 a aproximadamente 10 horas son deseables para el suministro de combustible de hidrógeno a una celda de combustible para dispositivos electrónicos de consumo, tales como asistentes digitales personales (PDAs) , teléfonos inteligentes, teléfonos móviles, computadoras portátiles, dispositivos de juegos de computadora y consolas. Cualquier velocidad de flujo de hidrógeno se puede lograr con la presente invención y estas velocidades de flujo se describen solamente con el propósito de ilustración.

En la siguiente descripción, el borohidruro de sodio se utiliza solamente con fines ilustrativos. La presente invención se puede aplicar a cualquier combustible capaz de liberar hidrógeno, que incluye los combustibles de hidruros metálicos o mezclas de combustibles descritas anteriormente. La ecuación estequiométrica que describe la reacción del borohidruro de sodio y el agua es la siguiente : 1 mol de NaBH4 + 2 moles de H20? 4 moles de (H2) + 1 mol de NaB02 (catalizador) Esta ecuación se puede convertir en una ecuación de equilibrio de masa, de modo que para un gramo de NaBH4 se puede obtener una cantidad ideal de combustible de hidrógeno de la siguiente manera: 1 gramo de NaBH4 + 0.952 gramo de H20 -> 0.213 gramo de (H2) + 1.74 gramos de NaBOj (catalizador) Esta conversión estequiométrica a masa se puede obtener consultando la masa de cada mol de los compuestos en la ecuación estequiométrica y normalizar a 1 gramo de borohidruro de sodio. La masa total en el lado izquierdo de la ecuación debe ser la misma que la masa total del lado derecho de la ecuación, como lo exige el principio de conservación de masa. Esto es realmente cierto para la ecuación de equilibrio de masa anterior, salvo por el redondeo de la incertidumbre . También se puede observar que la proporción de peso ideal (o masa) del borohidruro de sodio sólido al agua es de 1:0.952 o casi de 1:1. Las ecuaciones estequiométricas se dieron a conocer previamente en el documento O 2006/135,895, incorporado previamente como referencia.

Si se asume que el hidrógeno actúa similar a un gas ideal, 0.213 gramos ó 0.106 moles de hidrógeno producen aproximadamente 2.56 litros de gas hidrógeno a temperatura y presión estándares (STP) , como se muestra a continuación: PV = ??G en donde P es la presión absoluta del gas (101.33 kPa) V es el volumen del gas, en litros n es el número de moles de gas, R es la constante universal del gas (8.314472 kPa-L-mol^-K"1) T es la temperatura absoluta (295.65 K) .

Por lo tanto, la reacción de 1 gramo de NaBH4 y casi un gramo de H20 proporcionaría 2.56 litros de hidrógeno estequiométricamente . Suponiendo que esta reacción pudiera ocurrir en un (1) minuto, se puede reducir en escala a las velocidades de flujo del gas hidrógeno de 30 ml/min y 60 ml/min la velocidad de flujo del combustible de hidruro acuoso estequiométrica esperada es la siguiente: (2.561) * (1000 ml/l)/(30 mi) = factor de escala 85.5 (para velocidad de flujo de 30 ml/min de hidrógeno) (2.561) * (1000 ml/l)/(60 mi) = factor de escala 42.7 (para velocidad de flujo de 60 ml/min de hidrógeno) Las velocidades de flujo de masa para borohidruro de sodio y agua en un (1) minuto son las siguientes: 1 gramo de NaBI-l,/factor de escala = 11.7 mg/min (para velocidad de flujo de 30 ml/min de hidrógeno) = 23.4 mg/min (para velocidad de flujo de SO ml/min de hidrógeno) 0.952 gramos de HjO/factor de escala = 11.1 mg/min (para velocidad de flujo de 30 ml/min de hidrógeno) = 22.2 mg/min (para velocidad de flujo de 60 ml/min de hidrógeno) Las velocidades de flujo de masa se pueden convertir en velocidad de flujo volumétrico utilizando la densidad de estos componentes . La densidad del agua en STP es de aproximadamente 1 g/ml ó 1000 mg/ml y la densidad de NaBH4 es de aproximadamente 1.11 g/cm3 o aproximadamente 1110 mg/ml.

Sin embargo, el borohidruro de sodio no reacciona con el agua de forma estequiométrica debido a la quelación de las moléculas de agua para los subproductos de borato, como se mencionó anteriormente, cuando el agua reacciona con hidruro sólido. Los inventores de la presente invención han determinado que la concentración adecuada de hidruro metálico, preferentemente borohidruro de sodio en agua, es decir, la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201' , oscila entre aproximadamente 20% y aproximadamente 25% y tan alta como aproximadamente 30% de hidruro metálico en peso, con la carga del catalizador adecuado indicada a continuación. Las velocidades de flujo volumétrico del hidruro metálico acuoso 201' en estas concentraciones se puede calcular de la siguiente manera: Velocidad de flujo volumétrico al 20%: velocidad de flujo de NaBH4 + (80%/20%) velocidad de flujo de H20 Velocidad de flujo volumétrico al 30%: velocidad de flujo de NaBH4 + (70%/30%) velocidad de flujo de H20 La velocidad de flujo volumétrico para NaBH4 se mantiene igual ya que esta cantidad es necesaria para producir hidrógeno a nivel estequiométrico y la velocidad volumétrica para H20 se incrementa proporcionalmente para reflejar que se necesita más agua para la reacción.

Las velocidades combinadas de flujo volumétrico se muestran a continuación.

Una vez que se determina la velocidad de flujo de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201' para la velocidad de flujo de hidrógeno objetivo o la velocidad de producción, la carga de catalizador como aerogel 310 puede ser evaluada. Aunque las velocidades de flujo se usan en la descripción anterior, la velocidad de flujo del hidruro metálico acuoso es muy lenta, es decir, en el orden de microlitros por minuto. Esta velocidad de flujo es similar a la cantidad de hidruro metálico acuoso en contacto con el catalizador. También, aunque la siguiente descripción incluye catalizadores como aerogel, esta tecnología es aplicable al catalizador dispuesto en cualquier sustrato, por ejemplo, sustratos planos o curvos o sustratos de espuma tales como la espuma de níquel. La carga del catalizador que es la cantidad de catalizador disponible para catalizar la reacción, es uno de los factores que pueden controlar la termodinámica de la reacción. Si la carga del catalizador es demasiado alta o si se usa demasiado catalizador, entonces la velocidad de esta reacción exotérmica sería demasiado rápida. Esto conduciría a alta temperatura en la cámara de reacción y puede causar que los subproductos de borato se precipiten de la solución acuosa del subproducto. El borato precipitado puede bloquear o tapar los poros en el aerogel y reduce la cantidad de catalizador disponible para catalizar. Con menos catalizador disponible, la reacción sería lenta y la velocidad de flujo del hidrógeno puede llegar a ser insuficiente para alimentar a la celda de combustible para dispositivos electrónicos de energía. Este bloqueo también puede ocurrir cuando los catalizadores son puestos en sustratos de espuma, tales como espuma de níquel. Por otro lado, si la carga de catalizador es muy baja o no se utiliza suficiente catalizador, la velocidad de reacción es baja y podría permanecer sin reaccionar una cantidad significativa de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201', inundando así la cámara de reacción y disminuiría la eficiencia de la cámara de reacción.

Los inventores de la presente invención han descubierto que para que la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201' tenga aproximadamente el 20% de la concentración de NaBH4 con aproximadamente el 0.5% de agente de estabilización de NaOH con una carga de catalizador de aproximadamente 0.02 g a aproximadamente 0.03 g de CoCl2 y catalizador RuCl3, ésta puede reaccionar con el subproducto de borato para formar un catalizador de cobalto-boro (CoB) in situ y cargarse en un sustrato de aerogel que tenga el mismo peso. La velocidad de conversión de combustible al hidrógeno es superior a aproximadamente el 98% para una velocidad de flujo de gas de hidrógeno de hasta 100 ml/min y una velocidad de flujo de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico de hasta 0.12 ml/min.

Para que la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201' tenga aproximadamente el 30% de la concentración de NaBH4 con aproximadamente el 0.5% de agente estabilizante de NaOH con una carga de catalizador de aproximadamente 0.007 g hasta aproximadamente 0.01 g de catalizador CoCl2 y RuCl3, ésta puede reaccionar con el subproducto de borato para formar un catalizador de cobalto-boro (CoB) in situ y cargarse en un sustrato de aerogel que tenga el mismo peso. La velocidad de conversión de combustible al hidrógeno es superior a aproximadamente el 98% para una velocidad de flujo de gas de hidrógeno de hasta 100 ml/min y una velocidad de flujo de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico de hasta 0.12 ml/min.

Otro factor es el equilibrio de la masa térmica de la corriente de la mezcla acuosa de combustible de hidruro 201' que entra, la corriente de gas de hidrógeno que sale, los subproductos que quedan en la cámara de reacción 300, y el catalizador como aerogel 310. La masa térmica es la capacidad de almacenar calor cuando el calor ambiental es alto y libera el calor almacenado cuando el calor ambiental es bajo. La masa térmica también puede funcionar a la inversa, es decir, aumenta el calor cuando el calor ambiental es bajo (almacenamiento de frescura) y absorbe el calor cuando el calor ambiental es alto. Por lo general, un material de alta masa térmica tendría un alto calor específico, alta densidad y baja conductividad térmica (buen aislamiento) . El calor específico es la medida de la energía térmica requerida para aumentar la temperatura de una cantidad unitaria de una sustancia para cierto intervalo de temperatura. Por ejemplo, el calor específico es la cantidad de calor para aumentar 1°C 1 gramo de la sustancia. La alta densidad es útil ya que habría más masa por volumen unitario. Se prefiere la baja conductividad térmica, ya que es menos probable que el calor almacenado se disipe o se transfiera a otro cuerpo antes de ser utilizado.

La masa térmica del catalizador como aerogel debe ser lo suficientemente pequeña, por lo que su temperatura puede aumentar con relativa rapidez mediante la reacción exotérmica entre el hidruro metálico y agua. Los inventores creen que los catalizadores más calientes son más eficientes. La masa térmica de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201' y los subproductos de borato, que son en su mayoría agua, son suficientes para absorber el calor de la reacción exotérmica entre el hidruro metálico y agua para evitar que la temperatura de la cámara de reacción 300 exceda el nivel donde se produce la precipitación no deseada de borato, siempre y cuando la velocidad de flujo de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201' se mantenga a las velocidades indicadas anteriormente y/o la carga de catalizador se mantenga en la cantidad indicada anteriormente . Los materiales utilizados para construir la cámara de reacción 300, por ejemplo, pueden tener gran masa térmica para almacenar el calor generado o pueden tener alta conductividad térmica para disipar el calor generado. Se pueden utilizar aletas u otros conductores térmicos para llevarse el calor generado.

La metodología que controla la precipitación de borato o la hidratación de la cámara de reacción 300 por lo tanto se describe a continuación. Lo ideal sería que, cuando estas condiciones se produzcan, la temperatura de la cámara de reacción 300 sea de aproximadamente 45 °C o menos y la presión sea de aproximadamente 0.703 kg/cm2 (1 psi) o más. En estas condiciones, la evaporación del agua en vapor se reduce al mínimo para que el catalizador como aerogel 310 y/o la cámara de reacción 300 se hidraten suficientemente para reducir al mínimo o evitar la precipitación de los subproductos de borato. La temperatura de la cámara de reacción 300 también puede ser inferior a aproximadamente 40 °C y puede ser inferior a 35°C.

La energía de un sistema se describe y controla por la Primera Ley de la Termodinámica, que también se conoce como el principio de conservación de la energía. La Ley puede establecerse como sigue: el aumento en la energía interna de un sistema es igual a la cantidad de energía agregada por el calentamiento del sistema, menos la cantidad perdida como consecuencia del trabajo realizado por el sistema en su entorno, o ?? = Q - w en donde ?? es el cambio en la energía interna Q es la cantidad de energía agregada por el calentamiento del sistema y es la cantidad de trabajo realizado por el sistema en su entorno.

La energía interna (??) se define como la energía asociada con el movimiento al azar, desordenado de las moléculas en los niveles atómico y molecular. No tiene relación con la energía macroscópica ordenada asociada con objetos en movimiento. Por ejemplo, un vaso de agua a temperatura ambiente colocado sobre una mesa no tiene energía aparente ya sea potencial o cinética. Pero a escala microscópica, las moléculas de agua están viajando a cientos de metros por segundo. Si el vaso de agua se mueve, esta energía microscópica no necesariamente cambiaría. Para el propósito de la presente invención, la energía interna se puede considerar como directamente relacionada con la temperatura del sistema.

Puesto que, no se lleva a cabo trabajo (W) por la cámara de reacción 300 en el entorno, es decir, no actúa o no realiza un trabajo en otro cuerpo o componente, el trabajo puede ser eliminado de la ecuación. La cantidad de energía agregada por el calor (Q) es la cantidad de calor liberado por la reacción exotérmica entre el hidruro metálico y agua como se indicó anteriormente, que se realizan en la cámara de reacción 300 como mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201'. Adicionalmente , parte del calor generado se absorbe en la masa térmica de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201' que entra, que se convierte en los subproductos de borato y una cantidad más pequeña se lleva a cabo por la masa térmica del gas de hidrógeno que sale a la celda de combustible. Parte del calor generado se absorbe por la vaporización endotérmica de agua en vapor. Parte del calor generado se transfiere a la atmósfera mediante la conducción, convección y radiación de calor.

La energía agregada al sistema mediante la reacción exotérmica es iguala a Q = Ql - Q2 + Q3 en donde, Ql = cambio de temperatura de la cámara de reacción 300 = (Cm(t)ATi) en donde c es el calor específico de la cámara de reacción 300 m(t) es la masa de la cámara de reacción 300, que aumenta a medida que se le agrega más mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201' y por lo tanto la velocidad de flujo puede afectar m(t) ??? es el cambio o el aumento en la temperatura de la cámara de reacción 300 que se iguala a T(sistema 300) - T(al inicio) Q2 = calor transferido fuera de la cámara de reacción 300 calor transferido por conducción, convección y radiación + calor de hidrógeno (la convección de calor y la radiación de calor se pueden ignorar para simplificar la ilustración; el calor llevado del sistema por el hidrógeno también puede ser ignorado debido a la baja masa y calor específico del hidrógeno) (KAAT2t/d) , en donde k es la conductividad térmica de las paredes de la cámara de reacción 300, y se deben utilizar paredes metálicas debido al aumento de k cuando el calor se debe llevar para mantener una temperatura baja A es el área de superficie de la cámara de reacción 300 t es el periodo de tiempo de la transferencia de calor d es el espesor de las paredes ??2 es la diferencia entre la temperatura de la cámara de reacción 300 y la temperatura ambiente (que se iguala a T(sistema 300) - T(ambiente)) Q3 = calor utilizado por la vaporización del agua = mvLv, en donde mv es la masa de agua sometida el cambio de fase de vapor Lv es el calor de vaporización del agua que es de aproximadamente 100 cal/gramo ó 418 kJ/kg entre 0°C y 100°C.

Por lo tanto, la energía interna de la cámara de reacción 300 se puede aproximar como sigue: ?? = Q ?? = (cm(t) ???) - (kMT2t/d) + (mvLv) AU = (cm(t) (T3oo-T(inicio)) " (kA(T300-T(ambiente)) t/d) + (mvLv) La temperatura en el inicio es prácticamente la misma que la temperatura ambiente y se puede presumir que es la misma, es decir, (??1a?0) ~ T(ambiente) · Por lo tanto, es deseable mantener la temperatura de la cámara de reacción 300 (T300) a una temperatura donde la masa de agua vaporizada (mv) sea mínima para mantener el subproducto de borato hidratado y reducir al mínimo la precipitación.

Los inventores de la presente invención han determinado que mediante el control de m(t) , (o la velocidad de flujo de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201'), la velocidad de reacción (es decir, la carga de catalizador) , la conductividad térmica y el área de superficie de las paredes de la cámara de reacción 300, la temperatura de la cámara de reacción 300 puede ser controlada para reducir al mínimo mv, la vaporización del agua .

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, el equilibrio térmico o el equilibrio de la masa térmica se lleva a cabo sólo alrededor del catalizador como aerogel 310, como se mencionó anteriormente. La masa térmica del aerogel 310 se mantiene lo suficientemente pequeña (véanse los ejemplos anteriores) , de modo que su temperatura puede aumentar con relativa rapidez por la reacción exotérmica entre el hidruro metálico y agua. Los inventores creen que los catalizadores más calientes son más eficientes. La masa térmica de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201' y los subproductos de borato, que son en su mayoría agua, son suficientes para absorber el calor de la reacción exotérmica entre el hidruro metálico y agua para evitar que la temperatura de la cámara de reacción 300 exceda el nivel donde se produce la precipitación no deseada de borato, siempre y cuando la velocidad de flujo de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201' se mantenga a las velocidades indicadas anteriormente y/o la carga del catalizador se mantenga a la cantidad indicada anteriormente.

Empíricamente, para el sistema que se muestra en las Figuras 1-3, cuando la temperatura de la cámara de reacción 300 es igual o inferior a aproximadamente 45 °C y a la presión de aproximadamente 0.103 bar (1.5 psi) o superior, mv se reduce al mínimo para que suficiente agua permanezca en forma líquida para formar la relación quelante con el borato para reducir al mínimo la precipitación de borato.

El vapor o vapor de agua dentro de la cámara de reacción 300 es vapor saturado, es decir, vapor que está en equilibrio con agua líquida. Para el vapor saturado, su temperatura está muy relacionada con su presión, por ejemplo, la tabla de vapor saturado. Por lo tanto, si la temperatura se conoce, la presión se puede determinar fácilmente. Cuando la temperatura es de 45°C (113°F) , la presión del vapor saturado es de 0.0959 bar (1.391 psi) . Cuando la temperatura es de 46°C (114.8°F), la presión del vapor saturado es de 0.1010 bar (1.464 psi). Por otro lado, cuando la presión es de 0.0689 bar (1 psi) la temperatura del vapor saturado es de 38.72°C (101.7°F). Por lo tanto, de acuerdo con otro aspecto de la presente invención, otro control que se puede emplear es desviar el vapor dentro de la cámara de reacción 300 del estado saturado. En otras palabras, cuando la temperatura se conoce, la presión debe mantenerse superior a la presión saturada para impedir la evaporación del agua líquida. A la inversa, cuando la presión se conoce, la temperatura debe mantenerse inferior a la temperatura saturada para impedir la evaporación del agua líquida. Visualmente, la temperatura y la presión del agua deben estar por encima de la línea de demarcación entre el agua líquida y el vapor de agua en el diagrama de temperatura-presión del agua (curva T-P) . En otras palabras, la temperatura y la presión del agua en la cámara de reacción 300 deben estar en la región líquida del diagrama de agua T-P. Una curva T-P ejemplar se reproduce aquí como la Figura 4. La curva T-P para el agua es bien conocida para un experto en la técnica.

De preferencia, la presión dentro de la cámara de reacción 300 debería ser mayor de aproximadamente 0.0689 bar (1 psi) por encima de la presión de saturación del agua a la temperatura actual, de preferencia mayor de aproximadamente 0.138 bar (2 psi) y con preferencia superlativa mayor de aproximadamente 0.207 bar (3 psi). Alternativamente, la temperatura dentro de la cámara de reacción 300 debe ser mayor de aproximadamente 1°C por debajo de la temperatura de saturación del agua a esta presión actual, con más preferencia mayor de aproximadamente 2°C por debajo de la temperatura de saturación y con preferencia superlativa mayor a aproximadamente 3°C por debajo de la temperatura de saturación.

La presión de la cámara de reacción 300 puede ser controlada por la válvula 360, se muestra en la Figura 1. La válvula 360 puede tener una presión umbral que requiere que la presión dentro de la cámara de reacción 300 exceda la presión umbral para abrir. Esta presión umbral se puede predeterminar dependiendo de la construcción de la cámara de reacción para exceder la presión saturada de agua en el intervalo de temperatura de operación. Por ejemplo, si el intervalo de temperatura de operación es inferior a aproximadamente 45 °C, la presión umbral debe ser mayor de 0.097 kg/cm2 (1.391 psi) , de preferencia de 0.070 kg/cm2 (1 psi) , con más preferencia 0.140 kg/cm2 (2 psi) y con preferencia superlativa mayor de 0.210 kg/cm2 (3 psi) que la presión de saturación de 0.097 kg/cm2 (1.391 psi). Las válvulas adecuadas pueden ser cualesquiera de las mencionadas anteriormente, por ejemplo, válvulas de solenoide, válvulas de forma de hongo, válvulas de diafragma, válvulas de retención, etc.

Alternativamente, la temperatura de la cámara de reacción puede ser controlada por la velocidad de flujo de la mezcla acuosa de combustible de hidruro metálico 201' , la carga del catalizador, la velocidad de reacción, los factores que controlan la energía interna o ?? de la cámara de reacción 300 indicados anteriormente, y las propiedades de transferencia de calor de los materiales utilizados para construir la cámara de reacción 300. La temperatura también puede ser controlada por mecanismo de enfriamiento, aletas térmicas y disipadores térmicos .

El control de la presión de la cámara de reacción 300 es menos complicado que el control de temperatura para controlar la evaporación del agua en vapor y es, por lo tanto, la metodología preferida. Sin embargo, ambas metodologías se pueden utilizar.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, la cantidad de vapor de agua en el gas de hidrógeno se controla mediante el control de la presión y/o la presión de la cámara de reacción. En otras palabras, es conveniente cierta evaporación de agua y los valores de temperatura y presión en la cámara de reacción están en o por debajo de la curva T-P para la solución dentro de la cámara de reacción. En un ejemplo, al inicio una celda de combustible PEM necesita una mayor cantidad de vapor de agua o hidratación en el combustible de hidrógeno o la proporción de X y después de que el sistema alcanza el estado estable y se produce el subproducto agua, la cantidad de vapor de agua en el combustible de hidrógeno se debe reducir. Además, la cantidad de vapor de agua X, que se requiere es una función de la temperatura de operación, como se muestra en la Figura 5. La hidratación de celdas de combustible se describe en las solicitudes de patentes publicadas US 2001/0028970, US 2006/0263654 y US 2005/0227125, que se incorporan en la presente como referencia en su totalidad.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se puede utilizar una CPU o controlador asociado con la celda de combustible para controlar la válvula 360, que preferentemente es una válvula variable tal como una válvula de solenoide u otras válvulas eléctricas. Dependiendo de la temperatura de operación de la celda de combustible y la cantidad de subproducto agua producida por la celda de combustible, la CPU puede controlar la válvula 360 para controlar la presión (cuando la temperatura se conoce) en la cámara de reacción para controlar la cantidad de vapor de agua en el de gas combustible. Este control es dinámico, dependiendo de la necesidad de la celda de combustible.

Otras modalidades de la presente invención serán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la consideración de la presente especificación y la práctica de la presente invención descrita en la presente. Se pretende que la presente especificación y ejemplos se consideren solamente como ejemplares con un verdadero alcance y espíritu de la invención que se indican por las siguientes reivindicaciones y sus equivalentes.

Claims (25)

REIVINDICACIONES

1. Un generador de gas que comprende una cámara de reacción en donde un combustible acuoso de hidruro metálico se hace reaccionar en presencia de un catalizador para producir un gas de hidrógeno y un subproducto acuoso de borato; un medio para reducir al mínimo la evaporación de la porción acuosa del subproducto para reducir al mínimo la precipitación de borato.

2. El generador de gas según la reivindicación 1, en donde el catalizador se lleva sobre un sustrato de aerogel .

3. El generador de gas según la reivindicación 1, en donde el combustible acuoso de hidruro metálico comprende borohidruro de sodio y borohidruro de potasio.

4. El generador de gas según la reivindicación 1, en donde el medio para reducir al mínimo la evaporación comprende un medio para mantener la presión de la cámara de reacción por debajo de la presión de saturación de agua a la temperatura de la cámara de reacción.

5. El generador de gas según la reivindicación 4, en donde el medio para mantener la presión comprende una válvula de hidrógeno que tiene una presión umbral para abrir y permitir que el gas de hidrógeno salga del generador de gas.

6. El generador de gas según la reivindicación 1, en donde el medio para reducir al mínimo la evaporación comprende un medio para mantener la temperatura de la cámara de reacción por debajo de la temperatura de saturación de agua a la presión de la cámara de reacción.

7. El generador de gas según la reivindicación 6, en donde la temperatura de saturación de agua es de aproximadamente 45 °C.

8. El generador de gas según la reivindicación 1, que además comprende un depósito de líquido y un equipo disolvente que contiene un idruro metálico sólido.

9. El generador de gas según la reivindicación 8 , en donde el equipo disolvente comprende una tapa de extremo impermeable colocada en cada extremo del hidruro metálico sólido y una membrana que rodea el hidruro metálico sólido, en donde la membrana se expande cuando el líquido en el depósito de líquido entra en el equipo disolvente y se contrae cuando el líquido sale del equipo disolvente .

10. El generador de gas según la reivindicación 8, que además comprende una válvula de entrada situada corriente arriba del equipo disolvente.

11. El generador de gas según la reivindicación 8, que además comprende una válvula de salida situada corriente abajo del equipo disolvente.

1 . El generador de gas según la reivindicación 8, en donde el equipo disolvente comprende un limitador de flujo .

13. El generador de gas según la reivindicación 1, en donde la cámara de reacción se encuentra dentro de un recipiente del subproducto.

1 . El generador de gas según la reivindicación 13 , en donde el recipiente es permeable al gas de hidrógeno .

15. Un método para controlar una reacción entre un combustible acuoso de hidruro metálico y un catalizador para producir hidrógeno que comprende los pasos de: i . establecer una velocidad de producción de hidrógeno objetivo; ii. determinar una cantidad del combustible acuoso de hidruro metálico en contacto con el catalizador para producir la velocidad de flujo de hidrógeno objetivo; iii. determinar una carga de catalizador para producir la velocidad de producción de hidrógeno objetivo, en donde la carga de catalizador comprende una cantidad de catalizador suficiente para hacer reaccionar la cantidad de combustible acuoso de hidruro metálico.

16. El método según la reivindicación 15, en donde el paso (ii) comprende el paso de determinar una concentración de hidruro metálico en agua.

17. El método según la reivindicación 15, en donde el paso (iii) comprende el paso de equilibrio entre una mayor cantidad de catalizador, que aumenta la velocidad de reacción y la temperatura de la reacción que puede precipitar un subproducto de la solución y una menor cantidad de catalizador, que disminuye la velocidad de reacción y deja una cantidad de combustible sin reaccionar.

18. El método según la reivindicación 16, en donde cuando la concentración de hidruro metálico es más alta, la carga de catalizador comprende relativamente menos catalizador.

19. El método según la reivindicación 15 que además comprende el paso (iv) de reducir al mínimo una masa térmica del catalizador.

20. El método según la reivindicación 15, en donde una temperatura de la reacción se mantiene en menos de aproximadamente 45 °C.

21. El método según la reivindicación 15, en donde una presión dentro de una cámara que contiene la reacción es mayor que aproximadamente 0.070 kg/cm2 (1 psi) .

22. El método según la reivindicación 15, en donde la cantidad del combustible acuoso de hidruro metálico en contacto con el catalizador comprende una velocidad de flujo del combustible acuoso de hidruro metálico hacia el contacto con el catalizador. ? 63

23. Un equipo disolvente que contiene un hidruro metálico sólido que comprende una tapa de extremo impermeable colocada en cada extremo del hidruro metálico sólido y una membrana que rodea el hidruro metálico sólido, 5 en donde la membrana se expande cuando un líquido en un depósito de líquido entra en el equipo disolvente y se contrae cuando el líquido sale del equipo disolvente.

24. El equipo disolvente según la reivindicación 23, que además comprende una válvula de entrada situada 10 corriente arriba del equipo disolvente o una válvula de salida situada corriente abajo del equipo disolvente.

25. El equipo disolvente según la reivindicación 23, que además comprende un limitador de flujo.