[发明专利]用于生成氢的组合物和方法

说明书

技术领域

本发明涉及以受控方式通过金属与水反应而产生氢气、以及使用所产生的氢气的装置(apparatuses)、方法、组合物和程序(工艺，processes)。

背景技术

已投入巨大的努力寻找替代燃料以降低对矿物燃料的依赖以及消除或降低与矿物燃料的燃烧有关的污染。氢气由于其巨大的燃烧热(与任何其它物质相比其燃烧热最高)和其环境最友好的产物(水蒸气)是最具吸引力的替代燃料。此外，氢是宇宙中最丰富的元素。

尽管其具有广泛的可用性和显著的优点，但由于若干技术问题尚未得到满意解决，目前仍然未利用氢气作为所选燃料。这些问题一般涉及设计安全、有效和经济的生产、储存、运输和利用大量氢气的方法，以使该燃料在经济上可行。

已描述了很多用于生成氢气的方法。最常用的方法是电解水、煤炭气化、天然气的蒸气重整(蒸汽重整，steam reforming)、重油的部分氧化以及使用太阳能或核反应堆的热量将蒸气分解成其组成元素。然而，这些生产大量氢气的方案需要较多固定设备、大生产能力和外部能源的大量输入。

此外，上述方法均未提供储存氢气的方法，这表明在储存、运输和安全性(方面)存在着严重的问题。氢气具有极低的密度，与空气(混合)具有高度爆炸性。

为克服储存、处理(handling)和运输氢气的问题，已根据利用时的需求提出不同的用于产生氢的方法：

用于储存和生产氢的金属氢化物：在室温下，某些基于金属的化合物在中压(moderate pressure)下(低于7MPa)吸收氢气，形成可逆的金属-氢化合物，称为氢化物。当降低压力或施加热时，金属氢化物能够释放氢。尽管认为该方法是紧凑的(compact)氢储存(体积方式(volume wise))，但实际氢化物却含有质量分数相对较低的氢(在常用的氢化铁钛(iron titanium hydride)中，氢的质量分数仅为约1.7％)，这暗示着低能量密度。具有相对高的氢含量的氢化物的生产过程目前是复杂且非常昂贵的。

某些金属和水的反应(例如，碱金属、镁、铝)可视为氢和能量的潜在来源。铝可作为一种用于该反应的非常有前途的候选物，因为氢量高(理论上，在标准条件下每克铝为1.24升)，产生的能量高，处理方便安全，具有可用性和相对低的成本。由于主要残留物(氢氧化铝)是环境友好的，该反应也是值得期望的。环境条件下，铝在空气中无反应性，而水容易获得并且容易储存。此外，在为直接使用(例如，用于燃料电池、内燃机、燃气涡轮机、电池替代品、海洋和水下推进等)而就地生产之前的任何阶段都不需处理氢气。然而由于在金属表面自然形成的保护性氧化物(或氢氧化物)层，在一般环境条件下，铝通常不与水(也不与空气)反应。在通常的应用中，这种“钝化”现象是一种防止腐蚀的幸运的特性，只要环境不是过于酸性或碱性的。同时，它实际上阻止铝-水反应。因此产生氢气的铝和水之间的反应的实施需要活化，据信(需)引起保护层的连续破坏。

许多提高铝与水的反应性的方法，在本领域中是已知的：

一种方法是对铝进行机械处理(切割或摩擦)以形成新鲜金属表面，该表面可与水反应。

例如，水下摩擦金属材料以及伴随摩擦对氧化物膜的机械破碎在美国专利号7,008,609中公开。

K.Uehara，H.Takeshita和H.Kotaka在“Hydrogen gas generation in the wet cutting of aluminum and its alloys”(Journal of Materials Processing Technology，127卷，2002，174-177页)中研究了由于在新鲜铝表面和水反应过程中的氢气生成所导致的鼓泡(bubbling)。

通过在包含热冲击处理(其中，对铝微粒进行反复加热和冷却)的水中粉碎铝而获得的微小铝颗粒与水反应的活化，在美国专利号7,235,226中描述。

通过机械方法连续去除铝上的钝化层，以维持铝辅助的水裂解反应，已在法国专利号2,465,683中公开。

美国专利号5,052,272、5,143,047、5,712,442和5,789,696描述了利用铝和水的受控氢发生器(hydrogen generators)，其中保护性氧化物膜的破坏是通过对金属快速电加热至其熔点以上来实现的。