[發明專利]一種水制氫的方法及其水燃料電池

在審

• 申請號: 201310185474.3
• 申請日: 2013-05-09
• 公開（公告）號: CN104140078A
• 公開（公告）日: 2014-11-12
• 發明（設計）人: 李堅
• 申請（專利權）人: 李堅
• 主分類號: C01B3/04
• 分類號: C01B3/04;H01M8/04
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

一、技術領域

本發明涉及一種以水與Na_xS₂O_4～5(X＝2～4)或SO₂進行化學循環反應制備氫氣的方法及其一種制氫和發電的水燃料電池，與傳統水制氫的方法相比較，本發明的方法降低能耗90％以上，過程中不排放廢氣、廢水、廢渣，該水制氫的方法不涉及相應的氫氣儲運問題，也不存在建立相應的加氫站的問題，其與常規的氫內燃機或氫燃料鍋爐或氫氧燃料電池組合，非常適宜于氫動力車或氫能發電站的開發與應用。

二、背景技術

氫氣具有可儲存、可輸送、熱值高且燃燒后只產生水等優點，被認為是一種理想的能源載體，是未來替代化石能源的最重要的物質之一。研究和開發各種制備氫氣的技術路線及其方法，早已成為各國政府以及相關主導企業十分重視且大量投入的開發項目。目前，傳統又比較實用的制備氫氣的技術路線有水電解法、甲醇水蒸汽重整法、天然氣水蒸氣重整法、煤制氫氣法等，其中最有發展前途的應該屬于以水為原料制備氫氣的技術路線，因為這是一條水——氫氣——水的大循環路線，人類可以由此獲得取之不盡的綠色能源。但是，常規的水制氫方法需要消耗巨大的常規能源，使氫能身價太高，故制備氫氣的成本問題已經成為將氫氣作為一種能源大規模工業化、商業化開發的最致命的障礙，現實的問題是雖然已有許多成熟的將水制備成為氫氣的方法，然而將氫氣作為一種燃料燃燒的成本仍然遠高于煤、天然氣等燃料的成本，這個問題一天不解決，在市場經濟的時代，氫氣就一天不能作為一種普通燃料被普及使用，也就一天不能替代煤和天然氣等化石燃料，因此，早有人論述，即使在今后30年內，氫動力汽車也是很難普及應用，關于普及建立大型氫發電廠則更是難上加難。

水電解制氫必須消耗大量的電能；甲醇和天然氣重整或裂解制氫必須消耗大量的熱能；熱循環化學法的水制氫也必須消耗大量的熱能，鋁/水法制氫的技術路線雖然消耗熱能很低，但必須消耗等當量的鋁單質，而鋁的價格是普通煤的15倍，等等，致使迄今為止很難尋求一條水制氫的成本相對低廉的技術路線。其實，大氫氣田就在我們的腳下，而我們總以為在那遙遠的大漠中。例如，保險粉，學名為連二亞硫酸鈉，已有近百年的生產歷史，化工詞典上也早有經典的敘述：即以SO₂和NaOH為原料制備的保險粉(Na₂S₂O₄)與水劇烈反應并燃燒。我們也早已知，一個能與水劇烈反應的物質往往容易分解水為氫氣，且一般都不需要輸入能量而是自發的放熱反應。例如鈉和鋁與水反應，硼氫化鈉與水反應等等，正因為如此，人們早已開發出硼氫化鈉與水反應的制氫法(成本仍然很高)，以及熱化學碘硫循環制氫法(耗熱能很大)，熱化學循環水制氫等方法，卻沒有文獻報道本發明的“Na₂S₂O₄或SO₂與水循環反應制氫法”，由下述可知，該制氫法的制備成本與傳統方法相比較，至少降低了90％以上，而且不排放廢氣、廢水、廢渣，這是因為用SO₂與NaOH制備保險粉的技術已經相當成熟，加上本發明人又作了進一步的改進，使Na₂S₂O₄或SO₂與水循環反應的總收率超過98％，這就是所謂的大氫氣田就在腳下之說。

本發明人在近期仔細研究了無氧條件下Na₂S₂O₄(保險粉)與水反應的機理，并通過試驗證明了該反應機理為如下所述的化學方程式(式1)：

進一步的實驗證明了無氧條件下草酸或焦亞硫酸鈉與水反應機理為如下所述的化學方程式(式2)