[发明专利]采用钠硅化物和钠硅胶材料的氢生成系统及方法

说明书

相关专利申请的交叉参考

本申请要求2009年3月30日提交的序列号为61/164,888的美国临时专利申请和2009年6月6日提交的序列号为61/185,579的美国临时专利申请的优先权的权益，上述专利的全文均以引用的方式并入本文。

联邦政府资助的研究与开发

本发明是在政府资助（由美国能源部授予的合同号DE-FG36-08GO88108）下做出的。美国政府在本发明中享有一定权利。

技术领域

本技术整体涉及使用反应物燃料和水溶液来生成氢的系统及方法，并且更具体地，本技术涉及在与水或水溶液反应时使用钠硅化物（sodium silicide）、钠硅胶（sodium silica gel）或多组分混合物来生成氢的系统及方法。

背景技术

燃料电池是将外源燃料转换成电流的电化学能量转换装置。许多常见的燃料电池将氢用作燃料，并且将氧（通常来源于空气中）用作氧化剂。此燃料电池的副产物为水，从而使燃料电池成为环境影响极小的发电装置。

燃料电池可与许多其它发电技术（诸如汽油涡轮机、内燃机和蓄电池）匹敌。燃料电池提供可用于许多应用（包括固定发电、照明、备用电源、消费类电子产品、如电动自行车和景观设备等个人移动装置以及其它）中的直流(DC)电压。存在多种可用的燃料电池，每种燃料电池利用不同的化学性质来发电。通常根据燃料电池的工作温度及其采用的电解质体系的类型来对其进行分类。一种常见的燃料电池为聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)，该电池将氢用作燃料，同时将氧（通常为空气）用作其氧化剂。该电池具有高功率密度和通常低于80℃的低工作温度。这些燃料电池是可靠的，其具有适度的包装和系统实施要求。

氢储存和生成的挑战限制了PEM燃料电池的广泛采用。尽管分子氢如同环境条件下的气体一样具有非常高的能量密度（以质量计），但以体积计其具有极低的能量密度。这些用于向便携式应用提供氢的技术（包括高压和低温）非常普遍，但其最常见地集中于可靠地释放所需氢气的化合物。目前存在三种广泛接受的用于储存材料中的氢的机制：吸收、吸附和化学反应。

在用于向燃料电池提供燃料的吸氢储存中，在高压下将氢气直接吸入整个特定的结晶材料（诸如，金属氢化物）中。大多数情况下，金属氢化物（如MgH₂、NaAlH₄和LaNi₅H₆）用于可逆地储存氢气。然而，金属氢化物体系具有弱比能量（即，低氢储存量与金属氢化物的质量之比）和差输入/输出流量特性。氢流动特性由金属氢化物的吸热性质驱动（除去氢时，内部温度降低，而再次加入氢时，内部温度升高）。由于具有这些性质，金属氢化物往往很重，并且需要复杂的系统来将其快速地加入和/或排出。例如，参见美国专利7,271,567，其描述了一种设计用于储存氢气，然后将加压氢气从含有金属氢化物或一些其它氢基化学燃料的料筒中可控制地释放的系统。该系统还通过测量金属氢化物燃料本身的温度和/或压力和/或通过测量燃料电池的电流输出来监测能够输送至燃料电池的剩余氢含量，以估算氢的消耗量。

在用于向燃料电池提供燃料的吸附氢储存中，通过物理吸附或化学吸附使分子氢与化学燃料相关。化学氢化物（如氢化锂(LiH)、氢化铝锂(LiAlH4)、硼氢化锂(LiBH4)、氢化钠(NaH)、硼氢化钠(NaBH4)等）用于非可逆地储存氢气。化学氢化物在其与水反应时产生大量氢气，如下所示：

NaBH₄+2H₂O→NaBO₂+4H₂

为了可靠地控制化学氢化物与水的反应以从燃料储存装置中释放氢气，必须采用催化剂并严格控制水的pH。另外，化学氢化物通常存在于惰性稳定液的浆液中，以防止氢化物过早释放氢气。美国专利7,648,786；7,393,369；7,083,657；7,052,671；6,939,529；6,746,496和6,821,499中所示的化学氢化物体系利用了上述特性中的至少一种（但通常为多种）。

在用于制备燃料电池用氢的化学反应方法中，通常通过适度改变化学燃料的温度或压力来催化氢储存和氢释放。该化学体系的一个实例（经温度催化）为通过以下反应由硼烷氨生成氢：

NH₃BH₃→NH₂BH₂+H₂→NHBH+H₂