一种氢气的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氢气的制备方法，该方法将金属或其合金或其混合物，浸渍在添加少量碘、溴或卤素间化合物的水、甲醇、乙醇或其任意混合物中，即可产生高纯的氢气。本发明专利技术的方法，具有制备方法简单，成本低廉，产率高，产氢速率快，纯度高，能耗低，环境友好，产物易于回收，添加剂易于再生，该方法适合大规模工业化生产等优点。产生的氢气，可以在氢气发动机、氢氧燃料电池中使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氢气的制备技术，特别是利用化学反应制备高纯氢气的制备方法。
技术介绍
能源是人类社会活动的源泉。以石油和煤为主的现代能源系统，由于资源的分布过于集中和日趋枯竭，正在发生深刻的能源危机。目前，世界各国都在大力探索新的能源，如太阳能、潮汐能、地热能、核能等。为使这些新能源有效、方便地得到利用，还要有与之相适应的二次能源。氢能源就是一种理想的二次能源，它有许多优点：①氢燃烧的发热量高，每千克氢气燃烧可产生约143KJ的热量，大约是相同质量汽油燃烧热的3倍。燃烧温度区域宽，适应于多种用途。②燃烧产物是水，无毒，不污染环境，而且是自然循环，不破坏资源，是一种清洁的燃料。③制取氢气的原料是水，资源丰富，燃烧后又生成水，自然循环快。④可做太阳能、电能、核能的蓄存介质。⑤用途广泛，液氢可以用做发射火箭的燃料，用氢直接作燃料的汽车、飞机也在试运行。以氢为燃料的氢氧燃料电池正在全世界广泛研究，对于推动电动汽车的发展起到关键作用。氢的生产已形成了相当的规模。世界氢产量约5000亿立方米，其中天然气制氢2400亿立方米，占48％，石油重整制氢1500亿立方-->米，占30％，煤气化制氢900亿立方米，占18％，而采用可再生能源制氢(如生物质气化技术和电解法制氢)仅占5％(200亿立方米)。但目前氢气大多作为化工原料使用，而作为氢能应用的，仅限于航天氢氧发动机和目前少量的作为示范的氢能汽车及小型电站。由于化石燃料(石油、天然气和煤炭)重整制氢，成本低廉(如水煤气制氢成本大约为1.5元/m3H2)，因此目前氢大多从化石燃料中制得。由于化石燃料含碳，制氢过程中将不可避免地产生二氧化碳，而以水作为氢的来源，对环境无害，因此水分解制氢比化石燃料重整制氢更环保、更清洁，但其耗能大，成本高，如电解水制氢能耗高达4.5kWh/m3H2。因此制氢技术需要解决好低成本和高能效、低碳或零碳排放之间的矛盾。国际上的前期工作主要是围绕燃料电池汽车车载氢源展开的，国外大的汽车公司及石油公司如GM、Toyota、Daimler Chrysler、Johnson Matthey、Mitsubishi等，均开展了此类研究并开发出了以甲醇、汽油等为原料的车载重整制氢演示装置。然而这些技术由于其技术难度太大、成本太高以及基础设施投入庞大，短时间内无法进入市场实际应用。按照“从油井到车轮”生命周期方法计算，若要使燃料电池汽车的整体使用效率高于燃油车，达到40％以上，其制氢效率必须首先达到70％，因此要提高氢能的竞争力，必须大大提高制氢效率，降低成本和优化系统集成技术。储氢技术是氢能应用的主要“瓶颈”之一。储氢按应用分类，可分为固定式储氢和移动式储氢，后者比前者技术要求更苛刻，而车载-->储氢技术是实现氢能实用化所面临的最主要的技术挑战之一。高压气体储氢技术是目前最成熟的技术。国外采用复合材料轻质储氢罐储氢，储氢压力可达到35兆帕，在美国、日本和欧盟已成功地应用于燃料电池客车示范运行中。最近，70兆帕储氢罐也正处于实验室考核当中。中国已研制出40兆帕储氢罐样品，但该技术体积储氢率较低，即使在70兆帕下，其体积储氢率也仅为38kg/m3H2。采用低温储罐储存液氢，其体积储氢密度比高压储氢高。宝马公司以此为氢源，用于Porvetto 2003燃料电池车上。这一方法的主要缺点是：在氢气液化过程中耗费了约30％的能量，同时液氢蒸发造成氢的损失也带来了安全隐患，大大降低了液氢储氢的实用性。真正能最终满足车载储氢要求的可能是固态储氢，即将氢储存在金属氢化物、化学储氢材料及纳米结构材料中。固态储氢具有相当高的体积储氢密度，但是能否得到实际应用，取决于其是否满足高的重量储氢率，以及可在温和条件下便利放氢和充氢等条件。虽然已有2000多种元素、金属间化合物和合金可以形成氢化物，然而，目前还没有找到可以满足车载储氢要求的材料。近期在固态储氢中，产生了一个新概念，即氢胶囊。这为固态储氢接近甲烷的储氢量提供了可能性。一些新材料如铝氢化物、硼氢化物和酰亚胺等理论储氢量都相当高，可能使固态储氢技术产生新的突破。美国、欧盟和日本正致力于这些新型储氢材料的研究，目前NaAlH4在低于100℃条件下便可放出3.4wt％的氢。美国千年电池公司(Millennium Cell)提出以硼氢化钠催化水解制氢作为燃料电池的氢源，并建立了演示装置。标志汽车公司(Peugeot)展出了-->以硼氢化钠溶液催化水解为氢源的燃料电池消防概念车。氢的储存是氢能应用的主要“瓶颈”，目前相关科技人员正加大研发力度，以期取得储氢技术突破。2006年3月，美国能源部宣布将投资600万美元进行车载储氢技术研究，重点是对现有合金、化学储氢以及碳材料储氢等已有方式进行改进和完善。此外氢的运输成本高昂。氢的输送可分为气态氢输送、液氢输送和固态氢输送。其中气态氢输送和液氢输送是目前正在使用的两种输氢方式。气态氢和液氢可以通过管道输送，或通过大型运输工具输送。美国已有大约700英里的氢气管道网络，欧洲也建有1000英里的输氢管道。在技术上，氢气管道网络的安装和维护与天然气管道有很大的相似性，但在价格上却存在较大差异，Argonne国家实验室研究表明，氢气管道的成本大约为30～140万美元/英里。而天然气管道网络的成本为20-80万美元/英里。地面运输液氢主要受限于目前用于运输氢气车辆的运载能力。最大的液氢运输车辆一次仅能运送3.6吨氢气，而汽油运输车辆一次可运送30吨燃料。因此，地面运送氢气的成本很高。目前能源供应商和加油站公司已经着手开发氢气充氢装置。欧盟为这些项目的实施每年投入5000～6000万欧元的资金，而美国政府在FreedomCar计划和SECA计划中每年投入1.6亿美元的资金，日本将在28年时间内投入24亿美元用于类似技术的开发。从上面可以看出，尽管氢能利用具有美好的前景，世界各国竞相开发此类技术，但目前用氢作燃料主要问题是制氢成本太高、氢气的储存、运输、释放。-->
技术实现思路
本专利技术的目的在于改善现有技术而提供的一种成本低廉，产率高，纯度高，能耗低，环境友好，产物易于回收，添加剂易于再生，适合大规模工业化生产的氢气制备方法。产生的氢气，可以在氢气发动机、氢氧燃料电池中使用。本专利技术的目的可通过如下方法来实现，该方法包括以下步骤：(1)选择M1xM2yM3zM4wOv金属或合金的一种或其混合物作为活性产氢材料；混合物的表达记为M1x/M2y/M3z/M4w/Ov。“/”在本专利技术中表示“混和”。式中：M1选自Mg，Al，Zn，Fe，Sn元素，M2，M3，M4选自Mg，Al，Zn，Fe，Sn，Ga，In，Bi，Pb，Ti元素，O为氧元素，为金属或合金表面的氧化层中的氧。x、y、z、w、v为原子摩尔份数，0.5≤x≤1，0≤(y、z、w)≤0.5且x+y+z+w＝1；0≤v≤0.1，M1≠M2≠M3≠M4。金属或合金粉可以是粉末、丝、线、棒、块、多孔材料，材料的形状、微观结构不会影响反应的产率，但大的比表面积会有利于反应的动力学。(2)选择水(H2O)、甲醇(CH3OH)、乙醇(CH3CH2OH)的一种或或其混合物作为氢源材料；混合不需要特别的过程或步骤，直接将两种或三种溶剂物理混合均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢气的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：　（１）选择Ｍ↑［１］↓［ｘ］Ｍ↑［２］↓［ｙ］Ｍ↑［３］↓［ｚ］Ｍ↑［４］↓［ｗ］Ｏ↓［ｖ］金属或合金的一种或其混合物作为活性产氢材料；　式中：　Ｍ↑［１］选自Ｍｇ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｓｎ元素，　Ｍ↑［２］，Ｍ↑［３］，Ｍ↑［４］选自Ｍｇ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｔｉ元素　Ｏ为氧元素，　ｘ、ｙ、ｚ、ｗ、ｖ为原子摩尔份数，０．５≤ｘ≤１，０≤（ｙ、ｚ、ｗ）≤０．５且ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝１；０≤ｖ≤０．１，Ｍ↑［１］≠Ｍ↑［２］≠Ｍ↑［３］≠Ｍ↑［４］。　（２）选择水（Ｈ↓［２］Ｏ）、甲醇（ＣＨ↓［３］ＯＨ）、乙醇（ＣＨ↓［３］ＣＨ↓［２］ＯＨ）的一种或或其混合物作为氢源材料；　（３）选择碘（Ｉ↓［２］）、溴（Ｂｒ↓［２］）、碘溴（ＩＢｒ）的一种或其混合物作为活性添加剂；　将活性产氢材料置于一密闭的带加液口与排气阀的制氢容器中，将一种活性添加剂和一种氢源材料，从制氢容器的加液口加入，与活性产氢材料接触，形成一种固液混合反应体系，发生化学反应，产生高纯氢气，产生的氢气通过制氢容器的排气阀收集利用。

【技术特征摘要】
1、一种氢气的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)选择M1xM2yM3zM4wOv金属或合金的一种或其混合物作为活性产氢材料；式中：M1选自Mg，Al，Zn，Fe，Sn元素，M2，M3，M4选自Mg，Al，Zn，Fe，Sn，Ga，In，Bi，Pb，Ti元素O为氧元素，x、y、z、w、v为原子摩尔份数，0.5≤x≤1，0≤(y、z、w)≤0.5且x+y+z+w＝1；0≤v≤0.1，M1≠M2≠M3≠M4。(2)选择水(H2O)、甲醇(CH3OH)、乙醇(CH3CH2OH)的一种或或其混合物作为氢源材料；(3)选择碘(I2)、溴(Br2)、碘溴(IBr)的一种或其混合物作为活性添加剂；将活性产氢材料置于一密闭的带加液口与排气阀的制氢容器中，将一种活...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆波，李泓，陈立泉，李冬梅，罗艳红，王兆翔，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]