具有启动器机构和催化剂屏蔽件的气体发生器的制作方法

专利名称：具有启动器机构和催化剂屏蔽件的气体发生器的制作方法
具有启动器机构和催化剂屏蔽件的气体发生器
相关专利申请的交叉引用
本专利申请是2009年11月3日申请的指定美国的国际专利申请序列号PCT/ US2009/063108的部分延续。本专利申请还是2010年4月5日申请的美国设计专利申请号 29/359, 037的部分延续。这些申请在此全文引入作为参考。技术领域
本发明总体上涉及燃料电池的燃料供应装置。特别是，本发明涉及气体发生器，更具体地涉及具有改进的反应器和启动器机构的用于燃料电池的氢气发生器。
背景技术：
燃料电池是将反应物(即燃料和氧化剂)的化学能直接转化成直流(DC)电的装置。 燃料电池的常用燃料是氢气，其可以储存为压缩形式或者储存在吸氢材料中，例如镧镍合金，LaNi5H6，或其它吸氢的金属氢化物。还可以根据需要通过化学金属氢化物，例如硼氢化钠，NaBH4，和水或甲醇之间的化学反应而产生氢。
在化学金属氢化物反应中，金属氢化物例如NaBH4,如下反应产生氢
NaBH4+2H20 —(加热或催化剂)一4 (H2) + (NaBO2)
阳极的半反应
H2 — 2H++2e_
阴极的半反应
2 (2H++2eO+O2 — 2H20
该反应的合适催化剂包括钴、钼和钌，以及其它金属。由重组硼氢化钠而产生的氢燃料在燃料电池中与氧化剂，例如O2反应以产生电(或电子流)和水副产物。硼酸钠(NaBO2) 副产物也通过重组过程而产生。在美国专利号4，261，956中讨论了硼氢化钠燃料电池，其在此全文引入作为参考。通过化学金属氢化物产生的氢可以压缩或储存在金属氢化物的吸氢材料中以备燃料电池的后期消耗。
使用化学氢化物作为燃料的已知氢气发生器的缺点包括储存和启动机构。随着时间的经过，储存的燃料可能降解并且催化剂可能丧失其有效性，以及其它缺点。因此，需要具有改进的储存和启动性能的氢气发生器设备。发明内容
本发明涉及具有显著更长的保存期并且可以更有效地产生氢气的燃料系统/气体发生设备。气体发生设备产生氢并且将氢输送到燃料电池或另一个氢消耗设备。
在一个实施方案中，本发明是一种气体发生设备，包括包含第一燃料的第一隔舱和包含第二燃料的第二隔舱，其中第一燃料和第二燃料混合形成燃料混合物，所述燃料混合物在催化剂存在的情况下反应产生气体。第一隔舱包括连接到位于气体发生设备外部上 的致动器的盖子，其中致动器是可选择性致动的以混合第一燃料和第二燃料。
盖子和致动器可以通过刚性或柔性的连接器连接到致动器上，并且连接器可以是中空的，并且可以相对于气体发生设备的外壳移动。气体发生设备还具有包含催化剂的自调节的反应器或浮标。本发明的气体发生设备还可以具有催化剂屏蔽件，其在第一次使用之前除去。
应当理解以上的总体描述和以下的详细描述仅仅是示例性和说明性的，并且是为了提供对本发明，如权利要求内容的进一步说明。


在形成了说明书的一部分并且与其一起阅读的下列附图中
图1是本发明的氢发生设备的一个实施方案的分解图2是图1中描绘的本发明氢发生设备的局部剖视图3是图1中所示的本发明疏水氢输出复合物的局部剖视图4是图1中所示的组装好的设备的透视图5和6分别是图4中所示的燃料舱的俯视图和仰视图7是倒置位置中的图3的完整剖视图以说明启动器机构；
图8A是以垂直方向显示的图7中示出的反应器或浮标的剖视图；图88-81说明了替代的浮标；
图9A-9D是结合的启动器和浮标装置的剖视图10A-C是弹簧加载的启动器机构的剖视图1lA-C是具有脆性部件的启动器机构的剖视图12A-B是具有可剥离部件的启动器机构的剖视图13A是具有催化剂屏蔽件的浮标的剖视图14A-B示出了包括催化剂屏蔽件的替代的启动器机构；
图15A-C示出了在存储期间屏蔽催化剂的另一个替代的启动器机构；其中图15A是该实施方案的分解图，和图15B-C是分别沿着椭圆形启动器机构的长轴和短轴的剖视图；和
图16A-E示出了在存储期间屏蔽催化剂的又一个启动器机构；其中图16A是该实施方案的分解图；图16B-C是组装好的机构分别在打开和关闭位置的透视图；和图16D-E 是组装好的机构分别在打开和关闭位置的剖视图。
具体实施方式

如附图中说明和以下详细讨论的，本发明涉及产生气体例如氢以用于燃料电池中的气体发生器。本发明的气体发生器具有改进的反应器或浮标和启动器机构，并且具有改进的保存期。
本发明的气体发生器包括燃料混合物和催化剂。催化剂包含在自调节的反应器或浮标中，并且根据对气体的需要而选择性地打开和关闭以产生气体。燃料混合物一般是通过将固体燃料组分溶解在液体燃料组分中而形成的溶液。混合优选发生在第一次使用之前，并且更优选发生在即将第一次使用之前。
本发明的气体发生器优选进一步包括在第一次使用之前将固体燃料与液体燃料隔离或反之的启动机构。在一个实施方案中，启动机构进一步包括在第一次使用之前将反应器或浮标中的催化剂与液体和/或固体燃料隔离的催化剂屏蔽件。
在此使用的术语“固体燃料”包括可以反应产生氢气的所有固体燃料，并且包括， 但不限于，在此和在W02010-051557 Al中所述的所有合适的化学氢化物，包括氢化锂、硼氢化锂、氢化钠、氢化钾、硼氢化钾、氢化铝锂，及其结合物、盐和衍生物。W02010-051557 Al在此全文引入作为参考。优选，固体燃料组分是化学金属氢化物例如硼氢化钠。固体燃料组分可以包括其它化学品，例如溶解性增强的化学品或稳定剂，例如溶解的金属氢氧化物，优选包括氢氧化钠。其它合适的稳定剂包括氢氧化钾或氢氧化锂，以及其它。
在此使用的术语“液体燃料”包括可以反应产生氢气的所有液体燃料，并且包括， 但不限于，在此和在W02010-051557 Al中描述的合适燃料，包括水、醇和添加剂、催化剂、及其混合物。优选，液体燃料例如水或甲醇与固体燃料在催化剂存在的情况下反应以产生氢。 液体燃料还可以包括添加剂、稳定剂、或其它反应增强剂，例如氢氧化钠作为稳定剂、聚乙二醇作为表面活性剂，或许多其它类型。
可以与液体或固体燃料反应产生气体的凝胶体、悬浮固体、乳液可以被归类为根据本发明的固体或液体燃料。
催化剂可以是钼、钌、镍、钴和其它金属，包括W02010-051557 Al中公开的那些及其衍生物。优选的催化剂包括氯化钴或氯化钌，或两者。另一种优选的催化剂是包括钴和硼的化合物。在存在催化剂的情况下，燃料混合物反应以产生氢。在公开的国际专利申请号TO2010/075410中讨论了优选的催化剂系统，将其全文引入作为参考。
在此使用的术语“燃料供应装置”包括，但不限于，可废弃的燃料舱、可再充满/再利用的燃料舱、容器、放置在电子装置内部的燃料舱、可拆除的燃料舱、电子装置外部的燃料舱、燃料桶、燃料再充满桶、存储燃料的其它容器以及连接到燃料桶和容器的管路。虽然以下结合本发明的示例性实施方案描述燃料舱，应当注意这些实施方案也可以应用到其它的燃料供应装置并且本发明并不限于任何特殊类型的燃料供应装置。
与本发明的薄膜组件一起使用的燃料供应装置也可以用于产生不在燃料电池中使用的燃料。这些应用可以包括但不限于，产生用于构造在硅晶片上的微型燃气涡轮发动机的氢，在The Industrial Physicist (2001年12月/2002年I月)中第20-25页公开的 “Here Come the Microengines”中讨论。如本申请中使用的,术语“燃料电池”可以包括微型发动机。
合适的已知氢发生设备公开于共有的美国专利号7，674，540和7，481，858、美国专利申请公开号US2006-0174952 Al、国际公开号W02010-051557 Al和国际公开号 W02010/075410中，本发明的气体发生器可以与其结合。这些参考文献的公开内容在此全文引入作为参考。
图1-7示出了根据本发明的代表性的气体发生设备，此后称为氢发生设备10。如图所示，通过向里或朝着位于氢发生器10的相对端的出口阀14推动锁钮12而操作氢发生设备10。如图所示，锁钮12附接于密封活塞16，当压下锁钮12时，密封活塞16使密封件 18向 打开位置移动。这释放了包含在密封活塞16的盖子22内部的室20中的固体燃料以使其与储存在主室24中的液体燃料混合。如图6中最佳显示的，提供了拉片13以限制锁钮12的移动直到使用者拉出并且从设备10除去可选的拉片13为止。固体燃料然后溶解在存在于容器24内部的液体燃料中以形成含水的燃料混合物，如上讨论。如图7中最佳显示的，锁钮12、拉片13、密封活塞16、密封件18、室20和密封活塞16的盖子22在这个实施方案中形成启动器机构23。如图1中最佳显示的，锁钮12包括密封件，例如垫片或O型环， 和护圈以防止液体通过锁钮流出。以下进一步描述启动器机构23的其它实施方案。
该含水燃料混合物接触储存在反应器浮标26中的催化剂并且反应以产生气体例如氢。其它的燃料混合物与催化剂反应产生其它气体，例如氧、氨，等等。如W02010-051557 Al中详细说明的，反应器浮标26根据氢发生器10的内部压力和参考压力之间的压力差或压差而打开和关闭，以控制含水燃料混合物与催化剂的接触从而控制氢的产生。以下描述浮标26的各种实施方案及其改进。产生的氢气渗透到薄膜组件28中并且从氢发生器10 输送出去，如下讨论。
如图1-3中最佳示出的，薄膜组件28包括外部格栅30和氢输出复合物32。为了清楚起见，外部格栅30在图1中仅仅部分显示。优选，外部格栅30完全包裹在氢输出复合物32周围。氢输出复合物32在这个优选实施方案中包括位于内部格栅36任一侧上的两层氢可渗透薄膜34。氢可渗透薄膜容许氢通过但是基本上排除液体。合适的氢可渗透薄膜包括任何本领域技术人员已知的基本上液体不可渗透而气体可渗透的材料。该材料可以包括，但不限于，具有烷基的疏水材料。更具体的实例包括但不限于聚乙烯组合物、 聚四氟乙烯、聚丙烯、Polyglactin (丙交酯乙交酯共聚物)(VICRY )、冻干的硬脑膜类物质(lyophilized dura mater)、或其结合。商业上可获得的合适的氢可渗透薄膜包括 GORE-TEX 、CELGARD 和SURBENT 聚偏氟乙烯(PVDF)。另外，或替代地，氢可渗透薄膜可以包括美国专利号7，147,955中公开的任何气体可渗透而基本上液体不可渗透的材料，其在此引入作为参考。
氢可渗透薄膜34优选地围绕内部格栅36密封在一起以形成多层的氢输出复合物 32。内部格栅36将两个氢可渗透薄膜34彼此接触或密封在一起的可能性减到最小以将氢的流动减到最小。外部格栅30用于将氢输出复合物32与容器24之间的接触减到最小，这可能减小氢进入氢输出复合物32的流速。外部格栅30和内部格栅36优选是柔性的。在优选的实施方案中，多层的氢输出复合物32被构造成扁平结构，如图3中最佳显示的，其中氢导管38连接到氢输出复合物32的一侧。可以将粗滤器37，例如皱纹纸或无纺布，放置在扁平结构的顶部以将氢输出复合物32和可能从含水燃料混合物沉淀的任何固体之间的接触减到最小。整个扁平结构可以简单地卷起来并插入容器24中。氢导管38与氢输出复合物32的内部并且与氢室40流体连通。优选地，整个薄膜组件28是疏水的。更具体来说， 格栅30和36是疏水的，薄膜34也是。
总体上，格栅30、36可以是任何格栅状的材料并且可以是刚性的或柔性的。格栅材料可以是固体格栅、织品、织物、尼龙编织物、芯线、筛网材料、网屏、皱纹状、或者其它气体可渗透的结构，可以用作层叠结构的基础并且防止薄膜34相互之间折叠。合适的格栅材料包括公开于共有的美国专利号7，172，825中的放置在或插入到燃料球胆中的那些， 该文献在此全文引入作为参考。氢输出复合物32从燃料混合物中过滤产生的氢气并且将产生的气体输送到氢出口 38和出口阀14。通过以该方式构造氢分离器， 该方式也在 W02010-051557 Al中被论述，没有使用包围燃料混合物的薄膜，可以在外壳中使用更高的压力，因为氢输出复合物受压。
虽然疏水的氢输出复合物32是优选的，但任何合适的分离器可以用于氢发生器 10。其它合适的氢分离器公开于美国专利7，727，293 B2、国际公开号W02010-051557A1和国际公开号W02010/075410，以及其它文献中。
当氢气通过氢可渗透薄膜34进入氢输出复合物32内部时，氢气从含水燃料混合物和反应的燃料/副产物的混合物中分离，其中氢通过和/或沿着内部格栅36到达氢导管 38以流出氢输出复合物32。氢导管38连接到氢室40，并且氢收集在室40中。出口阀14 连接到氢室40并且还连接到燃料电池或其它的气体/氢消耗装置(未显示)。将第一安全阀42提供给氢室40以便当室40内的压力高于预定的阈值水平时排放氢。
将第二安全阀44提供给室24以便当该室内的压力高于另一个预定的阈值水平时排放。优选，将填料或吸收材料提供在第二安全阀44的外部上以吸收当第二安全阀44打开时可能排放的任何含水燃料混合物或液体副产物。更优选，该填料或吸收材料是酸性的以便当液体是碱性时，如下所述当加入稳定剂例如氢氧化钠时，中和该液体。合适的酸性填料或吸收材料包括强酸性的磺酸化阳离子交换离子交换树脂，例如来自Rohm & Haas的Amberlyste0其它合适的酸性材料包括聚合物电解质薄膜材料，例如类似的酸性过滤器公开于美国专利号7，329，348和7，655，147中，其在此全文引入作为参考。
浮标26通过中空的管子46连接到外部大气从而使大气压可以作为参考压力，如图2中最佳显示的。优选地，管子46是刚性的并且以大约45°，并且更优选在大约35°和大约55°之间的角度支持浮标26。当浮标打开或关闭时，该角度优选地容许捕获的气体从浮标26中离开。然而，管子46可以任何角度支持浮标26，包括以垂直定向。管子46优选地连接到表面通道48，如图4-5中最佳显示的，其是在室24的外表面上形成的凹陷。多个表面通道48确保管子46保持对大气打开，即使当使用者的手指、碎屑或其它物体堵住或部分堵住管子46时。通道48可以设置在室24的底部上，如图所示，或者设置在室24侧面上。 在优选的实施方案中，在第一次使用氢发生器10之前，中空的管子用插塞部件塞住。
出口阀14可以是能够控制氢流动的任何阀，并且优选是国际专利申请公开号 W02009-026441和W02009-026439中所述的阀，其在此全文引入作为参考。优选地，出口阀 14包括中心支柱48，其基本上不能相对于室24移动，并且可以固定地安装到室24的底部， 如图2中最佳显示的。密封件50，其可以是O型环或扁平的垫片，环绕中心支柱48并且提供对氢室40的密封。护圈52将密封件50维持或锁定在其正确的位置上。其它合适的出口阀包括，但不限于，美国专利号7，537，024,7, 059，582,7, 617，842和美国公开专利申请号 US2006-0174952和US2010-0099009中公开的阀。这些参考文献在此全文引入作为参考。
为了使出口阀14更加难以被不经意的使用者操作或者减小将氢发生器10连接到不相容的机械上的可能性，匹配的先导盲孔54提供在出口阀14周围。为了打开阀14， 相应的或配合的阀应当具有圆柱形部件，其装配在中心支柱48周围和护圈52内部以打开密封件50，并且具有环形/同心部件，其装配在先导孔46内。确保难以被不经意的使用者和/或被不相容的机械操作的其它机构公开于美国公开专利申请号US2005- 0074643、 US2008-0145739, US2008-0233457 和 US2010-0099009 中，其在此全 文引入作为参考。
如上讨论,启动器机构23将固体燃料,例如硼氢化钠或者与水或醇反应产生气体例如氢的其它燃料，与液体燃料隔离。在第一次使用之前分隔燃料的优点是预先混合的燃料可以在储存期间降解，即在没有催化剂存在的情况下相互之间缓慢地反应。合适的启动器机构应当在储存期间和在第一次使用之前隔离两种燃料。
防护特征，例如拉片13，或者通过挑战使用者进行两个更多的动作而提供相对高的操作阻力的其它这种机构。抵制不经意的使用者使用的其它高操作阻力特征公开于以上讨论且先前引入作为参考的参考文献中。相应地，氢发生设备10的第一次使用或操作在使用者至少(i)除去或克服防护特征13，(ii)启动致动器，例如向里推动锁钮12，和(iii) 从参考压力通气口 46除去可选的塞子以容许大气压作为浮标26的参考压力之后开始，如 W02010-051557 Al 中所讨论的。
当使用者推动锁钮12时，力施加在密封活塞16上将其移动到室24中，其优选具有至少一个可压缩的气泡或者另一个可压缩的部件，例如容许压缩的充满空气的气囊，以容许密封活塞16的移动，密封活塞16包括盖子22。为了减小液体燃料的阻力，盖子22的直径可以相对于密封活塞16的轴减小。在将盖子22推入液体中时，较小的盖子22将遇到较低的阻力。盖子22的直径与密封活塞16的轴的直径之间的合适比例可以从大约1. 2到大约3. O,并且优选从大约1. 5到大约2. 5。因此，由O型环18提供的密封被破坏。此后， 液体和固体燃料混合形成含水燃料混合物，如上所述。此外，稳定剂例如氢氧化钠(NaOH)与水放热反应，这导致PH增加进入碱性范围并且可以将pH提高到大约13或更高。这种稳定剂最小化在固体燃料和液体燃料之间在没有催化剂存在的情况下形成气体的化学反应。
如图1、2和7中显示的浮标26连接到中空的管子46以容许参考压力，例如大气压力，与伸缩箱56连通。伸缩箱56优选是可膨胀的部件并且更优选是弹性部件，其在室24 内部的压力小于参考压力时处于膨胀状态。在这个膨胀状态中，催化剂60暴露于含水燃料混合物中以反应形成被氢消耗装置例如燃料电池消耗的气体，例如氢气。当室24中的压力大于参考压力时，即当阀14关闭时或当气体产生的速度超过气体消耗的速度时，伸缩箱56 至少部分并且优选地完全塌缩或收缩以隔离催化剂60与含水的燃料混合物以减慢或停止气体的产生。浮标26进一步包括帽60和杯体62，其具有合适的尺寸和外形以容纳伸缩箱 56和催化剂58。当伸缩箱56膨胀时，帽60与杯体62分离，并且当伸缩箱收缩时，帽60被拉向杯体62以隔离催化剂58。浮标26的操作和结构完整描述于W02010-051557 Al中。
为清楚起见，图7的浮标26在图8A中直立显示。该浮标26的优选特征是催化剂空间的容量被最小化以减小当浮标关闭时截留的燃料量。此外，发明者发现当浮标26处于一种取向，即浮标26和室24之间的相对角度时，催化剂空间64可以截留气体，由此限制了催化剂58可用的燃料量，但是在另一个取向中，催化剂空间64可以截留液体燃料，由此过多的燃料可用于催化剂48。因此，当催化剂空间64减小时，燃料流速的这种改变被最小化。 帽60可以具有唇部66和68，如图所示，其具有合适的尺寸和外形以便当浮标26关闭时 覆盖催化剂58以最小化催化剂空间64。(多个)通道70可以提供在杯体62中并且还提供在帽60中，以容许含水燃料混合物从内部以及外部进入浮标26，以便确保当浮标26打开时， 含水的燃料混合物尽可能快地暴露于催化剂58，如W02010-051557 Al中所讨论。
如上讨论，浮标26具有多个实施方案，其还讨论于以上在此全文引入作为参考的 W02010-051557 Al中。其它的实施方案描述于图8B-8I中。在一个实施方案中，唇部68伸出并且位于更接近催化剂56的位置，如图SB中所示。在另一个实施方案中，外唇部66伸出，如图8C中所示。在另一个实施方案中，帽60由两个组件构成，如图8D中所示，从而使两个组件可以搭扣安装在一起。
图8E-8G显示浮标26的其它实施方案，其中催化剂58由帽60装载。如图8E中所示，催化剂58的放置使得当浮标26打开时，含水燃料在催化剂的两端，即通过通道70和通过帽60和杯体62之间的空隙，被引入。图8F中显示的实施方案类似于图SE中显示的， 除了浮标26的帽60、杯体62和催化剂58具有圆锥形状以外。图8G中显示的实施方案也是类似的，除了催化剂58具有垫片或扁平形状以外。
图8H-8I示出了浮标，其在第一次使用之前可以被手动关闭以将通常包含金属的催化剂与液体燃料隔离，以在储存期间和/或在第一次使用之后保护催化剂免受可能的氧化，从而确保在浮标关闭时没有气体产生。在这个实施方案中，中空管子46相对于外壳和室24是可滑动或可移动的，并且具有位于室24外部的致动器47。为了隔离催化剂58，将致动器47向外拉离室24，如图8H中所示。在这种结构中，尽管在伸缩箱56内部和室24之间存在压差，但是浮标26将不会打开。为了启动浮标26，将致动器47推入室24，如图81 中所示，浮标26如上所述和如W02010-051557 Al中所述地起作用，即响应于所述压差自由膨胀和收缩伸缩箱56以打开和关闭浮标26。下面参考图9A-D、13、14A-B和15A-C描述其它的催化剂密封实施方案。本发明不限于浮标26的任何特别结构或者可以在气体发生器 10内部采用任何数量的浮标26。
如图9A-12B中示出的各种启动模块23可以与氢发生设备10 —起使用。在一个实施方案中，如图9A-9B中示出的,启动模块23与反应浮标26结合。如图所示,密封活塞 16兼任中空管子46，杯体62形成密封活塞16/盖子22的一部分并且具有O型环72以便在储存期间将固体燃料密封在启动模块23的室20内。在第一次使用之前，推动锁钮12，如上所述，其将浮标26推出室20，如图9B中所示以容许固体燃料与液体燃料混合。浮标26 的参考压力通过中空活塞16、46提供。
图9C-9D示出了另一个启动模块23，其类似于图9A-9B中显示的启动模块，除了流动通道74和76被提供在启动模块23的顶部和底部以外。在这个实施方案中，当锁钮12 被推动经过距离80时，室20的两端打开并且容许液体燃料在顶部和底部进入室20以加速燃料的混合。还有，如图所示，密封活塞具有带有密封件18或O型环72的顶部圆盘和底部圆盘以便在储存期间密封固体燃料。图9C-9D的实施方案类似于图8H-8I的实施方案，因为图9C-9D的实施方案也可以通过向外推动锁钮而手动关闭。
在图9C和9D中，固体燃料室20可以是平衡的，即顶部和底部两者可以具有相同尺寸的开口并且打开相同的距离。替代地，固体燃料室20可以是不平衡的，即两侧可以在各端上具有不同尺寸的开口和/或在各端上打开不同的行程距离。另外，在这个实施方案中，带有通道74和76的启动器机构23可以与浮标26分离而独立工作。在图9A-B和9C-D 中所示的实施方案中，在储存期间屏蔽催化剂58。
图10A-10C不出了可以与氢发生设备10—起使用的启动模块23的另一个实施方案。在图1OA中，启动模块23具有致动器或锁钮12和操作阻碍元件，例如拉片或插销13。 密封活塞16的轴被护圈82包围，其由弹簧84抵着密封活塞16的盖子22而被偏置。护圈 82和弹簧84由柔韧的套86保护以防止固体燃料干扰护圈82和弹簧84的操作。弹簧84 以压缩状态安装并且通过密封件18或O型环72与室20之间的摩擦力而部分地保持。当压下锁钮12时，活塞16的盖子22被推到室20以外，启动弹簧或弹簧释放其储能以推动密封活 塞16和盖子22，推出比锁钮12的推行距离更长的距离。这个实施方案的优点是锁钮12的较短行程可以引起密封活塞16的显著更长的行程以容许液体燃料更快速地进入室20。
图1OB的启动器机构类似于图1OA的，除了密封活塞16的轴被分成两段16a和 16b以外，从而当弹簧84启动时其推动盖子22和下部轴16b，而不必移动上部轴16a并且锁钮12可以保持与启动器23的外表面齐平而不会被拉入启动器23的内部。
图1OC示出了包括通过杆或绳部件88连接到盖子22的脆性致动器12的另一个启动模块23。一旦脆性部件或杆/绳88，即致动器12的另一个实施方案，断裂或分开，弹簧84就被启动或释放，由此将盖子22从室20推开，容许液体燃料进入室20。
图1lA-D示出了启动模块23的另一个实施方案，其中致动器12包括尖锐的边缘 90例如刺、针、或类似结构。例如，在图1lA中，使用者推动通过柔性套92连接到固体燃料室20的致动器12，这个动作使尖锐边缘90刺穿脆性部件，例如覆盖在固体燃料室20上面的毛玻璃94。刺穿脆性部件94使液体燃料流入与固体燃料混合形成含水燃料混合物。有利的是，筛网94覆盖在脆性部件上面以防止碎片进入室24。
图1lB示出了另一个启动模块23，其中尖锐边缘90连接到覆盖在固体燃料室20 上面的柔性隔膜或壁96。一旦使用者推动柔性隔膜96，尖锐边缘90就朝着分隔固体燃料与液体燃料的薄膜98移动并且刺穿它以容许两种燃料混合。
替代地，固体燃料室20包括固体燃料以及被加压的气体或一个或多个气袋100。 加压的气体产生正压力，这将阻止液体燃料流入室20。合适的气体包括，但不限于氮气、氢气或惰性气体。也可想到包括尖锐边缘90的启动模块23的其它变形。图1lC示出了包括连接到锁钮12的多个尖锐边缘90例如刺的启动模块23，其类似于图1lA-B中所示的实施方案。
图12A-12B示出了一种启动模块23，其中覆盖的箔102将室20中的固体燃料与液体燃料分隔开。不同于其它实施方案，箔102没有通过刺穿除去而是被剥离或展开。在图 12A中，箔102连接到包括尼龙线104或产生机械优势的其它合适滑轮的致动器12。致动器12可以被拉动以剥离箔102直到其遇到止动板106。关于使用这种机构或转位机构的进一步信息可以在公开的美国专利申请US2008-0206113 Al中找到，其在此全文引入作为参考。在图12B中，箔102缠绕在圆柱形的固体燃料室20周围。旋转致动器12例如拨轮以展开箔102。在图12A和12B两者中，一旦除去箔102，就容许液体和固体燃料混合。
另一个催化剂屏蔽件显示在图13中。锚定件106提供在浮标26的帽60上，其中柔性部件例如绳或索108附接在一端并且穿过浮标26和中空管子46并且在外端附接到室 24的外部。在储存期间或在第一次使用之前，索108拉动帽60并使其固定到杯体62以使催化剂58与液体燃料前体或混合的含水燃料隔离。伸缩箱56被压缩。例如通过带子或通过将索108的外端绕到钩或锚定件上，索108的外端固定到室24的外部。在第一次使用之前，索108的外端被释放(或切断)以容许帽60从杯体62移开。类似于图8H-8I中显示的实施方案，在第一次使用之后，为了确保没有气体产生，例如当燃料电池关闭时，索108的外端可以被拉动以再次将帽60固定到杯体62。
另一个催化剂屏蔽件在图14A-14B中示出。在这个实施方案中，催化剂屏蔽件包括位于催化剂周围并将其覆盖的屏蔽件110。屏蔽件110通 过一个或多个杆112附接到启动器机构23。在第一次使用之前，如图14A所示，杆112附接到密封活塞16的盖子22上以将屏蔽件110保持在屏蔽位置中。如图14B中所示，在除去拉片13之后，启动致动器/锁钮12以容许固体和液体燃料的混合，密封活塞16和盖子22的移动推动杆112和屏蔽件110 离开催化剂58以将催化剂暴露于燃料从而产生气体。可以提供可选的支柱114以给气体发生器10另外的结构整体性。
催化剂屏蔽件110的优点是其没有在储存期间将可膨胀的部件/伸缩箱56置于压缩中。伸缩箱56优选由弹性或橡胶材料制成，其一般为热固性材料。在压缩模式中长期储存可能设置材料的记忆从而使压缩结构可能干扰伸缩箱56在使用期间的膨胀和收缩。 在优选的实施方案中，在储存期间伸缩箱56被置于轻微的张力下。
如图14A-14B中所示，多于一个的反应器或浮标26可以用于本发明的气体发生器中，如W02010-051557中所公开的。
在图15A-C中示出了另一个催化剂屏蔽机构。在这个实施方案中，浮标26的杯体 62连接到启动器机构23。如图所示，杯体62包括接收孔116，其具有合适的尺寸和外形以接收支柱120的远端118。类似于上面描述的实施方案，例如图9A-D，通气管46与活塞16 的轴成整体。在这个实施方案中，套环122附接到浮标26的伸缩箱56并且还附接到通气管46/活塞16，从而当致动或压下致动器/锁钮12时，启动器机构23的帽22打开并且浮标26被从其储存结构中释放。当伸缩箱56直接连接到通气管46或者通过另外的连接部件而间接连接到通气管46时可以省略套环122。在这个实施方案中，锁钮12的肋124与相应的脊126互锁以在启动之后保持锁钮12防止锁钮12被拉回。可以可选地提供O型环 128和护圈130以支持通气管46并且密封活塞16和通气管46之间的潜在的流体通道。
在这个实施方案中，伸缩箱56也被储存在未压缩的状态中，如图15B-C中最佳显示的，类似于图14A-B中显示的实施方案。然而，在这个实施方案中，催化剂58通过锁钮12、通气管46、套环122、伸缩箱56和帽60之间的相互作用而被屏蔽，这些部件优选保持在轻微的张力中，以便在储存期间将帽60拉向杯体62以密封催化剂58。在这个实施方案中没有采用类似于催化剂密封件110的催化剂密封件。
在图15A-C中显示的实施方案和例如图9A-D中显示的类似实施方案的某些情况中，使帽22的“行程长度”和套环122/伸缩箱56/帽60的“行程长度”彼此不同是有利的。 换句话说，启动器机构23打开的距离X1不同于浮标26可以打开的距离X2。X1 Φ X2可能是有利的，因为X1与固体燃料和液体燃料的混合有关并且与混合燃料流入和流出打开的室20 的流动模式有关，而X2与不同的功能有关，即浮标26在气体产生期间的打开和关闭。这通过使柱120的远端118可滑动地接收在设置于杯体62上的接收孔116中而实现，如图15A 和15C中最佳显示的。远端118在其末端(未显示)被增大以将杯体62附接到柱120，并且柱120具有肩部132，其大于接收孔116的直径。这容许浮标26的杯体62在肩部132和远端118的增大的末端之间有限移动。这个有限移动代表行程长度X1和X2之间的差。
图16A-E中示出的启动器和浮标组合类似于图15A-C中显示的。如图16A中最佳显示的，致动器/锁钮12与拉片13协同操作并且具有O型环134和护圈136以防止液体通过锁钮离开启动器23，尤其类似于图1中显示的实施方案。通气管46和活塞16的轴成整体，如图所示 ，轴/管子16/46在近端连接到致动器12而在远端连接到盖子22和伸缩箱 56。护圈137，其在这个实施方案中优选是星形垫片，将轴/管子16/46保持到盖子22上。 类似于以上讨论的实施方案，提供O型环18以在储存期间将盖子22密封到室20。护圈138 将O型环18保持在其正确的位置中。在这个实施方案中，固体燃料室20具有在室20上方延伸的多个直立的支柱140，套环142连接或附接到支柱140的端部，如图16B-D中最佳显示的。在支柱140和套环142之间限定空间144以形成流动通道或开口，从而在致动之后容许液体燃料进入固体燃料室20以混合。
类似于图15A-C的实施方案，行程长度XdP X2优选彼此不同，如图16C和16E中最佳显示的。柱120附接到盖子22并且适合于滑动地接收在浮标26的杯体62上的接收孔116中，如图16D-E中最佳显示的。为了维持杯体62/浮标26和启动器机构23之间的滑动连接或附接，在杯体62 (或浮标26)上提供止动件146。通过干涉止动件146的移动， 套环142上的横架148与止动件146协同操作以维持该滑动连接。
在另一个实施方案中，催化剂58可以是伸缩箱56、帽60和/或杯体62的一部分， 例如催化剂材料可以被模制到这些部件的一个或多个中。另外，启动器机构23可以储存液体燃料，而室24储存固体燃料。此外，一种或两种燃料可以是固体、液体、凝胶体或悬浮体。 本发明不限于任何燃料组分的状态。
根据本发明的另一个方面，使容纳固体燃料的室，例如启动器机构23中的室20， 处于部分真空从而当启动器机构被启动并且固体燃料室被打开时，液体燃料被吸入固体燃料室以增强两种燃料的混合。这个特征对于在此描述的启动器机构的任何实施方案都是有用的。
本申请进一步全文引入标题为“Hydrogen Membrane Separator”的具有文档号 BIC-136和在相同日期申请的共有专利申请作为参考。
本领域的普通技术人员将会理解，本发明的气体发生器可以通过使用不同的燃料而用于产生除了氧以外的气体，本发明不限于任何特殊燃料。在此公开的各种实施方案及其组成部分可以彼此之间互换使用。通过考虑本说明书并且实践在此公开的本发明，本发明的其它实施方案对于本领域的技术人员将会是明显的。本说明书和实例仅仅被认为是示例性的，本发明的真实范围和宗旨通过下列权 利要求及其等价方案表示。
权利要求
1.一种气体发生设备，包括包含第一燃料的第一隔舱和包含第二燃料的第二隔舱，其中第一燃料和第二燃料混合形成燃料混合物，所述燃料混合物在存在催化剂的情况下反应产生气体；和其中第一隔舱包括盖子，所述盖子连接到位于所述气体发生设备的外部上的致动器， 其中所述致动器是可选择性致动的以混合第一燃料和第二燃料。
2.根据权利要求1所述的气体发生设备，其中所述盖子通过轴刚性连接到所述致动器。
3.根据权利要求2所述的气体发生设备，其中所述轴相对于所述气体发生设备的外壳是可移动的。
4.根据权利要求3所述的气体发生设备，其中所述轴是中空的并且与参考压力和与气体发生器中的反应器的可膨胀部件流体连通。
5.根据权利要求4所述的气体发生设备，其中所述反应器包含催化剂并且根据所述参考压力和所述气体发生设备的内部压力之间的压力差而打开或关闭。
6.根据权利要求5所述的气体发生设备，其中所述反应器包括通过所述可膨胀部件连接的杯体和帽。
7.根据权利要求4所述的气体发生设备，其中所述致动器可由使用者移动。
8.根据权利要求1所述的气体发生设备，其中所述盖子通过柔性的连接器连接到所述致动器。
9.根据权利要求8所述的气体发生设备，其中所述盖子通过索或绳连接到所述致动器。
10.根据权利要求8所述的气体发生设备，其中所述柔性的部件处于张力下。
11.根据权利要求10所述的气体发生设备，其中所述柔韧的部件被释放以致动。
12.根据权利要求11所述的气体发生设备，其中所述柔韧的部件被割断。
13.根据权利要求1所述的气体发生设备，进一步包括疏水的气体分离器。
14.根据权利要求13所述的气体发生设备，其中所述疏水的气体分离器处于压力下以分离气体。
15.根据权利要求1所述的气体发生设备，进一步包括反应器，其中中空的管子使所述反应器的可膨胀部件与参考压力源相连。
16.根据权利要求15所述的气体发生设备，其中所述反应器包含所述催化剂并且根据所述可膨胀部件中的压力和所述气体发生设备的内部压力之间的压力差而打开或关闭。
17.根据权利要求16所述的气体发生设备，其中所述中空的管子连接到被限定在所述气体发生设备的外表面上的至少一个表面通道。
18.根据权利要求1所述的气体发生设备，进一步包括覆盖所述催化剂的催化剂屏蔽件，其中所述催化剂屏蔽件从催化剂上可移除。
19.根据权利要求1所述的气体发生设备，其中所述催化剂屏蔽件连接到所述盖子上。
20.根据权利要求1所述的气体发生设备，其中所述盖子是脆性的。
21.根据权利要求1所述的气体发生设备，其中所述盖子是可剥离的。
22.根据权利要求1所述的气体发生设备，其中所述第一燃料隔舱在所述致动器致动之前至少部分真空。
23.一种气体发生设备，包括燃料，在存在催化剂的情况下反应产生气体；反应器，包含所述催化剂；和其中在第一次使用之前使所述催化剂与所述燃料隔离。
24.根据权利要求23所述的气体发生设备，进一步包括催化剂屏蔽件，该屏蔽件可移动以将所述催化剂暴露于所述燃料以产生气体。
25.根据权利要求23所述的气体发生设备，其中所述燃料是固体燃料和液体燃料的混合物。
全文摘要
本发明涉及包括燃料混合物和催化剂的气体发生器。催化剂包含在自调节的反应器或浮标中，并且根据对气体的需要而选择性地打开和关闭以产生气体。燃料混合物一般是通过将固体燃料组分溶解在液体燃料组分中而形成的溶液。混合优选发生在第一次使用之前，并且更优选发生在即将第一次使用之前。本发明的气体发生器优选进一步包括在第一次使用之前将固体燃料与液体燃料隔离或反之的启动机构。在一个实施方案中，启动机构进一步包括在第一次使用之前将反应器或浮标中的催化剂与液体和/或固体燃料隔离的催化剂屏蔽机构。
文档编号H01M8/06GK103069631SQ201180039193
公开日2013年4月24日 申请日期2011年6月21日 优先权日2010年7月2日
发明者艾伦·娄森茲威格, 安德鲁·J·库瑞罗, 康士坦士·R·斯蒂芬, 迈克尔·居里娄, 保罗·史葩尔 申请人:法商Bic公司