[发明专利]利用硅化钠和钠硅胶材料的氢生成系统和方法

说明书

技术领域

本技术一般地涉及使用反应物燃料材料和水溶液生成氢的系统和方法，以及更具体地涉及当与水、水溶液反应、热或pH改变时使用硅化钠、钠硅胶或多成分混合物生成氢的系统和方法。

背景

燃料电池是将外源燃料转变为电流的电化学能量转换装置。许多普通燃料电池使用氢作为燃料以及氧(典型地来自空气)作为氧化剂。此类燃料电池的副产物是水，使燃料电池成为非常低环境影响的发电装置。

对于发电，燃料电池与许多其它技术竞争，比如汽油涡轮、内燃机和蓄电池。燃料电池提供直流(DC)电压，该直流电压可用于许多应用，包括：固定式发电、照明、备用电源、消费类电子产品、个人移动设备——比如电动自行车——和园林绿化设备，以及其它。有很多有效的燃料电池，每一种使用不同的化学反应以发电。通常根据它们的工作温度和它们利用的电解质体系的类型，将燃料电池分类。一种普通的燃料电池是聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)，其利用氢作为燃料，氧(通常空气)作为其氧化剂。它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已经限制了PEM燃料电池的广泛应用。虽然分子氢具有质量基础上的高能量密度，但是作为环境条件下的气体，其具有按体积计非常低的能量密度。将氢提供至便携式装置所采用的技术是广泛的，包括高压和低温，但是它们经常关注按需可靠地释放氢气的化学化合物。目前，用于在材料中储存氢的广泛接受的机制有三种：吸收、吸附和化学反应。

在用以给燃料电池加燃料的吸收性氢储存中，在高压下，氢气被直接吸收至特定晶体材料比如金属氢化物的体相。最经常地，金属氢化物，比如MgH₂、NaAlH₄和LaNi₅H₆被用于可逆地储存氢气。然而，金属氢化物系统是低比能(即，氢储存与金属氢化物的质量比低)和低输入/输出流动特性。氢流动特性由金属氢化物的吸热特性(除去氢时内部温度下降并且再填充氢时内部温度上升)驱动。由于这些性能，金属氢化物趋向于是重的并且需要复杂的系统以快速装载和/或卸载它们。例如，参见美国专利7,271,567，设计了一个系统用以储存并且然后从包括金属氢化物或一些其它氢型化学燃料的盒可控制地释放加压的氢气。通过测量金属氢化物自身的温度和/或压力和/或通过测量燃料电池的电流输出来估算氢消耗量，此系统也监测能够输送至燃料电池的剩余氢的水平。

在用以给燃料电池加燃料的吸附氢储存中，分子氢通过物理吸附或化学吸附与化学燃料相关联。化学氢化物，比如氢化锂(LiH)、氢化铝锂(LiAlH₄)、硼氢化锂(LiBH₄)、氢化钠(NaH)、硼氢化钠(NaBH₄)等被用于不可逆地储存氢气。化学氢化物与水反应产生大量的氢气，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设备释放氢气，必须采用催化剂同时严格控制水的pH。而且，化学氢化物常包含在惰性稳定液体的浆料中以防止氢化物提前释放其氢气。显示在美国专利7,648,786、7,393,369、7,083,657、7,052,671、6,939,529、6,746,496和6,821,499中的化学氢化物系统利用至少一种但常常多种上述提及的特征。

在用来为燃料电池生成氢的化学反应方法中，经常地氢的储存和氢的释放通过化学燃料的温度或压力的适度改变被催化。由温度催化的此化学系统的一个实例是通过下列反应从氨硼烷的生成氢：

NH₃BH₃→NH₂BH₂+H₂→NHBH+H₂

第一步反应释放6.1wt.％的氢并且在大约120℃下发生，同时第二个反应释放另一个6.5wt.％的氢并且在大约160℃下发生。这些化学反应方法没有使用水作为引发剂产生氢气，不需要严格控制体系的pH，而且往往不需要单独的催化剂材料。然而，这些化学反应方法常常由于热逃逸的普遍发生受到系统控制问题的困扰。例如，参见美国专利7,682,411，设计了一个系统从氨硼烷热启动氢生成并且免受热逃逸。例如，参见美国专利7,316,788和7,578,992，其化学反应方法采用催化剂和溶剂以改变热氢释放条件。