氢气发生器、其实现及用途制造技术

描述了用于生产氢气的反应器，在该反应器中，金属硼氢化物的水溶液在现有技术的催化剂上被水解；还描述了用于实现该反应器以及实现生成氢气的装置的方法以及该反应器在基于燃料电池堆的发电机中的用途。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及由包含化合氢的化合物控制地生产氢气的领域，特别是涉及产生氢气的装置。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(I)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。NaBH4i水溶液)+2H20 — NaBO2i水溶液)+4Η2 + 热(300kJ)(l)反应(I)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(I)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O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IlL H2min^g^ (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(I)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(I)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°C在IOOg H2O中28g)低于NaBH4的溶解度(在IOOg H2O中55g))，对于每摩尔NaBH4,反应⑴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(I)的催化剂失活，结果减少氢气生产，使用IOOg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(I)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Κ0Η)。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(t1/2) = pH-(O. 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IOOg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 HydrogenStorage 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发电机是可接受的。最近，已宣告用通过NaBH4A溶液的水解产生的氢气作燃料且能够供应高达50W电力的便携式发电机的商业化(Horizon的Hydropak, www. horizonfuelcell, com)。很明显，供应燃料电池堆所需的氢气气体的产生必须发生在反应器中，在该反应器中NaBH4-H2O-NaOH系统借助适宜的催化剂进行反应。静态的或动态的几种类型的此类反应器是已知的。在一些静态装置中，催化剂以粉末、小球形式被引入容纳NaBH4溶液的容器中或催化剂负载于惰性多孔材料如蜂窝状块体(honeycomb monolyth)上(Y. Kojima等人J. Power Sources 2004, 33,1845 http://www. fractalcarbon. com)。该静态系统由于多种原因通常展现低效率，这些原因有催化剂与排出物(exhaust)分离困难、催化剂从载体 浸出、由偏硼酸钠的沉淀引起的催化剂失活以及最后的质量传输现象。基于NaBH4-NaOH溶液在容纳适当催化剂的管状反应器内部流动的动态系统似乎显示较高效率。在使催化剂与NaBH4溶液分离并且避免催化剂污染排出物的尝试中，已使用过滤器(US 6. 534. 033)。很明显，这种技术需要适宜的催化剂尺寸与潜在的活性损失。在一些科学论文(S. C. Amendola等人 Int. J. Hydrogen Energy 2000, 25,969 ；S. C. Amendola 等人 J. Power Sources 2000,85，186)和专利(US 2003/0037487、US 2005/0268555、US 6932847、WO 03/004145)中描述了迫使NaBH4溶液通过容纳负载于离子交换树脂上的基于Ru的催化剂的反应器的蠕动泵的使用。此类装置由于NaBH4-H2O-NaOH系统的高pH值以及由湍流弓I起的催化剂物理浸出而没有Ru树脂降解，所述湍流由氢气气泡以及由氢气气体的局部高压产生，所述氢气气体不仅在包括纳米粒子和微观粒子的催化层上形成，而且在该层本身内部形成。在以上报告的论文和专利中描述的反应器生产约200mL HiirT1g催化剂―1的最大氢气流并且是应用于具有50W的标称最大功率的Hydropak发电机(www. millenniumcell, com www.horizonfuelcell, com)的 Millennium Cell 和 Horizon Fuel Cell 技术的一部分。已认识到在氢气产生过程中增加催化剂的物理稳定性的另一方法是使用被定位在管外部的永磁体，在管的内部在NaBH4的碱性溶液流动过程中通过外部磁场的作用固定铁磁性催化剂，优选基于Fe-Pt-Rh的铁磁性催化剂(EP 1496014A1 ；A. Pozio等人Int.J. Hydrogen Energy 2008, 33, 51 ;Α· Pozio 等人 Int. J. Hydrogen Energy 2009,34,4555)。这种技术让ERRE DUE srl公司(http://www. erredueRas. it/)开发并商业化能够供给300mLmjn_1最大流速的氢气产生装置。在NaBH4水溶液水解后生产的氢气气体是极其纯的，不含碳氧化物且天然是湿的，所以适于其在已知具有缩写PEMFC(聚合物电解质膜燃料电池)的聚合物电解质类型的燃料电池中使用。一般一致认为PEMFC包含由聚合物阳离子交换膜构成的固体电解质。使用由燃料电池中的水性NaBH4水解所产生的氢气气体不存在任何限制，在该燃料电池中电解质是已知具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢气发生器，包括反应器，所述反应器用于催化水解置于气密容器内部的碱金属硼氢化物或碱土金属硼氢化物的碱性溶液，所述气密容器容许所述硼氢化物溶液在外部槽中再循环。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：朱利奥·桑西，弗朗西斯科·维扎，乔纳森·菲利皮，安德里亚·马尔基翁尼，克劳迪奥·比安基尼，
申请(专利权)人：武盖斯·布鲁斯托尔公司，
类型：发明
国别省市：