專利名稱：一種產(chǎn)生氫氣的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生氫氣的裝置及方法，尤其涉及一種可以為燃料電池提供燃料氫氣的氫氣發(fā)生裝置及制氫方法。
背景技術(shù)：
一種安全、可靠、高效率的氫氣儲存方案，對于燃料電池的商業(yè)化是非常重要的。氫化物對移動電源的需求是一個非常有潛力的方法，目前有很多種方法被研究開發(fā)，通過用氫化物和純水反應(yīng)來產(chǎn)生氫氣，這其中NaBH4反應(yīng)可以用下面的化學(xué)反應(yīng)式來表示。
其它氫化物有LiH，LiAlH4，LiBH4，NaH，NaAlH4，MgH2，KH，KBH4，CaH2，NaBH4。
這些反應(yīng)是相當(dāng)劇烈的，我們需要精確控制才能產(chǎn)生所需要量的氫氣和防止爆炸。美國有一家公司采用NaBH4溶液，將NaBH4溶液與催化劑接觸，通過調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)整氫氣產(chǎn)生的速率，這種方法對高功率的燃料電池來說是非常實(shí)用的。然而對于小于20W的電池，由于反應(yīng)劇烈，較難控制，在實(shí)際應(yīng)用時存在一定的困難。
以前的一些技術(shù)采用氣體選擇性膜來分離水和氫化物，將水直接從水側(cè)滲透到氫化物一側(cè)。由于存在著水分壓，當(dāng)水和氫化物一接觸就產(chǎn)生氫氣，然而這種多孔的膜對于水和氫氣都有通透性，這樣反應(yīng)物就需要密封來防止氫氣的滲漏。而且反應(yīng)用的水，必須在生產(chǎn)過程中就包裝在氫氣發(fā)生器中，這樣就在運(yùn)輸途中減少能量效率。
有一個美國專利介紹了一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)由兩個部分組成，一部分是化學(xué)氫化物，另一部分是甲醇水溶液。甲醇水溶液可以通過隔離膜擴(kuò)散到氫化物側(cè)與氫化物發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。一個氫氣出口安裝在反應(yīng)容器上，但是，必須有很好的密封來應(yīng)付甲醇的毒性和高擴(kuò)散性。
另一個美國專利介紹了一種用水選擇性膜分隔水和氫化物的氫氣發(fā)生裝置。這種膜不允許H2、N2等氣體通過，這樣就使氫氣收集變的容易。不幸的是，這個系統(tǒng)在實(shí)踐運(yùn)用中有相當(dāng)大的缺陷，首先由于沒有催化劑或者酸性物質(zhì)在里面，水和NaBH4之間的化學(xué)反應(yīng)變得相當(dāng)緩慢，而不足以供給需要；其次這個反應(yīng)過程，當(dāng)水選擇性通透膜直接與液態(tài)水接觸時就會使反應(yīng)變的難以控制，因?yàn)榇罅康乃畷ㄟ^膜直接到氫化物側(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、能量效率高、操作安全、易于控制的產(chǎn)生氫氣的裝置及方法。本發(fā)明裝置與燃料電池連接后，因?yàn)槠漭p便易于攜帶的特性可在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種產(chǎn)生氫氣的裝置，其特征在于，該裝置包括a)可選擇性通過水氣的燃料容器，b)該燃料容器內(nèi)含有一種混合物，該混合物至少由一種氫化物和至少一種催化劑組成，c)在燃料容器上至少有一個氫氣輸出口，d)至少有一個氣體過濾器，e)該燃料容器至少有一個面由以下材料所組成至少一層可選擇性透過水的材料和至少一層可選擇性透過氣的材料，f)水源。
所述的氫化物選自NaBH4，LiAlH4，LiBH4，NaAlH4，MgH2，KBH4中的一種或幾種。
所述的催化劑選自Co、Ni、Pt、Ru或它們的化合物包括CoCL2中的一種或幾種。
所述的混合物是干燥固體粉末或顆粒，該混合物填充了燃料容器的20％～95％的體積。
所述的可選擇性透過水的材料顯著地只允許水氣通過，不允許包括H2、O2、N2、CO2的氣體通過。
所述的可選擇性透過水的材料為一種全氟磺酸(Nafion)膜或賽璐珞(Cellulose)膜。
所述的可選擇性透過氣的材料顯著地只允許氣通過，不允許液態(tài)水通過，包括多孔的聚四氟乙烯(PTFE)膜。
所述的水源為外界空氣中的水分。
所述的水源為至少一層含有水的多孔材料，包括含水海綿。
一種產(chǎn)生氫氣的方法，其特征在于，該方法包括a)制備至少一種氫化物和至少一種催化劑粉末或顆粒狀的混合物，b)利用可選擇性透過水氣的面把上述混合物和水源隔離，c)讓水氣從水源側(cè)通過可選擇性透過水氣的面滲透到氫化物這一側(cè)，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，d)從燃料容器中收集氫氣，e)其中可選擇性透過水氣的面由至少一層可選擇性透過水的材料和至少一層可選擇性透過氣的材料組成。
所述的方法還包括了通過控制水氣的滲透率來控制氫氣的產(chǎn)生速度，其中水氣的滲透率的控制是由調(diào)節(jié)可選擇性透過水的材料的厚度和可選擇性透過氣的材料的厚度和孔隙率實(shí)現(xiàn)的。
所述的方法中可選擇性透過水的材料顯著地只允許水氣通過，不允許包括H2、O2、N2、CO2的氣體通過。
所述的方法中可選擇性透過氣的材料顯著地只允許氣通過，不允許液態(tài)水通過，包括多孔的聚四氟乙烯(PTFE)膜。
所述的方法還進(jìn)一步包括了通過密封燃料容器使裝置停止產(chǎn)生氫氣。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、能量效率高、操作安全、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明另一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明再一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明的高能量密度的氫氣發(fā)生器，采用多種因素和技術(shù)方案，目的是提高能量效率，而這個目的的實(shí)現(xiàn)，是通過減少水的攜帶量；另一個目的是通過氫化物得到足量的氫氣和可控制的氫氣產(chǎn)生速率。
干燥粉末狀的氫化物象LiH，LiAlH4，LiBH4，NaH，NaAlH4，MgH2，KH，KBH4，CaH2，NaBH4都有很高的能量密度，NaBH4作為優(yōu)選的氫化物是由于它高能量密度的性質(zhì)和反應(yīng)后無有害物質(zhì)的生成，固體的NaBH4可以從環(huán)境中吸收水氣發(fā)生反應(yīng)，特別是在潮濕度較高的環(huán)境中。如果在沒有催化劑象CoCL2，Ni，Pt或者處在酸性環(huán)境中，這個反應(yīng)是相當(dāng)?shù)木徛灾猎诖蠖鄶?shù)場合下不足以供應(yīng)燃料電池。通過實(shí)驗(yàn)，我們可以看到在NaBH4與水的反應(yīng)中加入催化劑如CoCL2后，反應(yīng)速度明顯加快。我們之所以選擇CoCL2是由于它的低價(jià)格和高效的催化特性。
混合物首選干燥的粉末，是為了增大反應(yīng)的接觸面積。粉末的制作方法是首先將CoCL2溶解在異丙醇中，然后將NaBH4粉末放進(jìn)溶液中。NaBH4可以從Morton，Eagle-Picher或Bayer這些公司買到。這些物質(zhì)可以在攝氏溫度60℃的狀態(tài)下真空干燥。
這些NaBH4和CoCL2的混合物可以放入一個至少有一層水氣選擇性膜的燃料容器中，而這個膜在最大程度上允許水氣從水源側(cè)進(jìn)入到化學(xué)物質(zhì)側(cè)，氫氣即在容器中產(chǎn)生，并從連接在容器上裝有過濾器的出口上排出。NaBH4與水的反應(yīng)產(chǎn)物偏硼酸鈉會在NaBH4顆粒表面形成一層硬殼，同時，容器內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的體積會在反應(yīng)的時候增大，因此容器內(nèi)不能完全填滿反應(yīng)物，必須留出5％～80％的空間，還有利于使水氣充分接觸NaBH4和CoCL2的混合物以及氫氣的排放。
水氣選擇性通透膜至少由兩層組成，一層是水選擇性通透的材料和一層氣選擇性通透的材料，水選擇性通透材料我們首選杜邦公司的Nafion膜，Cellulose膜也可以使用，氣選擇性材料首選多孔PTFE膜。如圖1所示圖中1是氫氣的出氣孔，出氣孔可通過管子向外連接儲氣裝置或發(fā)電裝置。圖中4表示的由NaBH4與催化劑組成的混合物，5是容器為防止接收由NaBH4與催化劑組成的混合物吸收水氣發(fā)生膨脹而預(yù)留的空間，6是防止由NaBH4與催化劑組成的混合物在反應(yīng)過程中產(chǎn)生廢渣或塊狀物質(zhì)等流入或堵住出氣口等起過濾作用的過濾器，由NaBH4與催化劑組成的混合物吸收周圍環(huán)境中的水氣，通過圖中表示的水選擇性通透膜2和氣選擇性通透膜3，使水氣進(jìn)入裝有NaBH4與催化劑組成的物質(zhì)燃料容器中發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，從圖中1的出口流向燃料電池或儲氫容器之中。
我們在實(shí)驗(yàn)中觀察到，如果我們把Nafion膜直接和水接觸，水的擴(kuò)散量非常大，容器內(nèi)的NaBH4和水會形成溶液，這樣化學(xué)反應(yīng)就會變的相當(dāng)劇烈而無法控制，因此就要避免Nafion膜和液態(tài)水直接接觸來控制反應(yīng)，所以就需要在Nafion膜外放一層氣選擇性材料，多孔的PTFE膜是首選，而另一個好處是可以通過調(diào)整PTFE膜的厚度和孔徑來調(diào)整水氣的擴(kuò)散率。當(dāng)容器放置在一個濕度較大的環(huán)境中時，就有利于調(diào)整水氣的擴(kuò)散度來控制氫氣的產(chǎn)生速率，還有一個好處就是這個氣選擇性透過材料，可以過濾低純度的水，這在戶外純凈水不易尋求的情況下非常有用。
在水選擇性通透膜的內(nèi)側(cè)，我們可以再加一層氣選擇性透過膜，就象三明治一樣，以避免反應(yīng)生成物在水選擇透過膜表面形成一層硬殼。
水氣的水源可以是加在容器外的液態(tài)水或者是周圍大氣環(huán)境中的水，多孔的親水材料可以放在燃料容器的外面來固定液態(tài)水，通過與容器的緊密接觸來供給水分。這樣做的好處是首先反應(yīng)用水不需要事先存在氫氣發(fā)生器內(nèi)，這樣運(yùn)輸?shù)臅r候重量和體積會大大減少；其次是這個氫氣發(fā)生器所需要的水，遠(yuǎn)小于采用NaBH4溶液做反應(yīng)物的氫氣發(fā)生器所需要的水。以前一個經(jīng)典的使用NaBH4溶液的氫氣發(fā)生器，只能攜帶其反應(yīng)物重量的大約20％到30％的NaBH4，而我們的首選的目的是使NaBH4達(dá)到反應(yīng)物重量的50％以上。同時，周圍環(huán)境中的水也可以被利用，能量密度5倍于采用溶液形式的氫氣發(fā)生器。如果用周圍環(huán)境的水做為水源，一開始的時候燃料容器表面就可以直接和極小量的液態(tài)水接觸，使其迅速產(chǎn)生所需量的氫氣。
從產(chǎn)氫裝置中產(chǎn)生的氫氣供給燃料電池或者收集在儲氫容器中，經(jīng)過多層過濾裝置可以得到高純度的氫氣，而多孔的PTFE可以優(yōu)選。
燃料容器在儲存的時候需要密封使之不透氣，這樣就沒有水氣可以進(jìn)入到容器內(nèi)，一旦密封后沒有水氣進(jìn)入到容器內(nèi)，反應(yīng)就會停止。
實(shí)施例1如圖1所示，一種產(chǎn)生氫氣的裝置，在圖1中1是氫氣出氣孔，該出氣孔可通過管子向外連接儲氫裝置或燃料電池發(fā)電裝置；4表示的由NaBH4與催化劑組成的混合物；5是容器為防止接收由NaBH4與催化劑組成的混合物吸收水氣發(fā)生膨脹而預(yù)留的空間；6是防止由NaBH4與催化劑組成的混合物在反應(yīng)過程中產(chǎn)生廢渣或塊狀物質(zhì)等流入或堵住出氣孔等起過濾作用過濾器；由NaBH4與催化劑組成的混合物吸收周圍環(huán)境中的水氣，通過圖1中表示的水選擇性通透膜2和氣選擇性通透膜3，使水氣進(jìn)入裝有NaBH4與催化劑組成的物質(zhì)燃料容器中發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，從圖1中的出氣孔流向燃料電池或儲氫裝置中。圖1中的氫氣出氣孔1、水選擇性通透膜2和氣選擇性通透膜3構(gòu)成本裝置的燃料容器7。
實(shí)施例2如圖2所示，一種產(chǎn)生氫氣的裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)是采用塑料如(ABS、PVC)等材料作為外殼8，內(nèi)附吸水材料10如海綿等，通過進(jìn)水口11加水，含水吸水材料10保證水氣能通過水選擇性通透膜2和氣選擇性通透膜3進(jìn)入裝有NaBH4與催化劑組成混合物的容器之中。圖2中1是氫氣出氣孔，該出氣孔可通過管子向外連接；4表示的是由NaBH4與催化劑組成的混合物；5是容器為防止接收由NaBH4與催化劑組成的混合物吸收水氣發(fā)生膨脹而預(yù)留的空間；9是一種硅橡膠、軟橡膠或塑料加工而成的骨架，起支撐水選擇性通透膜2和氣選擇性通透膜3的作用，當(dāng)水選擇性通透膜2和氣選擇性通透膜3通過膠粘貼在吸水材料上，再由該骨架撐住，使水選擇性通透膜2和氣選擇性通透膜3能牢固的固定在吸水材料的內(nèi)側(cè)；圖中6由聚四氟乙烯膜組成，是防止由NaBH4與催化劑組成的混合物在反應(yīng)過程中廢渣和塊狀物質(zhì)等流入或堵住出氣口等起過濾作用的過濾器，可有效地由NaBH4與催化劑組成的混合物吸收外加的水氣；通過圖中表示的水選擇性通透膜2和氣選擇性通透膜3，使水氣進(jìn)入裝有NaBH4與催化劑組成的混合物在燃料容器中發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，從圖中出氣孔流向發(fā)電裝置或儲氫裝置中。
實(shí)施例3如圖3所示，一種組合式產(chǎn)生氫氣的裝置，本實(shí)施例把二組、四組、六組甚至更多的實(shí)施例1或?qū)嵤├?的氫氣發(fā)生裝置并聯(lián)起來，使氫氣最終通過一個總出氣口12流出，這樣增大供氣的流量，使這種氫氣發(fā)生裝置可供應(yīng)更大的用氣裝置和發(fā)電裝置。圖3中12是氫氣的總的出氣口，通過幾組接口把幾組氫氣發(fā)生裝置的氫氣出氣孔1連接起來，匯總于一根總管，使氫氣能集中起來流出，提高供氣能力和速度。
當(dāng)本發(fā)明通過說明書的描述被公開出來后，它將會被這個領(lǐng)域的專業(yè)人士所了解，相同原理而沒有被寫在說明書中的物件會被制造出來，另外，在不離開本發(fā)明原理的前提下會有許多修改方案來適應(yīng)條件和材料的變化；因此，目前本發(fā)明說明書說明的產(chǎn)品只是預(yù)期中的一種，而本發(fā)明包括了任何在此原理下各種形式的裝置以及直接用該裝置生產(chǎn)氫氣的方法。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生氫氣的裝置，其特征在于，該裝置包括a)可選擇性通過水氣的燃料容器，b)該燃料容器內(nèi)含有一種混合物，該混合物至少由一種氫化物和至少一種催化劑組成，c)在燃料容器上至少有一個氫氣輸出口，d)至少有一個氣體過濾器，e)該燃料容器至少有一個面由以下材料所組成至少一層可選擇性透過水的材料和至少一層可選擇性透過氣的材料，f)水源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生氫氣的裝置，其特征在于，所述的氫化物選自NaBH4，LiAlH4，LiBH4，NaAlH4，MgH2，KBH4中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生氫氣的裝置，其特征在于，所述的催化劑選自Co、Ni、Pt、Ru或它們的化合物包括CoCL2中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生氫氣的裝置，其特征在于，所述的混合物是干燥固體粉末或顆粒，該混合物填充了燃料容器的20％～95％的體積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生氫氣的裝置，其特征在于，所述的可選擇性透過水的材料顯著地只允許水氣通過，不允許包括H2、O2、N2、CO2的氣體通過。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種產(chǎn)生氫氣的裝置，其特征在于，所述的可選擇性透過水的材料為一種全氟磺酸膜或賽璐珞膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生氫氣的裝置，其特征在于，所述的可選擇性透過氣的材料顯著地只允許氣通過，不允許液態(tài)水通過，包括多孔的聚四氟乙烯(PTFE)膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生氫氣的裝置，其特征在于，所述的水源為外界空氣中的水分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生氫氣的裝置，其特征在于，所述的水源為至少一層含有水的多孔材料，包括含水海綿。
10.一種利用權(quán)利要求1所述的裝置產(chǎn)生氫氣的方法，其特征在于，該方法包括a)制備至少一種氫化物和至少一種催化劑粉末或顆粒狀的混合物，b)利用可選擇性透過水氣的面把上述混合物和水源隔離，c)讓水氣從水源側(cè)通過可選擇性透過水氣的面滲透到氫化物這一側(cè)，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，d)從燃料容器中收集氫氣，e)其中可選擇性透過水氣的面由至少一層可選擇性透過水的材料和至少一層可選擇性透過氣的材料組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種產(chǎn)生氫氣的方法，其特征在于，所述的方法還包括了通過控制水氣的滲透率來控制氫氣的產(chǎn)生速度，其中水氣的滲透率的控制是由調(diào)節(jié)可選擇性透過水的材料的厚度和可選擇性透過氣的材料的厚度和孔隙率實(shí)現(xiàn)的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種產(chǎn)生氫氣的方法，其特征在于，所述的方法中可選擇性透過水的材料顯著地只允許水氣通過，不允許包括H2、O2、N2、CO2的氣體通過。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種產(chǎn)生氫氣的方法，其特征在于，所述的方法中可選擇性透過氣的材料顯著地只允許氣通過，不允許液態(tài)水通過，包括多孔的聚四氟乙烯(PTFE)膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種產(chǎn)生氫氣的方法，其特征在于，所述的方法還進(jìn)一步包括了通過密封燃料容器使裝置停止產(chǎn)生氫氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生氫氣的裝置及方法，本發(fā)明氫氣的產(chǎn)生是基于水氣與干燥的氫化物和催化劑的混合物接觸反應(yīng)，這個干燥的混合物是存放在水氣選擇性通透的燃料容器內(nèi)，而且來自水源滲透進(jìn)容器的水氣是可以調(diào)節(jié)速率的，水氣選擇通透的燃料容器可以透過水氣，而不能透過液態(tài)水、H
文檔編號C01B3/06GK1958438SQ200510030909
公開日2007年5月9日 申請日期2005年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月31日
發(fā)明者顧志軍 申請人:上海清能燃料電池技術(shù)有限公司