[发明专利]硅烷作为氢源

说明书

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。