[发明专利]用于产生氢气的装置、包含该装置的设备及它们的用途

说明书

发明领域

本发明涉及用于生产氢气的装置的领域和利用此类装置的设备的领域。

技术发展水平

使用金属硼氢化物特别是硼氢化钠(NaBH₄，四氢硼酸钠)通过水性水解生产氢气气体是一种已广泛研究的众所周知的方法。近期的科学文章详尽地描述了从硼氢化钠水溶液催化产生氢气的技术发展水平、所采用的催化剂的技术发展水平以及所生产的氢气气体的用途的技术发展水平(U.B.Demirci等人Fuel Cells 2010，10(第3期)，335)。除了氢气气体以外，水解反应(1)得到偏硼酸钠(NaBO₂)，其是具有许多工业应用的可再循环的产物。

NaBH_4(水溶液)+2H₂O→NaBO_2(水溶液)+4H₂↑+热(300kJ)  (1)

反应(1)是一个自发的且放热的过程，该过程对于实际利用来说，必须借助适宜的催化剂加速，所述适宜的催化剂一般基于精细分散的过渡金属。反应(1)的催化剂包括贵金属盐(Pt、Rh、Ir、Ru)、非贵金属盐(Mn、Fe、Co、Ni、Cu)、Co或Ni的金属硼化物、呈纳米结构或微观结构粉末的或在金属氧化物或多孔碳上负载的0氧化态金属。近期文献的研讨(U.B.Demirci等人Fuel Cells 2010，10(第3期)，335)显示硼化钴(CoB)、钴-硼化钴(Co-CoB)以及镍-硼化钴(Ni-CoB)如何组合了优异的催化活性，高达11L H₂min^-1g^-1(H.B.Dai等人J.Power Sources 2007，177，17；Wu等人Mat.Letters 2005，59，1748)，具有低成本和通过磁吸引从反应混合物中分离的可能性。

如反应(1)所示，一摩尔NaBH₄的水解理论上得到四摩尔的氢气并消耗两摩尔的水，这两摩尔的水负责生产两摩尔的氢气。因此说反应(1)的氢气由NaBH₄-H₂O系统产生是正确的。在实际情况下，由于形成偏硼酸钠的水合盐(其溶解度(在25℃在100g H₂O中28g)低于NaBH₄的溶解度(在100g H₂O中55g))，对于每摩尔NaBH₄，反应(1)消耗多于两摩尔的水。因此，为避免溶液中沉淀的NaBO₂可能使反应(1)的催化剂失活，结果减少氢气生产，使用100g水中低于16g的初始NaBH4浓度是合适的。对于NaBH₄-H₂O系统以受控方式产生氢气的实际应用来说，由于反应(1)的热力学自发性，还必须考虑NaBH₄溶液随时间的稳定性。为此目的通常采用碱金属氢氧化物，一般是氢氧化钠或氢氧化钾(NaOH或KOH)。确实，NaBH₄溶液在碱性环境中更稳定，且半衰期取决于pH值和温度(等式2)(V.G.Minkina等人Russ.J.Appl.Chem.2008，81，380)。

log(t_1/2)＝pH-(0.034T-1.92)其中T＝K(2)

近期研究(B.H.Liu等人Thermochim.Acta 2008，471，103)已表明在大约750mL水中溶解150g的NaBH₄(3.9摩尔)和100g的NaOH(约2.5摩尔)达到NaBH₄-H₂O-NaOH系统的最佳稳定。鉴于以上所述内容，NaBH₄的水溶液的重量储氢容量(Gravimetric Hydrogen Storage Capacity，GHSC)不能远高于3wt％，该值(3wt％)大大差于由美国能源部(DOE)为NaBH₄用作汽车应用的车载氢气产生的材料所推荐的值。然而，这个GHSC值对于供应基于高达几百瓦的燃料电池堆的电力发生器是可接受的。最近，已宣告用通过NaBH₄水溶液的水解产生的氢气作燃料且能够供应高达50W电力的便携式电力发生器的商业化(Horizon的Hydropak，www.horizonfuelcell.com)。