硅烷作为氢源制造技术

本发明专利技术公开了总体涉及硅烷和硅化物及将它们用于制备氢的组合物、方法及装置。还公开了制备用于燃料电池及其它用途的氢的方法及装置，所述其它用途例如内燃机的燃料或补充燃料，以及改进催化剂效率的还原剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的相互参引本申请要求2005年8月3日提交的美国临时申请60/705,331的优先权，该临时申请的全部内容以引用方式纳入本说明书。
本专利技术公开的主题总体涉及硅烷和硅化物及将它们用于制备氢。并且还公开了制备用于燃料电池和用于其它用途的氢的方法和装置，所述其它用途例如用作内燃机燃料或补充燃料，以及改进催化剂效率的还原剂。
技术介绍
燃料电池是一种不需燃烧而将化学反应能转化成电能的装置(电化学装置)。燃料电池通常含有阳极、阴极、电解质、衬里层和集电器。由于一般燃料电池的电压通常较小，因此通常将它们串联成电池堆。在该构型中，燃料电池可具有比内燃机大2-3倍的效率。存在几种类型的燃料电池，通常根据其具有的不同电解质对其进行分类。燃料电池的一个常规类型为质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池通常含有固体有机聚合物(例如聚全氟代磺酸或NAFION)作为电解质。它们具有高功率密度并且可快速地改变输出，这使其成为合乎便携式应用及自动应用所需要的。PEM燃料电池也被称为聚合物电解质燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、固体聚合物电解质(SPE)燃料电池及固体聚合物膜(SPM)燃料电池。燃料电池用燃料和氧产生电、水及热。燃料电池内发生的氧化反应及还原反应为：2H2→4H++4e-1         氧化半反应4e-1+4H++O2→2H2O     还原半反应该电化学过程为不产生气载污染物的非燃烧过程。当以氢气为燃料时，水(液态或蒸汽)是唯一的排放物。因此，燃料电池是一种清洁的、-->低排放的并且高效的可使用含量丰富的和/或可再生的燃料的能源。在燃料电池的低工作温度下，两个半反应通常进行的非常缓慢。具体地，PEM燃料电池的动力学行为主要受低速率的O2还原半反应(阴极反应)的限制，该还原半反应的速率比H2氧化半反应(阳极反应)慢100多倍。O2还原半反应还受传质方面的限制。因此，通常将催化剂用于阳极和阴极之一或二者上以增加每个半反应的速率。铂(Pt)是迄今为止最有效的贵金属催化剂，因为它能在PEM燃料电池的相对低的温度下产生足够高速率的O2还原。用于引发所需要的电化学反应的催化剂通常通过将催化剂颗粒的浆液镀在电解质表面而引入到电极/电解质界面处。当氢或甲醇燃料通过阳极催化剂/电解质界面供给时，电化学反应发生，产生电子和质子(氢离子)。电子——其不能穿过聚合物电解质膜——通过含有电动机或其它电负载的外部电路从阳极流向阴极，该外部电路消耗电池产生的功率。在阳极催化剂上产生的质子通过聚合物电解质膜转移至阴极。在阴极催化剂界面，质子与电子和氧结合形成水。燃料电池的发展和商业化的一个主要挑战一直是向燃料电池供给燃料。尽管氢气通常为最有效的燃料，但是氢气的使用因涉及贮存问题而复杂化。例如，为供给大量的氢气，尤其是对便携式燃料电池供给氢气，氢气必须加压贮存在专门的罐中。除有关纯化和压缩氢气的成本外，所述压力容器还增加了燃料电池装置的重量和复杂性。有关氢气的另一问题为其易燃。直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种使用甲醇为燃料的PEM燃料电池的普遍类型。DMFC是目前唯一可商购获得的燃料电池组件。尽管DMFC解决了氢气贮存的难题并且在实地运行情况良好，但是DMFC比用氢气燃料可获得的电池电压低，并具有固有毒性及可燃性的问题。并且，使用甲醇(和通常为化石燃料)作燃料未能消除二氧化碳的释放，并且它们产生少量的可使燃料电池中毒并且降低其性能的副产物。此外，甲醇燃料通常含有H2SO4以促进甲醇的氧化及提供催化剂中的离子传导性。H2SO4渗透阳极结构，提供整个电极的离子传导性，从而使得催化剂的大部分可被利用，导致性能的改进。但是，由于硫酸盐类物质会吸附到电极表面以及酸具有腐蚀性，因此不希望使用H2SO4。而且，他人已做出了大量-->工作来开发转化器以将多种化石燃料及其它醇类转化成氢，但是该方法的重量负荷及复杂性极大，通常不能应用于自动燃料电池和小型燃料电池。另一种方法，氢燃料以金属氢化物的形式贮存，该金属氢化物在其水解时将氢气释放至燃料电池。尽管以金属氢化物形式贮存氢克服了二氧化碳问题，但是迄今为止获得的最大贮存效率为约4.0重量％。所述体系的其它缺点为必须携带水，以及更重要的是，需要使用昂贵的金属氢化物。而且，金属氢化物在制氢过程中不可逆地水解成金属氢氧化物。因此，所述体系需要处理金属氢氧化物副产物，而将金属氢氧化物副产物转化回初始的金属氢化物的形式是困难的、高耗能的并且高成本的。美国能源部(DOE)已将氢贮存能量密度确定为向氢经济成功过渡的关键性要求。并且为鼓励努力去克服关于氢燃料的困难，DOE已确立了下面的氢贮存效率的指标。  年份  2005  2010  2015  比能kWh/kg  1.5  2.0  3.0  kg H2/kg体系  4.5  6.0  9.0  能量密度kWh/l  1.2  1.5  2.7  Gm H2/l体系  36  45  81  贮存体系成本$/k Wh  6  4  2  $/kg H2容量  200  133  67  燃料加注速率kg H2/min  0.5  1.5  2.0  可利用的H2的损耗(g/hr)  /kg贮存量  1  0.1  0.05将氢用作唯一燃料和用作补充燃料已被几家电机制造商包括Ford和BMW所采用。使用氢气使得可进行极稀薄燃烧，稀薄燃烧极大地改善了燃料经济性并降低了有害废气的排放。作为补充燃料，使用约1至约10％的量的氢可促进更大量的废气再循环使用，从而降低有害排放物，并且不会招致燃烧的不稳定性。氢也是所推行的一种使能够采用稀燃NOx催化剂的有效剂。氢可在较低温度下引发催化反应，并且无碳负载。-->由于当前氢制备和氢贮存的困难及对清洁能源需求的增加，因此需要针对便携式燃料电池及固定燃料电池的氢制备和氢贮存的新技术。尤其是需要能提供低压高密度的氢贮存的技术并且该技术能克服甲醇、金属氢化物及燃料电池的其它氢源的效率、性能及毒性问题。本文公开的组合物、方法及装置即针对这些及其它需求。
技术实现思路
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【技术保护点】
一种制备氢的方法，包括使水和硅烷与酸、胺或金属催化剂接触，其中硅烷被转化成氢和硅酸盐。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-8-3 60/705,3311.一种制备氢的方法，包括使水和硅烷与酸、胺或金属催化剂接触，
其中硅烷被转化成氢和硅酸盐。
2.权利要求1的方法，其中不向水或硅烷中添加氢氧化物。
3.权利要求1的方法，其中通过金属与水的反应添加氢氧根离子。
4.权利要求3的方法，其中金属由金属氧化物的光电还原获得。
5.上述权利要求的任何一项的方法，还包括将氢与硅酸盐分离。
6.上述权利要求的任何一项的方法，其中催化剂包括钪、钛、钒、
铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、
镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞、104号元素、105号元素、
106号元素、107号元素、108号元素、109号元素、110号元素、111
号元素或112号元素，或它们的组合。
7.上述权利要求的任何一项的方法，其中催化剂包括10％Pd-C、
Pd-Cu、阮内镍、5％Ru-C、H2PtCl6、PdCl2、PdOAc2、CuOAc2，或它们的组
合。
8.上述权利要求的任何一项的方法，其中催化剂包括取代的或未
被取代的单烷基胺、二烷基胺、三烷基胺、羟基烷基胺；取代的或未
被取代的单烯基胺、二烯基胺、三烯基胺及聚醚胺；或取代的或未被
取代的咪唑类、苯并咪唑类、咪唑烷类、咪唑啉类、噁唑类、吡咯类、
噻唑类、吡啶类、吡嗪类、吗啉类、哒嗪类、嘧啶类、吡咯烷类、吡
唑类、喹喔啉类、喹唑啉类、2，3-二氮杂萘类、喹啉类、嘌呤类、吲
唑类、吲哚类、吲哚嗪类、吩嗪类、吩吡嗪类、吩噻嗪类、吡咯啉类、
二氢吲哚类、哌啶类或哌嗪类。
9.上述权利要求的任何一项的方法，其中催化剂包括辛胺。
10.上述权利要求的任何一项的方法，其中催化剂包括丁胺。
11.上述权利要求的任何一项的方法，其中催化剂包括甲胺。
12.上述权利要求的任何一项的方法，其中硅烷包括一种或多种有机
硅烷。
13.上述权利要求的任何一项的方法，其中硅烷包括一种或多种聚硅
烷。
14.上述权利要求的任何一项的方法，其中硅烷包括二硅丁烷、四甲
硅烷基乙烯、四甲硅烷基甲烷、三甲硅烷基甲烷、甲硅烷基乙炔、二甲
硅烷基乙炔、叔丁基二甲基硅烷、三甲基硅烷，或它们的组合。
15.上述权利要求的任何一项的方法，其中硅烷包括苯基硅烷、二甲
硅烷基苯、三甲硅烷基苯、六甲硅烷基苯，或它们的组合。
16.上述权利要求的任何一项的方法，其中硅烷为二硅丁烷。
17.上述权利要求的任何一项的方法，其中硅烷为苯基硅烷。
18.上述权利要求的任何一项的方法，其中硅烷为二硅丁烷。
19.上述权利要求的任何一项的方法，其中硅烷由一种或多种硅化物
生成。
20.上述权利要求的任何一项的方法，其中硅烷由Mg2Si生成。
21.上述权利要求的任何一项的方法，其中硅氧烯由CaSi2生成。
22.上述权利要求的任何一项的方法，其中不产生二氧化碳。
23.上述权利要求的任何一项的方法，还包括向燃料电池供应氢。
24.生成氢的装置，包括
a.用于混合硅氢化合物与水的混合室，该混合室包括硅氢化合物入
口和进水口；和
b.包含氢出口和催化剂的反应室，其中反应室连接至混合室上。
25.权利要求24的装置，其中氢出口包括氢渗透膜。...

【专利技术属性】
技术研发人员：SK斯皮尔，DT戴利，RP斯沃特洛斯基，MD雷德蒙，RE帕基，
申请(专利权)人：阿拉巴马大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]