[发明专利]由酸溶液生产纯氢的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种由有机酸溶液生产纯氢的方法和装置。所述方法使纯金属与有机酸以及氧化剂起反应，产生具有纯度大于99.9％的氢气。然后该氢气被移除，而金属以金属氧化物的形式进行沉淀。在后续步骤中，金属可由已知的方法例如与烃反应还原为零价，并对有机酸进行再生。与现有方法相比，氢的生成是逐步的和更为持续的，使得本方法适用于燃料电池应用。

背景技术

近年来，基于燃料电池的引擎已经引起了人们的兴趣。这些引擎与内燃引擎相比具有二到三倍或更高的能量效率(燃料电池引擎的能效为50-55％，内燃引擎的能效为15-17％)。典型地，氢可被直接地供给到燃料电池用于发电。

然而，氢在自然界中并不以元素形式存在。相反地，氢必须从含氢的化合物中释放。这需要消耗能量。例如，水是地球上最普通的物质，覆盖超过70％的地球表面。水含有大约11重量％的氢，但是由于水的稳定性，理论上，从水中获得1升的氢气需要超过10,000焦耳的能量。在商业操作中，氢通常从富含氢的化学制品例如甲醇或者二甲醚、或者从燃料例如煤炭、天然气或汽油中获得。在大多数情况下，从所述化学制品和燃料释放纯氢的方法是复杂并且成本高的。

为了使得燃料电池用于消费品应用更有吸引力，车载燃料生产的成本优选小于约$10每千瓦。然而，使用现有技术，车载燃料生产的成本几乎十倍于所述目标。因此，需求更低成本的替换物。此外，非常需要由燃料电池提供燃料的便携式设备，当所述设备开动的时候氢可在瞬时产生。由于大部分的化学反应体系需要活化能，因此非常难以通过常规的转化或转换反应来克服启动时的问题。

发明内容

本发明涉及由有机酸溶液生产纯氢的方法以及便携式的氢产生装置。该方法使零价金属与有机酸和氧化剂起反应，将反应生成的氢移除，而金属以金属氧化物的方式不被沉淀。在后续步骤中，金属可由已知的方法例如与烃反应还原为零价态，并对有机酸进行再生。氢的生成与现有方法相比是逐步的和更为持续的，使得本方法适用于燃料电池应用。另外，本发明还公开了一种采用从酸溶液中生成纯氢方法的便携式氢产生装置。

附图说明

图1是表示通过本发明方法由铁和有机酸反应随时间产生的氢产量与通过现有方法由铁和无机酸反应随时间产生的氢产量的示意图

图2是根据本发明方法制得的便携式氢产生装置的示意图。

具体实施方施

本发明是可再生的氢生成系统。由有机酸和金属起反应，氢的生成可在常温、这里定义为小于约35℃的温度，和常压，或者在大约1巴的压力下进行，制得氢的纯度大于99.9％，并且氢能以基本稳定的速率连续地生成。

如图1所示，当约1g铁粉与约100mL～约300mL酸起反应时，生成氢气。当所述铁粉与无机酸例如盐酸起反应时，初始氢的生成非常迅速，然后生产速率保持稳定。相反，当铁粉与有机酸例如甲酸或者乙酸起反应时，初始氢的生产速率平缓得多，并在氢生成过程中逐步增加。在没有储氢容器的情况下，优选具有逐步的、均匀持续的氢生产速率。如此，拥有一种利用这些有机酸和金属反应生产氢的方法是有利的。

本发明方法旨在用于便携式氢产生装置。该方法包括以下步骤：

(a)使零价金属与有机酸、任选的氧化剂反应，由此形成金属-O-CO-R的络合物；

(b)移除金属和酸反应生成的氢；

(c)通过使金属-O-CO-R络合物与氧化剂反应来氧化该络合物，从而再生有机酸；

(d)以金属氧化物的形式沉淀金属；以及

(e)任选地，使金属氧化物与烃反应以还原该金属到零价态。

该反应基本上在常温、这里定义为小于约35℃的温度下发生，此外，反应基本上在常压或者在大约1巴的压力下发生。

金属可以是任一容易在温和的酸溶液存在下被氧化的金属，例如铁、锌、铜、铝、镍及它们的组合。金属可以是粉末、颗粒或者小丸及酸性水溶液的形式。已经发现，就氢产率和作为相对低成本的金属源来说，铁对于本反应是特别有效的。

基于生产过程中稳定的氢生产速率和溶液中缺少的其它阳离子或阴离子来选择有机酸。有机酸可以是任何RCOOH或者HCOOH化合物，包括羧酸、甲酸、乙酸、草酸及它们的组合。

氧化剂可以是任何能够氧化M-O-CO-R络合物并随之形成游离酸HO-CO-R的氧化剂。这种氧化剂包括过氧化氢、氧气、臭氧、淀粉以及糖，但不限定于此。