[發明專利]利用硅化鈉和鈉硅膠材料的氫生成系統和方法

無效

• 申請號: 201380017745.2
• 申請日: 2013-02-07
• 公開（公告）號: CN104394975A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: A·P·華萊士;J·M·梅拉克;M·萊費弗德
• 申請（專利權）人: 智能能源有限公司
• 主分類號: B01J7/02
• 分類號: B01J7/02
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民;張全信

技術領域

本技術一般地涉及使用反應物燃料材料和水溶液生成氫的系統和方法，以及更具體地涉及當與水、水溶液反應、熱或pH改變時使用硅化鈉、鈉硅膠或多成分混合物生成氫的系統和方法。

背景

燃料電池是將外源燃料轉變為電流的電化學能量轉換裝置。許多普通燃料電池使用氫作為燃料以及氧(典型地來自空氣)作為氧化劑。此類燃料電池的副產物是水，使燃料電池成為非常低環境影響的發電裝置。

對于發電，燃料電池與許多其它技術競爭，比如汽油渦輪、內燃機和蓄電池。燃料電池提供直流(DC)電壓，該直流電壓可用于許多應用，包括：固定式發電、照明、備用電源、消費類電子產品、個人移動設備——比如電動自行車——和園林綠化設備，以及其它。有很多有效的燃料電池，每一種使用不同的化學反應以發電。通常根據它們的工作溫度和它們利用的電解質體系的類型，將燃料電池分類。一種普通的燃料電池是聚合物交換膜燃料電池(PEMFC)，其利用氫作為燃料，氧(通常空氣)作為其氧化劑。它具有高功率密度和通常低于80℃的低工作溫度。這些燃料電池是可靠的，其具有適度的包裝和系統實施要求。

氫儲存和生成的挑戰已經限制了PEM燃料電池的廣泛應用。雖然分子氫具有質量基礎上的高能量密度，但是作為環境條件下的氣體，其具有按體積計非常低的能量密度。將氫提供至便攜式裝置所采用的技術是廣泛的，包括高壓和低溫，但是它們經常關注按需可靠地釋放氫氣的化學化合物。目前，用于在材料中儲存氫的廣泛接受的機制有三種：吸收、吸附和化學反應。

在用以給燃料電池加燃料的吸收性氫儲存中，在高壓下，氫氣被直接吸收至特定晶體材料比如金屬氫化物的體相。最經常地，金屬氫化物，比如MgH₂、NaAlH₄和LaNi₅H₆被用于可逆地儲存氫氣。然而，金屬氫化物系統是低比能(即，氫儲存與金屬氫化物的質量比低)和低輸入/輸出流動特性。氫流動特性由金屬氫化物的吸熱特性(除去氫時內部溫度下降并且再填充氫時內部溫度上升)驅動。由于這些性能，金屬氫化物趨向于是重的并且需要復雜的系統以快速裝載和/或卸載它們。例如，參見美國專利7,271,567，設計了一個系統用以儲存并且然后從包括金屬氫化物或一些其它氫型化學燃料的盒可控制地釋放加壓的氫氣。通過測量金屬氫化物自身的溫度和/或壓力和/或通過測量燃料電池的電流輸出來估算氫消耗量，此系統也監測能夠輸送至燃料電池的剩余氫的水平。

在用以給燃料電池加燃料的吸附氫儲存中，分子氫通過物理吸附或化學吸附與化學燃料相關聯。化學氫化物，比如氫化鋰(LiH)、氫化鋁鋰(LiAlH₄)、硼氫化鋰(LiBH₄)、氫化鈉(NaH)、硼氫化鈉(NaBH₄)等被用于不可逆地儲存氫氣。化學氫化物與水反應產生大量的氫氣，如下所示：

NaBH₄+2H₂O→NaBO₂+4H₂

為了可靠地控制化學氫化物與水的反應以從燃料儲存設備釋放氫氣，必須采用催化劑同時嚴格控制水的pH。而且，化學氫化物常包含在惰性穩定液體的漿料中以防止氫化物提前釋放其氫氣。顯示在美國專利7,648,786、7,393,369、7,083,657、7,052,671、6,939,529、6,746,496和6,821,499中的化學氫化物系統利用至少一種但常常多種上述提及的特征。

在用來為燃料電池生成氫的化學反應方法中，經常地氫的儲存和氫的釋放通過化學燃料的溫度或壓力的適度改變被催化。由溫度催化的此化學系統的一個實例是通過下列反應從氨硼烷的生成氫：

NH₃BH₃→NH₂BH₂+H₂→NHBH+H₂

第一步反應釋放6.1wt.％的氫并且在大約120℃下發生，同時第二個反應釋放另一個6.5wt.％的氫并且在大約160℃下發生。這些化學反應方法沒有使用水作為引發劑產生氫氣，不需要嚴格控制體系的pH，而且往往不需要單獨的催化劑材料。然而，這些化學反應方法常常由于熱逃逸的普遍發生受到系統控制問題的困擾。例如，參見美國專利7,682,411，設計了一個系統從氨硼烷熱啟動氫生成并且免受熱逃逸。例如，參見美國專利7,316,788和7,578,992，其化學反應方法采用催化劑和溶劑以改變熱氫釋放條件。