铝碱金属氢氧化物可再生氢发生器.pdf

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系统的生产， 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 要重注或为供水系统。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。