CN102046519B - 铝-碱金属氢氧化物可再生氢发生器 - Google Patents

铝-碱金属氢氧化物可再生氢发生器 Download PDF

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Abstract

铝-碱金属氢氧化物可再生氢发生器，该氢发生器能够根据消耗装置的需要产生氢。所述氢发生器包括铝源、氢氧化物源、水源和反应室，其中使用添加至反应室内的铝、氢氧化钠和水中的至少之一的量限制化学反应，以控制产生的氢量。

Description

铝-碱金属氢氧化物可再生氢发生器
相关申请的交叉引用
该美国非临时申请要求于2008年4月2日提交的，名称为“铝-碱金属氢氧化物可再生氢发生器”的美国临时申请序列号第US 61/072,748号的权益，其全文通过引用结合于此。
技术领域
本发明一般涉及氢发生器。更具体地，本发明涉及控制铝、碱金属氢氧化物和水之间的充分反应物限制化学反应，以在消耗装置需要氢气时和需要氢气的情况下生产氢气的氢发生器。
背景技术
由于能源危机和二氧化碳引发的全球变暖的组合影响，创造一种依赖于元素氢作为便携燃料的常规运输方式已经成为国家责任。作为由A点向B点传输能量的输送机构，尽管氢是有效和期望的，但是其在存储和输送时有很多的不利方面。至今，压缩氢和液态氢是作为实用方案提出的两种方法。压缩氢(5,000-10,000磅/平方英寸--PSI)被消费公众认为存在危险，并且通过贵重的压缩氢充填站分配，从而是极其昂贵的。液态氢同样如此，其必须在低于-400华氏度下保持，从而为建造与目前的加油站等效的基础设施，需要花费成百上千亿美元。
从而，对于提供作为便携燃料的氢的方法和改进体系存在需求。
发明内容
简言之，本发明为一种基于铝、氢氧化物和水三种反应物的化学反应的铝-碱金属氢氧化物可再生氢发生器，其中该氢发生器集成在消耗装置上。所述氢发生器包括铝源，氢氧化物源，水源，和用于在充分反应物限制型化学反应中结合铝、氢氧化物和水以产生氢的反应室，其中添加至反应室内的铝、氢氧化物和水中的至少一种的量限制化学反应，从而如果产生氢，则决定了由氢发生器生成或发出的氢的量。由所述氢发生器产生的氢可用于内燃机、涡轮机、燃料电池、作为柴油机燃料的补充和用于其它目的，和由化学反应产生的热可用于加热水、空气、流体等，并可与用于热泵以冷却水、空气、流体等。通常，所述充分反应物限制型化学反应可根据氢的用途控制(或限制)，以使得在消耗装置需要氢时和需要氢的情况下产生氢(即按需产生氢)。
充分反应物限制型化学反应的反应式为2Al+2XOH+2H2O→XAlO2+3H2+发热量，其中X为包括锂、钠、钾、铷、铯或钫中的至少一种的至少一种碱金属，并且发热量与所述至少一种碱金属相对应。对于钠，所述充分反应物限制型化学反应的反应式为2Al+2NaOH+2H2O→NaAlO2+3H2+831.2kJ热。
氢发生器使得氢能够以惰性凝胶或糊形式紧密存储，即44,000PSI体积或排水量当量。由于其完全安全和惰性，所述氢发生器根据在大气压下的需要按需安全地输送氢，并且其燃料加注机构可在任何地点真正廉价地存储。
借助于该布置，分配示例可包括仅为压缩或液态储氢一小部分成本的新型廉价零售输送站和家庭输送。对于该由铝、氢氧化物和水制成的惰性燃料加注机构以及相应的氢发生器，即使有安全或环境方面的限制，也是程度较低的。
氢发生器的反应室包括用于接收铝、氢氧化物或水中的至少一种的至少一个入口。可在所述反应室由该至少一个入口接收到铝、氢氧化物或水中的至少一种之前将铝、氢氧化物或水中的至少一种供给至反应室中。可选地，可同时添加铝、氢氧化物和水。在将所述混合物添加至反应室之前，可将铝、氢氧化物和水中任意两种混合。
氢氧化物源和水源可以是氢氧化物和水的溶液，例如74克氢氧化钠和100ml水的溶液。氢发生器可包括用于控制溶液流速的流控制机构。
铝源和氢氧化物源可以是包含铝和氢氧化物的混合物。所述混合物还可包括以期望的化学计量比保持铝和氢氧化物的粘结剂。粘结剂可包括抗结块剂、流动活性剂、滑石粉、硅藻土、硅酸钙、二氧化硅、氧化钙、硅酮基粘结剂、粉末硅酸钠、铋、铋合金、石蜡、热塑性树脂、热敏粘合剂、石油馏出物、松香、铅基粘结剂、铟基粘结剂或蜡中的一种。所述粘结剂可充分地防止水与铝和氢氧化物反应。
可使用粘结剂释放机制从混合物中释放粘结剂，其中所述粘结剂释放机制包括热、水或溶剂中的至少一种。粘结剂释放机制可同时需要热和溶剂，并且粘结剂释放机制可需要使其高于水的沸点的温度的热量。所述溶剂可以是基本上水溶性的。所述溶剂可以为醇、石油馏出物、丙酮、氯化烃、清洁剂、酮、酯、有机溶剂、酸、萜烯、环烃、稠环烃或醛中的一种。
所述铝可以为糊、凝胶、球、粉末、金属丝或棒中的至少之一的形式。
所述氢发生器可包括控制充分反应物限制型化学反应中铝、氢氧化物和水量的控制机构。
所述氢发生器可包括热源，其中所述热源可用于加速反应的初始速率。
所述氢发生器可包括用于吸收由充分反应物限制型化学反应产生的热的热交换机构。该热交换机构可以是包含热交换流体和金属结构的至少一种容器。所述容器可以是开放或密闭容器，以及热交换流体可以是水、硅、乙二醇、乙二醇溶液或油。该氢发生器可包括从所述热交换机构中吸收热量并产生电流的热电发生器。该氢发生器还可包括从热电发生器中吸收电流的水解槽。
该氢发生器可包括用于接收源自充分反应物限制型化学反应的废液的废液储液器。可将铝添加至废液储液器的废液中以产生氢。
该氢发生器可包括从废液中沉淀氢氧化铝的沉淀剂。氢发生器还可包括加热所述沉淀的氢氧化铝以产生氧化铝和水的氧化铝发生器，和采用Hall-Heroult法由氧化铝产生铝的铝发生器。
所述氧化铝发生器可吸收由作为放热化学反应的充分反应物限制型化学反应产生的热量。水源可包括氧化铝发生器。可向铝发生器提供充分反应物限制型化学反应产生的电流，和提供由充分反应物限制型化学反应产生的热量。
该氢发生器可包括至少一个泵。所述至少一个泵可包括流动泵或压力泵中的至少之一。
氢发生器可用于向燃料电池、内燃机、涡轮机、柴油机、汽车、卡车、应急车辆、建筑设备、内置船用马达、外置船用马达、船舶、游艇、机车、摩托车、自行车、半拖车、潜艇、农用设备、铲车、直升飞机、火箭、垃圾车、公共汽车、轮椅、工业引擎、备用电源、运输业替代动力单元、应急发生器或军用设备中的至少一种提供氢燃料。
由充分反应物限制型化学反应产生的热可用于加热建筑内部、水体、车辆舱室、帐篷内部、临时结构内部或引擎中的至少一种，还可供给用于冷却建筑内部、水体、车辆舱室、帐篷内部、临时结构内部或引擎中的至少一种的热泵。
氢发生器可与接收氢并产生蒸汽的内燃机和接收蒸汽并产生再生水的冷凝器组合。还可使用滤水器过滤所述再生的水。
本发明还涉及一种用于产生氢的方法，包括向与消耗装置集成的反应室中提供铝、氢氧化物和水，并控制提供至反应室中的铝、氢氧化物和水量中的至少一种以控制铝、氢氧化物和水间充分反应物限制型化学反应的步骤，以控制氢在消耗装置消耗氢时和消耗氢的情况下产生。
附图说明
参考附图描述本发明。在附图中，同样的参数表示相同或功能相似的元件。另外，参数最左边的数字标示参数第一次出现的附图。
图1描述了具有化学反应器的氢发生器的第一实施方案，其中所述化学反应器由第一入口接收铝，由第二入口接收水，和由第三入口接收氢氧化钠，并输出氢、废液和热；
图2描述了具有化学反应器的氢发生器的第二实施方案，其中所述化学反应器由第一入口接收铝，由第二入口接收水，和由第三入口接收氢氧化钠，并输出氢、废液和热；
图3描述了具有化学反应器的氢发生器的第三实施方案，其中所述化学反应器由第一入口接收铝和水，由第二入口接收氢氧化钠，并输出氢、废液和热；
图4描述了具有化学反应器的氢发生器的第四实施方案，其中所述化学反应器由第一入口接收铝和氢氧化钠，和由第二入口接收水，并输出氢、废液和热；
图5描述了具有化学反应器的氢发生器的第五实施方案，其中所述化学反应器由第一入口接收铝和水，和由第二入口接收水，并输出氢、废液和热；
图6描述了具有配置为由废液和添加的铝生产额外的氢的废液储液器的氢发生器的第六实施方案，并还描述了可应用初始热源以加速化学反应器和废液储液器中化学反应的可选位置；
图7描述了图6的氢发生器，和可结合的用于生产可充分再生的氢燃料体系的本发明各种可选实施方案；
图8描述了将铝粉、氢氧化钠和烃粘结剂的反应物糊与水结合以生产氢的氢发生器的另一实施方案；
图9描述了将铝粉、氢氧化钠和水溶性粘结剂的反应物糊与水结合以生产氢的再一个实施方案；
图10描述了将铝粉、氢氧化钠和可溶于溶剂的粘结剂的反应物糊与溶剂和水结合以生产氢的又一个实施方案；
图11描述了用于表示不同类型的传感器和用于控制本发明氢发生器的不同类型充分反应物限制型化学反应的控制信号的示例性控制体系；
图12描述了可使用本发明的氢发生器的示例性消耗装置；和
图13描述了使用本发明氢发生器的示例性水回收体系。
具体实施方式
现在将参考附图更加详细地描述本发明，其中显示了本发明的优选实施方案。然而，不应将本发明解释为仅限于这里列举的实施方案；相反，提供其的目的在于使得公开内容全面和完整，并向本领域技术人员充分表达本发明的范围。相同的参数在本文中表示相同的元件。
本发明提供了与消耗装置集成的改进的氢发生器。所述氢发生器依赖于反应器内金属铝、碱金属氢氧化物和水之间的充分反应物限制型化学反应，其按需生产用于消耗装置的氢气。具体地说，所述氢发生器基于铝、氢氧化物和水这三种反应物的化学反应。该氢发生器包括铝源、氢氧化物源、水源和用于结合铝、氢氧化物和水以在充分反应物限制型化学反应中生产氢的反应室，其中添加至反应室中的铝、氢氧化物和水中的至少一种的量限制所述化学反应，从而如果存在的话，决定了由氢发生器发出的氢量。所述化学反应还产生热量和可进行处理以再生铝、碱金属氢氧化物和水的废液。充分反应物限制型化学反应可根据产生的氢在消耗装置中的使用来控制或限制，以按需产生氢。本发明的限制和控制充分反应物限制型化学反应，以在消耗装置需要氢的情况下和需要氢时产生氢的能力，提供了无需压缩或液态氢的昂贵基础设施的安全且有效的氢源。根据一个实施方案，可将碳作为再生体系的一部分应用于本发明的体系和方法中。
换言之，本发明提供一种改进的氢发生器，其依赖于金属铝、碱金属氢氧化物和水在反应器内的充分反应物限制型化学反应，按需产生氢气。具体地说，氢发生器基于铝、氢氧化物和水这三种反应物的化学反应。所述化学反应是通过控制添加至反应室中的至少一种反应物的量的充分反应物限制的。从而，用于控制化学反应的反应物决定了由氢发生器发出的氢量。氢发生器包括铝源、氢氧化物源、水源，和用于结合铝、氢氧化物和水以在充分反应物限制型化学反应中产生氢的反应室，其中添加至反应室中的铝、氢氧化物和水中的至少一种的量限制所述化学反应，从而如果存在的话，决定了由氢发生器发出的氢量。所述化学反应还产生热和可进行处理以再生铝、碱金属氢氧化物和水的废液。同样地，本发明提供了无需压缩或液态氢的昂贵基础设施的安全且有效的氢源。
基于本发明的化学反应为：
2Al+2XOH+2H2O→XAlO2+3H2+831.2kJ热(对于X＝Na)
其中X为碱金属。
基于示例性目的，这里使用碱金属钠或Na作为碱金属，但本领域技术人员应理解，可使用氢氧根(OH)离子的任意其它适宜的金属主体，或其任意混合物。适宜金属的主要例子为钠、钾和锂。由于极大地降低了便携发生器的重量，因而锂是特别突出的选择。其它可行的主体金属为铷、铯和钫。
根据本发明控制的该化学反应通过向处理的废品中施加碳和电流，是高度可逆的。本质上，本发明的该方面类似于充电电池，除了在此情况下存储的能量为氢气形式而非电流之外。
为再生所述电池，首先将氢氧化铝从沉淀的铝酸钠废液中沉淀。该工艺还再生了随后可实施干燥以用于进一步处理的氢氧化钠溶液。然后将沉淀的氢氧化铝加热，以通过脱水形成氧化铝，其中：
2Al(OH)3+热→Al2O3+3H2O
用于从氧化铝中再生金属铝的化学工艺为：
2Al2O3+3C+电流(12e-)→4Al+3CO2
该铝再生工艺称作Hall-Heroult法，其为目前用于商业生产铝的主要方法。Hall-Heroult法的一个步骤为采用称作Bayer法的化学工艺生产氧化铝，其中将钒土或铝矿石转化成铝酸钠，然后转化成氧化铝。在本发明的情况下，通过省略Bayer法而简化了Hall-Heroult法，这是因为本发明氢发生器的废品为铝酸钠，从而无需Bayer法，简化的Hall-Heroult法仅需要使用源自废液的氧化铝。
为向消耗装置如汽车或发电机或燃料电池提供氢，使反应物铝、氢氧化钠和水在与消耗装置集成的化学反应器内相互接触。当其完成时，可通过多种方法获取生成的氢气。优选地，将生成的溶液如下所述进一步处理。
图1描述了具有化学反应器的氢发生器100的第一实施方案，其中所述化学反应器由第一入口接收铝，由第二入口接收水，由第三入口接收氢氧化钠，并输出氢、废液和热。关于图1，氢发生器100包括反应器(或反应室或反应单元)102、通过第一入口106a向反应器提供铝的铝源104，水源108和将水从水源经第二入口106b泵送至反应器的第一泵110a，和经第三入口106c将氢氧化钠供给至反应器的氢氧化钠源112。氢发生器100由第一出口116a输出氢114，废液通过第二泵110b从第二出口116b泵送至废液储液器118中。不保留化学反应产生的热120，而使之发散至周围环境中。
氢发生器100的结构使得三种反应物铝、水和氢氧化钠的结合可通过几种不同的途径实现，以获得并控制充分反应物限制型化学反应。在一个途径中，将三种反应物以每次一种的方式投入反应器中，引发化学反应，其中三种反应物可以任意顺序(A)1.Al、2.H2O、3.NaOH，(B)1.Al、2.NaOH、3.H2O，(C)1.H2O、2.NaOH、3.Al，(D)1.H2O、2.Al、3.NaOH，(E)1.NaOH、2.Al、3.H2O，(F)1.NaOH、2.H2O、3.Al提供，其中添加最后一种反应物的速率决定了产生氢的速率。在另一途径中，首先将一种反应物投入反应器中，然后同时投入另外两种反应物(即，(A)1.Al、2.H2O+NaOH，(B)1.H2O、2.NaOH+Al，(C)1.NaOH、2.Al+H2O)，其中添加后两种反应物的速率决定了产生氢的速率。再一种途径，首先将两种反应物同时投入反应器中，然后投入第三种反应物，以引发化学反应(即，(A)1.H2O+NaOH、2.Al，(B)1.NaOH+Al、2.H2O，(C)1.Al+H2O、2.NaOH)，其中最后反应物的添加速率决定了产生氢的速率。另一途径，同时将三种反应物添加至反应器中，其中添加三种反应物的速率决定了产生氢的速率。取决于采取的途径，根据混合所述反应物的需要，在反应器102内可采用各种公知的机构。
关于各种途径，当需要氢时，可将水与干燥铝和干燥氢氧化钠结合。当结合时，三种反应物将会反应并产生氢气，然后可采用适宜的方式收集。Al和NaOH反应物可分别为可混合的粉末形式。可选地，其可分别或组合形成固体形式如球、棒、颗粒、珠粒、管、糊等。后一方法可提供流过反应单元的水。可将得到的液态溶液累积在废液储液器中。还可将得到的溶液例如通过图7所述的泵循环来再生。
图2描述了具有化学反应器的氢发生器200的第二实施方案，其中所述化学反应器由第一入口接收铝和由第二入口接收水和氢氧化钠的溶液，并输出氢、废液和热。氢氧化钠与水的溶液可以是例如74克氢氧化钠与100ml水的溶液，其代表了室温下将氢氧化钠溶解于水的最大比例。在高温下，可采用更高的氢氧化钠与水之比，但是如果溶液冷却至室温，当不期望地大量氢氧化钠结晶出现时，这样做是不切实际的。关于图2，氢发生器200包括反应器102，经第一入口106a向反应器提供铝的铝源104，提供通过第一泵114经第二入口106b泵送至反应器102中的混合成NaOH溶液113形式的水和氢氧化钠的水源108和氢氧化钠源112。氢发生器200由第一出口116a输出氢114，并由第二出口116b通过第二泵110b将废液泵送至废液储液器118。不保留化学反应产生的热120，而使之发散至周围环境中。
氢发生器200可以多种方式结合铝和NaOH溶液，以获得并控制根据本发明的充分反应物限制型化学反应。在第一途径中，可将铝添加至预先投入反应器内的NaOH溶液中，其中铝向反应器内的导入速率决定了产生氢的速率。在第二途径中，可将NaOH溶液添加至预先投入反应器内的铝中，其中通过储液器泵送的NaOH溶液速率决定了产生氢的速率。在第三途径中，同时向反应器中提供铝和氢氧化钠溶液，其中铝的导入速率和NaOH溶液的导入速率决定了产生氢的速率。图2中氢发生器200的一个方面在于可将水与干燥NaOH混合，以获得具有适宜反应物比例的溶液。
图3描述了具有化学反应器的氢发生器300的第三实施方案，其中所述化学反应器由第一入口接收铝和水，由第二入口接收氢氧化钠，并输出氢、废液和热。关于图3，氢发生器300包括反应器102，经第一入口106a向反应器提供铝的铝源104，水源108和将水从水源经开口302泵送至铝源104的第一泵110a，以及经第二入口106b提供至反应器102的干燥氢氧化钠的氢氧化钠源112。氢发生器300由第一出口116a输出氢114，和由第二出口116b通过第二泵110b将废液泵送至废液储液器118中。不保留化学反应产生的热120，而使之发散至周围环境中。
图3的氢发生器300可以各种方式结合铝、水和干燥NaOH，以获得并控制根据本发明的充分反应物限制型化学反应。在第一途径中，可将铝和水添加至预先投入反应器内的氢氧化钠中，其中铝和水导入反应器的速率决定了产生氢的速率。在第二途径中，可将干燥NaOH添加至预先投入反应器内的铝和水中，其中NaOH添加至反应器内的速率决定了产生氢的速率。在第三途径中，同时将铝和水以及干燥NaOH投入反应器内，其中铝和水的导入速率以及干燥NaOH的导入速率决定了产生氢的速率。图3中氢发生器300的一个方面在于可使用泵送入铝源中的水的力控制投入反应器内的水与结合铝的速率。
图4描述了具有化学反应器的氢发生器的第四实施方案，其中化学反应器由第一入口接收铝和氢氧化钠，由第二入口接收水，并输出氢、废液和热。关于图4，氢发生器400包括反应器102，经第一入口106a向反应器中添加铝的铝源104，经开口302添加至铝源104中的干燥氢氧化钠的氢氧化钠源112，水源108，和将水从水源经第二入口106b泵送至反应器102的第一泵110a。氢发生器400从第一出口116a输出氢114，并通过第二泵110b将废液从第二出口116b泵入废液储液器118内。不保留化学反应产生的热120，而使之发散入周围环境中。
图4描述了氢发生器400，其可以多种方式结合铝和干燥NaOH以及水，以获得并控制根据本发明的充分反应物限制型化学反应。在第一途径中，将铝与氢氧化钠混合并添加至预先投入反应器内的水中，其中铝和氢氧化钠混合物导入反应器的速率决定了产生氢的速率。在第二途径中，可将水添加至预先混合并投入反应器内的铝和氢氧化钠中，其中水投入反应器中的速率决定了产生氢的速率。在第三途径中，将铝和干燥NaOH以及水同时添加至反应器中，其中铝和干燥氢氧化钠的导入速率以及水的导入速率决定了产生氢的速率。图4中氢发生器400的一个方面在于可细致混合铝和干燥NaOH，以与图2的氢发生器200中NaOH水溶液类似的方式获得反应物的适宜比例。
图5描述了具有化学反应器的氢发生器的第五实施方案，其中所述化学反应器由第一入口接收铝和水，由第二入口接收氢氧化钠和水，并输出氢、废液和热。关于图5，氢发生器500包括反应器102、铝源104、第一水源108a和将水从第一水源108a经第一开口302泵送至铝源以使得将铝和水经第一入口106a添加至反应器102中的第一泵110a，干燥NaOH源112，和将水从第二水源108b经第二开口502泵送至反应器102中以使得将NaOH和水经第二入口106b添加至反应器102的第二泵110b。氢发生器400由第一出口116a输出氢114，并将废液通过第三泵110c由第二出口116b泵送至废液储液器118中。不保留由化学反应产生的热120，而使之发散入周围环境中。
图5的氢发生器500可以多种方式结合铝和水与NaOH和水，以获得并控制根据本发明的充分反应物限制型化学反应。在第一途径中，将铝和水的混合物添加至反应器中，然后将NaOH和水的混合物添加至反应器中，其中干燥NaOH和水导入反应器的速率决定了产生氢的速率。在第二途径中，在将水和干燥NaOH投入反应器后，将水和铝混合并投入反应器中，其中将铝与水的混合物投入反应器的速率决定了产生氢的速率。在第三途径中，将铝与水的混合物和干燥NaOH与水的混合物同时投入反应器中，其中铝与水混合物的导入速率和NaOH与水混合物的导入速率决定了产生氢的速率。图5中氢发生器500的一个方面在于可使用将水泵送至铝源中的力控制将结合的铝和水投入反应器的速率，和可使用将水泵送至干燥NaOH源的力控制将结合的干燥NaOH和水投入反应器中的速率。
图6描述了具有废液储液器的氢发生器600的第六实施方案，其中配置所述废液储液器以由废液和添加的铝生产额外的氢，以及还描述了可施加初始热源的热以加速化学反应器和/或废液储液器中化学反应的可选位置。关于图6，氢发生器600与图2的氢发生器200相同，除了表现除将铝球包含在废液储液器118内，其与废液化学反应，产生额外的氢114。图6还描述了能够通过初始热源602a-602e预热的五个位置。第一初始热源602a为混合干燥NaOH和水时产生的热。如果所述混合在将得到的溶液泵送至反应器之前或期间发生，则混合产生的热足以提供加速化学反应的初始热量。NaOH可通过第二初始热源602b在将其泵送至反应器102之前或期间加热。铝源中的铝可通过第三初始热源602c加热，和反应器自身可通过初始热源602d加热。最后，废液储液器还可通过初始热源602e加热。本领域技术人员还会知晓，各种管线、连接和泵等均可限定施加初始热源的热的位置。这类热源可包括热水加热器、太阳能收集器等。通常，可使用任意类型的热源作为本发明的初始热源。
图7-10显示了本发明的其它实施方案。由这些实施方案的氢发生器产生的热用于驱动热电发生器，以提供用于运转电气部件的电能。产生的电能可用于水解水，以产生氢气和氧气。为改进该工艺的效率，可将反应室的温度控制为热点发生器的最大效率点，例如通过调节由其发出电能的速率和/或通过热电发生器低温侧空气的速率来控制。可将水解产生的氢添加至由本发明的反应物限制型化学反应工艺产生的氢中。产生的氧可存储于压力容器中，以用于例如增强燃烧或作为燃料电池的输入原料。作为助燃剂，其可存储，直至例如在车辆应用中需要增加引擎动力，以超越另一辆车。这将消除对涡轮增压的需求，和将使得能够使用更小马力的引擎，从而在不牺牲性能的条件下改进燃料经济性。在另一实施方案中，可使用反应热加热或通过使用热泵冷却车辆舱室。在又一个实施方案中，可在未使用车辆时产生热量，以在寒冷气候中保持引擎和/或舱室温暖。在该后一应用中，还可燃烧产生的氢以增加发热量。
图7描述了与图6的氢发生器600类似的氢发生器700，其具有可进行结合以生产充分可再生氢燃料体系的本发明的多个可选实施方案。氢发生器700的一个变型为投入反应器102前，将NaOH溶液首先通过第一泵110a泵送至用于提供初始热源和从反应器102中除去热量的热交换器702中。第三泵110c将NaOH溶液从热交换器在第二入口106b处泵送入反应器102。NaOH溶液与铝反应，并将结合的溶液通过热交换器702循环，从而使得化学反应工艺更加有效。可使热120a从热交换器中释放，所述热交换器可以是包含热交换流体如水、硅或油的开放或密闭的容器，并可涉及金属如车辆散热器上的金属鳍。热交换器发出的热还可通过热电发生器704转化成电706。电706可用于多种目的，包括驱动可产生与由反应器产生的氢114和由废液储液器118产生的氢114结合的额外氢114的水解槽708。水解槽708还产生在内燃机中可与氢114一起使用的氧710。氧708还可用于钢、塑料和纺织品；火箭推进剂；氧疗；飞机、潜艇、航天和潜水的生命保障***的生产，以及用于众多其它目的中。
在氢发生器运转的高温下，氢会表现出“潮湿”(即用水蒸气饱和)，这在很多应用中是不期望的。图7还描述了由反应器和废液储液器发出的潮湿氢气通过干燥氢氧化钠源112以干燥氢114并使氢氧化钠部分水合的途径，所述氢氧化钠的部分水合是生产在发生器中与铝反应所需的氢氧化钠溶液113所必需的步骤。
在图7中，垂直虚线712用于表示工艺间的当前分隔，当前可升级(即可以小规模、中等规模、工业大规模实施)的工艺为虚线712左侧的那些，和当前不可升级但未来也可升级的大规模工业工艺为虚线712右侧的那些。
由氢发生器生产的废液714中，铝和NaOH的再生需要大规模工业工艺。但随着本发明氢发生器技术的演进，可能需要扩张必要的投资以使得能够实现应用更小引擎等生产氢的更小规模再生工艺，以非常有效的方式再生所述废液。同样，本发明预期的完善体系涉及采用所述公开的反应物限制型化学反应由水、铝和氢氧化钠产生氢，和从由生产氢反应形成的铝酸钠废液中回收金属铝和氢氧化钠。
再次涉及图7，将由反应器102生产的铝酸钠废液714投入沉淀器716中，所述沉淀器通过向溶液中添加种晶从溶液中沉淀氢氧化铝(AL(OH)3)718，这使得氢氧化铝718结晶并沉淀，脱离氢氧化钠溶液720。然后通过干燥器722干燥氢氧化钠溶液，并随后将干燥的氢氧化钠返回氢发生器中，如图7所示的干燥NaOH源122。然后将沉淀的氢氧化铝718在氧化铝发生器724中加热，通过脱除水728来生产氧化铝(Al2O3)726。在一个布置下，氧化铝发生器724用于生产氧化铝726的至少一部分热120b通过热交换器702提供。在另一布置下，将热交换器702的至少一部分热120b提供至铝发生器730中。
金属铝通过铝发生器730由氧化铝生产，其采用涉及将氧化铝溶解于熔融冰晶石(氟化铝钠)中的Hall-Heroult法。在此工艺中，使用电流电解溶液，并与碳源如碳电极732结合，以生产可提供至氢发生器700的铝源103中的熔融铝。由于此工艺中不损失冰晶石，从而其可重复使用。
通过反应物再生的氢生成的全部工艺是高度可逆的，电能是该工艺的主要输入，尽管在Hall-Heroult法的标准形式中存在部分碳电极损失。从而，本发明的经济性和实用性在于电力和反应物向消耗装置输送的成本。为最小化输入电能的成本，期望铝和氢氧化钠再生工艺位于电源附近。
对于上文描述的氢发生器的各实施方案，随着铝、水和/或干燥NaOH通过反应物限制型化学反应工艺消耗，铝源、水源和/或NaOH源可根据需要连续或以间歇法补充，在所述间歇法中，简单地对空容器进行重注。在连续法中，储料器采用重力或另一种力将金属铝供给至铝源中。类似地，可使用重力或另一种力将干燥NaOH供给至NaOH源中。水源可需要重注或为供水***。铝可以是任意形式，如棒、丝、粉末、颗粒，管、球等，氢氧化钠可以是球、片、颗粒等形式。
铝和氢氧化钠还可采用以期望的化学计量比保持铝和氢氧化物的粘结剂形成糊。粘结剂，如可再生烃，还可充分防止水与铝和氢氧化物反应。在此形式中，由于其基本上是防水的，从而可容易地处理和载运。粘结剂也可以是水溶性粘结剂或溶剂溶解性粘结剂。本领域技术人员将会理解，可用作粘结剂的不同化合物的量基本上没有限制。示例性的粘结剂包括抗结块剂、流动活性剂、滑石粉、硅藻土、硅酸钙、二氧化硅、氧化钙、硅酮基粘结剂、粉末硅酸钠、铋、铋合金、石蜡、热塑性塑料、热敏粘合剂、石油馏出物、松香、铅基粘结剂、铟基粘结剂或蜡。本领域技术人员将会理解，取决于使用的粘结剂，对采用的不同溶剂的量基本没有限制。可用于溶解溶剂溶解性粘结剂的示例性溶剂包括醇、石油馏出物、丙酮、氯化烃、清洁剂、酮、酯、有机溶剂、酸、萜烯、环烃、稠环烃或醛。
图8-10描述了采用不同类型糊的氢发生器的三个附加实施方案，所述糊具有可与铝和氢氧化钠一起使用的不同类型的粘结剂。图8描述了氢发生器800的另一个实施方案，所述氢发生器800结合了铝粉、氢氧化钠和烃基粘结剂的反应物糊和水以生产氢。关于图8，氢发生器具有四个基本部件，反应物糊进料储液器802、挤出机804、反应室102和废液储液器118。如描述的，由铝粉、NaOH和烃粘结剂构成的糊806放置于反应物糊进料储液器802中。使用活塞808将所述糊添加至挤出螺杆内，所述挤出螺杆将糊806经第一入口106a添加至反应室102中。由于需要热量以将粘结剂从糊中除去，从而将反应室通过预热器126所示的初始热源预热。将水由水源108添加至第二入口106b。所述热室熔融了烃粘结剂，然后其在上部漂浮，从而将反应物暴露于水，使得反应能够进行以生产排出第一出口116a的氢114。废液和烃粘结剂通过第二出口116b从反应室排出至废液储液器118。然后可从废液储液器118中再生烃粘结剂1006和废液714。图8还描述了热电发生器704，如图7所述，其可用于将热转化成电。额外的部件如水解槽706(示于图7)也可包含在氢发生器800中。
图9描述了氢发生器900的另一实施方案，其将铝粉、氢氧化钠和水溶性粘结剂的反应物糊与水结合生产氢。关于图9，氢发生器900非常类似于图8的氢发生器800，除了使用由铝粉、NaOH和水溶性粘结剂构成的糊902。由于粘结剂是水溶性的，从而预热期126是任选的，因为不需要热量来除去粘结剂。相反，由水源108提供的水溶解了水溶性粘结剂902，使得反应能够进行以生产氢。
图10描述了氢发生器1000的另一个实施方案，其将铝粉、氢氧化钠和溶解溶解性粘结剂的反应物糊与溶剂和水结合以生产氢。关于图10，氢发生器1000非常类似于图8的氢发生器800，除了使用由铝粉、NaOH和溶剂溶解性粘结剂构成糊1002。由于粘结剂可溶于溶剂，从而预热器126是任选的，因为不需要热量来除去粘结剂。相反，必须提供溶剂1004以除去粘结剂。如描述的，将溶剂1004经第二入口106b添加至反应室102中，同时经第三入口106c添加水源108提供的水。溶剂溶解了溶剂溶解性粘结剂1002，使得反应能够进行，以生产氢。本领域技术人员将会理解，可将溶剂1004与水混合，以使得能够通过单一入口将水-溶剂混合物添加至反应器102中。可选地，可将溶剂在添加至反应器之前添加至所述糊中。例如，可将溶剂添加至挤出机804中，以使得从糊中除去粘结剂，同时使之通过挤出螺杆。
图11描述了表示用于控制不同类型的本发明氢发生器的充分反应物限制型化学反应的不同类型控制信号和传感器的示例性控制体系。关于图11，控制体系1100包括计算元件如具有显示器1104的计算机1102。计算元件连接至用于传递控制信号和由氢发生器的各部件接收测量信号或传感器的通信链路上，所述部件包括泵、阀门和各种传感器。通信链路可以是有线或无线的或其组合。描述了三种泵，包括流速泵110a、机械泵110b和压力泵110c，其中流速泵110a发出形成期望流速的控制信号，机械泵110b接收控制信号以基于由流速测量装置接收的测量1106控制其运行，和压力泵110c接收控制信号以基于由压力测量装置1108接收的压力测量控制其运行。泵110a-110c和相应的流速测量装置1106和压力测量装置1108的使用相对于水源108、NaOH溶液113、废液储液器118和热交换器702来描述。还显示流速装置1106用于测量由反应器102和废液储液器118的氢114输出，以及测量由水解槽708的氢114和氧710输出。流控制阀1110显示出接收用于控制铝源104的铝和干燥NaOH源112的速率，以及排出挤出机804的糊806(也可以是902或1002)速率的信号。温度计1112显示出提供显示排出初始热源602的热的温度和排出热交换器702的热的温度的传感器信号。电压表1114显示出提供显示热电发生器产生的电量的测量信号。还显示了控制干燥NaOH与水的混合1116的信号。通常，本领域技术人员将会理解，可使用多种信号，基于相对于构成本发明的一个或多个氢发生器部件的输送参数的各类测量装置和传感器，控制将反应物添加至反应器102的速率。
图12显示了可使用本发明氢发生器的示例性消耗装置。图12中描述的消耗装置例子为汽车1202、应急车辆1204、卡车1206、公共汽车1208、建筑设备1210、半拖车1212、自行车1214、摩托车1216、旅游车辆1218、内置和外置船舶马达1220、飞机1222、火箭1224、机车1226、直升飞机1228、农用设备1230、船舶1232、游艇1234、军用设备1236、潜艇1238、轮椅1240、铲车1242、工业内燃机1250。后续由热发电的能力使得电力能够用于备份能源、货运业的替代能源单元、应急发电机、军事应用，其为其它目的。本发明产生的热还可用于相建筑物内部、车辆舱室提供热量，或在寒冷环境中加热引擎1250。可将其用于加热热水加热器1224或池子1246中的水，和可用于加热小型器具1248中的液体(如咖啡)。类似地，可使用本发明产生的热向用于冷却(即通过HVAC单元1252)建筑物内部、车辆舱室或引擎的热泵提供热量，和可用于冷却水(例如在饮水机中)或其它液体。氢发生器还可用于向燃料电池1254供给氢。
尽管根据本发明可将一个或多个氢发生器用于车辆，但在车用燃料体系的示例性实施方案中，采用两个或更多发生器。在固定应用如发电机的情况下，为进行重新加注，需要关闭发电机，除非将氢以压缩态存储。当在体系中使用超过一个发生器时，可将耗尽的发生器换掉，同时另一个发生器仍然是崭新且可运行的，并提供连续的氢供给。本领域技术人员将会理解，在车辆以外的应用中，替换(或重填反应物)一个发生器同时保持另一个发生器运转的能力是有益的。
使用本发明来传输电能的能力使得能够在偏远地区获取太阳能或风能的运输机构，无需电网即可将电能输送给用户。
本发明的氢发生器还可用作水再生体系的一部分。图13描述了使用本发明的氢发生器的示例性水再生体系。关于图13，将非饮用水1302供给至生产用作内燃机1306燃料的氢114的氢发生器1304中。内燃机1306输出蒸汽1308，所述蒸汽1308被输入冷凝器1310中，输出水1312。水1312如果通过滤水器1314过滤，则输出过滤的水1316。
尽管已经描述了本发明的具体实施方案，但是应理解，由于本领域技术人员可作出改进，特别是根据前述教导，从而本发明不限于此。

Claims (47)

1.一种与消耗装置集成的氢发生器，包括：
铝源；
氢氧化物源；
水源；
用于由所述铝、所述氢氧化物和所述水在充分反应物限制型化学反应中生产氢的反应室，所述氢在氢被所述消耗装置消耗时和被所述消耗装置消耗的情况下产生，所述充分反应物限制型化学反应产生所述氢、废液和热量，所述反应室包括：
用于接收所述铝、所述氢氧化物和所述水中的至少之一的至少一个入口；和
用于从所述充分反应物限制型化学反应输出所述废液的出口；
用于从所述充分反应物限制型化学反应接收所述废液的废液储液器；和
控制***，其用于控制提供给所述分反应物限制型化学反应的所述铝、所述氢氧化物和所述水中的至少之一的量并且用于控制所述废液从所述充分反应物限制型化学反应的输出，其中随着所述铝、所述氢氧化物和所述水通过所述反应物限制型化学反应消耗，所述铝源、所述氢氧化物源和所述水源会根据需要连续或以间歇法重注。
2.如权利要求1所述的氢发生器，其中，在所述反应室由所述至少一个入口接收所述铝、所述氢氧化物或所述水中的至少之一之前，将所述铝、所述氢氧化物或所述水中的至少之一添加至所述反应室中。
3.如权利要求1所述的氢发生器，其中，所述铝、所述氢氧化物和所述水中的任意两种在由所述至少一个入口接收前混合。
4.如权利要求3所述的氢发生器，其中，所述氢氧化物源和所述水源为包含所述氢氧化物和水的溶液。
5.如权利要求4所述的氢发生器，其中，所述溶液包含74克氢氧化钠和100ml水。
6.如权利要求4所述的氢发生器，进一步包括用于控制所述溶液的流速的流控制机构。
7.如权利要求3所述的氢发生器，其中，所述铝源和所述氢氧化物源为包含所述铝和氢氧化物的混合物。
8.如权利要求7所述的氢发生器，其中，所述混合物进一步包含以期望比例保持所述铝和氢氧化物的粘结剂。
9.如权利要求8所述的氢发生器，其中，所述粘结剂包含抗结块剂、流动活性剂、滑石粉、硅藻土、硅酸钙、二氧化硅、氧化钙、硅酮基粘结剂、粉末硅酸钠、铋、铋合金、石蜡、热塑性塑料、热敏粘合剂、石油馏出物、松香、铅基粘结剂、铟基粘结剂或蜡之一。
10.如权利要求8所述的氢发生器，其中，所述粘结剂充分防止水与所述铝和氢氧化物反应。
11.如权利要求8所述的氢发生器，进一步包含：用于从所述混合物中释放所述粘结剂的粘结剂释放机制。
12.如权利要求11所述的氢发生器，其中，所述粘结剂释放机制包括热、水或溶剂中的至少一种。
13.如权利要求12所述的氢发生器，其中，所述溶剂基本上是水溶性的。
14.如权利要求12所述的氢发生器，其中，所述粘结剂释放机制包括热和溶剂。
15.如权利要求14所述的氢发生器，其中，所述粘结剂释放机制需要所述热具有大于水的沸点的温度。
16.如权利要求12所述的氢发生器，其中所述溶剂包括醇、石油馏出物、氯化烃、清洁剂、酮、酯、酸、萜烯、环烃或醛之一。
17.如权利要求12所述的氢发生器，其中所述溶剂包括有机溶剂。
18.如权利要求12所述的氢发生器，其中所述溶剂包括丙酮或稠环烃。
19.如权利要求1所述的氢发生器，其中，所述铝为糊、凝胶、颗粒、粉末、丝或棒状中至少之一的形式。
20.如权利要求1所述的氢发生器，进一步包括热源。
21.如权利要求20所述的氢发生器，其中，所述热源用于加速反应的初始速率。
22.如权利要求1所述的氢发生器，进一步包括：
用于接收由所述充分反应物限制型化学反应产生的热的热交换机构。
23.如权利要求22所述的氢发生器，其中，所述热交换机构包括包含热交换流体和金属结构的至少一种容器。
24.如权利要求23所述的氢发生器，其中，所述容器为开放容器。
25.如权利要求23所述的氢发生器，其中，所述热交换流体包括水、硅、乙二醇、乙二醇溶液或油之一。
26.如权利要求22所述的氢发生器，进一步包括
从所述热交换机构接收热并发电的热电发生器。
27.如权利要求26所述的氢发生器，进一步包括：
从所述热电发生器接收电的水解槽。
28.如权利要求1所述的氢发生器，其中，将铝添加至所述废液储液器的废液中以生产氢。
29.如权利要求1所述的氢发生器，进一步包括：
由所述废液沉淀氢氧化铝的沉淀剂。
30.如权利要求29所述的氢发生器，其中，所述氢氧化物源包括所述沉淀剂。
31.如权利要求29所述的氢发生器，进一步包括：
加热所述氢氧化铝以产生氧化铝和水的氧化铝产生器。
32.如权利要求31所述的氢发生器，其中，所述氧化铝发生器接收由所述充分反应物限制型化学反应产生的热。
33.如权利要求31所述的氢发生器，其中，所述水源包括所述氧化铝发生器。
34.如权利要求31所述的氢发生器，进一步包括：
使用Hall-Heroult法由所述氧化铝生产铝的铝发生器。
35.如权利要求31所述的氢发生器，其中向所述铝发生器提供由所述充分反应物限制型化学反应产生的热产生的电。
36.如权利要求1所述的氢发生器，其中充分反应物限制型化学反应的反应式为2Al+2XOH+2H2O→XAlO2+3H2+发热量，其中X为包括锂、钠、钾、铷、铯或钫中的至少一种的至少一种碱金属，发热量与所述至少一种碱金属对应。
37.如权利要求36所述的氢发生器，其中，充分反应物限制型化学反应的反应式为2Al+2NaOH+2H2O→NaAlO2+3H2+831.2kJ热。
38.如权利要求1所述的氢发生器，进一步包括至少一个泵。
39.如权利要求38所述的氢发生器，其中，所述至少一个泵包括流动泵或压力泵中的至少之一。
40.如权利要求1所述的氢发生器，其中，所述消耗装置为燃料电池、内燃机、涡轮、柴油机、汽车、卡车、应急车辆、建筑设备、内置船用马达、外置船用马达、船舶、游艇、机车、摩托车、自行车、半拖车、潜艇、农用设备、叉车、直升飞机、火箭、垃圾车、公共汽车、轮椅、工业引擎、备用电力单元、运输业替代电力单元、应急发电机或军用设备中的至少一种。
41.如权利要求1所述的氢发生器，其中，由所述充分反应物限制型化学反应产生的热用于加热建筑物内部、水体、车辆舱室、帐篷内部、临时结构内部或引擎中的至少一种。
42.如权利要求1所述的氢发生器，其中，将所述充分反应物限制型化学反应产生的热供给至用于冷却建筑物内部、水体、车辆舱室、帐篷内部、临时结构内部或引擎中的至少一种的热泵。
43.如权利要求1所述的氢发生器，进一步包括：
接收所述氢并产生蒸汽的内燃机；和
接收所述蒸汽并产生再生水的冷凝器。
44.如权利要求43所述的氢发生器，进一步包括：
过滤所述再生水的滤水器。
45.如权利要求1所述的氢发生器，其中，根据所述氢的用途控制所述充分反应物限制型化学反应。
46.一种产生氢的方法，包括：
通过反应室的至少一个进口向与消耗装置集成的反应室中提供铝、氢氧化物和水,以产生充分反应物限制型化学反应，所述反应产生氢、废液和热量；
通过所述反应室的出口将所述废液输出到废液储液器；和
控制添加至所述反应室的所述铝、所述氢氧化物和所述水中的至少一种的量，并控制所述废液至所述废液储液器的输出，以控制在所述铝、所述氢氧化物和所述水之间的充分反应物限制型化学反应以控制所述氢的产生，以在氢被所述消耗装置消耗时和被所述消耗装置消耗的情况下产生氢。
47.如权利要求46所述的方法，其中，根据所述氢的用途控制所述充分反应物限制型化学反应。
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