氢气发生器的制造方法
氢气发生器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于生产氢气的氢气发生器，具体地涉及用于为氢气消耗装置（诸如 燃料电池组）提供氢气。
[0002] 发明背景
[0003] 气体发生器用于生产多种用于各种目的的气体。实例包括氢气发生器、氧气发生 器、一氧化碳发生器和二氧化碳发生器。氢气发生器特别令人关注，因为氢气可以被用于提 供在燃料电池组中用作活性材料的氢气。
[0004] 对于燃料电池组作为用于便携电子装置的动力能源的关注已经增长。燃料电池是 使用电池外部的材料作为用于阳极和阴极的活性材料的电化学电池。因为燃料电池不必须 包括所有的用于产生电的活性材料，所以与其他类型的电池相比，该燃料电池可以被制成 具有相对于生产的电能的量小的体积。
[0005] 在一些类型的氢燃料电池中，氢气从供给给该燃料电池的阴极侧的含氢燃料形 成。在其他类型的氢燃料电池中，氢气从该燃料电池外部的源供给给该燃料电池。
[0006] 燃料电池系统包括燃料电池组，其包括一个或多个燃料电池（诸如在燃料电池堆 叠），以及气体源，诸如储气罐或气体发生器。向燃料电池供给气体的气体发生器可以是燃 料电池系统的集成部分，它们可以可拆卸地耦接到该燃料电池系统，或者它们可以包括含 反应物的可替换的部件。当该生产气体的反应物已经被耗尽时，可以用另一个可拆卸的气 体发生器替换。可拆卸的气体发生器可以是一次性的（仅用于一次性使用）或可再填充的 (用于使用多次）以代替耗尽的反应物材料。
[0007] 氢气发生器可以使用多种反应物和多种用于引发该氢气生成反应物的方法生产 氢气。当含氢材料反应时，氢气可以被放出。
[0008] 在选择用于在氢气发生器中使用的反应物中，可以考虑以下几点：(a)当氢气发 生器不使用时，在长时间期间的稳定性，（b)氢气生成的反应容易引发，（C)必须提供的以 维持氢气生成反应的能量的量，（d)该氢气生成反应的最高操作温度，以及（e)该反应物每 单位体积和每单位质量可以生产的氢气的总体积。
[0009] -些含氢化合物可以在化学分解反应中被加热以放出氢气。此类热分解反应，诸 如那些氢化物可以比水解反应更有利，因为氢气的产率更高，它不产生必须从氢气其他中 除去的水蒸汽，并且凝固不是问题。
[0010] 在一些使用通过气体发生器生产气体的系统中，期望的是，在按需的基础上生产 该气体，从而最小化需要（和体积）以储存大量的气体直到需要。也可以期望以可替换、低 成本的形式提供用于该气体发生器的反应物。也可以期望用所需能量的最小量以低成本运 行该气体发生器。
[0011] 根据以上所述，本发明的目的是提供方便并且经济地制造和操作的氢气发生器， 其具有用户可替换的含最少数量的部件的燃料单元，需要用户最少的清洁，以及可以根据 需要提供有限数量的氢气。 发明概要
[0012] 通过氢气发生器和包括燃料电池组和如本文所述的氢气发生器的燃料电池系统 满足上述目的并且克服现有技术的上述缺点。
[0013] 因此，本发明的一个方面是氢气发生器，其包括：包括观察检查板的外壳；设置在 该外壳内并且包括一个或多个接触构件的引发器总成；具有相反的第一表面和第二表面， 并且其中设置有一个或多个接触构件的可压缩构件；以及可拆卸地设置在邻近该可压缩 构件的第一表面的该外壳内的燃料单元，该燃料单元包括当加热时可以释放氢气的含氢材 料，以及在被来自该引发器总成的能量引发时可以放热反应的放热混合物。当在该氢气发 生器中不设置燃料单元时，可压缩构件是未压缩的，并且一个或多个构件在第二表面处或 其下方；并且当在该氢气发生器中设置有燃料单元时，可压缩构件是被压缩的，使得一个或 多个构件延伸超过第二表面以使热与该燃料单元接触。来自引发器总成的能量被一个或多 个接触构件传导至对应的一个或多个量的该放热混合物以引发其中的放热反应，从而提供 用于从含氢材料中释放氢气的热量。实例可以单独或组合的形式包括以下各项中的任何一 项：
[0014] ?该氢气发生器包括多个接触构件，每一个对应于一个或一组多个隔离的量的放 热混合物；在每一个或每一组多个隔离的量的放热混合物中的放热反应可以通过对应的接 触构件被选择地引发；
[0015] ?该引发器总成包括一个或多个加热元件，每一个与至少一个对应的接触构件热 连通，使得对应的接触构件可从加热元件中的一个传导热量至对应的一个或多个量的放热 混合物；
[0016] ?该引发器总成通过一个或多个传导构件，其中的每一个传导电能至一个或多个 对应量的放热混合物；
[0017] ?燃料单元包括多个量的放热混合物，每一个能够为从含氢材料中的一部分释放 氢气提供热量；含氢材料的部分可以是隔尚的部分；含氢材料的隔尚的部分可以被任何缝 隙、热绝缘体构件以及电绝缘体构件中的一种或它们的组合隔离；在单个或组的量的放热 混合物中的放热反应可以被选择地引发以为一个或多个导体构件选择地提供能量，它们中 的每一个传导能量至多个量的放热混合物中的一个或多个；
[0018] ?接触构件中的每一个都是加热元件；
[0019] ?接触构件中的每一个都具有用于接触该燃料单元的末端；接触构件中的每一个 可以具有细长的主体；末端可以是锥形的尖；该尖可以穿透进入燃料单元；
[0020] ?将能量从能量源提供到引发器总成；
[0021] ?可压缩构件包括在它的第一表面中的氢气流动管道；以及
[0022] ?观察检查板是可移动的，以提供到用于插入或拆卸燃料单元的氢气发生器的接 入，观察检查板可以从外壳的剩余中拆卸；观察检查板可以是保持附接到外壳的剩余的可 折板。
[0023] 本发明的第二个方面是燃料电池系统，其包括燃料电池组和如上所述的氢气发生 器。实例可以单独或组合的形式包括以下各项中的任何一项：
[0024] ?燃料电池系统包括控制器，以选择地为一个或多个导体构件提供能量；一个或多 个导体构件中的每一个可传导能量至多个量的放热混合物中的一个或多个；控制器可以燃 料单元、氢气发生器和氢气消耗装置的一个或多个参数为基础选择地为一个或多个导体构 件提供能量；以及
[0025] ?燃料电池系统包括相对于燃料单元外部的能量源；该能量源可以在相对于氢气 发生器外部。
[0026] 本发明的第三个方面是产生氢气的方法。该方法包括以下步骤：(a)提供氢气发 生器，其包括具有观察检查板的外壳、设置在外壳内并且包括一个或多个接触构件的引发 器总成、具有相反的第一表面和第二表面，并且其中设置有一个或多个接触构件的可压缩 构件，以及可燃料单可拆卸地设置在邻近该可压缩构件的第二表面的该外壳内的燃料单 元，该燃料单元包括当加热时可以释放氢气的含氢材料，以及在被来自该引发器总成的能 量引发时可以放热反应的放热混合物；(b)将该燃料单元设置在该外壳内；（C)固定该板以 将该燃料单元封闭在该外壳内，从而对着该可压缩垫片的第一表面推燃料单元，以将该接 触构件的末端从该可压缩垫片的表面延伸以接触该燃料单元；（d)将能量供给到接触构件 中的至少一个并且将能量传导至对应量的放热混合物以引发在量的放热材料中的放热反 应；以及（e)将热量从该放热反应传导至该含氢材料的对应部分以引起释放氢气。实例可 以单独或组合的形式包括以下各项中的任何一项：
[0027] ?氢气发生器包括以上公开的本发明的第一方面的特征的一个或多个；
[0028] ?燃料单元从氢气发生器拆卸，并且使用另外的燃料单元重复步骤（b)到步骤 (e)；
[0029] 本领域的技术人员通过参考以下说明书、权利要求书和附图，将进一步理解并领 会本发明的这些和其他特征、优点和目的。
[0030] 除非具体指定，否则本文使用以下规定和方法：
[0031] ?"对应的"意指以热连 通或电连通；
[0032] ?电绝缘体或非导电材料或结构是具有不良导电性的材料和结构，该电导率在 293。K 小于 KTltl欧姆―1·米―1;
[0033] ?热传导材料或结构是具有良好导热性的材料或结构，该导热性大于100瓦特/ 米?开；以及
[0034] ?热绝缘体或非导热材料或结构是具有不良导热性的材料或结构，该导热率小于5 瓦特/米?开，优选地小于2瓦特/米?开，并且最优选小于1瓦特/米?开。
[0035] 除非本文具体指定，否则所有公开的特征和范围如在室温（20°C _25°C )测定。
[0036] 附图简述
[0037] 在附图中：
[0038] 图1是氢气发生器的实施方案的分解透视图；
[0039] 图2是图1所示氢气发生器的透视图，其具有组装成外壳构件的顶部或底部的部 件；
[0040] 图3是图1所示氢气发生器的横截面视图，其具有打开的外壳和未经压缩的可压 缩构件；以及
[0041] 图4是图1所示氢气发生器的横截面视图，其具有闭合的外壳和被压缩的可压缩 构件。
[0042] 描述
[0043] 本发明的实施方案是具有可替换的可以生产氢气的燃料单元的氢气发生器；例如 用于氢气消耗装置。例如，氢气发生器可以是燃料电池系统的一部分以供给氢气作为用于 燃料电池组的燃料。该燃料电池组可以是被该燃料电池组驱动和/或再充电的电动器具的 集成部分，或该燃料电池系统可以是可以连接到该电动器具的分开的装置。能够通过使用 由氢气发生器生产的氢气的燃料电池系统供给动力的器具的实例包括连通装置，诸如移动 电话和智能手机；计算机，诸如膝上型电脑和笔记本型计算机、导航系统，诸如全球定位系 统、图书阅读器，以及其他，特别是那些具有薄外形的计算机。
[0044] 氢气发生器包括外壳和设置在该外壳内用于加热燃料单元的引发器总成。该燃料 单元是可拆卸的燃料单元，其在使用之后可以用含新燃料的燃料单元替换，且该外壳包括 观察检查板，其可以打开或移动以允许用新的燃料单元替换用尽的。这样，主要含有可消耗 材料的燃料单元可以在使用后被替换，而该氢气发生器的剩余部分可以再使用许多次，从 而使得该氢气的产生比如果整个氢气发生器必须被替换更经济。
[0045] 该燃料单元包括当加热时可以释放氢气的含氢材料，以及放热混合物。该引发器 总成用于提供足够的能量（例如，热能或电能）以引发在该放热混合物中的放热反应，并且 该放热反应提供足够的热量以导致从含氢材料释放氢气。通过使用放热混合物以提供产生 氢气所需要的大部分能量，将从该燃料单元外部需要的能量最小化，因为该引发器总成只 能提供很短时间的能量，所以仅足以引发该放热反应。
[0046] 能量通过到一个或多个对应量的放热混合物的一个或多个接触构件从该引发器 总成传导至该燃料单元。该接触构件设置在可压缩构件内。当在该氢气发生器中不存在燃 料单元时，该可压缩构件是未经压缩的，使得该接触构件延伸不超过邻近该燃料单元的可 压缩构件的表面。当燃料单元存在时，压缩可压缩的构件使得该接触构件延伸超过该可压 缩构件的表面，以使其与该燃料单元热接触或电接触。该可压缩的构件提供对该燃料单元 的压力，以在适当的位置稳固地夹住，并且当在该氢气发生器中不安装燃料单元时，它还保 护未暴露的接触元件免受损坏。该可压缩的构件还可以有助于保持该接触构件清洁，例如 当除去对该可压缩构件的压缩力并且该热接触构件的末端缩回该可压缩构件的表面下面 时，通过从其表面擦拭异物。
[0047] 在各种实施方案中，该氢气发生器可以包括多个量的放热混合物，每一个放置在 该燃料单元内，以提供从对应的该含氢材料的部分释放基本上所有的氢气所必需的热量。 单个量的该放热材料或它们的组可以对应于一个或多个接触构件，使得能量可通过该接触 构件传导以选择地引发在所对应的单个或组的量的发热材料内的放热反应。这允许在给定 的时间段期间用于从含氢材料的单个部分或多个部分释放氢气。氢气从而可以根据该氢气 消耗装置的需要产生，而不在该氢气发生器或该氢气消耗装置内形成高压。选择地提供能 量也可以限制在该燃料单元和该氢气生成器内的最高温度。可以多种方式，诸如通过使用 控制器控制选择引发该放热混合物的量，该控制器位于该氢气发生器内部或外部，其基于 该燃料单元的一个或多个参数，例如该氢气发生器和该氢气消耗装置。该氢气发生器另外 的实施方案将在下面更详细地公开。
[0048] 该氢气发生器外壳可以是氢气消耗装置（诸如燃料电池系统）的一部分，或者它 可以是分开的设备，例如可以连接到氢气消耗装置或安装在氢气消耗装置内。该观察检查 板可以是该外壳的可拆卸部分，诸如外壳壁的可拆卸部分，或者它可以是保持附接到该外 壳的剩余部分的板，诸如铰链门。该外壳还可以包括联锁机构，其防止用户在该氢气发生器 内部的温度（例如，空气，燃料单元或其它部件）高于预定水平时打开或移动该观察检查 板。
[0049] 该外壳可由坚固且耐产生的热的材料制成。金属，诸如铝、钢和不锈钢、陶瓷，以及 耐高温聚合物，诸如聚苯硫醚、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚氧基苄 基亚甲基二醇酸酐（Bakelite?)、环氧树脂、酚醛树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯和三聚氰胺可 以通常适于该氢气发生器外壳。热绝缘可以期望保护用户及外部材料和结构不由于来自该 氢气发生器内的热量受到损坏。在这种情况下，该外壳可以由不良导热性的材料制成，或者 可以添加热绝缘体。当需要不良热传导性时，该材料将具有小于5瓦特/米·开的导热率， 优选小于2瓦特/米?开，并且最优选小于1瓦特/米?开。该外壳的壁也可以包括用以 提供热绝缘的腔，该腔可以包括真空以改善该壁的热绝缘性。
[0050] 该可压缩构件可以通过将该观察检查板固定到在该外壳内具有燃料单元的该外 壳上（例如，通过闭合该观察检查板）而被压缩，从而对该燃料单元和可压缩构件的第一表 面施加力以压缩该可压缩构件。当该可压缩构件被压缩时，该接触构件的末端在它们相反 的末端支撑，并最接近于该可压缩构件的第二表面，其保持在适当的位置，以便它们延伸超 出该可压缩构件的第一表面，并使其与该燃料单元和对应量的放热混合物接触。该接触元 件的延伸的末端可以穿过该燃料单元的外部封装以使其与该放热材料良好的热或电接触。
[0051] 该可压缩构件可以由在每次压缩之后将基本上恢复至其原来厚度的弹性材料制 成。优选地，该材料将是不良热导体或电导体。适合的材料包括天然的和人工的海绵材料 和固化、交联或硫化的弹性体，其具有快速恢复和低蠕变。实例包括一种或多种聚氨酯弹 性体、聚氯丁橡烯（氯丁橡胶）、聚丁二烯、氯异丁烯异戊二烯、氯磺化聚乙烯、环氧氯丙烷、 乙烯丙烯、乙烯丙烯二烯单体、乙烯醋酸乙烯酯、氢化丁腈、聚异戊二烯、异戊二烯丁烯（丁 基）、丁二烯丙烯腈（例如，购自阿什塔比拉橡胶公司的BUNA-N?)、苯乙烯-丁二烯（例 如，购自阿什塔比拉橡胶公司的BUNA S?)、氟弹性体（例如，购自杜邦的VITON?以及 KALREZ? )，以及硅氧烷。在实施方案中，该材料可以具有在4. 4牛顿至8. 9牛顿的范 围内的压缩力，并且对于25%压缩在0. 4psi至I. 4psi的范围内稳固。该材料可以具有约 10%至15%的压缩范围，并且能够遮没裂口（die cut blanking)。该材料还包括适合的 抗拉强度、剪切强度、拉伸极限和密度。为了允许产生的氢气容易从该燃料单元逸出，该可 压缩垫片材料可以具有在其中形成的开放的孔或其他氢气流动路径（例如，洞、管道或凹 槽）。
[0052] 该接触构件仅可以是用于传导热或电的热导体或电导体，或者该接触构件可以是 将电能转变成热能的加热元件。如果他们只是导体，他们将具有良好的导热性或导电性，并 且优选至少当燃料单元在该氢气发生器中并且该可压缩构件被压缩时，与电接触直接接触 或在该外壳内的加热 元件。该接触构件将具有足够的强度和稳定性以抵抗所述力和其将要 暴露的环境。该接触构件的形状优选促进当该可压缩构件被压缩或未经压缩时，从该可压 缩构件延伸并且缩回至该可压缩构件内。优选地，该接触构件将在平行于邻近该燃料单元 的该垫片的表面的平面中具有相对小的横截面尺寸，诸如圆形或菱形圆柱形状。该接触构 件可具有锥形的末端，例如钝的或尖锐的点。在一些实施方案中，该接触构件在该垫片对着 该燃料单元压缩时可以穿过该燃料单元，从而允许热量传导进入该燃料单元而不是只在其 表面。
[0053] 加热元件可以是任何适合的类型，诸如电阻加热元件。运行该加热元件或直接引 发该放热反应的能量（例如，电流）从一个或多个能量源提供。能量源的实例包括一次电 池、二次电池、燃料电池、电容器和公用设施（public utility)。该能量源优选设置在该燃 料单元的外部，在该氢气发生器内或该氢气发生器的外部。如果该引发器总成包括与该接 触构件分开的加热元件，那么该引发器总成可以设置在与邻近该燃料单元的表面相对的可 压缩构件的表面上或邻近该可压缩构件的表面。如果该放热反应由电能引发，或者加热元 件是接触构件，导线（例如，电导线）接触该能量源可以为接触构件（例如，为在与该燃料 单元相反的可压缩构件表面处的接触构件的末端）提供电能（例如，电流）。
[0054] 该燃料单元含有包括一种或多种反应物的放热混合物，该反应物当提供有足够热 能或电能时将进行放热反应。优选地，该放热混合物将在放热反应期间还产生氢气。该氢 气加入（contributes to)到由氢气发生器生产的氢气的总量。优选地，引发该放热反应所 需要能量的总量小。该放热混合物含有在以自持放热反应引发之后反应的反应物。合适的 反应物的实例包括金属/金属氧化物多层膜，诸如Ti/Pb 304、Zr/Fe203、硼氢化胍、B-N化合 物与氧化剂的共混物，诸如旧2011/002716841所述的硝酸铵或31*(勵 3)2、金属/金属多层 薄膜和结构，诸如US7867441所述的Ni/Al、自燃组合物，诸如US6749702所述的与硝酸钾 和钼金属混合的硝酸银，诸如US7964111所述的复合氢化物、氧化剂和S组合物，以及在专 利US2008/0236032A1和US 2008/0241613A1中所述的组合物。其他组合物包括金属和水 的凝胶，诸如单独的Mg/水/聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸）或与硼氢化钠的组合（分别为 Varma 等人 Chem. Eng. Sci 2010, 65, 80-87 和 Int. J. Hydrogen En 2007, 32, 207-211)。该 放热混合物可以包括一种或多种添加剂，例如以用作粘合剂或减慢放热反应（例如，防止 它变得太热或者防止在对应量的含氢材料被充分利用之前被耗尽）。
[0055] 该含氢材料优选当加热时吸热（或至少不足以自持地放热）反应以释放氢气的材 料。可以使用材料的一种或其组合。实例包括可逆地吸收和放出氢气的材料（金属-有机骨 架（MOF)、沸石、石墨烯、碳纳米管以及金属氢化物，如ABjP AB 2型的储氢合金，诸如钛-锰 合金、稀土金属混合物-镍合金、镧-镍-钴合金和镧-镍合金）、在热分解时可以反应以生 产氢气的材料（例如，金属氢化物，诸如氢化锂、氢化镁，以及氢化铝（铝烷）、复合氢化物 及其氨加合物，诸如硼氢化铝、硼氢化钠、硼氢化镁、硼氢化妈、氨基硼氢化钛（ΠΙ)、氢化铝 锂、氢化铝钠、氨基化锂，以及氢化钙铝，和氢化B-N化学制品，如硼烷氨和硼烷肼），以及包 括上述材料的各种组合。优选的含氢材料是铝烷，其在约180°C分解成金属铝和氢气。铝烷 具有约I. 3g/cm3的密度，并且包括10重量％的组合物可以生产约9重量％氢气。该含氢 材料可以是具有多种添加剂，诸如粘合剂、稳定化合物、热传导材料、流平剂以及催化剂的 燃料混合物的一部分。
[0056] 该燃料混合物可以作为在该燃料单元内的单独的质量存在，或者可以隔离的量存 在，其由缝隙和分配器（诸如热绝缘体）中的一个或组合与该燃料混合物的剩余物分开。该 放热混合物设置在该燃料混合物上或其内，使得每一个量的放热混合物可以提供引起从燃 料混合物的一部分释放氢气所必需的热量。每一个量的放热混合物将趋于有效地在最接近 的部分燃料混合物内引起氢气释放。为了最大化该燃料单元的效率（提供最大量的氢气）， 将该燃料混合物分离成分离的量可以是有利的，以便每一个量的放热混合物将引起氢气只 从燃料混合物的对应部分（分离的量）释放，并且保证在该分离的量中的含氢材料基本上 100%利用。因此，将所述量的放热混合物以在适当的位置存在足够量的放热混合物以最大 化该氢气释放量，同时最小化在该燃料单元内放热混合物的总量的方式定位和定尺寸是有 利的。该放热混合只可以设置在与该接触构件接触的燃料单元的表面，或者，优选地，放热 混合物的量可以扩大到该燃料单元的体积以最小化从该燃料单元的热量损失，从而最大化 加热效率。
[0057] 该燃料单元可以被封装封闭。该封装可以在该燃料单元使用之前运输或储存期间 保护该燃料混合物和放热混合物免受周围环境之害，在使用之前将该燃料混合物和放热混 合物容纳在该燃料单元内，并且在使用期间和使用之后将反应产物容纳在该燃料单元内， 从而确保氢气的高产率、保持该氢气发生器内部清洁，并且防止在封装的燃料单元内的容 纳的东西和用户或在该氢气发生器外部的任何东西之间接触。
[0058] 该燃料单元封装可以由不良的热传导材料或电传导材料制成，以防止来自一个接 触构件或一个量的放热混合物的能量无意地引发在另外的量的放热混合物的放热反应。该 接触构件可以穿过该封装以使与对应量的放热混合物电接触或热接触，或者该封装可以包 括将电能或热能从该接触构件传导至对应量的放热混合物的传导部分。例如，该封装可以 包括非传导材料层。该封装还可以在由传导材料的切片覆盖的非传导材料中包括孔（例 如窗口）。适合的非传导材料的实例包括柔性的玻璃和高温聚合物，其具有高于该材料旨 在承受的最高温度的加热变表温度（加载偏斜温度）（根据ASTM D648在18. 56kg/cm2下 (264psi))。柔性玻璃的实例是康宁公司的康宁柳木玻璃。高温聚合物的实例包括聚醚醚 酮、聚酰亚胺、酚醛树脂和其衍生物。可以使用的传导材料的实例包括金属箔（例如，铝、 钢、不锈钢、铜、镍和其合金）以及非金属材料（例如，石墨基材料，诸如由GrafTech制备的 GRAFOIL? )。
[0059] 控制系统可以用于为该引发器总成供给能量、控制产生的气体的速率和量，或者 例如控制来自该氢气发生器的气体流动速率。在燃料电池系统中，该控制系统可以通过监 测该燃料电池系统内的压力确定用于氢气的需要和/或所必需的氢气流动速率，燃料电池 的一种或多种电特性，或者由（例如）该燃料电池系统驱动的电动装置的一种或多种电特 性。该控制系统可以与该装置或该燃料电池系统连通以确定什么时候需要更多的氢气。该 控制系统可以被完全或局部地设置在氢气发生器、该燃料电池组、由该燃料电池组驱动的 该电动装置，或它们的任一组合内。该控制系统可以包括微处理机、控制器或微控制器；数 字、模拟和/或混合电路；固态和/或机电切换装置；电容器、传感仪器、定时器、DC-DC转换 器等等。为了其他目的也可以使用相同或不同的控制系统，其他目的诸如鉴定适当的或批 准使用的氢气发生器和燃料单元、阻止使用不适当或未被批准的氢气发生器或燃料单元、 控制在该燃料电池系统和装置内的电池通过该燃料电池组充电、计算并提供该燃料单元剩 余容量的信息、记录关于使用燃料单元、氢气发生器、燃料电池系统和装置的历史信息、防 止在不安全的条件下操作该氢气发生器，以及其他目的。
[0060] 在图1中的分解的透视图中示出氢气发生器的示意图。该氢气发生器10具有外 壳，其包括第一外壳构件12和第二外壳构件（观察检查板）14。该外壳还包括氢气出口（未 示出），通过该出口氢气可以被释放 （例如，至氢气消耗装置）。包括多个加热元件18的引 发器总成16设置在该外壳内，并且可压缩构件20对着该引发器构件16设置，其中该加热 元件18与在该可压缩构件20的底表面上暴露的接触构件28的末端接触（图3和图4)。该 加热元件通过电路（未示出）连接到提供用于操作该引发器总成的能量源（未示出）。该 可压缩构件20可以包括任选的在对着邻近燃料单元24设置的表面中的氢气流动路径22。 该燃料单元24可被封闭在封装中，并且该封装可以包括逸出装置26,诸如用于在该封装内 生产的氢气逸出的穿孔、缝等。虽然在图1中示出的该引发器构件16包括加热元件18,但 是在其他实施方案中，该接触构件28可以是加热元件，其中多个加热元件18被用于传导能 量至该接触构件/加热元件28的多个电接触替换。
[0061] 图2不出氢气发生器10,其中可压缩构件20设置在第一外壳构件12内并且该燃 料单元24设置在第二外壳构件14内。第一外壳构件12和第二外壳构件14可以是如图2 所示的铰链，或者如以上公开，它们可以不同地布置。该燃料单元24示于图2中，其中其封 装的部分面向去除的该可压缩构件20,以示出设置在该燃料单元24内的燃料混合物32中 的多个量的放热混合物30。
[0062] 在图3中示出该氢气发生器10,其中该外壳12、14是打开的并且该可压缩构件20 未经压缩，使得在该加热元件18对面的接触构件28的末端不暴露在面对该燃料单元24的 该可压缩构件20的表面。示出该燃料单元24对着该可压缩构件20设置，以示出该可接触 构件28与对应量的放热混合物30对齐。
[0063] 在图4中示出该氢气发生器，其中该外壳12、14是闭合的并且该可压缩构件20是 压缩的，其中该接触构件28的末端穿透该燃料单元封装并且进入对应量的放热混合物30。 因此，当该氢气发生器10闭合时，其中燃料单元24安装在其内，并且能量被供给到一个或 多个加热元件18,来自该加热元件的热量被穿过该燃料单元封装的对应的接触构件28且 传导至对应量的放热混合物30,以引发在该放热混合物30内的放热反应并提供引起氢气 从燃料混合物32的对应部分释放所必需的热量。释放的氢气可以逸出该燃料单元24,例如 通过在由尖锐的接触构件24构成的封装内的穿孔，和/或通过在该封装内的其他氢气逸出 装置26。氢气从燃料单元24的选择部分释放可以通过选择地为个别加热元件18提供能量 控制，从而基于需要提供有限量的氢气。
[0064] 图1至图4是氢气发生器的实施方案的示意图。如上所述，本领域的技术人员将 易于做出修改。例如，该氢气发生器的尺寸和形状及其部件可以改变，该接触构件可以用作 加热元件而不是只是热导体，在该燃料单元内的放热混合物的设置可以改变，该燃料单元 封装的组合物可以改变，该燃料混合物可以是单独质量或分离成隔离的量，打开或闭合该 燃料单元封装的方法可以改变，并且可以提供多种装置以控制从该氢气发生器释放氢气， 或将该氢气发生器连接到氢气消耗装置。
【主权项】
1. 一种氢气发生器，其包括： 包括观察检查板的外壳； 设置在所述外壳内并且包括一个或多个接触构件的引发器总成； 具有相反的第一表面和第二表面，并且其中设置有一个或多个接触构件的可压缩构 件；以及 可拆卸地设置在邻近所述可压缩构件的所述第二表面的所述外壳内的燃料单元，所述 燃料单元包括当加热时可以释放氢气的含氢材料，以及在被来自所述引发器总成的能量引 发时可以放热反应的放热混合物； 其中： 当在所述氢气发生器内不设置燃料单元时，所述可压缩构件是未压缩的，并且所述一 个或多个构件在所述第二表面处或其下方； 当在所述氢气发生器中设置有燃料单元时，所述可压缩构件是被压缩的，使得所述一 个或多个接触构件延伸超过所述第二表面以使热与所述燃料单元接触；以及 来自引发器总成的能量被所述一个或多个接触构件传导至对应的一个或多个量的所 述放热混合物以引发其中的放热反应，从而提供用于从含氢材料中释放氢气的热量。2. 根据权利要求1所述的氢气发生器，所述氢气发生器包括多个接触构件，每一个对 应于一个或一组多个隔离的量的所述放热混合物。3. 根据权利要求2所述的氢气发生器，其在每一个或每一组多个隔离的量的所述放热 混合物中的放热反应可以通过所述对应的接触构件被选择地引发。4. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述引发器总成包括一个或多个加热元 件，每一个与至少一个对应的接触构件热连通，使得所述对应的接触构件可从所述加热元 件中的一个传导热量至所述对应的一个或多个量的所述放热混合物；5. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述引发器总成通过一个或多个传导构件 传导电能，其中的每一个传导电能至一个或多个对应量的所述放热混合物；6. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述燃料单元包括多个量的所述放热混合 物，每一个能够为从所述含氢材料中的一部分释放氢气提供热量；7. 根据权利要求6所述的氢气发生器，其中所述含氢材料的部分是隔离的部分。8. 根据权利要求7所述的氢气发生器，其中所述含氢材料的所述隔离的部分被任何缝 隙、热绝缘体构件以及电绝缘体构件中的一种或组合隔离。9. 根据权利要求6所述的氢气发生器，在单个或组的量的所述放热混合物中的所述放 热反应可以被选择地引发以为一个或多个导体构件选择地提供能量，它们中的每一个传导 能量至所述多个量的所述放热混合物中的一个或多个。10. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述接触构件中的每一个是加热元件。11. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述接触构件中的每一个具有细长的主 体。12. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述接触构件中的每一个具有用于接触 所述燃料单元的末端。13. 根据权利要求12所述的氢气发生器，其中所述末端可以是锥形的尖。14. 根据权利要求12所述的氢气发生器，其中所述末端可以穿透进入所述燃料单元。15. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中将能量从能量源提供到所述引发器总成。16. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述可压缩构件包括在它的第一表面中 的氢气流动管道。17. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述观察检查板是可移动的，以提供到用 于插入或拆卸所述燃料单元的所述氢气发生器的接入。18. -种燃料电池组和根据权利要求1的氢气发生器。19. 根据权利要求18所述的氢气发生器，其中所述燃料电池系统包括选择地为一个或 多个导体构件提供能量的控制器。20. 根据权利要求19所述的氢气发生器，其中所述控制器可以所述燃料单元、所述氢 气发生器和氢气消耗装置的一个或多个参数为基础选择地为一个或多个导体构件提供能 量。
【专利摘要】本发明涉及氢气发生器，其包括在可压缩构件内具有一个或多个接触构件的引发器总成；以及邻近该可压缩构件的表面的可拆卸燃料单元。该燃料单元包括当加热时可以释放氢气的含氢材料，以及在被来自该引发器总成的能量引发时可以放热反应的放热混合物。当在该氢气发生器中不设置燃料单元时，所述可压缩构件是未压缩的，并且所述接触构件在它的表面处或其下方，当在该氢气发生器中设置有燃料单元时，所述可压缩构件是被压缩的，所以所述接触构件延伸超过所述表面以使热与该燃料单元接触。来自该引发器总成的能量被所述接触构件传导至对应量的所述放热混合物以引发放热反应，从而提供用于从含氢材料中释放氢气的热量。
【IPC分类】C01B3/00, C01B3/06
【公开号】CN104903232
【申请号】CN201380069545
【发明人】M·D·范达堡
【申请人】智能能源公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年8月14日
【公告号】CA2893485A1, EP2925668A1, US8877137, US20140154596, US20150030530, WO2014088652A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于生产氢气的氢气发生器，具体地涉及用于为氢气消耗装置（诸如 燃料电池组）提供氢气。
[0002] 发明背景
[0003] 气体发生器用于生产多种用于各种目的的气体。实例包括氢气发生器、氧气发生 器、一氧化碳发生器和二氧化碳发生器。氢气发生器特别令人关注，因为氢气可以被用于提 供在燃料电池组中用作活性材料的氢气。
[0004] 对于燃料电池组作为用于便携电子装置的动力能源的关注已经增长。燃料电池是 使用电池外部的材料作为用于阳极和阴极的活性材料的电化学电池。因为燃料电池不必须 包括所有的用于产生电的活性材料，所以与其他类型的电池相比，该燃料电池可以被制成 具有相对于生产的电能的量小的体积。
[0005] 在一些类型的氢燃料电池中，氢气从供给给该燃料电池的阴极侧的含氢燃料形 成。在其他类型的氢燃料电池中，氢气从该燃料电池外部的源供给给该燃料电池。
[0006] 燃料电池系统包括燃料电池组，其包括一个或多个燃料电池（诸如在燃料电池堆 叠），以及气体源，诸如储气罐或气体发生器。向燃料电池供给气体的气体发生器可以是燃 料电池系统的集成部分，它们可以可拆卸地耦接到该燃料电池系统，或者它们可以包括含 反应物的可替换的部件。当该生产气体的反应物已经被耗尽时，可以用另一个可拆卸的气 体发生器替换。可拆卸的气体发生器可以是一次性的（仅用于一次性使用）或可再填充的 (用于使用多次）以代替耗尽的反应物材料。
[0007] 氢气发生器可以使用多种反应物和多种用于引发该氢气生成反应物的方法生产 氢气。当含氢材料反应时，氢气可以被放出。
[0008] 在选择用于在氢气发生器中使用的反应物中，可以考虑以下几点：(a)当氢气发 生器不使用时，在长时间期间的稳定性，（b)氢气生成的反应容易引发，（C)必须提供的以 维持氢气生成反应的能量的量，（d)该氢气生成反应的最高操作温度，以及（e)该反应物每 单位体积和每单位质量可以生产的氢气的总体积。
[0009] -些含氢化合物可以在化学分解反应中被加热以放出氢气。此类热分解反应，诸 如那些氢化物可以比水解反应更有利，因为氢气的产率更高，它不产生必须从氢气其他中 除去的水蒸汽，并且凝固不是问题。
[0010] 在一些使用通过气体发生器生产气体的系统中，期望的是，在按需的基础上生产 该气体，从而最小化需要（和体积）以储存大量的气体直到需要。也可以期望以可替换、低 成本的形式提供用于该气体发生器的反应物。也可以期望用所需能量的最小量以低成本运 行该气体发生器。
[0011] 根据以上所述，本发明的目的是提供方便并且经济地制造和操作的氢气发生器， 其具有用户可替换的含最少数量的部件的燃料单元，需要用户最少的清洁，以及可以根据 需要提供有限数量的氢气。 发明概要
[0012] 通过氢气发生器和包括燃料电池组和如本文所述的氢气发生器的燃料电池系统 满足上述目的并且克服现有技术的上述缺点。
[0013] 因此，本发明的一个方面是氢气发生器，其包括：包括观察检查板的外壳；设置在 该外壳内并且包括一个或多个接触构件的引发器总成；具有相反的第一表面和第二表面， 并且其中设置有一个或多个接触构件的可压缩构件；以及可拆卸地设置在邻近该可压缩 构件的第一表面的该外壳内的燃料单元，该燃料单元包括当加热时可以释放氢气的含氢材 料，以及在被来自该引发器总成的能量引发时可以放热反应的放热混合物。当在该氢气发 生器中不设置燃料单元时，可压缩构件是未压缩的，并且一个或多个构件在第二表面处或 其下方；并且当在该氢气发生器中设置有燃料单元时，可压缩构件是被压缩的，使得一个或 多个构件延伸超过第二表面以使热与该燃料单元接触。来自引发器总成的能量被一个或多 个接触构件传导至对应的一个或多个量的该放热混合物以引发其中的放热反应，从而提供 用于从含氢材料中释放氢气的热量。实例可以单独或组合的形式包括以下各项中的任何一 项：
[0014] ?该氢气发生器包括多个接触构件，每一个对应于一个或一组多个隔离的量的放 热混合物；在每一个或每一组多个隔离的量的放热混合物中的放热反应可以通过对应的接 触构件被选择地引发；
[0015] ?该引发器总成包括一个或多个加热元件，每一个与至少一个对应的接触构件热 连通，使得对应的接触构件可从加热元件中的一个传导热量至对应的一个或多个量的放热 混合物；
[0016] ?该引发器总成通过一个或多个传导构件，其中的每一个传导电能至一个或多个 对应量的放热混合物；
[0017] ?燃料单元包括多个量的放热混合物，每一个能够为从含氢材料中的一部分释放 氢气提供热量；含氢材料的部分可以是隔尚的部分；含氢材料的隔尚的部分可以被任何缝 隙、热绝缘体构件以及电绝缘体构件中的一种或它们的组合隔离；在单个或组的量的放热 混合物中的放热反应可以被选择地引发以为一个或多个导体构件选择地提供能量，它们中 的每一个传导能量至多个量的放热混合物中的一个或多个；
[0018] ?接触构件中的每一个都是加热元件；
[0019] ?接触构件中的每一个都具有用于接触该燃料单元的末端；接触构件中的每一个 可以具有细长的主体；末端可以是锥形的尖；该尖可以穿透进入燃料单元；
[0020] ?将能量从能量源提供到引发器总成；
[0021] ?可压缩构件包括在它的第一表面中的氢气流动管道；以及
[0022] ?观察检查板是可移动的，以提供到用于插入或拆卸燃料单元的氢气发生器的接 入，观察检查板可以从外壳的剩余中拆卸；观察检查板可以是保持附接到外壳的剩余的可 折板。
[0023] 本发明的第二个方面是燃料电池系统，其包括燃料电池组和如上所述的氢气发生 器。实例可以单独或组合的形式包括以下各项中的任何一项：
[0024] ?燃料电池系统包括控制器，以选择地为一个或多个导体构件提供能量；一个或多 个导体构件中的每一个可传导能量至多个量的放热混合物中的一个或多个；控制器可以燃 料单元、氢气发生器和氢气消耗装置的一个或多个参数为基础选择地为一个或多个导体构 件提供能量；以及
[0025] ?燃料电池系统包括相对于燃料单元外部的能量源；该能量源可以在相对于氢气 发生器外部。
[0026] 本发明的第三个方面是产生氢气的方法。该方法包括以下步骤：(a)提供氢气发 生器，其包括具有观察检查板的外壳、设置在外壳内并且包括一个或多个接触构件的引发 器总成、具有相反的第一表面和第二表面，并且其中设置有一个或多个接触构件的可压缩 构件，以及可燃料单可拆卸地设置在邻近该可压缩构件的第二表面的该外壳内的燃料单 元，该燃料单元包括当加热时可以释放氢气的含氢材料，以及在被来自该引发器总成的能 量引发时可以放热反应的放热混合物；(b)将该燃料单元设置在该外壳内；（C)固定该板以 将该燃料单元封闭在该外壳内，从而对着该可压缩垫片的第一表面推燃料单元，以将该接 触构件的末端从该可压缩垫片的表面延伸以接触该燃料单元；（d)将能量供给到接触构件 中的至少一个并且将能量传导至对应量的放热混合物以引发在量的放热材料中的放热反 应；以及（e)将热量从该放热反应传导至该含氢材料的对应部分以引起释放氢气。实例可 以单独或组合的形式包括以下各项中的任何一项：
[0027] ?氢气发生器包括以上公开的本发明的第一方面的特征的一个或多个；
[0028] ?燃料单元从氢气发生器拆卸，并且使用另外的燃料单元重复步骤（b)到步骤 (e)；
[0029] 本领域的技术人员通过参考以下说明书、权利要求书和附图，将进一步理解并领 会本发明的这些和其他特征、优点和目的。
[0030] 除非具体指定，否则本文使用以下规定和方法：
[0031] ?"对应的"意指以热连 通或电连通；
[0032] ?电绝缘体或非导电材料或结构是具有不良导电性的材料和结构，该电导率在 293。K 小于 KTltl欧姆―1·米―1;
[0033] ?热传导材料或结构是具有良好导热性的材料或结构，该导热性大于100瓦特/ 米?开；以及
[0034] ?热绝缘体或非导热材料或结构是具有不良导热性的材料或结构，该导热率小于5 瓦特/米?开，优选地小于2瓦特/米?开，并且最优选小于1瓦特/米?开。
[0035] 除非本文具体指定，否则所有公开的特征和范围如在室温（20°C _25°C )测定。
[0036] 附图简述
[0037] 在附图中：
[0038] 图1是氢气发生器的实施方案的分解透视图；
[0039] 图2是图1所示氢气发生器的透视图，其具有组装成外壳构件的顶部或底部的部 件；
[0040] 图3是图1所示氢气发生器的横截面视图，其具有打开的外壳和未经压缩的可压 缩构件；以及
[0041] 图4是图1所示氢气发生器的横截面视图，其具有闭合的外壳和被压缩的可压缩 构件。
[0042] 描述
[0043] 本发明的实施方案是具有可替换的可以生产氢气的燃料单元的氢气发生器；例如 用于氢气消耗装置。例如，氢气发生器可以是燃料电池系统的一部分以供给氢气作为用于 燃料电池组的燃料。该燃料电池组可以是被该燃料电池组驱动和/或再充电的电动器具的 集成部分，或该燃料电池系统可以是可以连接到该电动器具的分开的装置。能够通过使用 由氢气发生器生产的氢气的燃料电池系统供给动力的器具的实例包括连通装置，诸如移动 电话和智能手机；计算机，诸如膝上型电脑和笔记本型计算机、导航系统，诸如全球定位系 统、图书阅读器，以及其他，特别是那些具有薄外形的计算机。
[0044] 氢气发生器包括外壳和设置在该外壳内用于加热燃料单元的引发器总成。该燃料 单元是可拆卸的燃料单元，其在使用之后可以用含新燃料的燃料单元替换，且该外壳包括 观察检查板，其可以打开或移动以允许用新的燃料单元替换用尽的。这样，主要含有可消耗 材料的燃料单元可以在使用后被替换，而该氢气发生器的剩余部分可以再使用许多次，从 而使得该氢气的产生比如果整个氢气发生器必须被替换更经济。
[0045] 该燃料单元包括当加热时可以释放氢气的含氢材料，以及放热混合物。该引发器 总成用于提供足够的能量（例如，热能或电能）以引发在该放热混合物中的放热反应，并且 该放热反应提供足够的热量以导致从含氢材料释放氢气。通过使用放热混合物以提供产生 氢气所需要的大部分能量，将从该燃料单元外部需要的能量最小化，因为该引发器总成只 能提供很短时间的能量，所以仅足以引发该放热反应。
[0046] 能量通过到一个或多个对应量的放热混合物的一个或多个接触构件从该引发器 总成传导至该燃料单元。该接触构件设置在可压缩构件内。当在该氢气发生器中不存在燃 料单元时，该可压缩构件是未经压缩的，使得该接触构件延伸不超过邻近该燃料单元的可 压缩构件的表面。当燃料单元存在时，压缩可压缩的构件使得该接触构件延伸超过该可压 缩构件的表面，以使其与该燃料单元热接触或电接触。该可压缩的构件提供对该燃料单元 的压力，以在适当的位置稳固地夹住，并且当在该氢气发生器中不安装燃料单元时，它还保 护未暴露的接触元件免受损坏。该可压缩的构件还可以有助于保持该接触构件清洁，例如 当除去对该可压缩构件的压缩力并且该热接触构件的末端缩回该可压缩构件的表面下面 时，通过从其表面擦拭异物。
[0047] 在各种实施方案中，该氢气发生器可以包括多个量的放热混合物，每一个放置在 该燃料单元内，以提供从对应的该含氢材料的部分释放基本上所有的氢气所必需的热量。 单个量的该放热材料或它们的组可以对应于一个或多个接触构件，使得能量可通过该接触 构件传导以选择地引发在所对应的单个或组的量的发热材料内的放热反应。这允许在给定 的时间段期间用于从含氢材料的单个部分或多个部分释放氢气。氢气从而可以根据该氢气 消耗装置的需要产生，而不在该氢气发生器或该氢气消耗装置内形成高压。选择地提供能 量也可以限制在该燃料单元和该氢气生成器内的最高温度。可以多种方式，诸如通过使用 控制器控制选择引发该放热混合物的量，该控制器位于该氢气发生器内部或外部，其基于 该燃料单元的一个或多个参数，例如该氢气发生器和该氢气消耗装置。该氢气发生器另外 的实施方案将在下面更详细地公开。
[0048] 该氢气发生器外壳可以是氢气消耗装置（诸如燃料电池系统）的一部分，或者它 可以是分开的设备，例如可以连接到氢气消耗装置或安装在氢气消耗装置内。该观察检查 板可以是该外壳的可拆卸部分，诸如外壳壁的可拆卸部分，或者它可以是保持附接到该外 壳的剩余部分的板，诸如铰链门。该外壳还可以包括联锁机构，其防止用户在该氢气发生器 内部的温度（例如，空气，燃料单元或其它部件）高于预定水平时打开或移动该观察检查 板。
[0049] 该外壳可由坚固且耐产生的热的材料制成。金属，诸如铝、钢和不锈钢、陶瓷，以及 耐高温聚合物，诸如聚苯硫醚、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚氧基苄 基亚甲基二醇酸酐（Bakelite?)、环氧树脂、酚醛树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯和三聚氰胺可 以通常适于该氢气发生器外壳。热绝缘可以期望保护用户及外部材料和结构不由于来自该 氢气发生器内的热量受到损坏。在这种情况下，该外壳可以由不良导热性的材料制成，或者 可以添加热绝缘体。当需要不良热传导性时，该材料将具有小于5瓦特/米·开的导热率， 优选小于2瓦特/米?开，并且最优选小于1瓦特/米?开。该外壳的壁也可以包括用以 提供热绝缘的腔，该腔可以包括真空以改善该壁的热绝缘性。
[0050] 该可压缩构件可以通过将该观察检查板固定到在该外壳内具有燃料单元的该外 壳上（例如，通过闭合该观察检查板）而被压缩，从而对该燃料单元和可压缩构件的第一表 面施加力以压缩该可压缩构件。当该可压缩构件被压缩时，该接触构件的末端在它们相反 的末端支撑，并最接近于该可压缩构件的第二表面，其保持在适当的位置，以便它们延伸超 出该可压缩构件的第一表面，并使其与该燃料单元和对应量的放热混合物接触。该接触元 件的延伸的末端可以穿过该燃料单元的外部封装以使其与该放热材料良好的热或电接触。
[0051] 该可压缩构件可以由在每次压缩之后将基本上恢复至其原来厚度的弹性材料制 成。优选地，该材料将是不良热导体或电导体。适合的材料包括天然的和人工的海绵材料 和固化、交联或硫化的弹性体，其具有快速恢复和低蠕变。实例包括一种或多种聚氨酯弹 性体、聚氯丁橡烯（氯丁橡胶）、聚丁二烯、氯异丁烯异戊二烯、氯磺化聚乙烯、环氧氯丙烷、 乙烯丙烯、乙烯丙烯二烯单体、乙烯醋酸乙烯酯、氢化丁腈、聚异戊二烯、异戊二烯丁烯（丁 基）、丁二烯丙烯腈（例如，购自阿什塔比拉橡胶公司的BUNA-N?)、苯乙烯-丁二烯（例 如，购自阿什塔比拉橡胶公司的BUNA S?)、氟弹性体（例如，购自杜邦的VITON?以及 KALREZ? )，以及硅氧烷。在实施方案中，该材料可以具有在4. 4牛顿至8. 9牛顿的范 围内的压缩力，并且对于25%压缩在0. 4psi至I. 4psi的范围内稳固。该材料可以具有约 10%至15%的压缩范围，并且能够遮没裂口（die cut blanking)。该材料还包括适合的 抗拉强度、剪切强度、拉伸极限和密度。为了允许产生的氢气容易从该燃料单元逸出，该可 压缩垫片材料可以具有在其中形成的开放的孔或其他氢气流动路径（例如，洞、管道或凹 槽）。
[0052] 该接触构件仅可以是用于传导热或电的热导体或电导体，或者该接触构件可以是 将电能转变成热能的加热元件。如果他们只是导体，他们将具有良好的导热性或导电性，并 且优选至少当燃料单元在该氢气发生器中并且该可压缩构件被压缩时，与电接触直接接触 或在该外壳内的加热 元件。该接触构件将具有足够的强度和稳定性以抵抗所述力和其将要 暴露的环境。该接触构件的形状优选促进当该可压缩构件被压缩或未经压缩时，从该可压 缩构件延伸并且缩回至该可压缩构件内。优选地，该接触构件将在平行于邻近该燃料单元 的该垫片的表面的平面中具有相对小的横截面尺寸，诸如圆形或菱形圆柱形状。该接触构 件可具有锥形的末端，例如钝的或尖锐的点。在一些实施方案中，该接触构件在该垫片对着 该燃料单元压缩时可以穿过该燃料单元，从而允许热量传导进入该燃料单元而不是只在其 表面。
[0053] 加热元件可以是任何适合的类型，诸如电阻加热元件。运行该加热元件或直接引 发该放热反应的能量（例如，电流）从一个或多个能量源提供。能量源的实例包括一次电 池、二次电池、燃料电池、电容器和公用设施（public utility)。该能量源优选设置在该燃 料单元的外部，在该氢气发生器内或该氢气发生器的外部。如果该引发器总成包括与该接 触构件分开的加热元件，那么该引发器总成可以设置在与邻近该燃料单元的表面相对的可 压缩构件的表面上或邻近该可压缩构件的表面。如果该放热反应由电能引发，或者加热元 件是接触构件，导线（例如，电导线）接触该能量源可以为接触构件（例如，为在与该燃料 单元相反的可压缩构件表面处的接触构件的末端）提供电能（例如，电流）。
[0054] 该燃料单元含有包括一种或多种反应物的放热混合物，该反应物当提供有足够热 能或电能时将进行放热反应。优选地，该放热混合物将在放热反应期间还产生氢气。该氢 气加入（contributes to)到由氢气发生器生产的氢气的总量。优选地，引发该放热反应所 需要能量的总量小。该放热混合物含有在以自持放热反应引发之后反应的反应物。合适的 反应物的实例包括金属/金属氧化物多层膜，诸如Ti/Pb 304、Zr/Fe203、硼氢化胍、B-N化合 物与氧化剂的共混物，诸如旧2011/002716841所述的硝酸铵或31*(勵 3)2、金属/金属多层 薄膜和结构，诸如US7867441所述的Ni/Al、自燃组合物，诸如US6749702所述的与硝酸钾 和钼金属混合的硝酸银，诸如US7964111所述的复合氢化物、氧化剂和S组合物，以及在专 利US2008/0236032A1和US 2008/0241613A1中所述的组合物。其他组合物包括金属和水 的凝胶，诸如单独的Mg/水/聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸）或与硼氢化钠的组合（分别为 Varma 等人 Chem. Eng. Sci 2010, 65, 80-87 和 Int. J. Hydrogen En 2007, 32, 207-211)。该 放热混合物可以包括一种或多种添加剂，例如以用作粘合剂或减慢放热反应（例如，防止 它变得太热或者防止在对应量的含氢材料被充分利用之前被耗尽）。
[0055] 该含氢材料优选当加热时吸热（或至少不足以自持地放热）反应以释放氢气的材 料。可以使用材料的一种或其组合。实例包括可逆地吸收和放出氢气的材料（金属-有机骨 架（MOF)、沸石、石墨烯、碳纳米管以及金属氢化物，如ABjP AB 2型的储氢合金，诸如钛-锰 合金、稀土金属混合物-镍合金、镧-镍-钴合金和镧-镍合金）、在热分解时可以反应以生 产氢气的材料（例如，金属氢化物，诸如氢化锂、氢化镁，以及氢化铝（铝烷）、复合氢化物 及其氨加合物，诸如硼氢化铝、硼氢化钠、硼氢化镁、硼氢化妈、氨基硼氢化钛（ΠΙ)、氢化铝 锂、氢化铝钠、氨基化锂，以及氢化钙铝，和氢化B-N化学制品，如硼烷氨和硼烷肼），以及包 括上述材料的各种组合。优选的含氢材料是铝烷，其在约180°C分解成金属铝和氢气。铝烷 具有约I. 3g/cm3的密度，并且包括10重量％的组合物可以生产约9重量％氢气。该含氢 材料可以是具有多种添加剂，诸如粘合剂、稳定化合物、热传导材料、流平剂以及催化剂的 燃料混合物的一部分。
[0056] 该燃料混合物可以作为在该燃料单元内的单独的质量存在，或者可以隔离的量存 在，其由缝隙和分配器（诸如热绝缘体）中的一个或组合与该燃料混合物的剩余物分开。该 放热混合物设置在该燃料混合物上或其内，使得每一个量的放热混合物可以提供引起从燃 料混合物的一部分释放氢气所必需的热量。每一个量的放热混合物将趋于有效地在最接近 的部分燃料混合物内引起氢气释放。为了最大化该燃料单元的效率（提供最大量的氢气）， 将该燃料混合物分离成分离的量可以是有利的，以便每一个量的放热混合物将引起氢气只 从燃料混合物的对应部分（分离的量）释放，并且保证在该分离的量中的含氢材料基本上 100%利用。因此，将所述量的放热混合物以在适当的位置存在足够量的放热混合物以最大 化该氢气释放量，同时最小化在该燃料单元内放热混合物的总量的方式定位和定尺寸是有 利的。该放热混合只可以设置在与该接触构件接触的燃料单元的表面，或者，优选地，放热 混合物的量可以扩大到该燃料单元的体积以最小化从该燃料单元的热量损失，从而最大化 加热效率。
[0057] 该燃料单元可以被封装封闭。该封装可以在该燃料单元使用之前运输或储存期间 保护该燃料混合物和放热混合物免受周围环境之害，在使用之前将该燃料混合物和放热混 合物容纳在该燃料单元内，并且在使用期间和使用之后将反应产物容纳在该燃料单元内， 从而确保氢气的高产率、保持该氢气发生器内部清洁，并且防止在封装的燃料单元内的容 纳的东西和用户或在该氢气发生器外部的任何东西之间接触。
[0058] 该燃料单元封装可以由不良的热传导材料或电传导材料制成，以防止来自一个接 触构件或一个量的放热混合物的能量无意地引发在另外的量的放热混合物的放热反应。该 接触构件可以穿过该封装以使与对应量的放热混合物电接触或热接触，或者该封装可以包 括将电能或热能从该接触构件传导至对应量的放热混合物的传导部分。例如，该封装可以 包括非传导材料层。该封装还可以在由传导材料的切片覆盖的非传导材料中包括孔（例 如窗口）。适合的非传导材料的实例包括柔性的玻璃和高温聚合物，其具有高于该材料旨 在承受的最高温度的加热变表温度（加载偏斜温度）（根据ASTM D648在18. 56kg/cm2下 (264psi))。柔性玻璃的实例是康宁公司的康宁柳木玻璃。高温聚合物的实例包括聚醚醚 酮、聚酰亚胺、酚醛树脂和其衍生物。可以使用的传导材料的实例包括金属箔（例如，铝、 钢、不锈钢、铜、镍和其合金）以及非金属材料（例如，石墨基材料，诸如由GrafTech制备的 GRAFOIL? )。
[0059] 控制系统可以用于为该引发器总成供给能量、控制产生的气体的速率和量，或者 例如控制来自该氢气发生器的气体流动速率。在燃料电池系统中，该控制系统可以通过监 测该燃料电池系统内的压力确定用于氢气的需要和/或所必需的氢气流动速率，燃料电池 的一种或多种电特性，或者由（例如）该燃料电池系统驱动的电动装置的一种或多种电特 性。该控制系统可以与该装置或该燃料电池系统连通以确定什么时候需要更多的氢气。该 控制系统可以被完全或局部地设置在氢气发生器、该燃料电池组、由该燃料电池组驱动的 该电动装置，或它们的任一组合内。该控制系统可以包括微处理机、控制器或微控制器；数 字、模拟和/或混合电路；固态和/或机电切换装置；电容器、传感仪器、定时器、DC-DC转换 器等等。为了其他目的也可以使用相同或不同的控制系统，其他目的诸如鉴定适当的或批 准使用的氢气发生器和燃料单元、阻止使用不适当或未被批准的氢气发生器或燃料单元、 控制在该燃料电池系统和装置内的电池通过该燃料电池组充电、计算并提供该燃料单元剩 余容量的信息、记录关于使用燃料单元、氢气发生器、燃料电池系统和装置的历史信息、防 止在不安全的条件下操作该氢气发生器，以及其他目的。
[0060] 在图1中的分解的透视图中示出氢气发生器的示意图。该氢气发生器10具有外 壳，其包括第一外壳构件12和第二外壳构件（观察检查板）14。该外壳还包括氢气出口（未 示出），通过该出口氢气可以被释放 （例如，至氢气消耗装置）。包括多个加热元件18的引 发器总成16设置在该外壳内，并且可压缩构件20对着该引发器构件16设置，其中该加热 元件18与在该可压缩构件20的底表面上暴露的接触构件28的末端接触（图3和图4)。该 加热元件通过电路（未示出）连接到提供用于操作该引发器总成的能量源（未示出）。该 可压缩构件20可以包括任选的在对着邻近燃料单元24设置的表面中的氢气流动路径22。 该燃料单元24可被封闭在封装中，并且该封装可以包括逸出装置26,诸如用于在该封装内 生产的氢气逸出的穿孔、缝等。虽然在图1中示出的该引发器构件16包括加热元件18,但 是在其他实施方案中，该接触构件28可以是加热元件，其中多个加热元件18被用于传导能 量至该接触构件/加热元件28的多个电接触替换。
[0061] 图2不出氢气发生器10,其中可压缩构件20设置在第一外壳构件12内并且该燃 料单元24设置在第二外壳构件14内。第一外壳构件12和第二外壳构件14可以是如图2 所示的铰链，或者如以上公开，它们可以不同地布置。该燃料单元24示于图2中，其中其封 装的部分面向去除的该可压缩构件20,以示出设置在该燃料单元24内的燃料混合物32中 的多个量的放热混合物30。
[0062] 在图3中示出该氢气发生器10,其中该外壳12、14是打开的并且该可压缩构件20 未经压缩，使得在该加热元件18对面的接触构件28的末端不暴露在面对该燃料单元24的 该可压缩构件20的表面。示出该燃料单元24对着该可压缩构件20设置，以示出该可接触 构件28与对应量的放热混合物30对齐。
[0063] 在图4中示出该氢气发生器，其中该外壳12、14是闭合的并且该可压缩构件20是 压缩的，其中该接触构件28的末端穿透该燃料单元封装并且进入对应量的放热混合物30。 因此，当该氢气发生器10闭合时，其中燃料单元24安装在其内，并且能量被供给到一个或 多个加热元件18,来自该加热元件的热量被穿过该燃料单元封装的对应的接触构件28且 传导至对应量的放热混合物30,以引发在该放热混合物30内的放热反应并提供引起氢气 从燃料混合物32的对应部分释放所必需的热量。释放的氢气可以逸出该燃料单元24,例如 通过在由尖锐的接触构件24构成的封装内的穿孔，和/或通过在该封装内的其他氢气逸出 装置26。氢气从燃料单元24的选择部分释放可以通过选择地为个别加热元件18提供能量 控制，从而基于需要提供有限量的氢气。
[0064] 图1至图4是氢气发生器的实施方案的示意图。如上所述，本领域的技术人员将 易于做出修改。例如，该氢气发生器的尺寸和形状及其部件可以改变，该接触构件可以用作 加热元件而不是只是热导体，在该燃料单元内的放热混合物的设置可以改变，该燃料单元 封装的组合物可以改变，该燃料混合物可以是单独质量或分离成隔离的量，打开或闭合该 燃料单元封装的方法可以改变，并且可以提供多种装置以控制从该氢气发生器释放氢气， 或将该氢气发生器连接到氢气消耗装置。
【主权项】
1. 一种氢气发生器，其包括： 包括观察检查板的外壳； 设置在所述外壳内并且包括一个或多个接触构件的引发器总成； 具有相反的第一表面和第二表面，并且其中设置有一个或多个接触构件的可压缩构 件；以及 可拆卸地设置在邻近所述可压缩构件的所述第二表面的所述外壳内的燃料单元，所述 燃料单元包括当加热时可以释放氢气的含氢材料，以及在被来自所述引发器总成的能量引 发时可以放热反应的放热混合物； 其中： 当在所述氢气发生器内不设置燃料单元时，所述可压缩构件是未压缩的，并且所述一 个或多个构件在所述第二表面处或其下方； 当在所述氢气发生器中设置有燃料单元时，所述可压缩构件是被压缩的，使得所述一 个或多个接触构件延伸超过所述第二表面以使热与所述燃料单元接触；以及 来自引发器总成的能量被所述一个或多个接触构件传导至对应的一个或多个量的所 述放热混合物以引发其中的放热反应，从而提供用于从含氢材料中释放氢气的热量。2. 根据权利要求1所述的氢气发生器，所述氢气发生器包括多个接触构件，每一个对 应于一个或一组多个隔离的量的所述放热混合物。3. 根据权利要求2所述的氢气发生器，其在每一个或每一组多个隔离的量的所述放热 混合物中的放热反应可以通过所述对应的接触构件被选择地引发。4. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述引发器总成包括一个或多个加热元 件，每一个与至少一个对应的接触构件热连通，使得所述对应的接触构件可从所述加热元 件中的一个传导热量至所述对应的一个或多个量的所述放热混合物；5. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述引发器总成通过一个或多个传导构件 传导电能，其中的每一个传导电能至一个或多个对应量的所述放热混合物；6. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述燃料单元包括多个量的所述放热混合 物，每一个能够为从所述含氢材料中的一部分释放氢气提供热量；7. 根据权利要求6所述的氢气发生器，其中所述含氢材料的部分是隔离的部分。8. 根据权利要求7所述的氢气发生器，其中所述含氢材料的所述隔离的部分被任何缝 隙、热绝缘体构件以及电绝缘体构件中的一种或组合隔离。9. 根据权利要求6所述的氢气发生器，在单个或组的量的所述放热混合物中的所述放 热反应可以被选择地引发以为一个或多个导体构件选择地提供能量，它们中的每一个传导 能量至所述多个量的所述放热混合物中的一个或多个。10. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述接触构件中的每一个是加热元件。11. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述接触构件中的每一个具有细长的主 体。12. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述接触构件中的每一个具有用于接触 所述燃料单元的末端。13. 根据权利要求12所述的氢气发生器，其中所述末端可以是锥形的尖。14. 根据权利要求12所述的氢气发生器，其中所述末端可以穿透进入所述燃料单元。15. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中将能量从能量源提供到所述引发器总成。16. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述可压缩构件包括在它的第一表面中 的氢气流动管道。17. 根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述观察检查板是可移动的，以提供到用 于插入或拆卸所述燃料单元的所述氢气发生器的接入。18. -种燃料电池组和根据权利要求1的氢气发生器。19. 根据权利要求18所述的氢气发生器，其中所述燃料电池系统包括选择地为一个或 多个导体构件提供能量的控制器。20. 根据权利要求19所述的氢气发生器，其中所述控制器可以所述燃料单元、所述氢 气发生器和氢气消耗装置的一个或多个参数为基础选择地为一个或多个导体构件提供能 量。
【专利摘要】本发明涉及氢气发生器，其包括在可压缩构件内具有一个或多个接触构件的引发器总成；以及邻近该可压缩构件的表面的可拆卸燃料单元。该燃料单元包括当加热时可以释放氢气的含氢材料，以及在被来自该引发器总成的能量引发时可以放热反应的放热混合物。当在该氢气发生器中不设置燃料单元时，所述可压缩构件是未压缩的，并且所述接触构件在它的表面处或其下方，当在该氢气发生器中设置有燃料单元时，所述可压缩构件是被压缩的，所以所述接触构件延伸超过所述表面以使热与该燃料单元接触。来自该引发器总成的能量被所述接触构件传导至对应量的所述放热混合物以引发放热反应，从而提供用于从含氢材料中释放氢气的热量。
【IPC分类】C01B3/00, C01B3/06
【公开号】CN104903232
【申请号】CN201380069545
【发明人】M·D·范达堡
【申请人】智能能源公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年8月14日
【公告号】CA2893485A1, EP2925668A1, US8877137, US20140154596, US20150030530, WO2014088652A1
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