MX2011010292A - Sistemas de generacion de hidrogeno y metodos que utilizan materiales de siliciuro de sodio y de gel silice sodica. - Google Patents
Sistemas de generacion de hidrogeno y metodos que utilizan materiales de siliciuro de sodio y de gel silice sodica.Info
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Abstract
Se describen sistemas, dispositivos, y métodos que combinan materiales reactivos y soluciones acuosas para generar hidrógeno. Los materiales reactivos pueden ser siliciuro de sodio o gel de sílice sódica. Los dispositivos de generación de hidrógeno se utilizan en celdas de combustible y otras aplicaciones industriales. Un sistema combina enfriamiento, bombeo, almacenamiento de agua, y otros dispositivos para percibir y controlar reacciones entre los materiales reactivos y soluciones acuosas para generar hidrógeno. Múltiples entradas de geometrías variadas de colocación suministran solución acuosa a la reacción. Los materiales reactivos y la solución acuosa son agitados para controlar el estado de la reacción. La solución acuosa puede ser recirculada y regresada a la reacción. Un sistema opera sobre una escala de temperaturas y presiones e incluye un separador de hidrógeno, un mecanismo de remoción de calor, y estado de los dispositivos de control de reacción. Los sistemas, dispositivos, y métodos de generación de hidrógeno proporcionan sólidos térmicamente estables, una reacción casi instantánea con las soluciones acuosas, y un subproducto líquido no tóxico.
Description
SISTEMAS DE G E NERACIÓN DE HI DRÓG ENO Y M ÉTODOS QU E
UTI LIZAN DE MATE RIALES DE SI LI CI URO DE SODIO Y DE G EL DE
SÍLICE SODICA
Referencia cruzada a la solicitud relacionada
Esta solicitud reivindica el beneficio de prioridad de solicitud de patente provisional de Estados Unidos número de serie 61 /164,888 presentada el 30 de marzo de 2009, y la solicitud de patente provisional de Estados Unidos número de serie 61/185,579 presentada el u de junio de 2009, la descripción completa de estas se incorpora en la presente como referencia.
Investigación y desarrollo federalmente patrocinado
Esta invención se realizó con el apoyo del gobierno bajo contracto número DE-FG36-08GO881 08 otorgado por el Departamento de Energ ía de Estados U nidos. El gobierno de Estados Unidos tiene ciertos derechos en esta invención.
Campo Técn ico
Esta tecnolog ía se refiere, generalmente, a los sistemas y métodos para generar hidrógeno usando un material combustible reactivo y una solución acuosa, y más particularmente, a sistemas y métodos para generar hidrógeno usando siliciuro de sodio, gel de sílice sodio, o mezclas de múltiples componentes cuando reaccionan con agua o soluciones acuosas.
Antecedentes de la invención
Las celdas de combustibles son dispositivos eletroquímicos de conversión de energ ía que convierten un combustible de fuente externa en corriente eléctrica. Muchas celdas de combustibles comunes usan hidrógeno como el combustible y oxígeno (típicamente del aire) como un oxidante. El subproducto de esta celda de combustible es agua, lo que hace la celda de combustible un dispositivo de muy bajo impacto ambiental para generar energ ía.
Las celdas de combustibles compiten con otras numerosas tecnolog ías para producir energ ía, tales como turbina de gasolina, la máquina de combustión interna, y la batería. U na celda de combustible proporciona un voltaje de corriente directa (DC) que puede usarse para numerosas aplicaciones que incluyen: generación de energ ía estacionaria, alumbrado, energ ía de reserva, electrónica de consumo, dispositivos de movilidad personal, tales como bicicletas eléctricas, así como equipo de jardinería, y otros. Existe una amplia variedad de celdas de combustibles disponibles, donde cada una usa una química diferente para generar energ ía. Las celdas de combustibles se clasifican normalmente de acuerdo con su temperatura de operación y el tipo de sistema de electrolito que pueden utilizar. Una celda de combustible común es la celda de combustible de membrana de intercambio de polímero (PEMFC), que usa hidrógeno como el combustible con oxígeno (normalmente aire) como su oxidante. Este tiene una alta densidad de energ ía y una temperatura de operación baja de normalmente por debajo de 80 °C. Estas celdas de combustibles son confiables con
requerimientos modestos en cuanto a embalaje e implementación del sistema.
El reto del almacenaje y generación de hidrógeno ha limitado adopción a gran escala de las celdas de combustibles PEM. Aunque el hidrógeno molecular tiene una densidad de energ ía muy alta en una base de masa, como un gas a condiciones ambientales éste tiene una densidad de energía muy baja por volumen. Las técnicas empleadas para proporcionar hidrógeno en aplicaciones portátiles están generalizadas, e incluyen alta presión y criogénica, pero muy frecuentemente se enfocan en los compuestos qu ímicos que liberan gas de hidrógeno de manera confiable a solicitud. Existen actualmente tres mecanismos ampliamente aceptados usados para almacenar hidrógeno en materiales: absorción, adsorción , y reacción química.
En almacenamiento de hidrógeno absorbente para combustionar una celda de combustible, el gas de hidrógeno se absorbe directamente a alta presión en la masa de un material cristalino específico, tal como un hidruro metálico. Lo más frecuentemente, hidruros metálicos, como Mg H2, NaAIH , y LaNi5H6, se usan para almacenar el gas de hidrógeno reversiblemente. Sin embargo, los sistemas de hidruros metálicos sufren de una energía específica pobre (es decir, una baja relación en masa del almacenamiento de hidrógeno con respecto al hidruro metálico) y características pobres de flujo de entrada/salida. Las características del flujo de hidrógeno se manejan por las propiedades endotérmicas de los hidruros metálicos (la ca ída de la temperatura interna cuando se elimina el hidrógeno y elevación cuando se recarga con hidrógeno). Debido a estas propiedades, los hidruros metálicos tienden a ser pesados y requieren sistemas complicados para cargarlos y/o descargarlos rápidamente. Por ejemplo, ver la patente de Estados Unidos 7,271 , 567 para una sistema diseñado para almacenar y después liberar de forma controlable el gas de hidrógeno presurizado a partir de un cartucho que contiene un hidruro metálico o algún otro combustible químico basado en hidrógeno. Este sistema monitorea, además, el nivel de hidrógeno restante capaz de entregarse a la celda de combustible midiendo la temperatura y/o la presión del combustible de hidruro metálico propiamente y/o midiendo la salida de corriente de la celda de combustible para estimar la cantidad de hidrógeno consumido.
En almacenamiento de hidrógeno por adsorción para combustionar una celda de combustible, molecular, el hidrógeno se asocia con el combustible qu ímico por fisiadsorción o químioadsorción . Los hidruros químicos, como el hidruro de litio (LiH), hidruro de litio y aluminio (LÍAIH4), borohidruro de litio (LÍBH4), hidruro sódico (NaH), borohidruro sódico (NaBH4), y similares, se usan para almacenar gas de hidrógeno de manera no reversible. Los hidruros químicos producen grandes cantidades de gas de hidrógeno después de su reacción con agua como se muestra más abajo:
NaBH4 + 2H20 ? NaB02 + 4H2
Para controlar de manera confiable la reacción de los hidruros químicos con agua para liberar gas de hidrógeno a partir de un
dispositivo de almacenamiento de combustible, se debe emplear un catalizador junto con un control estricto del pH del agua. Además, el hidruro químico frecuentemente está incluido en una suspensión del l íquido estabilizante inerte para proteger al hidruro de la liberación temprana de su gas de hidrógeno. Los sistemas de hidruro qu ímico que se muestran en las patentes de Estados Unidos 7,648,786; 7,393,369; 7,083,657; 7,052,671 ; 6,939,529; 6,746,496; y 6,821 ,499, explotan al menos uno, pero muy frecuentemente una pluralidad, de las características mencionadas anteriormente.
En los métodos de reacción química para producir hidrógeno por una celda de combustible, frecuentemente el almacenamiento de hidrógeno y la liberación de hidrógeno se cataliza por un cambio modesto en la temperatura o presión del combustible químico. Un ejemplo de este sistema qu ímico, el cual se cataliza por la temperatura, es la generación de hidrógeno a partir de amoniaco-borano por la siguiente reacción:
N H 3B H 3 ? NH2BH2 + H2 ? NHBH + H2
La primera reacción libera 6.1 % en peso de hidrógeno y ocurre a aproximadamente 120 °C, mientras que la segunda reacción libera otros 6.5 % en peso de hidrógeno y ocurre a aproximadamente 160 °C. Estos métodos de reacción quím ica no usan agua como un iniciador para producir gas de hidrógeno, no requieren un control estricto del pH del sistema, y frecuentemente no requieren un material catalizador
separado. Sin embargo, estos métodos de reacción química están acosados por problemas de control del sistema frecuentemente debido a la ocurrencia común de escape térmico. Ver, por ejemplo, la patente de Estados Unidos 7,682,41 1 , sobre un sistema diseñado para iniciar térmicamente la generación de hidrógeno a partir de amoniaco-borano y protegerlo del escape térmico. Ver, por ejemplo, las patentes de Estados Unidos 7,31 6,788 y 7, 578,992, por métodos de reacción química que emplean un catalizador y un solvente para cambiar las condiciones térmicas de liberación de hidrógeno.
En vistas de lo anterior, existe una necesidad de un sistema y método mejorado de generación de hidrógeno que supere muchos, o todos, los problemas o desventajas anteriores de la técnica anterior.
Breve descri pción de la i nvención
El sistema de generación de hidrógeno descrito más abajo lleva a cabo una reacción prácticamente completa del material combustible reactivo, tales como un material de metal alcalino estabilizado, que incluye siliciuro de sodio y/o sodio-gel de sílice, el cual no contiene ningún gas de hidrógeno o átomos de hidrógeno molecular almacenados. Los reactivos adicionales pueden incluir borohidruro sódico (NaBH4) , y/o amoniaco borano, y similares. Además, la reacción del sistema empleando estos reactivos no requiren una cámara del catalizador adicional, y se controla fácilmente el inicio-terminación por una simple adición de un medio acuoso adecuado para satisfacer la demanda de hidrógeno de una celda de combustible o sistema de propulsión de
hidrógeno. Adicionalmente, los ejemplos más abajo cumplen todos los requisitos anteriores mientras que minimizan el volumen y peso general del sistema.
Un ejemplo en la presente descripción es un reactor que incluye un material combustible reactivo, que genera hidrógeno cuando el material combustible reactivo se expone a una solución acuosa. El reactor puede ser un componente de generación de hidrógeno autónomo que puede contener la solución acuosa. Igualmente, otro ejemplo puede incluir un reactor en el que se introduce una solución acuosa por un suministro externo. La generación de hidrógeno puede controlarse, monitorearse, o procesarse, además, por un sistema de control externo. El sistema de control y el reactor pueden operar como un sistema de generación de hidrógeno autónomo usado para proporcionar hidrógeno a las celdas de combustibles de hidrógeno o para cualquier uso general, de laboratorio, industrial, o de consumo. Asim ismo, el sistema de control y el reactor pueden implementarse en un todo o en parte dentro de un sistema completo de celdas de combustible que suministran un producto final tal como una computadora portátil , productos electrónicos personales o comerciales, y otros dispositivos y equipos que requieren una fuente de energ ía.
Un método para generar gas de hidrógeno incluye insertar un material combustible reactivo en un reactor y combinar una solución acuosa con el material combustible reactivo en el reactor para generar gas de hidrógeno.
El material combustible reactivo puede incluir materiales de
metales alcalinos estabilizados tales como siliciuros, que incluyen polvo de siliciuro de sodio (NaSi), y sodio-gel de sílice (Na-SG). Los materiales de metales alcalinos estabilizados pueden combinarse, además, con otros materiales reactivos, que incluyen, pero sin limitarse a, amoniaco-borano con, o sin, catalizadores, borohidruro sódico mezclado con, o sin, catalizadores, y una selección de materiales y mezclas de materiales que producen hidrógeno cuando se exponen al calor o a soluciones acuosas. La mezcla de materiales y las soluciones acuosas pueden incluir, además, aditivos para controlar el pH de los productos de desecho, para cambiar la solubilidad de los productos de desecho, para aumentar la cantidad de la producción de hidrógeno, para aumentar la velocidad de producción de hidrógeno, y para controlar la temperatura de la reacción. La solución acuosa puede incluir agua, ácidos, bases, alcoholes, y mezclas de esas soluciones. Los ejemplos de soluciones acuosas pueden incluir metanol, etanol, ácido clorhídrico, ácido acético, hidróxido sódico, y similares. Las soluciones acuosas pueden incluir, además, aditivos, tales como un co-reactivo que aumenta la cantidad de H2 producido, un floculante, un inhibidor de la corrosión, o un aditivo termofísico que cambia las propiedades termofísicas de la solución acuosa. Los ejemplos de floculantes incluyen hidróxido cálcico, silicato sódico, y otros, mientras que los inhibidores de la corrosión pueden incluir fosfatos, boratos, y otros. Adicionalmente, el aditivo termofísico puede cambiar el intervalo de temperatura de la reacción, el intervalo de presión de la reacción, y similares. Adicionalmente, el aditivo de la solución acuosa puede incluir mezclas de una variedad de aditivos diferentes.
El reactor puede ser un componente reemplazable, autónomo, que permite un sistema de control o un sistema de celda de combustible para utilizar múltiples reactores. El reactor puede denominarse, además, un cartucho, cilindro, lata, recipiente, recipiente a presión, y/o recinto. El reactor incluye el material combustible reactivo y la solución acuosa dentro del reactor o un puerto de entrada, o una pluralidad de puertos de entrada, a partir de los cuales la solución acuosa se introduce en el reactor. El reactor puede tener, además, un puerto de salida para el gas de hidrógeno, el que puede someterse a procesamiento adicional (por ejemplo, condensación del vapor, purificación , regulación, y similares) una vez que abandona el reactor y antes de ser suministrado a un sistema externo, como una celda de combustible.
La solución acuosa puede almacenarse inicialmente o añadirse por el usuario externamente o hacerla retornar desde un sistema de celda de combustible en el puerto de entrada de la solución acuosa en el reactor. La solución acuosa puede añadirse al material combustible reactivo, que incluye metales alcalinos estabilizados, en el reactor mediante el(los) puerto(s) de entrada usando una bomba, tal como una bomba manual , una bomba alimentada por baterías, una bomba alimentada externamente, una bomba controlada por resorte, y similares. La solución acuosa puede almacenarse dentro del reactor y separarse del material combustible reactivo por un pistón, bolsa, membrana, u otro dispositivo de separación.
El reactor puede tener la salida de hidrógeno y la entrada de la solución acuosa como parte de una conexión a un dispositivo o sistema de control . El reactor puede tener la salida de hidrógeno conectada a un dispositivo o sistema de control y la entrada de agua conectada a un dispositivo o sistema de control diferente. El reactor puede tener solamente una salida de hidrógeno con controles internos que combinan el material combustible reactivo con la solución acuosa .
El método para generar gas de hidrógeno puede incluir, además, filtrar el gas de hidrógeno generado, absorber los subproductos en el gas de hidrógeno, y/o condensar el agua del gas de hidrógeno generado. Esta filtración puede ocurrir dentro del reactor, dentro del sistema de control , o en ambos. Por ejemplo, una membrana de separación de hidrógeno puede usarse en el reactor o en el sistema de control (o en ambos) para filtrar el hidrógeno, mientras que una unidad del condensador puede usarse para condensar el agua del gas de hidrógeno generado. Los filtros y condensadores pueden actuar sobre el gas de hidrógeno generado cuando éste sale por el puerto de salida de hidrógeno del reactor. El gas de hidrógeno filtrado y/o el agua condensada pueden reciclarse al reactor o a un contenedor de almacenamiento de agua. Al generar gas de hidrógeno, puede crearse un producto de desecho, tal como silicato sódico u otros productos de desecho de la reacción.
En un ejemplo, un sistema de control puede incluir un dispositivo de monitoreo para monitorear los parámetros de la reacción del material combustible reactivo y la solución acuosa en el reactor. El dispositivo de monitoreo puede monitorear uno o múltiples parámetros en o sobre el
reactor o en un sistema de control externo. Estos parámetros pueden incluir, pero sin limitarse a, temperatura, conductividad eléctrica del contenido del reactor, presión en el reactor, peso de la reacción, cantidad de material combustible reactivo no reaccionado, tiempo transcurrido de la reacción, cantidad de solución acuosa en el reactor, y una cantidad máxima de solución acuosa a adicionarse al reactor. La característica monitoreada del sistema puede mostrarse después, o usarse en un cálculo para modificar la estrategia de control, comunicar el estado del reactor o el estado del sistema con otros dispositivos, o comunicar la característica o una característica derivada a un usuario. Un ejemplo de un dispositivo de comunicación del usuario es un dispositivo de exhibición visual, tal como una pantalla LCD, por ejemplo.
La reacción puede controlarse en asociación con el dispositivo de monitoreo usando un dispositivo de control de la reacción . Los ejemplos de dispositivos de control de la reacción incluyen, pero sin limitarse a, dispositivos para alterar la temperatura, intervalo de conductividad eléctrica, presión, peso de la reacción, así como otras mediciones ambientales dentro de las que procede la combinación del material combustible reactivo y la solución acuosa en el reactor. Por ejemplo, los dispositivos de control de la reacción pueden usarse para adicionar materiales combustibles reactivos adicionales al reactor, adicionar solución acuosa adicional al reactor, eliminar el producto de desecho del reactor, enfriar el reactor, calentar el reactor, mezclar una combinación de materiales combustibles reactivos y la solución acuosa, exudar el reactor para disminuir la presión, y realizar otras mediciones de control.
La medición de los parámetros de reacción y el uso de los dispositivos de control de la reacción permiten que el método para generar gas de hidrógeno se controle en el reactor cuando cualquiera de las mediciones ambientales dentro del reactor está fuera de un intervalo respectivo o por una estrategia de control que monitoreas y procesa la velocidad de cambio de cualquiera de los parámetros.
El reactor puede incluir un número de filtros diferentes para separar los reactivos y sus subproductos de reacción del gas de hidrógeno. Por ejemplo, los métodos para generar gas de hidrógeno limpio pueden incluir las etapas de separación y filtrado. En un ejemplo, al menos uno de los materiales combustibles reactivos, la solución acuosa, el gas de hidrógeno, y/o los productos de desecho de la reacción se separan de los otros. Además, el gas de hidrógeno puede purificarse usando una membrana de separación de hidrógeno, un filtro químico, un filtro desecante, un medio de filtro de malla gruesa, un filtro secador, y/o una cámara secundaria del reactor. Cuando se usan, los filtros pueden limpiarse con una porción de la solución acuosa ya que la solución acuosa se introduce en el reactor.
El reactor puede incluir, además, estructuras y dispositivos para la distribución de la solución acuosa tales como una red de tuberías, conjunto de boquillas, limitadores de flujo, y medios de distribución de agua tales como difusores, misters, y similares. La solución acuosa puede distribuirse a través de múltiples puntos en el reactor en paralelo, en serie, o en una combinación de éstos. El sistema de distribución de la solución acuosa puede usarse por completo, o en parte, para
reaccionar con el material combustible reactivo para producir hidrógeno, purificar la corriente de hidrógeno, limpiar los medios de filtración, y/o para controlar los parámetros del producto de desecho.
El reactor puede incluir componentes para el manejo del hidrógeno tales como un mecanismo de descarga de seguridad tal como una válvula de descarga, disco de ruptura, o un punto de ruptura del reactor controlado. El reactor puede incluir, además, un limitador del flujo de salida para minimizar, o controlar, la velocidad de salida del hidrógeno para suministrar una característica de la celda de combustible o ajustar las limitaciones del régimen de flujo transitorio de los componentes de filtración .
El sistema para la generación de gas de hidrógeno puede incluir, además, un transductor de presión , una válvula de descarga, una válvula de retención de sellado para hidrógeno, un ventilador, un intercambiador de calor, y una fuente de enfriamiento del reactor. Asim ismo, el sistema puede incluir un contenedor de recaptura para el reciclado de la solución de desecho de la reacción de la celda de combustible y retornar la solución de desecho de la reacción de la celda de combustible al reactor.
Los métodos para generar hidrógeno pueden incluir, además, dirigir a porción de la solución acuosa a áreas del reactor para recapturar el producto de desecho resultante de la combinación del material combustible reactivo y la solución acuosa . Por ejemplo, una porción de la solución acuosa puede añadirse a una cámara secundaria del reactor, y el gas de hidrógeno generado puede pasar a través de
esta solución acuosa particionada. El filtrado puede realizarse, además, usando un tamiz permeable al líq uido para separar un producto de desecho del material combustible reactivo no reaccionado y la solución acuosa.
Estas y otras ventajas, aspectos, y características resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada cuando se observa en conjunto con los dibujos que se acompañan. Las modalidades no limitantes y no exhaustivas se describen con referencia a los siguientes dibujos. En correspondencia, los dibujos y descripciones más abajo se consideran ilustrativas en naturaleza, y no restrictivas.
Breve descripción de las figuras
La FIGURA 1 muestra un ejemplo de un sistema de generación de hidrógeno que usa un material de metal alcalino estabilizado y una solución acuosa para proporcionar hidrógeno a una celda de combustible de hidrógeno o un uso general en el laboratorio, industria, o de consumo.
La FIGURA 2 ilustra un ejemplo de un sistema de generación de hidrógeno con dos reactores y un accesorio de mango portable.
La FIGURA 3 muestra un ejemplo del sistema de generación de gas de hidrógeno que incluye un reactor, un contenedor de agua, y un número de componentes adicionales
Las FIGURAS 4A-4D ilustran reactores que emplean múltiples boquillas distribuidoras de agua en lugares seleccionados.
La FIGURA 5 ¡lustra esquemáticamente un ejemplo del sistema de generación de hidrógeno con una estructura de eliminación de calor.
La FIGURA 6 muestra un ejemplo del sistema de generación de hidrógeno con una salida de hidrógeno y entrada de agua en un extremo del reactor en una orientación descendente para mezclar los componentes de reacción .
La FIGU RA 7 muestra una vista en despiece de un sistema de generación de hidrógeno con la estructura de elim inación de calor mostrada en las FIG URAS 5 y 6.
La FIGURA 8 muestra una configuración del sistema de generación de hidrógeno con un medio de filtro de malla gruesa y una membrana de filtración de hidrógeno.
Las FIGURAS 9A-9C ilustran una red de alimentación de agua y una comparación de las áreas del filtro sin una red de alimentación de agua y aquellas que utilizan la red de alimentación de agua.
Las FIGURAS 10-10B ilustran diseños alternativos de filtros para un sistema de filtro de malla gruesa/membrana.
Las FIGURAS 1 1 A-1 1 B ilustran sistemas y técnicas de circulación y captura de residuos.
La FIGURA 1 2A ilustra un ejemplo de un reactor con múltiples compartimientos de reacción.
La FIGURA 1 2B ilustra un ejemplo de reactor con múltiples dispositivos de aislamiento protector.
La FIGURA 1 3 ilustra un ejemplo de reactor con contactos eléctricos para medir los cambios en la conductividad.
La FIGURA 14 ¡lustra un ejemplo de reactor con contactos eléctricos conectados a una tapa del recipiente de presión del reactor.
Las FIGURAS 1 5A-1 5C muestran un ejemplo de reactor reutilizable de peso ligero, de bajo costo de acuerdo con la invención reivindicada .
La FIGURA 16 muestra un ejemplo de arquitectura de un sistema reactor de bajo rendimiento de acuerdo con la invención reivindicada.
La FIGU RA 17 muestra un ejemplo detallado de un sistema reactor de bajo rendim iento de acuerdo con la invención reivindicada.
La FIGU RA 1 8 muestra un reactor con material combustible reactivo sólido conectado por una válvula a un sistema de bombeo de líquidos basado en resortes.
La FIGU RA 1 9 muestra una representación gráfica de la generación de hidrógeno oscilante con el tiempo en un sistema de bombeo de l íq uidos basado en resortes sin una válvula de acoplamiento
La FIGU RA 20 muestra una representación gráfica de la presión de generación de hidrógeno con el tiempo en un sistema de bombeo de líquidos basado en resortes con una válvula de acoplamiento.
La FIGU RA 21 muestra un reactor con material combustible reactivo y un sistema de bombeo de l íquidos basado en resortes integrado dentro de un solo cartucho.
La FIGU RA 22A m uestra un reactor con material combustible reactivo y un sistema de bombeo de l íquidos basado en resortes integrado.
La FIGURA 22B muestra tres sub-conjuntos primarios de un
cartucho integrado con un reactor y sistema de bombeo de líquidos basado en resortes.
La FIGU RA 23 muestra una vista en perspectiva y sección transversal de un cartucho integrado con un reactor y sistema de bombeo de l íquidos basado en resortes
La FIGU RA 24 muestra una vista ensamblada de un cartucho integrado
La FIGU RA 25 ilustra mecanismos de distribución de alimentación de agua.
La FIGURA 26 muestra un mecanismo de cierre roscado para acoplar un dispositivo de alimentación de líq uido separable /reactor de generación de hidrógeno.
La FIGU RA 27 muestra una representación esquemática de un dispositivo de alimentación de líquido separable /reactor de generación de hidrógeno.
La FIGU RA 28 muestra una representación esquemática de un dispositivo de alimentación de líquido separable /reactor de generación de hidrógeno con un resorte cónico/plegable.
Las FIGURAS 29A-29B representan vistas comprimida y normal de un resorte plegable para facilitar una variabilidad limitada en la fuerza durante el viaje.
La FIGURA 30A muestra una vista en perspectiva de un cartucho de generación de hidrógeno con una alimentación de l íquidos basada en resortes y un sistema de intercambio de volumen
La FIGURA 30B muestra una representación esquemática de un
cartucho de generación de hidrógeno con una alimentación de líquidos basado en resortes y un sistema de intercambio de volumen.
La FIGURA 31 muestra vistas en perspectiva y sección transversal de un cartucho de generación de hidrógeno con una alimentación de líquidos basada en resortes, intercambio de volumen.
La FIGURA 32 muestra una vista ensamblada y una vista de la sección transversal de un cartucho de generación de hidrógeno con alimentación de l íquidos basada en resortes, intercambio de volumen.
La FIGURA 33 muestra una vista ensamblada de un ejemplo de sistema de filtración con cartucho integrado.
La FIGURA 34 muestra una vista ensamblada de una válvula normalmente cerrada para separar un reactor y una alimentación de líquido.
Las FIGURAS 35A-B muestran una vista ensamblada y una vista en perspectiva de un componente de apareamiento para unir un reactor y una alimentación de líquido.
Descripción detallada de invención
En los ejemplos más abajo, se hace referencia a los sistemas de celda de combustible de hidrógeno, pero debe entenderse que los sistemas y métodos discutidos pueden implementarse, además, en cualquier aplicación de generación de gas de hidrógeno, tales como aplicaciones de laboratorio, aplicaciones comerciales o industriales, y aplicaciones de consumo, por ejemplo.
Sistema básico de control de hidrógeno
En un ejemplo, la siliciuro de sodio y/o el gel de sílice sodio pueden combinarse con agua para generar gas de hidrógeno, pero el desarrollo de tecnologías puede usar, además, materiales de metales alcalinos estabilizados, tales como siliciuros dopadas y siliciuros que tienen hidrógeno en asociación, o polvos sólidos combinado con soluciones acuosas para producir gas de hidrógeno. Además, muchos aspectos de la tecnolog ía desarrollada del sistema puede aplicarse, además, a los materiales alternativos usados en la producción de hidrógeno tales como polvo de aluminio, o cualquier otro material, o combinación de materiales, que genera hidrógeno cuando se expone a las soluciones acuosas.
Los materiales combustibles reactivos pueden ser polvos de flujo libre o materiales que se comprimen, moldean, cortan o se forman en barras, conos, esferas, cilindros u otras geometrías físicas. Los materiales pueden consistir de tamaños de polvo variable, variaciones geométricas, recubrimiento del material, o variaciones del material para controlar la velocidad de reacción. Un método para recubrir sería para exponer la estructura siliciuro de sodio sólida al aire húmedo creando una barrera de silicato sódico que es disoluble en agua. Por supuesto otras formas y geometrías para los materiales combustibles reactivos y soluciones acuosas pueden usarse con para combinar los materiales combustibles reactivos y soluciones acuosas.
La FIGURA 1 muestra un ejemplo de un sistema de generación de hidrógeno 1 00 que usa un material combustible reactivo y una solución acuosa para generar gas de hidrógeno. El gas de hidrógeno generado puede dirigirse a una celda de combustible de hidrógeno o a un uso de laboratorio, industrial, o de consumo general. El material combustible reactivo 1 01 puede introducirse en un reactor 1 02. En esta descripción, los términos reactor, cartucho, y recipiente a presión se usan como sinónimos para identificar un contenedor u otros receptáculos en los cuales se coloca un material combustible reactivo. En el ejemplo que se muestra en la FIGURA 1 , un reactor removible 1 02 está unido a una conexión de entrada de agua 1 06 y una conexión de salida de hidrógeno 108. Las conexiones pueden incluir, pero sin limitarse a, válvulas de doble cierre normalmente cerradas y/o válvulas de retención normalmente cerradas. Las conexiones del reactor 1 02 a la conexión de entrada de agua 106 y la conexión de salida de hidrógeno 1 08 pueden ser conexiones flexibles o pueden ser conexiones rígidas, dependiendo del uso particular. El agua, u otra solución acuosa, se adiciona al material combustible reactivo, tal como un metal alcalino estabilizado 101 para generar gas de hidrógeno y un subproducto, tal como silicato sódico. El gas de hidrógeno se mueve hacia arriba y sale del reactor 102. Aunque un solo reactor 1 02 se ilustra en la FIGURA 1 , se entenderá que cualquier número de reactores removibles o fijos puede usarse en los sistemas ilustrativos de generación de gas de hidrógeno descritos. Por ejemplo, en la FIGURA 2, se muestran dos reactores removibles 202, 204. Además, los reactores pueden asegurarse en el lugar en el sistema usando un mecanismo de fijación , un gancho, u otros dispositivo de sujeción sim ilares.
En el ejemplo mostrado en las FIGU RAS 1 y 2, una solución acuosa, como agua, se añade a los puertos de llenado 1 10, 21 0, respectivamente. En otra implementación, un contenedor de agua removible puede usarse, tal como el contenedor de agua 1 14, con o sin un puerto de llenado. En otros ejemplos, un reactor puede pre-llenarse con material combustible reactivo. La solución acuosa puede incluir aditivos para mejorar las eficiencias de reacción, aumentar la producción de hidrógeno, aumentar la velocidad de producción de hidrógeno, reducir la formación de contaminante, facilitar filtración de contaminante, soportar la hidrólisis final, reducir la corrosión, controlar el pH de los productos de desecho, cambiar la solubilidad de los productos de desecho, y extender el intervalo de temperatura operación, así como afectar otros parámetros de la reacción tales como las propiedades termofísicas de los reactivos. Por ejemplo, los aditivos pueden incluir ácidos, bases, alcoholes, otros aditivos, y mezclas de estos aditivos. Los ejemplos de los aditivos pueden incluir metanol, etanol, ácido clorh ídrico, ácido acético, hidróxido sódico, hidróxido cálcico, silicato sódico, fosfatos, boratos, y otros. Otros aditivos pueden combinarse con el material combustible reactivo, que incluye boro, carbono, y nitrógeno para mejorar la capacidad de hidrógeno, las cinéticas y/o para reducir la entalpia de la reacción. Con respecto al intervalo de temperatura de operación, la sal y/u otros aditivos pueden incluirse en la solución acuosa para reducir el punto de congelación de la solución.
La cantidad de la solución acuosa almacenada en su contenedor
puede variar dependiendo de las especificidades de implementación del sistema. Por ejemplo, en la FIGURA 2, el contenedor puede almacenar más que un volumen suficiente de solución acuosa para reaccionar con múltiples cartuchos 202, 204. El sistema puede incluir un condensador (no mostrado) para condensar el agua de la corriente de salida de hidrógeno y retornarla directamente al reactor, o dirigirla al contenedor de agua 1 14. El sistema puede incluir una conexión de entrada de agua 106 por una fuente de agua externa (no mostrada) para suministrar agua adicional al contenedor de agua 1 14, o en una implementación separada directamente al reactor. En una implementación , el agua residual de la reacción de la celda de combustible puede capturarse completamente o en parte y contribuir, además, al sum inistro de agua para reducir los requerimientos de agua total de la red.
Por ejemplo, el producto de desecho de silicato sódico absorbe rápidamente el agua, y su viscosidad cambia en correspondencia. Al separar el producto de desecho del material combustible reactivo sin reaccionar, la reacción puede controlarse. Por ejemplo, un extremo del reactor puede calentarse o aislarse para crear una condición de solubilidad donde existe exceso de agua. Esta agua puede bombearse después de regreso hasta el polvo de metal alcalino estabilizado o se deja reaccionar con una cantidad de siliciuro de sodio configurada exclusivamente para maximizar el uso del agua. Alternativamente, en el momento de la reacción, el silicato de desecho se calienta requiriendo poca agua para estar en una fase líquida. En el momento de la reacción, un tamiz de separación se utiliza para separar los desechos líquidos del material combustible reactivo sin reaccionar.
Componentes adicionales del sistema
Adicionalmente al reactor y las fuentes de solución acuosa, los sistemas de generación de gas de hidrógeno pueden incluir componentes adicionales del sistema. Por ejemplo, la FIGURA 3 muestra un ejemplo de un sistema de generación de gas de hidrógeno 300 que incluye un reactor 302, un contenedor de agua 314, y un número de componentes adicionales. Por ejemplo, la entada de la fuente de agua 306 permite el llenado, o rellenado, del contenedor de agua 314 según sea necesario. El agua del contenedor de agua 314 puede bombearse en el reactor 302 a través de la l ínea de suministro de agua 390 usando una bom ba 320, tal como una bomba peristáltica, una bomba manual, bombas de desplazamiento positivo, y otras bombas. Un transductor de presión 322 puede colocarse en línea con línea de suministro de agua 390 y usarse para regular la cantidad de agua bombeada en el reactor 302. Por ejemplo, el transductor de presión 322 puede usarse con una bomba 320 para suministrar cantidades de agua calibradas a presión a múltiples reactores a través de una válvula de múltiples puertos 324. El transductor de presión 322 puede usarse, además, en parte para proporcionar un modo protegido de prevenir el exceso de agua de ser bombeada en el reactor 302. En un ejemplo, el voltaje de salida del transductor de presión 322 puede compararse con un parámetro de voltaje del sistema usando un comparador (no mostrado). La salida del comparador puede evaluarse para determinar si el voltaje se encuentra en un intervalo de operación adecuado. Cuando el voltaje se encuentra en el intervalo de operación, instrucciones adicionales para implementar el sistema de circuitos del microcontrolador 387 puede accionar la bomba 320 para proporcionar agua al reactor 302. Cuando el voltaje está fuera del intervalo de operación , la bomba 320 se deshabilita. Este sistema de circuitos puede usar un capacitor, u otros circuitos de regulación, para crear un retraso en la lectura de la bomba para permitir una alta lectura instantánea durante la acción de la bomba de diafragma, por ejemplo. Para los sistemas de generación de hidrógeno con múltiple reactores, una válvula de suministro 324 puede usarse para seleccionar qué reactor recibe agua.
El sistema de generación de gas de hidrógeno 300 puede incluir una batería 388 para operar la bomba 320 y/o para iniciar, de cualquier otra forma, la reacción y para operar otros electrónicos de control (mostrados colectivamente como 386). El sistema de generación de gas de hidrógeno 300 puede recibir, además, energ ía externa para recargar la batería 388 de cualquier fuente externa tal como una celda de combustible, una salida de pared, o energía a partir de cualquier otra fuente. El sistema 300 puede incluir, además, un pequeño sistema de celda de combustible (no mostrado) para operar internamente sus componentes de balance-de-planta internos. En una implementación , no hay presente ninguna batería en aislamiento, pero se obtiene algo de energ ía a partir de una celda de combustible o una batería de celda de combustible h íbrida que es interna al sistema 300 general o externa al sistema de generación de hidrógeno 300. En una implementación, no se requiere batería si a los reactores se someten a una sobre-presión de hidrógeno en la fábrica, lo que proporciona suficiente hidrógeno para encender el sistema. Además, el sistema de generación de hidrógeno puede diseñarse con una pequeña bomba operada manualmente (tal como una jeringa o similar) para iniciar la reacción por una interacción física del usuario en lugar de un encendido eléctrico.
De manera similar al transductor de presión 322, una válvula de retención 326 puede usarse en el reactor 302, o en el sistema de control, para mantener la presión de hidrógeno en el reactor 302 a partir de provocar altas presiones no permisibles en los componentes del sistema de control tales como válvulas 324 / 361 , transductor 322, y/o bombas 320. Por ejemplo, como el agua inicial entra al reactor 302 y reacciona con el material combustible reactivo 301 en el reactor 302, se genera hidrógeno, y la presión de hidrógeno en el reactor 302 aumenta hasta que el hidrógeno alcanza un valor del parámetro de presión del sistema con el cual el gas de hidrógeno sale del reactor 302 y se usa en otro lugar. En algunas situaciones, la presión en el reactor 302 puede exceder de las capacidades de la bomba 320 y otros componentes del sistema. La válvula de retención 326 puede usarse para evitar que la bomba 320, el contenedor de agua 314, y la línea de agua 390 se presuricen excesivamente y para evitar un daño al sistema. La válvula de retención 326 puede usarse para determinar la presión en el reactor 302 y aislar la cantidad de presión al sistema de control desde el reactor 302.
Igualmente, las válvulas de retención de salida de hidrógeno 336, 337 controlan el reflujo en el reactor 302. El reflujo puede ocurrir cuando el sistema se usa a altas altitudes o cuando las salidas de hidrógeno de múltiples receptáculos se unen unas con otras. Las válvulas de retención y transductores en cada reactor, y a través de todo el sistema de control, permite lecturas de presión independientes de cada reactor para sistemas que usan múltiples reactores. Las l íneas de salida del gas de hidrógeno 391 de cada reactor 302 pueden incluir un transductor de presión 340, localizado en el reactor 302 o en el sistema de control 303. En una implementación, la válvula de retención 336 permite solamente que el hidrógeno fluya fuera del receptáculo en oposición al aire que entra al receptáculo cuando se conecta y desconecta, o en el caso de que el sistema se conecta inadvertidamente a alta presión de otra fuente a un reactor. En otra implementación, esta válvula de retención 336 no se requiere pero una válvula de retención normalmente cerrada 3430 (como se muestra en la FIGU RA 34) se usa alternativamente. En una implementación, las válvulas de retención se conectan corriente abajo de los transductores de presión 340 que lo permite que un reactor retropresurice otro reactor mientras proporciona lecturas de presión independientes de cada reactor con los transductores de presión residiendo en el sistema de control. En otras implementaciones, las válvulas de retención 326, 336 pueden residir físicamente en el reactor 302 o en el sistema de control 303 y proporciona la misma función. Además, el sistema puede incluir, además, un regulador de presión 344. A veces, se desea operar el
reactor 302 a una alta presión (por ejemplo, 80 psi o mayor). En un ejemplo, el regulador 344 puede llevar la presión hacia abajo a 25 psi. Alternativamente, un regulador 344 con un disco, u otros medios de regular la presión, puede usarse, lo que permitirá al usuario cambiar la salida de presión del sistema de control. Alternativamente, un regulador electrónicamente controlado puede usarse para permitir que el micro-controlador (tal como el micro-controlador 387) fije la presión de salida basado en la presión deseada. En una implementación separada, no puede usarse el regulador, y el micro-controlador puede controlar la cantidad y el régimen de flujo de agua para controlar la presión de salida del reactor.
Alimentaciones del material
Son posible mecanismos alternativo del material combustible reactivo (por ejemplo siliciuro de sodio) / l iquido (por ejemplo agua). En algunas configuraciones, el material reactivo puede formarse, moldearse, o comprimirse en estructuras geométricas. Por ejemplo, las barras formadas a partir de materiales de metales alcalinos estabilizados pueden introducirse en una solución acuosa a una velocidad definida para controlar la reacción. Igualmente, la barra se puede eliminar simplemente del baño de agua, u otra solución acuosa, para detener la reacción. Además, los materiales combustibles reactivos pueden comprimirse, además, en bolillas. Después, esas bolillas pueden manipularse y colocarse en agua, u otras soluciones acuosas, a una velocidad definida para efectuar la reacción.
Alimentaciones de la solución acuosa
El agua puede alimentarse en el reactor 302 de muchas formas diferentes. Por ejemplo, el agua puede alimentarse en el reactor usando una sola entrada de agua 338, o usando múltiples boquillas distribuidoras de agua en lugares seleccionados como es mostrado en las FIGURAS 4A-4D. En las configuraciones simples del sistema y para sistemas pequeños, bastará una sola entrada de agua. Para sistemas más grandes, se pueden usar múltiples entradas de agua para facilitar la reacción y ayudar en un reinicio de la reacción. Por ejemplo, en la FIGURA 4A, un tubo de alimentación de agua 411 se extiende verticalmente desde la entrada de agua 406 y emplea múltiples boquillas distribuidoras de agua 413 con las cuales alimenta agua a múltiples áreas del reactor 402 usando un solo tubo 411. Asimismo en la FIGURA 4B, un aerosol del filtro distribuidor de agua horizontal 415 se usa, además, para alimentar agua a múltiples áreas del reactor 402. En la práctica, puede usarse uno solo o cualquier número de tubos. Los tubos y boquillas distribuidoras de agua pueden ser de varios tamaños, y el patrón de la boquilla distribuidora de agua y el tamaño del hueco pueden variar a través del tubo para optimizar las condiciones de mezcla del reactor. Por ejemplo, las tuberías pequeñas pueden usarse con un número de agujeros pequeños, tales como agujeros con dimensiones de .001" a .040" o de mayor diámetro, por ejemplo. Los agujeros pequeños pueden tener una tendencia de obstruirse con los subproductos de reacción cuando se intenta reiniciar una reacción, mientras que las boquillas más grandes pueden provocar que la solución acuosa gotee
sobre el material combustible reactivo en lugar del chorro o vapor. Cuando se usa una bomba con capacidad para alta presión, los orificios más grandes pueden usarse para inyectar agua en el punto de la reacción. Cuando se usa un sistema de alimentación de agua de baja presión, pueden usarse más boquillas para lim itar la distancia entre la boquilla y los puntos de reacción . Dependiendo de la aplicación y los reactivos específicos, puede seleccionarse cualquiera de las técnicas de suministro de la solución acuosa.
Además, los tubos de alimentación de agua pueden ser curvados o en espiral como se muestra en las FIGU RAS 4C y 4D. En la FIGURAS 4C y 4D, un tubo de alimentación de agua en espiral 421 puede usarse para acceder a múltiple áreas del reactor 402 usando un solo tubo. Este tubo de alimentación de agua en espiral 421 puede tener orificios en un número de posiciones posibles para maximizar su área de cobertura y minimizar la saturación de agua en un área del reactor 402 con respecto a otra. El poste central 423 puede incluirse, además, como soporte mecánico y para elim inar el calor. Para los diseños que no requieren ese soporte o estructuras de eliminación de calor, éste puede eliminarse. Además, una red de alimentación de agua puede integrarse dentro del poste central 423. Otras configuraciones de dispersión de agua son posibles también. Por ejemplo, una implementación puede emplear una distribución de agujeros finos o malla para facilitar la transferencia de agua. En otras implementaciones, la red de alimentación de agua puede no ser uniforme a través del volumen de los receptáculos. Por ejemplo, la red de alimentación puede optimizarse para alimentarla directamente en el área del reactivo combustible. Si un reactor tiene un exceso de volumen para los productos de desecho o la espuma reactiva, la red de alimentación de agua puede no adicionar agua a estas áreas. Además, la red de alimentación de agua puede emplear tuberías configuradas para atomizar el agua en una(s) membrana(s) usadas para la separación de hidrógeno (discutido más abajo). La tubería puede incluir agujeros o puede contener arreglo(s) de tubo(s) o boquillas adicionales. De esta manera, el agua se alimenta directamente al reactivo combustible en múltiples áreas del reactor 402 para facilitar su reacción con la solución acuosa.
Al alimentar el agua en el lugar seleccionado del reactor 402, el agua y la reacción subsiguiente pueden arremolinar o mezclar el reactivo combustible en el reactor 402. Cuando se forma hidrógeno y sube, el gas de hidrógeno sirve para agitar los materiales del reactor (o sea, la solución acuosa y los materiales combustibles reactivos) lo que permite una reactividad casi completa de esos componentes de reacción. La mezcla de los componentes de reacción puede levarse a cabo, además, mediante la colocación de la salida de hidrógeno y la entrada de agua en un extremo del reactor con orientación descendente como se muestra en la FIGURA 6. Esta configuración proporciona una sola conexión plana al sistema de generación de hidrógeno. La toma de hidrógeno 666 se localiza en la parte superior del reactor 602 y el gas presurizado viaja al fondo a través de un tubo de hidrógeno 668. Este tubo de hidrógeno 668 puede estar dentro o fuera del reactor. Además, se pueden emplear diferentes configuraciones y geometrías del tubo.
Una reactividad menor que la completa puede emplearse, lo que aumenta la densidad de energ ía (H2 suministrado / (masa de polvo + masa de agua requerida)) ya que la cantidad de agua requerida no es lineal. Adicionalmente, una reactividad parcial puede dejar el producto de desecho en un estado casi sólido cuando éste se enfría desde la temperatura de reacción local elevada. Los productos de desecho sólidos pueden ser beneficiosos para la eliminación del material de desecho.
Transferencia de calor
Retornando a la FIGURA 3, como la reacción del material combustible reactivo 301 y agua progresa, el calor se genera dentro del reactor 302. Uno o más termistores 328 pueden usarse para medir el calor del reactor 302 y para controlar un sistema de enfriamiento, que incluye uno o más ventiladores de enfriamiento 330 que pueden usarse para enfriar el reactor 302. Asimismo, el enfriamiento puede ser proporcionado por un circuito de enfriamiento líquido (no mostrado) usando un circuito de control del calor auto-contenido, o por la circulación de agua alrededor del reactor 302 desde el contenedor de agua 314 usando una corriente de enfriamiento de agua separada. Por supuesto, el termistor 328 puede controlar, además, la válvula de suministro de agua 324 para regular el flujo de agua en el reactor 302 para controlar la reacción basada en la temperatura del reactor 302, controlar la cantidad de producto de desecho generado, minimizar el uso de agua, maximizar la reactividad, y para otras razones.
Como se muestra en la FIGURA 5, una estructura de eliminación de calor 523 puede colocarse en el centro del reactor 502 también. La estructura de eliminación de calor 523 puede facilitar, además, un mecanismo mecánico de cierre del reactor al mantener los dos extremos del reactor juntos cuando se presuriza.
En la FIGU RA 5, el fondo 572 del reactor sirve, además, como un disipador de calor y soporte para el reactor 502. Aunque algún calor se elimina a través de las paredes del reactor, cuando esas paredes son claras y hechas de vidrio o plástico, esos materiales típicamente tienen una conductividad térmica limitada. En una implementación, una cantidad significativa de calor se elimina a través de cada uno o de ambos extremos 562, 572 del reactor. Un extremo del reactor 502 puede ser exclusivamente un disipador de calor (fondo 572) mientras que el otro extremo (tapa parte superior 562) puede contener el control y conexiones del reactor tales como los conectores de hidrógeno 508 y los conectores de agua 506, las válvulas de descarga 555, las conexiones eléctricas 577, 579 tales como la alimentación eléctrica pasamuros, las conexiones de procesamiento de la señal eléctrica, las conexiones del sistema sensor, y las conexiones estructurales. En la FIGURA 5, todo el cuerpo del reactor 502 puede ser claro o transparente (por ejemplo, hecho de of vidrio o plástico), proporcionando la posibilidad de permitir la detección visual del estado de la reacción, un estimado del consumo de material combustible reactivo, así como un embalaje único y apariencia visual. En otra implementación , el reactor puede ser generalmente opaco con una ventana de observación clara para ver la
reacción.
Además, como se muestra en el ejemplo de la FIGURA 7, el disipador de calor 723 y todos los componentes se conectan en un extremo 762. Esta geometría facilita la fácil conexión al sistema de generación de hidrógeno con conexiones de gas 708, conexiones del fluido 706, y conexiones eléctricas 777, mientras proporciona un paso directo de eliminación del calor por el sistema de generación de hidrógeno usando enfriamiento por aire, enfriamiento por líquido, o cualquier otro método.
Control de la presión
Retornando a la FIGURA 3, válvula de descargas, discos de ruptura, u otros puntos de descarga de la presión controlados 330 pueden implementarse en el reactor 302 para controlar su presión. Por ejemplo, cuando la presión en el reactor 302 alcanza un parámetro predeterminado del sistema, el gas de hidrógeno puede ser ventilado controlablemente desde el reactor 302 a través de un punto de descarga de la presión 330. En un ejemplo, un limitador de flujo puede usarse para limitar el flujo de salida de hidrógeno, para mantener el flujo dentro de un intervalo permisible para los dispositivos corriente abajo, y/o para mantener el flujo dentro de un intervalo permisible para la filtración exitosa. El limitador de flujo puede ser un orificio o una función de los componentes de la válvula de retención. Un limitador de flujo que limita la entrada de agua al reactor puede emplearse para evitar una generación de presión instantánea excesiva.
El sistema de generación de hidrógeno 300 puede configurarse para operar en un intervalo de presiones. En una implementación, un usuario puede fijar el l ímite deseado de presión , o el intervalo, usando botones, interruptores, o cualquier otro protocolo de comunicaciones (por ejemplo, Bluetooth y similares) directamente o remotamente. En una implementación, el sistema 300 controlará la presión y controlará la reacción en correspondencia para mantener esa presión en el reactor 302 dentro de una banda de tolerancia prescrita. El sistema 300 puede usarse para aplicaciones de presión inferior (en el orden de 25 psi) para facilitar seguridad al usuario y simplicidad operacional . Muchas aplicaciones de celda de combustible operan en este intervalo de presión. Sin embargo, cuando es necesario, la siliciuro de sodio puede generar 1000 de psi para aplicaciones que lo requieran.
Filtración de hidrógeno
En una implementación, el material combustible reactivo es siliciuro de sodio, la cual se combina con una solución acuosa para formar gas de hidrógeno y un subproducto (tal como silicato sódico) como la reacción primaria. En la práctica, otros subproductos pueden formarse, tales como silanos (por ejemplo, SiH4) cuando reaccionan bajo ciertas condiciones. Los subproductos de borazina pueden formarse cuando reaccionan mezclas con borano amoniaco, y son posible, además, otros productos tales como vapor de agua o partículas de hidróxido sódico (NaOH). Adicionalmente, la solución acuosa (por ejemplo, agua), el producto líquido de desecho (por ejemplo, silicato), y los materiales combustibles reactivos (por ejemplo, siliciuro de sodio) pueden estar todos presentes dentro del reactor. Los múltiples niveles de filtración pueden usarse para provocar solamente que el hidrógeno salga a un nivel de pureza aplicable para la aplicación particular.
Un separador de hidrógeno puede usarse el que puede servir para múltiples propósitos. En una implementación, puede usarse un medio de separación fabricado de Teflón laminado (PTFE) con un tamaño de poro de aproximadamente 0.45 micrómetros. Una amplia variedad de selecciones de tamaños de poro y materiales específicos están disponibles. Las características de implementación incluyen una velocidad de flujo de gas de alta productividad, una presión de salida del agua de hasta 30 psi , y ligado por ultrasonido a la tapa del reactor. Las membranas están disponibles en una amplia variedad de tipos de materiales y espesores. Las membranas múltiples pueden usarse para proporcionar una filtración fina y de malla gruesa. Por ejemplo, cuando se usa siliciuro de sodio como el material combustible reactivo en la reacción de la solución acuosa, las burbujas de hidrógeno pueden residir dentro de una espuma de silicato sódico. Durante la reacción, esta espuma (o las burbujas de silicato sódico recubiertas de hidrógeno) puede recubrir una membrana de filtración con un producto de desecho de silicato sódico. La FIGURA 8 muestra una configuración del sistema que usa un medio de filtro de malla gruesa 888 para descomponer esta espuma antes de realizar una filtración fina usando una membrana de filtración de hidrógeno 890. En una implementación, una malla de alambre de cobre se usa como el medio de filtro de malla gruesa 888.
Esta mantiene exitosamente el material de alta viscosidad lejos de la membrana de filtración de hidrógeno del filtro fino 890. Otro medio de filtro de malla gruesa puede usarse. El cobre, u otros materiales o recubrimiento de materiales, pueden seleccionarse para incluir activadores o absorbentes qu ímicos ventajosos para catalizar la hidrólisis o absorber los contaminantes. El material de membrana del filtro fino 890 puede incluir, además, un soporte 894 entre la membrana 890 y el alojamiento mecánico 892. Este soporte 894 proporciona soporte mecánico a la membrana 890 mientras que proporciona pasos para que el hidrógeno salga de la membrana 890 y entre a las conexiones específicas de salida de hidrógeno (no mostrado en la FIGURA 8).
Al proporcionar la filtración fina y de malla gruesa en el ensamble del reactor, el sistema de generación de gas de hidrógeno saca provecho de las limitaciones del volumen. Puede proporcionarse, además, una filtración adicional dentro del sistema generador de hidrógeno y/o el sistema de celda de combustible. Por ejemplo, los sistemas de generación de hidrógeno representados en las figuras pueden incluir dispositivos de filtración removibles, tal como un filtro desecante removible, por ejemplo. Un filtro químico puede usarse, además, en el sistema generador de hidrógeno al que puede dársele mantenimiento después de un período de tiempo. Alternativamente, los filtros pueden construirse de un gran tamaño de manera que no requieran mantenimiento durante toda la vida del producto del reactor. Para muchas aplicaciones de la celda de combustible, el vapor de agua en la corriente de salida del gas de hidrógeno es aceptable debido a los requisitos de humedad deseados de la celda de combustible. Para otros usos, tales como en algunos am bientes de laboratorio, usos comerciales, y algunas aplicaciones de celda de combustible donde se impone una humedad inferior, el vapor de agua en la corriente de salida del gas de hidrógeno puede no ser aceptable, y puede emplearse un filtro secador. Los sistemas de generación de hidrógeno de la invención reivindicada proporcionan un filtro removible para facilitar las aplicaciones comerciales, de laboratorio, y de celda de combustible, por ejemplo. Adicionalmente, algunas aplicaciones de la celda de combustible, tales como el rellenado de hidruros metálicos, requieren hidrógeno seco. Un medio de absorción de agua y/o condensador 896 como se muestra en la FIGURA 8 puede usarse en estas aplicaciones también. Cualquier uso de un condensador 896 puede facilitar la recolección y retorno del agua a la reacción primaria para minimizar el agua de desecho del reactor 802. El retorno del agua a la reacción primaria puede realizarse directamente a la entrada de agua 806 o a otra conexión al reactor 802.
En otra implementación, los reactores pueden ser removibles o fijos, y una puerta de acceso, u otro puerto de acceso, puede proporcionar para adicionar material combustible reactivo y/o para eliminar el desechos de la reacción una vez que la reacción se completa. Por ejemplo, una puerta de acceso puede incorporarse como una cubierta del reactor, o tapa, 562 como se muestra en la FIGURA 5. Alternativamente, en la implementación que se muestra en la FIGURA 5, cualquier porción del producto de desecho puede almacenarse dentro del reactor para la eliminación o reciclado posterior.
Limpieza de los filtros
Cuando se usa siliciuro de sodio como el material combustible reactivo y agua como la solución acuosa en los sistemas de generación de gas de hidrógeno, el producto de desecho primario es silicato sódico, el cual absorbe fácilmente el agua. En algunas configuraciones del reactor, una cantidad significativa de espuma de silicato sódico provoca el bloqueo de los dispositivos de filtración con el tiempo. El silicato sódico altamente viscoso puede obstruir los dispositivos de filtración. Al aplicar agua al silicato sódico, cambia la viscosidad, lo que permite lavar el silicato sódico lejos del área del filtro. Por ejemplo, en una configuración mostrada en las FIGURAS 9A-9C, una sección de la red de alimentación de agua (tal como el número de referencia 338 en la FIGURA 3 como un ejemplo) tiene una porción del flujo de agua dirigido directamente sobre el(los) dispositivo(s) de filtración, tal como el medio de filtro de malla gruesa 888 y la membrana de filtración de hidrógeno 890 que se muestran en la FIGURA 8. El agua aplicada a los dispositivos de filtración por el atomizador de agua 909 eventualmente gotea de regreso a la siliciuro de sodio sin reaccionar y se hace reaccionar también , pero primero sirve para limpiar el filtro como parte de su suministro al reactor. El número de referencia 909 en la FIGURA 9A muestra una corriente de agua dirigida directamente hasta alcanzar el dispositivo de filtración . La FIGU RA 9B muestra un dispositivo de filtración 999b que no se limpió durante la reacción, y la FIGURA 9C ilustra un dispositivo de filtración 999c que se limpió durante la reacción por atomización de agua en el dispositivo de filtración 999c. Como resulta evidente a partir de la diferencia en el residuo del filtro mostrado en las FIGURAS 9B y 9C, al aplicar agua al dispositivo de filtración, el filtro no se obstruye.
Filtros adicionales
Pueden usarse, además, diseños de filtros alternativos para el ensamble del filtro de malla gruesa/membrana . Las FIGU RAS 1 0A-1 0B muestran un número de diseños de filtro diferente. Por ejemplo, en la FIGU RA 1 0A, un filtro con forma de con 1 01 0 puede facilitar el movimiento de la espuma de silicato sódico a través del filtro 1010 lo que resulta en un descomposición de las burbujas 1012. Esta geometría del filtro en forma de cono puede resultar, además, en un movimiento de la espuma a las zonas recolección del l íquido en las esquinas superiores 1014a, 1 014b del reactor 1002 y la recirculación de la solución de silicato sódico abajo en la base 1 009 del reactor 1002 como se muestra por las flechas verticales 1 050, 1 060 que apuntan hacia abajo. Otras características adicionales del diseño pueden incorporarse en el reactor 1002 en sí mismo para facilitar esta acción. Esas características pueden incluir receptáculos de enfriamiento para facilitar la condensación en las paredes del reactor 1040, así como una mecha 1 071 en la FIGURA 10B para ayudar a mover la solución l íquida debajo de las paredes del reactor 1 040 u otras áreas adecuadas como se muestra por las flechas
verticales 1051, 1061 que apuntan hacia abajo.
Reactores multi-cámaras
Incluso con los dispositivos de filtración descritos anteriormente, alguna cantidad de no hidrógeno y/o no agua puede escapar a través del filtro de malla gruesa y/o membrana. La FIGURA 3 muestra una cámara de combinación 355 para facilitar un proceso para capturar los productos de desecho de la reacción, tales como silicato sódico. El proceso de usar cámara de combinación 355 de la FIGURA 3 se muestra esquemáticamente en las FIGURAS 11A-11B usando múltiples filtros y membranas.
Las FIGURAS 11A-11B ilustran métodos de captura y circulación de los desechos. En una implementación, la captura y circulación de los desechos se realiza dentro de un reactor desechable. En la FIGURA 11A, el gas de hidrógeno se genera en la cámara de reacción más grande 1154 por la reacción del agua y la siliciuro de sodio 1101, y el gas de hidrógeno 1191 se mueve ascendentemente a través de la membrana de hidrógeno 1190. Alguna cantidad de silicato sódico, agua, y otros productos de reacción pueden viajar a través o alrededor de la membrana 1190 también. El régimen de flujo real de esos productos es mucho menor que el régimen de flujo del agua de alimentación entrante 1138. Todos estos productos (hidrógeno de salida 1191, agua entrante 1138, y subproductos de reacción) se combinan en la cámara de combinación más pequeña 1155. La cámara de combinación más pequeña 1155 puede soportarse en el reactor 1102 mediante soportes 1 1 33. Un filtro de malla 1 122 se puede usar, además, para proporcionar una filtración de entrada y salida adicional.
El agua entrante 1 1 38 absorbe los subproductos de reacción combinados debido a que son solubles en agua. El agua 1 138 y los subproductos se bombean después de regreso a la cámara de reacción más grande 1 1 54. El hidrógeno de salida 1 1 91 viajará hacia arriba a la membrana secundaria 1 1 95, la que puede ser de un tamaño de poro más fino que la membrana 1 190. Alguna cantidad de vapor de agua y otros componentes pueden estar aún en la corriente de salida final marcada "Salida de H idrógeno Puro" 1 193. En algunas situaciones de operación, la presión en la cámara de combinación 1 1 55 y las cámaras del reactor 1 1 54 pueden igualarse, y el hidrógeno no fluirá a través de la membrana 1 190.
Para superar la compensación de la presión, la presión de la membrana/filtro cae, la presión de la válvula de retención cae, y los métodos específicos de control de operación de la bomba de agua pueden modificarse antes de, o durante una reacción. Como un ejemplo, el ciclo de la bomba de alimentación puede crear perturbaciones de la presión que permiten que el hidrógeno inicie o re-inicie el flujo. Una configuración para la recaptura del producto de desecho alternativo para una configuración sin bomba se muestra en la FIGU RA 1 1 B. En la FIGURA 1 1 B, una sobre-presión del agua suministrada se usa para alimentar el agua al reactor.
Arquitectura usando compartimentos pequeños dentro del reactor
Como se explicó anteriormente, los reactores en estos ejemplos pueden estar separados en múltiples compartimentos. Esta arquitectura puede ser útil para dirigir el agua a diferentes áreas de la reacción. En un ejemplo, las diferentes áreas de la reacción pueden operar en diferentes momentos facilitando condiciones de reanudación más fáciles ya que la reacción puede iniciarse mucho más rápido cuando solo está presente la siliciuro de sodio en oposición a cuando están presentes la siliciuro de sodio y el silicato sódico. Adicionalmente, los atomizadores de agua han demostrado ser efectivos para controlar las reacciones. Cada atomizador puede tener un intervalo de dispersión de agua definido. Un atomizador con una aproximación al compartimento puede trabajar bien para controlar la reacción. Pueden usarse varios métodos y materiales para separar los compartimentos. Por ejemplo, los tubos delgados pueden introducirse libremente en el compartimento del reactor, un ensamble de malla con estructura tipo panal de abeja puede integrarse en el interior del reactor, o una red de membrana flexible puede incorporarse en el reactor. Además, los materiales usados para dividir el reactor pueden separar la solución acuosa en un compartimento de otros compartimentos. Los compartimentos pueden configurarse en dirección horizontal y vertical dentro del reactor. Los compartimentos pueden fabricarse, además, de materiales permeables al agua y/o permeables al hidrógeno o se fabrican de otro material usado para transportar agua a través de las fuerzas de tensión superficiales.
La FIGURA 12A ilustra una ¡mplementación de esa aproximación
donde un material combustible reactivo puede enrollarse en una configuración sililar al cigarro. Como se muestra en la FIGURA 12A, el material combustible reactivo puede envolverse en un material de membrana que puede distribuir el agua alrededor del polvo y/o hidrógeno permeable. Los múltiples compartimentos enrollados 1204a, 1204b, 1204c, 1 204d, 1204e, 1 204f, 1204g, por ejemplo, pueden alojarse dentro del reactor 1202.
Como las reacciones tiene lugar en los compartimentos enrollados 1204a, 1204b, 1 204c, 1204d, 1204e, 1204f, 1204g, el reactor 1202 generará calor. Otra implementacion de esos compartimentos enrollados es disponer los compartimentos enrollados próximos unos a otros horizontalmente para un empaque de bajo perfil similar a una cajetilla de cigarros. Adicionalmente a las técnicas discutidas anteriormente, la disipación de calor puede conducirse a través de las paredes 1296 del reactor 1 202 como se muestra en la FI GURA 1 2B. Como las paredes 1296 del reactor 1202 se calientan, un número de áreas fuera del reactor 1202 pueden aislarse usando piezas protectoras 1288 u otros dispositivos de aislamiento. Esos dispositivos de aislamiento pueden colocarse fuera de reactor 1202 para posibilitar que un usuario toque el reactor.
Determinación del estado de la reacción
Después que se añade una solución acuosa al reactivo combustible, ocurre una reacción, y se genera el gas de hidrógeno. Existen muchas formas de determinar el estado de la reacción y de
verificar el progreso de la reacción. Estas técnicas pueden incluir observar visualmente la reacción, regular la reacción, y medir los parámetros de la reacción antes, durante, y después de la reacción. Por ejemplo, los parámetros que pueden medirse antes, durante, y después de la reacción incluyen , pero sin limitarse a, el peso de los reactivos, la temperatura, la cantidad de solución acuosa en el reactor, la cantidad de reactivo combustible en el reactor, la cantidad máxima de solución acuosa a adicionarse al reactor, la cantidad de solución acuosa adicionada por caracterización conocida de una bomba, conductividad eléctrica, presión, mediciones de la salida de hidrógeno directamente o indirectamente por medio de la corriente de la celda de combustible, y similares.
Por ejemplo, la siliciuro de sodio tiene conductividad m ínima. Sin embargo, una vez que reacciona con agua, el silicato sódico conduce rápidamente la electricidad a un nivel adecuado para la detección y medición. Aunque se pueden usar muchos métodos diferentes para medir este cambio en la conductividad, una implementación se muestra en la FIGURA 1 3, donde diferentes contactos eléctricos 1 366 se colocan en un cable plano 1350 dentro del reactor 1 302.
El circuito de medición de la conductividad eléctrica lee y compara las mediciones de resistencia real entre las almohadillas 1 31 3a, 1 313b, 131 3c, 1 31 3d , 131 3e, 1 31 3f y/o busca la conductividad punto-a-punto entre las almohadillas 1 313a, 1 31 3b, 131 3c, 1 31 3d, 1 31 3e, 1 313f. Estas mediciones pueden hacerse usando tan solo dos almohadillas o tantas almohadillas como se requieran para proporcionar suficiente resolución
del estado de la reacción . Igualmente, las sondas de contacto pueden colocarse en diferentes lugares del reactor para realizar lecturas similares y lograr un efecto similar.
Más aún, en otro ejemplo, una sola sonda puede contactar dos terminales eléctricos para medir la resistencia en un punto particular a una distancia muy específica en el reactor. Esta técnica puede usarse en una configuración donde se emplea un reactor eléctricamente conductor. En una ¡mplementación similar, una sola sonda, múltiples sondas, o almohadillas conductoras pueden usarse, y el reactor en sí mismo puede usarse como un terreno de medición.
En una configuración, los contactos eléctricos se conectan al sistema de generación de hidrógeno a través de un número de métodos de contactos eléctricos, tales como pasadores de contacto accionados por resorte, pasadores deslizables, dispositivos de inserción de cuchilla, transmisión inalámbrica, o cualquier otro método de transferir la señal eléctrica. Un ejemplo de reactor que usa esos contactos se muestra en la FIGURA 14 donde los contactos eléctricos 1414 se conectan a la tapa del recipiente a presión 1416 de un reactor. Un cable plano hueco 141 8 conecta los contactos 1414 a un micro-controlador 1420 en la tapa del recipiente a presión 1416. El sistema de generación de hidrógeno puede incluir la detección del sistema de circuitos efectuada por instrucciones del programa en el micro-controlador 1420 para interrogar o probar los contactos 1414, para medir la resistencia, y/o determinar un corto circuito y/o un circuito abierto. El micro-controlador 1420 puede incluir instrucciones del programa y algoritmos para interrogar los
contactos 1414, determinar un nivel de señal, y convertir el nivel de señal en una medición de conductividad y equiparar la medición de conductividad con un estado de la medición de la reacción. Por supuesto, el micro-controlador puede residir en el ensamble del reactor (tal como en la tapa del recipiente a presión 141 6 en la FIGURA 14) o en el sistema de control 303 como se muestra en la FIGURA 3.
En otro ejemplo para determinar el estado de la reacción, un sensor de fuerza, tal como un extensómetro, puede usarse para medir el peso del reactor. Durante el estado de la reacción, el reactor se hace más pesado debido al agua adicionada a la siliciuro de sodio. El cambio del peso del reactor puede medirse usando una escala u otros sensores de fuerza para determinar el peso de la reacción antes, durante y después. Al pesar el reactor durante estos períodos, puede determinarse el estado de la reacción, así como otros parámetros específicos del sistema tales como eficiencia de la reacción , porcentaje de completamiento, un tiempo de reacción, la cantidad de gas de hidrógeno generado a partir de la reacción, y otros parámetros.
El sistema de control puede ajustar sus parámetros de bomba basado en el estado de la reacción. Por ejemplo, las reacciones pueden requerir más agua para generar la misma cantidad de hidrógeno cerca del final de la reacción que al principio. El micro-controlador puede usar este parámetro del sistema para predecir las características de la reacción lo que permite una generación de hidrógeno más uniforme mediante el ajuste de otras mediciones de control, tales como intervalos de temperatura, intervalos de presión, y la cantidad y velocidad a la cual la solución acuosa se añade a la reacción.
Visualización del estado de la reacción y parámetros de reacción
A pesar de las mediciones usadas para determinar el estado de la reacción, como se muestra en la FIGURA 2, los dispositivos de visualización 21 8 pueden usarse para monitorear y controlar la reacción del reactivo combustible y la solución acuosa. El dispositivo de visualización 21 8 puede incluir una LCD (pantalla de cristal líquido) u otras pantallas para mostrar la fuerza o el peso de la reacción determinados y otros parámetros específicos de operación o del sistema. Un ejemplo dispositivo de visualización adicional 318 se muestra en la FIGU RA 3. Por ejemplo, el dispositivo de visualización 31 8 puede mostrar el peso real, o usar un micro-controlador (tal como el micro-controlador 387 en la FIGU RA 3) para convertir el peso real a un porcentaje del completamiento, un tiempo, o a otra medición relacionada con el estado de la reacción.
Ejemplo de reactor de un solo compartimento
Un ejemplo de un reactor reusable, de bajo costo, de peso ligero 1502 se muestra esquemáticamente en la FIGU RA 1 5A y en detalle en la FIGURA 1 5B. El reactor de paredes delgadas 1502 se sella y forma para incluir un reborde 1553 alrededor de la tapa de los receptáculos 1555. Una pieza soporte separada 1557 se coloca en la parte inferior del reborde 1553. La tapa de los receptáculos 1 555 y pieza soporte 1557 comprime el reborde 1 553, facilitando un reactor potente 1 502 aunque usa un receptáculo de paredes muy delgadas que pueden desarmarse todas y reusarse. El reborde 1 553 facilita una conexión mecánica para asegurar la tapa de los receptáculos 1555 usando un anillo de retención sin pegamento o engaste. Esto proporciona la capacidad de quitar la tapa de los receptáculos 1 555, dar mantenimiento al reactor 1 502 y la tapa 1 555, y después rellenar y reutilizar el reactor 1502 y la tapa 1555. El mantenimiento del reactor 1 502 y la tapa 1 555 puede incluir reemplazar o restaurar las piezas componentes, tales como las membranas separadoras, el medio de filtración, y similares. Además, los métodos protectores, tales como la encapsulación u otros métodos, pueden usarse para evitar interferir con el reactor y/o para proporcionar la detección de interferencia del reactor.
La FIGURA 15C muestra un dibujo detallado que se usa en la fabricación de tal recipiente de paredes delgadas que incluye el sobre-reborde diseñado 1 553. Como se muestra además en la FIGU RA 15B, el sobre-reborde 1 553 puede omitirse si otros métodos se usan para fijar la tapa del reactor 1 555, tales como aproximaciones de engaste o pegado. La sección del fondo 1 563 de la tapa 1 555 puede diseñarse para minimizar el peso y maximizar la resistencia mientras proporciona dispositivos de conexión prácticos (colectivamente mostrados como 1565) tales como entradas de solución acuosa, entradas y salidas de gas de hidrógeno, dispositivos de conexión eléctrica, y sim ilares.
Como se muestra adicionalmente en la FIGURA 1 5B y descrito operativamente anteriormente con respecto a la FIGU RA 3, el reactor 1502 incluye una salida de hidrógeno 1 544 y una entrada de agua 1 591 .
Estas conexiones pueden contener válvulas de retención y/o válvulas de cierre normalmente cerradas, u otros dispositivos para regular el flujo de agua e hidrógeno. Un ejemplo de una válvula de cierre normalmente cerrada 3434 se muestra en la FIGU RA 34. La válvula de cierre normalmente cerrada 3434 puede instalarse en el reactor a la salida de hidrógeno 1 544 y/o a la entrada de agua 1 591 como se muestra en la FIGURA 1 5B. Un componente de unión 3535 mostrado en la FIGURA 35 está montado en el sistema de control y tiene un anillo-o 3537 o una junta sobre-moldeada en la superficie del componente de unión 3535, el cual se toca y deprime sobre la superficie de la válvula de cierre normalmente cerrada 3434. Cuando la superficie del componente de unión 3535 se deprime en el ensamble de la válvula 3434, la porción interna de la válvula de cierre 3434 se desliza para proporcionar un canal abierto al fluido. En el estado de no abierto, el resorte 3430 empuja el cuerpo de la válvula 3434 y provoca que el anillo-o se selle y permite que el líquido fluya. Un anillo-o adicional se usa como un sello dinámico, el cual mantiene el volumen vacío de la válvula en el mínimo, lo que reduce significativamente la cantidad de aire normal adicionado al gas de hidrógeno cuando se conecta y desconecta. El cuerpo de la válvula 3434 incluye roscas 3439 por lo que el cuerpo puede atornillarse en la tapa de los receptáculos 1 555. La válvula 3434 puede instalarse y mantenerse en el lugar por muchos otros mecanismos tales como por pegamento, fijación a presión, anillo de retención elástico, y similares.
El reactor mostrado incluye válvulas de descarga de seguridad integradas 1 538 y 1 588. La válvula de descarga de seguridad 1 538, 1588 puede implementarse en métodos alternativos, tales como, un punto de ruptura de descarga de presión controlado por una vez. En la FIGURA 15B, una válvula de descarga 1 538 se usa para descargar la presión a través de la filtración mientras otra válvula de descarga 1588 puede usarse para descargar la presión a antes de la filtración. En una implementación las dos válvulas 1538, 1 588 se fijan para liberar a la misma presión. En otra implementación, la válvula post filtro 1 538 se fija para liberar a una presión inferior que una válvula pre-filtro 1 588. En el caso de un evento de alta presión no esperado, el sistema descargaría todo el hidrógeno de alta presión a través de la salida filtrada. La válvula secundaria 1588 puede servir, además, como una válvula de respaldo en el caso de un evento de alta presión donde el filtro está obstruido. En otra implementación, un tubo sumergido 1543 se conecta al canal de gas de la válvula de descarga 1 588 y se dirige al fondo de los receptáculos para ventilar los receptáculos si se almacenan al revés. En una versión de esta implementación, el tubo sumergidol 543 puede contener medios de filtro poroso en la parte superior, fondo, o ambos para ventilar selectivamente el hidrógeno contra silicato sódico u otros elementos de la solución acuosa.
La tapa 1555 incluye un chip RFI D 1 522, tal como un Atmel
TK5551 chip RFI D, por ejemplo. Tres tubos de paredes delgadas 1 539, 1541 , 1543 se muestran dentro del reactor 1502. U n tubo 1 539 lleva el agua hacia abajo desde el centro del reactor 1 502 e incluye boquillas integradas 1 549a, 1549b, 1 549c para dirigir el flujo de agua a las áreas del reactor 1502 en las cuales está presente el reactivo combustible.
Otro tubo 1 541 es horizontal al plano de la tapa superior 1 561 . Este tubo 1 541 se enrolla alrededor del filtro 1 561 y atomiza agua a través del filtro 1561 para limpiar el filtro 1 561 y promover la reacción entre la solución acuosa y el reactivo combustible.
Como se discutió anteriormente con respecto a la FIGU RA 3, una válvula de retención (no mostrada en la FIGU RA 1 5) puede colocarse en línea con la tubería de agua en el reactor 1 502. Como se describió anteriormente, la válvula de retención puede localizarse en el sistema de control, en el reactor 1 502, o en los dos. El agua se bombea al reactor 1502 a través de la red de agua previamente descrita. Como el hidrógeno sale del reactor 1 502 por la salida de hidrógeno 1 591 , el gas de hidrógeno puede pasar a través de una válvula de retención (no mostrada en la FIGU RA 15) también. Como se indicó anteriormente, la válvula de retención de salida del gas de hidrógeno puede localizarse, además, en el sistema de control (mostrado en la FIGURA 3 con el número de referencia 303), en el reactor 1 502, o en los dos. En sistemas que utilizan más que un solo reactor 1 502, se usa una válvula de retención para cada una de las líneas de salida de hidrógeno de cada reactor. Además, los transductores de presión independientes pueden usarse para medir la presión de cada reactor separadamente, y los transductores de presión independientes se conectan después a las líneas de salida de hidrógeno en los reactores o en el sistema de control pero antes de al menos una válvula de retención u otros mecanismos de aislamiento corriente abajo. Las válvulas de retención pueden usarse para evitar que un reactor retropresurice otro reactor. Otros
componentes, tales como válvulas normalmente cerradas o reguladores de control de flujo, pueden usarse para lograr resultados similares.
Como se describió anteriormente con respecto a la FIGU RA 3, el gas de hidrógeno puede pasar directamente fuera del reactor 302. En otra implementación , el gas de hidrógeno puede pasar primero a través de un filtro de contaminación de alta pureza. Igualmente, como se muestra nuevamente en la FIGURA 3, la salida de hidrógeno puede burbujearse a través de un tanque de agua/condensador, tal como el tanque de agua original 314 o un tanque de agua separado. Esto sirve para condensar alguna cantidad de vapor de agua y capturar alguna cantidad de partículas o contaminantes que pueden estar presentes en el gas de hidrógeno producido.
Después de burbujear a través del tanque de agua 314, el gas de hidrógeno de salida puede pasar a través de un filtro fino de alta pureza 369. El tanque de agua 314 puede incluir aditivos para operar a baja temperatura o para otros propósitos. Los aditivos pueden incluir un co-reactivo que aumenta la cantidad de H2 producido, un floculante, un inhibidor de la corrosión, o un aditivo termofísico que cambia las propiedades termofísicas de la solución acuosa. Por ejemplo, el aditivo termofísico puede cambiar el intervalo de temperatura de la reacción, el intervalo de presión de la reacción, y similares. Adicionalmente, el aditivo de la solución acuosa puede incluir mezclas de una variedad de aditivos diferentes.
Algunos aditivos pueden facilitar menos contam inación en la corriente de hidrógeno de salida, o el aditivo en sí mismo puede servir para realizar la hidrólisis en cualquier silano (S¡H4) desarrollado producido en la reacción. El gas de hidrógeno del reactor 302 puede dirigirse a un filtro acuoso 351 . Un transductor de presión 340 puede usarse para medir y regular la presión del gas de hidrógeno. Un filtro acuoso 351 se usa para realizar la hidrólisis en cualquier silano desarrollado, recolectar las partículas, y condensar el agua a partir de la corriente de salida de hidrógeno. En el caso de la hidrólisis de silano, una pequeña cantidad de S¡02 e hidrógeno pudiera generarse. El hidrógeno producido puede usarse en la salida del gas de hidrógeno 365 y el Si02 puede bombearse al reactor 302 con el resto del agua a través de las válvulas 361 , 324. El tanque de agua 314 puede drenarse y limpiarse según sea necesario. Si el hidrógeno de salida se burbujea a través del agua, el tanque de agua 314 puede tener, además, una membrana permeable 367 en la parte superior para permitir que el hidrógeno salga por el puerto de salida de hidrógeno 365, pero no permite que el agua salga en una situación severa inclinada o volteada al revés. En una implementacion, la tapa de agua 363 tiene un sensor de contacto en la tapa 31 1 u otro detector que notifica al micro-controlador 387 una vez que la tapa de agua 363 está completamente cerrada. En una implementacion, el micro-controlador 387 puede apagar una válvula de salida 362 antes del tanque de agua 314 para dejar que el (los) reactor(es) permanezcan presurizados mientras se añade más agua.
En otros ejemplos, una válvula de salida 366 puede colocarse después de la salida del tanque de agua 314 y el filtro fino 367. Esta válvula de salida 366 se puede controlar por el micro-controlador 387 para iniciar la reacción y dejar que la presión suba a un nivel adecuado para suministrar el gas de hidrógeno producido para una aplicación final, tal como, un teléfono celular, una computadora portátil, una red eléctrica residencial , y similares. Otro ejemplo incluye una válvula de descarga separada 368 o una válvula de alivio para purgar el sistema de cualquier aire atrapado. Como se discutió anteriormente, un ejemplo adicional incluye un filtro 369, tal como un condensador o filtro desecante, en línea con la línea de hidrógeno de salida para soportar los requerimientos de la aplicación particular cuando sea aplicable.
Otro ejemplo puede incluir encaminar toda el agua del reactor 302 a través de una cámara de combinación secundaria 351 . Además, otro ejemplo incluye bombear el agua de entrada en la cámara de combinación secundaria 351 como un paso directo en su camino al reactor 302 o con control independiente de la cámara de combinación secundaria 351 . La cámara de combinación secundaria 351 puede acoplarse al sistema de control térmico, que incluye el termistor 328 para aumentar y/o mantener la temperatura de la cámara secundaria para facilitar la hidrólisis y/o filtración , de la misma forma que el control térmico se proporcionó con respecto al reactor 302 como se describió anteriormente.
Conexiones eléctricas adicionales
En los reactores de un solo compartimento y los reactores con compartimentos adicionales, las conexiones eléctricas adicionales pueden realizarse para proporcionar información adicional a un usuario
con respecto al estado de la reacción y los parámetros específicos del sistema. Por ejemplo en la FIGURA 3, conexiones de señal adicionales (con cable o inalámbricas) pueden realizarse del reactor 302 y sistema de control 303 para controlar la electrónica 386 para proporcionar datos de medición de dispositivos de control y dispositivos de visualización con los que se monitorea y visualizan los parámetros específicos del sistema.
Por ejemplo, uno o más dispositivos RFI D de lectura/escritura pueden usarse para evaluar el estado de la reacción al almacenar y reportar los parámetros específicos del sistema. Por ejemplo, el micro-controlador 387 puede escribir los datos indicativos de la cantidad de agua bombeada en el reactor 302 a un dispositivo RFI D 333, que puede colocarse en una tapa del reactor 302. Basado en la cantidad de agua medida conocida para introducirse en el reactor 302 y con otras mediciones como las mediciones de presión y temperatura, el estado de la reacción puede determinarse por el sistema 300. Igualmente, dispositivos RFI D adicionales 381 , 382 , 334 pueden incorporarse en todo el reactor 302 y sistema de control 303 para proporcionar y información del sistema de almacenamiento a y desde el micro-controlador 387. Por ejemplo, cada dispositivo RFI D puede incluir información tal como, un número de serie, una cantidad de agua insertada en el reactor, la cantidad total de agua disponible puede introducirse en el reactor, la presión en el reactor, la presión en el contenedor de agua y en cualquier parte en el sistema. Las mediciones de presión, mediciones de temperatura , cantidades de agua, y otras características del sistema en los dispositivos RFI D pueden usarse después para determinar el estado de la reacción . Igualmente, el micro-controlador 387 puede escribir otros parámetros del sistema, tal como, la velocidad del flujo de agua, la cantidad of hidrógeno producido, y otros parámetros a los dispositivos RFID 333, 334, 381 , 382 y otros dispositivo RFI D que pueden colocarse en el sistema de control 303, en el reactor 302 y en todos los dispositivos de reacción .
Además, un dispositivo RFI D (no mostrado separadamente) puede integrarse en el reactor 302 para proporcionar la gestión del inventario mediante la identificación individual del reactor 302. Este dispositivo puede usarse separadamente para la gestión del inventario, o un solo dispositivo puede usarse en conjunto con un grupo múltiple de funciones de control. Los dispositivos RFI D pueden comunicarse con un transpondedor y/o un número de transpondedores que pueden usarse en múltiples lugares. Por ejemplo, los transpondedores pueden usarse en una fábrica de fabricación de reactores como parte de una línea de ensamblaje o como un dispositivo portátil para el control de calidad. Asimismo, los transpondedores pueden localizarse en hardware de unión para usar en el cam po. El hardware de unión puede incluir un sistema de generación de hidrógeno, un sistema de celda de combustible, un sistema completo de energ ía, u otros sistemas de interfaz.
Generación pasiva de hidrógeno
Un ejemplo de un sistema de reactor con arquitectura pasiva 1600 se muestra en la FIGURA 16. "La arquitectura pasiva" se refiere a la falta de una bomba eléctrica para iniciar la reacción. Los sistemas de arquitectura pasiva son frecuentemente adecuados para los sistemas de bajo rendimiento. Con esta arquitectura, las operaciones indirectas pueden minimizarse. Por ejemplo, los componentes de los sistemas de bajo rendimiento pueden combinarse frecuentemente en números pequeños de paquetes físicos, y otros componentes pueden eliminarse totalmente. Por ejemplo, el ventilador y la bomba de un sistema reactor pueden eliminarse para un sistema de baja energ ía tal como un teléfono celular o un cargador del teléfono celular y otras aplicaciones donde se requiera poca energía y tanto el volumen como el costo pueden ser minimizados. Una arquitectura simplificada de un sistema sin bomba para la siliciuro de sodio basado (u otro material reactivo acuoso) en la generación de hidrógeno se muestra en la FIGURA 1 6. El tanque de agua 1614 se presuriza inicialmente mediante la conexión a una fuente presurizada 1616 o una bomba. El agua se alimenta después a través de la l ínea de suministro de agua 1 690 la que puede incluir, además, un limitador de flujo 1 624. El limitador de flujo 1 624 puede ser un componente activo, tal como una válvula, o un componente pasivo, tal como un orificio. Alternativamente, la gravedad en sí misma puede proporcionar la fuerza inicial para mover el agua a través de la línea de suministro de agua 1690. Ya que el agua inicial entra al reactor 1602 y se combina con la siliciuro de sodio 1601 , se genera hidrógeno 1634 y crea una presión de hidrógeno, la que a su vez re-presuriza el suministro de agua 1684 mediante la línea de re-presurización 1643. La presión en la salida de hidrógeno 1 666 caerá ya que el hidrógeno
empieza a fluir fuera del sistema y regresa al tanque de agua 1614. Sin embargo, la presión en el tanque de agua 1 614 se mantiene debido a la válvula de retención 1677. Esto crea una presión diferencial que lleva más agua al reactor 1602, el cual después re-presuriza el sistema 1600. Como la presión aumenta, la presión total del sistema se equilibra, lo que detiene el flujo de agua. El limitador de flujo 1624 puede usarse para controlar la velocidad de entrada de agua al reactor 1602. De cualquier otra forma, el exceso de agua puede introducirse en el reactor 1602 antes de que la presión de hidrógeno ha tenido tiempo de desarrollarse, lo que podría conducir potencialmente a una situación realimentación positiva, y la reacción podría ocurrir prematuramente.
Adicionalmente, el suministro de agua puede venir del fondo del tanque de agua 1614 o a través de otro punto de salida (tal como la parte superior) en el tanque 1614 cuando se usa una línea de toma de agua (no mostrada en la FIGURA 16). La gravedad o los mecanismos de alimentación de agua por sifón pueden incorporarse, además, en el sistema mediante la colocación adecuada de la entrada y salida de agua.
La arquitectura el sistema reactor de bajo rendim iento 1600 se incorpora en un ensamble completo del reactor 1700 en la FIGURA 17. El reactor 1 702 incluye reactivo combustible 1701 en una cámara del reactor 1722. La cámara del reactor 1722 puede incluir membranas 1733 con las cuales contener el reactivo combustible 1 701 y proporcionar un paso de escape para el gas de hidrógeno generado. La cámara de reacción 1 722 puede ser una cámara rígida o una cámara flexible. La cámara de reacción 1722 puede tener membranas 1 733 en múltiples lugares para permitir que la cámara de reacción 1 722 se oriente en cualquier número de direcciones. Rodeando la cámara del reactor 1 722 está el gas de hidrógeno presurizado 1 788 dentro de la cámara hidrógeno exteriorl 793, que fluye fuera de la válvula de salida 1766 según lo requiera la aplicación particular. Como fue el caso con el sistema reactor de bajo rendimiento general 1 600 que se muestra en la FIGURA 1 6, el agua 1 734 se suministra al reactor 1 702 a través de una línea de suministro de agua 1790. El agua 1 734 puede proporcionarse al sistema por una bomba de desplazamiento de agua 1 716 o por una fuente de agua externa a través del puerto de llenado de agua 1 71 7. La re-presurización del agua se efectúa por una válvula de re-presurización de agua 1777. De este modo, el sistema reactor de bajo rendimiento 1700 puede proporcionar gas de hidrógeno para una aplicación final.
La cámara del reactor 1722 puede alimentarse con múltiples mecanismos de alimentación de agua. Por ejemplo, una bomba pequeña puede integrarse dentro del reactor 1702 para proporcionar un reactor completamente desechable con una cámara del reactor, agua, y sistema de bombeo. Esta bomba puede estar, además, separada del reactor. Un ejemplo de un sistema con una bomba separada es un sistema accionado por resorte mostrado en la FIGURA 1 8.
La FIGU RA 18 ilustra un sistema reactor accionado por resorte 1800 con una cámara del reactor integrada 1 802, suministro de agua 1814, y "sistema de bombeo" 1820. El reactor 1802 puede incluir, además, un rociador de agua (discutido más abajo con referencia a la FIGURA 25) . Un ejemplo de sistema reactor accionado por resorte incorpora un resorte 1821 que empuja un pistón deslizante 1 831 y aplica presión sobre una cámara de agua 1841 , que incluye el suministro de agua 1814. Pueden emplearse, además, implementaciones adicionales con diferentes alternativas de pistón, tales como un material flexible, elastómeros, fuelles, u otras estructuras que proporcionan movimiento cuando se aplica una presión diferencial a través de éstas. En el caso de un resorte, una pequeña área de la plataforma 1 851 puede estar en contacto con el borde del resorte 1821 para distribuir la fuerza sobre un área mayor. Además, un ejemplo de un sistema reactor accionado por resorte que se fabrica en un empaque cuerpo único 21 00 se muestra esquemáticamente en la FIGURA 21 y pictóricamente en las FIGURAS 22A y 23. Las FIGURAS 22B y 24 proporcionan vistas diagramáticas del sistema reactor accionado por resorte en un empaque cuerpo único 2100.
Regresando a la FIGURA 18, como el resorte 1 821 desarrolla presión en la cámara de agua 1 841 , el agua se inyecta en la cámara del reactor 1 802. El hidrógeno se genera cuando el agua contacta el material combustible reactivo. Como se genera hidrógeno, éste crea presión en la cámara del reactor 1802, la que detiene la entrada de agua. En esta implementación, el mecanismo de alimentación de agua es independiente de la orientación. En el sistema reactor 1 800 de la FIGURA 18, la cámara del reactor 1 802 no es independiente de la orientación, debido a que la solución acuosa pudiera bloquear el filtro 1890, y no permite que el hidrógeno pase a través cuando el sistema 1800 está al revés. Para compensar esto, un sistema de membrana del reactor, tal como la cámara del reactor con membranas mostrada con el número de referencia 1 722 en la FIGURA 1 7, puede implementarse con múltiple tomas. Además, una válvula de retención 1 824 puede colocarse entre la alimentación de agua 1 814 y la cámara del reactor 1 802. Sin un sistema de suministro de hidrógeno de este tipo, la presión del hidrógeno empuja el paquete sobre el resorte 1 821 con excesiva presión, la que a su vez inyecta agua excesiva. La falta de una válvula de retención puede crear un sistema oscilante. Por ejemplo, la FIGURA 19 muestra un ejemplo de respuesta a la presión durante el tiempo en un sistema sin una válvula de retención . Como se muestra por el gráfico en la FIGU RA 19, una respuesta a la presión oscilante es evidente cuando los medios de compensación de la presión, tales como una válvula de retención, no están incorporados en el sistema.
En contraste, la FIG U RA 20 muestra un ejemplo de respuesta a la presión durante el tiempo en un sistema que utiliza una válvula de retención. La respuesta a la presión en la FIGURA 20 no exhibe una respuesta oscilante y en su lugar muestra una desintegración estable asociada con la presión del resorte.
Como se muestra además en la FIGU RA 20, un pico inicial al inicio de la reacción ocurre cuando un cilindro de agua inicial se inyecta en el reactor. Este efecto puede perderse usando un restrictor del flujo de agua, o puede aumentarse para crear un nivel transitorio momentáneo de alta generación de hidrógeno transitoria para facilitar la purga de la pila de celda de combustible. Por ejemplo, adicionalmente a la válvula de retención 1 824, un método para disminuir el flujo de agua durante la condición de reanudación pueden implementarse usando un limitador de flujo de agua. Durante la reanudación, la presión de hidrógeno instantánea puede caer a un valor muy bajo, creando una inyección de agua que puede resultar en un encendedor de la reacción grande. Una función del imitador de flujo puede incorporarse en la función de distribución de agua para evitar ese efecto. El uso de un regulador facilita una operación a presión casi constante determinado por el diseño del resorte. Otras mecanismos para las características de la válvula de retención pueden usarse, además, tales como una válvula de control o regulador, y similares.
En los sistemas de reactor con arquitectura pasiva, la extensión y distribución del agua puede realizarse usando un número de técnicas. Por ejemplo, como se muestra en la FIG URA 25, el atom izador de agua 251 5 puede ser un tubo de pequeño diámetro con pequeños orificios de distribución 251 3. El sistema de distribución de agua puede incorporarse, además, una red de orificios en un tubo de silicona 2555 como se observa dentro de la cavidad del reactor 2502. La separación de los orificios, la dimensión y la variabilidad tipo se describió anteriormente con respecto a las boquillas. Además, el tamaño de los orificios en las estructuras del tubo de silicona 2555 puede proporcionar flexibilidad adicional. Como se señaló anteriormente, los orificios pequeños pueden estar sometidos a la obstrucción por los productos de desecho de la reacción generados, de manera que el uso de la tubería de silicona 2555 puede tener en cuenta la presión para crear una
abertura más amplia del orificio alrededor de una obstrucción y después forzar el bloqueo fuera del orificio. Otros mecanismos de distribución de agua tales como fibras de borosilicato, por ejemplo, y otros materiales de drenaje de agua pueden usarse, además, para distribuir el agua por toda el área de reacción. Estas técnicas de distribución de agua pueden usarse con cualquier tipo de bomba o arquitectura del sistema de control.
Como se muestra esquemáticamente en la FIGURA 1 8, un ejemplo de un sistema reactor de dos partes 1800 incluye el material combustible reactivo 1 834 en un componente o contenedor primario tal como el reactor 1 802, y la solución acuosa está inicialmente dentro de otro componente o contenedor primario, tales como los receptáculos de solución acuosa 1 892. El reactor 1802 puede desecharse o reciclarse una vez que la reacción se completa, mientras que el receptáculo de la solución acuosa 1 892 se reutiliza y rellena por un usuario. Estos dos componentes primario 1802, 1 892 se llaman un "sistema reactor y de alimentación de agua". En el ejemplo mostrado en la FIGURA 1 8, se hace un sistema de generación de hidrógeno completo de dos componentes fundamentales: un reactor de combustible reactivo 1 802 y un receptáculo de solución acuosa 1 892. Estos dos receptáculos separados 1 802, 1 892 se conectan juntos, e interactúan para generar gas de hidrógeno. Alternativamente, como se discutió anteriormente, estos dos receptáculos 1802, 1 892 pueden conectarse juntos simplemente a través de una válvula de entrada de agua, mientras que un sistema de control (por ejemplo, sistema de celda de combustible, producto final de consumo, y similares) proporciona la rigidez mecánica para mantener los receptáculos en el lugar y liberarlos en correspondencia. Además, el sistema completo de alimentación de agua puede residir dentro del sistema de control como un componente no separable y/o removible.
Una válvula de interfaz 1824 puede residir en el reactor 1802, en el sistema de alimentación 1 892, y/o en los dos. Cuando el reactor 1 802 y la alimentación de agua 1892 se conectan, la válvula de interfaz puede no permitir que la presión de hidrógeno desvíe el resorte 1 821 . Esto puede lograrse incluyendo características de una válvula de retención o una válvula de encendido/apagado controlado en la válvula de interfaz 1824. En una implementación separada, si la válvula de interfaz 1824 no proporciona esa característica, pueden emplearse característica separadas para prohibir el movimiento inverso del resorte, tal como controlar el ensamble del pistón con un tornillo u otros mecanismos que no permitan que el sistema de alimentación de agua se presurice significativamente con gas de hidrógeno.
Las FIGU RAS 22-24 muestran ejemplos componentes fundamentales en esta implementación del sistema. Como se muestra en la FIGU RA 22B, un resorte de metal 21 21 se emplea en el receptáculo de agua 21 92 para generar presión y para proporcionar un medio para que el agua fluya en el receptáculo del reactor. El resorte de metal 21 21 en este ejemplo es un resorte de extensión cónico en cuña, pero, además, pueden usarse otros tipos de resorte tales como de compresión, torsión, reloj, cónico en cuña invertida, y otros. El resorte 2121 puede montarse de manera segura a la base 2170 del receptáculo 2192, y a un émbolo 2172. Además, el resorte 21 21 está centrado para evitar que el émbolo se vire. El émbolo 2172 mostrado en la FIGURA 22B tiene características integradas para guiar y sellar cuando el émbolo 21 72 se desliza, pero otros diseños de suministro de agua pueden usarse. Por ejemplo, como se discutió anteriormente, un ejemplo diferente puede emplear una "bolsa" flexible, la cual suministra agua bajo compresión en un reactor.
Una válvula de retención 2162 y orificio 2164 (mostrados en la FIGURA 23) se incorporan en la salida de agua entre el receptáculo del agua 21 92 y el receptáculo de polvo (reactor) 2102. La válvula de retención 2162 sirve para evitar que la presión de hidrógeno re-presurice el receptáculo del agua 2192, y así previene la inestabilidad del sistema. En otros ejemplos, la válvula de retención 2162 puede sellarse, además, después de la desconexión del receptáculo del agua/reactor. En otros ejemplos, la válvula de retención 2162 puede además liberera la presión si se desarrollan presiones excesivas en el sistema. El orificio 2164 sirve para limitar el flujo de agua al reactor 2102 durante períodos de altas presiones diferenciales entre los receptáculos de agua y el reactor 21 02, 21 92.
Como se muestra en las FIGURAS 26 y 27, en otras implementaciones, el reactor y los sub-sistemas de alimentación de agua son separables. Por ejemplo, como se muestra en la FIGURA 26, un ejemplo de implementacion emplea un mecanismo de cierre roscado 2666 para acoplar los dos receptáculos 2102, 2192. Otros diseños de cierre pueden usarse, tales como un trinquete para el mecanismo de cierre, o roscado fino (10-32) interno y externo en el puerto de alimentación de agua. Las roscas del mecanismo de fijación no tienen que sellar contra el agua o hidrógeno, y sellos de anillo-0 o de tipo junta pueden usarse para acoplar el agua en la interfaz de los receptáculos del reactor.
Los receptáculos en este ejemplo son ambos recipientes de presión de paredes delgadas como se describió anteriormente. El receptáculo de reacción puede construirse con materiales base resistentes a la corrosión, tales como aluminio niquelado y similares. El receptáculo del agua puede construirse a partir de metales ligeros o plásticos técnicos. El receptáculo del agua puede tener un mecanismo de cierre que evita el agua flujo cuando los receptáculos se desconectan o se eliminan. El mecanismo de cierre puede ser un pasador mecánico que requiere la intervención del usuario para que el agua fluya. Alternativamente, el reactor puede contener una válvula u otro mecanismo que detiene el flujo de agua hasta que hay. Los ejemplos de interacción con el usuario incluyen un interruptor físico o una válvula accionada por un movimiento de inserción de los receptáculos en el ensamble del sistema de celda de combustible.
Además, el resorte como parte del sistema de alimentación de agua puede configurarse para que esté fuera del agua como se muestra en el ejemplo de la FIGURA 27 o dentro del agua como se muestra en la FIGURA 28. Si el resorte se localiza dentro del agua, se pueden añadir inhibidores de la corrosión a la solución acuosa o los materiales del resorte pueden seleccionarse adecuadamente para limitar la corrosión.
Como se muestra en los ejemplos de las FIGURAS 29A y 29B, un número de configuraciones diferentes pueden usarse para mantener una presión de agua casi constante todo el tiempo de la introducción de agua en el reactor. Los resortes pueden seleccionarse de manera que la distancia de viaje real sea corta en relación a la distancia de compresión total. U n método para lograr esto es usando un resorte cónico invertido como se muestra en las FIGU RAS 29A y 29B. Un resorte largo no comprimido 2921 puede comprimirse e invertirse (como se muestra en la FIGURA 29B) de manera que empuje hacia abajo mientras está bajo presión. Esto permite que el volumen de compresión del resorte sea m ínimo mientras proporciona la fuerza necesaria.
Consideraciones del volumen
Algunos usuarios pueden requerir configuraciones que son de volumen tan pequeño como sea posible con toda el agua requerida incluida dentro del empaque para minimizar la complejidad al usuario. En un ejemplo mostrado en las FIGU RAS 30A y 30B, el volumen del reactor 3002 es pequeño inicialmente y crece con el tiempo cuando la solución acuosa se reduce y se añade en el(los) punto(s) de reacción. El volumen del reactor 3002 inicia en un estado muy comprimido. Con el paso del tiempo, un pistón 3072 o mecanismo similar se usa para intercambiar el volumen del reactor 3002 por el volumen de alimentación de agua 3014. La fuerza de conducción detrás de esto puede ser un mecanismo de bombeo dinámico, un mecanismo accionado por resorte, u otro mecanismo. En una implementación , el sistema se diseña de manera que la presión de hidrógeno generada no contribuye a la presión de suministro de agua mediante el uso de un ensamble de pistón accionado por tornillo, junta expandible, o similar. En otra implementación, el sistema se diseña de manera que la presión de hidrógeno generada no contribuye a la presión de suministro de agua mediante el uso de una válvula de control o regulador de presión como parte del sistema de suministro de agua. Con el mecanismo accionado por resorte mostrado en la FIGURA 30B, un resorte en forma de cuña invertida 3021 se muestra el cual permite minimizar el volumen de alimentación de agua 3014 en la conclusión de la reacción mientras proporciona una fuerza aceptable ya que el ensamble del resorte puede comprimirse para ser casi plano mientras sigue estando en un estado no relajado. Esta aproximación usa un pistón comparable (u otro método), una red de distribución de la solución acuosa, un limitador de flujo de la solución acuosa, y una válvula de retención integrada o componente que funciona comparablemente (no mostrado). Pueden emplearse mecanismos que fijan mecánicamente el resorte en el lugar o detienen el flujo de la solución acuosa, tales como una válvula u otro mecanismo. La solución acuosa puede fluir fuera del cartucho y puede salir a través de la geometría del pistón . Las válvulas, reguladores, u otros componentes de control pueden usarse en la línea de alimentación de agua también. Las geometrías y diseños pueden emplearse de manera que solamente la fuerza aplicada por el resorte crea el desplazamiento del agua. Por ejemplo, mecanismos tales como interfaz de roscado
pueden incorporarse de manera que un aumento instantáneo en la presión de hidrógeno no se traduzca en un aumento instantáneo en la presión del agua. Otras características tales como unos fuelles expandibles y otros pueden emplearse. Además, las FIGU RAS 31 -33 muestran una versión más grande de un cartucho 31 00 que puede usarse en sistemas tales como celdas de combustibles para la energ ía de una computadora portátil.
Habiendo descrito así el concepto básico de la invención, resultará evidente para aquellos con experiencia en la técnica que la descripción detallada anteriormente pretende presentarse en forma de ejemplo solamente, y no es limitante. Varias alteraciones, mejoras, y modificaciones ocurrirán y son intencionadas para que aquellos con experiencia en la materia, aunque no se declaren expresamente en la presente descripción, en la presente invención. Se pretende que estas alteraciones, mejoras, y modificaciones sean sugeridas de este modo, y están dentro del espíritu y alcance de la invención. Además, el orden declarado de los elementos o secuencias del proceso, o el uso de números, letras, u otras designaciones por lo tanto, no pretenden limitar los procesos reivindicados a ningún orden excepto cuando puedan especificarse en las reivindicaciones. En correspondencia, la invención se limita solamente por las siguientes reivindicaciones y equivalentes de ellas.
Claims (66)
1. Un sistema para generar gas de hidrógeno, el sistema comprende: un reactor que incluye un puerto de entrada de la solución y un puerto de salida de hidrógeno; un material combustible reactivo adicionado al reactor; una solución acuosa adicionada a través del puerto de entrada de la solución de llenado al material combustible reactivo en el reactor para generar gas de hidrógeno para salir a través del puerto de salida de hidrógeno para una aplicación industrial.
2. El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 1, caracterizado porque el material combustible reactivo incluye al menos uno de polvo de siliciuro de sodio o gel de sílice sodio.
3. El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 1, caracterizado porque la solución acuosa comprende además un aditivo seleccionado de al menos uno de un co-reactivo, un floculante, un inhibidor de la corrosión, un aditivo termofísico, una base, un ácido o mezclas de éstos.
4. El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 1, caracterizado porque el material combustible reactivo comprende además un aditivo que incluye al menos uno de un co-reactivo, un floculante, un inhibidor de la corrosión, un aditivo termofísico, un ácido, una base, o mezclas de éstos.
5. El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 1 , caracterizado porque el material combustible reactivo se pre-adiciona al reactor antes de la solución acuosa.
6. El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 1 caracterizado porque además comprende: una membrana de separación de hidrógeno para filtrar el gas de hidrógeno generado.
7. El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 1 , caracterizado porque la aplicación industrial es una celda de combustible.
8. El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 1 caracterizado porque además comprende: un condensador para condensar el agua que reside dentro del gas de hidrógeno generado del puerto de salida de hidrógeno.
9. El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 1 caracterizado porque además comprende: una fuente externa de suministro para proporcionar la solución acuosa al puerto de entrada de la solución de llenado.
10. El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 1 caracterizado porque además comprende: al menos uno de un filtro químico, un filtro desecante, un medio de filtro de malla gruesa, un filtro secador, o una cámara secundaria del reactor.
1 1 . El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 1 caracterizado porque además comprende: al menos uno de un transductor de presión , una válvula de descarga, una válvula de retención de sellado para hidrógeno, un ventilador, un intercambiador de calor, o una fuente de enfriamiento del reactor.
12. El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 1 caracterizado porque además comprende: un contenedor de recaptura para el reciclado de la solución de desecho de la reacción y retornar la solución de desecho de la reacción reciclada al reactor.
13. El sistema para la generación de hidrógeno de la reivindicación 1 , caracterizado porque el reactor incluye una pluralidad de puertos de entrada de la solución.
14. El sistema para la generación de hidrógeno de la reivindicación 1 caracterizado porque además comprende al menos uno de una bomba manual, una bomba alimentada por baterías, o una bomba alimentada externamente para adicionar la solución acuosa al material combustible reactivo en el reactor.
15. El sistema para la generación de hidrógeno de la reivindicación 1 , caracterizado porque el reactor se configura para al menos uno de eliminación, separación, o reutilización.
16. El sistema para la generación de hidrógeno de la reivindicación 1 caracterizado porque además comprende un contenedor para la solución acuosa configurado para al menos uno de rellenado o eliminación.
17. El sistema para la generación de hidrógeno de la reivindicación 1 , caracterizado porque la solución acuosa es al menos uno de un filtro químico o un filtro de partículas para el hidrógeno generado.
18. El sistema para la generación de hidrógeno de la reivindicación 1 caracterizado porque además comprende: un dispositivo de monitoreo para monitorear al menos un parámetro de la reacción del material combustible reactivo y la solución acuosa en el reactor, caracterizado porque el dispositivo de monitoreo monitorea al menos uno de la temperatura en el reactor, conductividad eléctrica, presión en el reactor, peso de la reacción , cantidad de material combustible reactivo sin reaccionar, tiempo transcurrido de la reacción, cantidad de solución acuosa en el reactor, cantidad de solución acuosa que se adiciona, o una cantidad máxima de solución acuosa a adicionarse al reactor.
19. El sistema para la generación de hidrógeno de la reivindicación 1 8 caracterizado porque además comprende: un dispositivo de control de la reacción para alterar al menos uno de temperatura, conductividad eléctrica, presión, o peso de la reacción al realizar al menos uno de añadir material reactivo adicional al reactor, añadir solución acuosa adicional al reactor, eliminar un producto de desecho del reactor, enfriar el reactor, calentar el reactor, mezclar una combinación del material reactivo y la solución acuosa, o exudar el reactor para disminuir la presión.
20. El sistema para la generación de hidrógeno de la reivindicación 1 8 caracterizado porque además comprende: un dispositivo de visualización para visualizar el al menos un parámetro monitoreado de la reacción.
21 . El sistema para la generación de hidrógeno de la reivindicación 1 , caracterizado porque el reactor se pre-presuriza para facilitar un inicio rápido de la aplicación de la reacción .
22. El sistema para la generación de hidrógeno de la reivindicación 1 , caracterizado porque el reactor se configura para recibir y asegurar mecánicamente una tapa removible tal que el reactor y la tapa removible son reutilizables.
23. Un método para generar gas de hidrógeno, el método caracterizado porque comprende: insertar un material reactivo en un reactor; añadir una solución acuosa a través de un puerto de entrada de la solución de llenado al material reactivo en el reactor para generar gas de hidrógeno; y sacar el gas de hidrógeno generado del reactor a través de un puerto de salida de hidrógeno para una aplicación industrial.
24. El método para generar gas de hidrógeno de la reivindicación 23, caracterizado porque el material reactivo incluye al menos uno de polvo de siliciuro de sodio o gel de sílice sodio.
25. El método para generar gas de hidrógeno de la reivindicación 23, caracterizado porque la solución acuosa comprende además un aditivo seleccionado de al menos uno de un co-reactivo, un floculante, un inhibidor de la corrosión, un aditivo termofísico, un ácido, una base, o mezclas de éstos.
26. El sistema para la generación de gas de hidrógeno de la reivindicación 23, caracterizado porque el material combustible reactivo comprende además un aditivo que incluye al menos uno de un co-reactivo, un floculante, un inhibidor de la corrosión, un aditivo termofísico, un ácido, una base, o mezclas de éstos.
27. El método para generar gas de hidrógeno de la reivindicación 23 caracterizado porque además comprende: filtrar el gas de hidrógeno generado con una membrana de separación de hidrógeno.
28. El método para generar gas de hidrógeno de la reivindicación 23, caracterizado porque la aplicación industrial es una celda de combustible.
29. El método para generar gas de hidrógeno de la reivindicación 23 caracterizado porque además comprende: condensar el agua del gas de hidrógeno generado.
30. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 29 caracterizado porque además comprende: reciclar el agua condensada a al menos uno del reactor o un contenedor de recaptura de agua.
31 . El método para generar hidrógeno de la reivindicación 23, caracterizado porque la adición de la solución acuosa al material reactivo en el reactor se realiza usando una pluralidad de entradas de la solución.
32. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 23, caracterizado porque la adición de la solución acuosa al material reactivo en el reactor se realiza usando al menos uno de una bomba manual, una bomba alimentada por baterías, o una bomba alimentada externamente.
33. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 23, caracterizado porque la solución acuosa es al menos una de un filtro químico o un filtro de partículas para el hidrógeno generado
34. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 23 caracterizado porque además comprende: evaluar al menos un parámetro de la reacción del material reactivo y la solución acuosa en el reactor, en donde la evaluación incluye monitorear al menos uno de temperatura en el reactor, conductividad eléctrica, presión en el reactor, peso de la reacción , cantidad de material reactivo sin reaccionar, tiempo transcurrido de la reacción, cantidad de solución acuosa en el reactor, o una cantidad máxima de solución acuosa a adicionarse al reactor.
35. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 34 caracterizado porque además comprende: controlar una reacción creada por la combinación del material reactivo y la solución acuosa en el reactor cuando el al menos uno de temperatura, conductividad eléctrica, presión , peso de la reacción, cantidad de material reactivo sin reaccionar, tiempo transcurrido de la reacción, cantidad de solución acuosa en el reactor, o una cantidad máxima de solución acuosa a adicionarse al reactor está fuera de un intervalo determinado en el cual la reacción de deja continuar.
36. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 35, caracterizado porque controlar la reacción incluye realizar al menos uno de añadir material reactivo adicional al reactor, añadir solución acuosa adicional al reactor, eliminar un producto de desecho del reactor, enfriar el reactor, calentar el reactor, mezclar una combinación del material reactivo y la solución acuosa, o purgar el reactor para disminuir la presión.
37. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 34 caracterizado porque además comprende: visualizar la característica del sistema monitoreada en un dispositivo de visualización del sistema.
38. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 23 caracterizado porque además comprende: filtrar al menos uno de el material reactivo, la solución acuosa, el gas de hidrógeno, o el producto de desecho de la reacción.
39. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 38, caracterizado porque el filtrado se realiza usando una pantalla permeable al líquido para separar un producto de desecho del material reactivo sin reaccionar y la solución acuosa.
40. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 38, caracterizado porque el filtrado se realiza usando al menos uno de una membrana de separación de hidrógeno, un filtro qu ímico, un filtro desecante, un medio de filtro de malla gruesa, un filtro secador, o una cámara secundaria del reactor.
41 . El método para generar gas de hidrógeno de la reivindicación 40 caracterizado porque además comprende: limpiar la al menos una membrana de separación de hidrógeno, filtro químico, filtro desecante, medio de filtro de malla gruesa, filtro secador, o cámara secundaria del reactor con una parte de la solución acuosa.
42. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 41 caracterizado porque además comprende: dirigir a porción de la solución acuosa a áreas del reactor para recapturar un producto de desecho resultante de la combinación del material combustible reactivo y la solución acuosa.
43. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 42 caracterizado porque además comprende: añadir la porción de la solución acuosa a la cámara secundaria del reactor; y pasar el gas de hidrógeno generado a través de la porción de la solución acuosa.
44. El método para generar hidrógeno de la reivindicación 23 caracterizado porque además comprende: pasar el hidrógeno generado a través de la solución acuosa para realizar al menos uno de recolección de las partículas, filtración química, humidificación, o condensación.
45. Un mecanismo de generación de hidrógeno autónomo caracterizado porque comprende material combustible reactivo, solución líquida, y un dispositivo de alimentación de l íquido presurizado.
46. Un mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 45, caracterizado porque el material combustible reactivo incluye siliciuro de sodio o gel de sílice sodio.
47. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 45, caracterizado porque el dispositivo de alimentación de líquido presurizado e presuriza por un resorte.
48. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 47, caracterizado porque el resorte es un resorte cónico invertido en forma de cuña configurado para mantener la presión del líquido cuando prácticamente todo el l íquido se alimenta al material combustible reactivo y configurado además para eliminar prácticamente los cambios en la presión del líquido durante el período de alimentación de líquido.
49. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 45, caracterizado porque el mecanismo de generación de hidrógeno autónomo es un ensamble de cartucho separable en un reactor desechable y un ensamble de alimentación de líquido reutilizable.
50. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 49, caracterizado porque el ensamble de alimentación de líquido reutilizable es al menos uno de integrado, incorporado, o contenido por otro dispositivo.
51 . El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 45 caracterizado porque además comprende: un mecanismo limitante del líquido configurado para limitar el flujo líquido y configurado adicionalmente para reducir la velocidad de generación de hidrógeno durante una condición transitoria.
52. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 51 , caracterizado porque el mecanismo limitante del líquido incluye al menos uno de una válvula u orificio.
53. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 47 caracterizado porque además comprende: al menos uno de una válvula de control o válvula de retención que separa el material combustible reactivo y el dispositivo de alimentación de líquido presurizado, caracterizado porque la al menos una válvula de control o válvula de retención se configura para prohibir la retropresurización del resorte con la presión de hidrógeno en una condición transitoria.
54. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 47 caracterizado porque además comprende: un dispositivo de control configurado para prohibir el viaje inverso del resorte durante los períodos de generación de hidrógeno.
55. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 45 caracterizado porque además comprende: un dispositivo de intercambio de volumen configurado para intercambiar el volumen entre el volumen del reactor y el volumen de alimentación de líquido.
56. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 55, caracterizado porque el dispositivo de intercambio de volumen incluye al menos uno de un pistón o un ensamble de bolsa.
57. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 56, caracterizado porque la presión de hidrógeno generada no contribuye a desarrollar la presión de agua.
58. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 57, caracterizado porque la presión de hidrógeno generada presión se reduce por medios mecánicos.
59. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 57, caracterizado porque la presión de suministro de agua desarrollada se controla por al menos uno de una válvula o regulador.
60. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 49, caracterizado porque el mecanismo de generación de hidrógeno autónomo se configura para ser resellable.
61 . El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 38 caracterizado porque además comprende: un mecanismo de detención para prohibir la alimentación de líquido cuando el mecanismo de generación de hidrógeno autónomo está en un período de no operación, en donde el mecanismo de detención es al menos uno de un pasador, tapón, obstrucción, trinquete, válvula, o palanca.
62. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 45, caracterizado porque la solución l íquida incluye agua.
63. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 45 caracterizado porque además comprende: una válvula configurada para requerir una acción del usuario para iniciar el flujo del líquido.
64. El mecanismo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 48 caracterizado porque además comprende: un mango configurado para engranar el dispositivo de alimentación de l íquido para retraer el liquido y re-presurizar el resorte cuando se tira del mango.
65. Un método para generar hidrógeno en un dispositivo de generación de hidrógeno autónomo, el método caracterizado porque comprende: presurizar la alimentación del dispositivo líquido; y combinar una solución líquida y un material combustible reactivo con la alimentación del dispositivo líquido para generar hidrógeno.
66. El método para generar hidrógeno en un dispositivo de generación de hidrógeno autónomo de la reivindicación 65, caracterizado porque el dispositivo de generación de hidrógeno autónomo recibe una alimentación de líquido para al menos uno de limpiar o reutilizar el dispositivo de alimentación de l íquido. RES U MEN Se describen sistemas, dispositivos, y métodos que combinan materiales reactivos y soluciones acuosas para generar hidrógeno. Los materiales reactivos pueden ser siliciuro de sodio o gel de sílice sódica. Los dispositivos de generación de hidrógeno se utilizan en celdas de combustible y otras aplicaciones industriales. Un sistema combina el enfriamiento, bombeo, almacenamiento de agua, y otros dispositivos para detectar y controlar reacciones entre los materiales reactivos y las soluciones acuosas para generar hidrógeno. Múltiples entradas de geometrías variadas de colocación suministran la solución acuosa a la reacción. Los materiales reactivos y la solución acuosa son agitados para controlar el estado de la reacción. La solución acuosa puede ser recirculada y regresada a la reacción. Un sistema opera sobre una escala de temperaturas y presiones e incluye un separador de hidrógeno, un mecanismo de remoción de calor, y el estado de los dispositivos de control de la reacción. Los sistemas, dispositivos, y métodos de generación de hidrógeno proporcionan sólidos térmicamente estables, una reacción casi instantánea con las soluciones acuosas, y un subproducto líquido no tóxico.
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