[发明专利]一种水解制氢剂

说明书

技术领域

本发明属于氢能及燃料电池领域，具体涉及一种水解制氢剂。

背景技术

无人机可以在枯燥、肮脏和危险的环境下执行任务，除了在军事领域受到广泛重视以外，在灾害防御监控、电力通讯系统检修、海洋调查等民用领域都具有极其广泛的用途。较大型的无人机采用燃烧式发动机，使用传统燃油驱动；小型的无人机大多使用电力发动机，一般由锂离子电池来驱动。基于不同材料体系，目前的锂离子电池技术比能量有限，在150 Wh/kg到250 Wh/kg范围之间，无法满足现代无人机小型化、长航程的发展趋势需求，因此，研究具有高比能量的电源具有重要意义。

作为具有高比能量的电源系统，质子交换膜燃料电池在无人机上的应用越来越受到各国的重视。但燃料电池系统比能量主要受制于储氢系统，现有的高压储氢、液态储氢、固态合金储氢等技术虽各有优缺点，但都很难满足长航程无人机高比能量的要求。最前沿的燃料电池无人机采用硼氢化物水解供氢，这样的硼氢化物制氢-质子交换膜燃料电池（B-H-PEMFC）电源系统中，硼氢化钠水解制氢反应为：

根据上述反应，1g NaBH₄可以产氢0.211g，制氢量可以达到7.4 wt%。如果以燃料电池单体电压0.7V计算的话，B-H-PEMFC系统理论比能量可以达到2770 Wh/kg。可见，B-H-PEMFC系统具有非常高的比能量，实际无人机用B-H-PEMFC系统比能量可达500~1300 Wh/kg，是锂离子电池的2.5到7倍。

在实际硼氢化钠水解制氢体系中，通常采用NaBH₄溶液在催化剂的作用下水解产生氢气。这种制氢系统中，NaBH₄溶液通过微型泵送至反应器水解，产物经气液分离，残液进入废液罐，氢气进入燃料电池发电。制氢系统中，为避免低溶解度的NaBO₂.xH₂O结晶析出对催化剂造成影响或破坏，不能使用浓度太高的NaBH₄溶液，所以文献中推荐NaBH₄溶液的最佳浓度为15 wt%左右。但是，溶液中的过量水降低了系统比能量。

为了提高比能量，降低水解反应中水的量尤其重要。因此，NaBH₄固体与少量水的反应研究受到重视，包括水蒸汽或液体水。Prosini等利用多孔物质使水渗透到NaBH₄固体中发生水解反应，发现水进入固体后即有氢气产生，水与NaBH₄的摩尔比大约为6时，NaBH₄反应完全。Liu等研究表明，水与NaBH₄的摩尔比低于为4时，采用CoCl₂作催化剂可使NaBH₄转化率达到90%，制氢量可以达到6.7wt%，但经实验表明，当NaBH₄与少量水反应时速率比较慢。因此，研究和开发一种快速制氢的硼氢化物水解制氢的催化剂方法成为该技术领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明目的是提供一种高制氢率、性能稳定和快速制氢的硼氢化物水解制氢的配方，克服现有的硼氢化物水解制氢产氢量低和反应速率慢的缺陷。

本发明的技术方案为：一种水解制氢剂，至少包含硼氢化物、金属催化剂、酸催化剂；所述金属催化剂为CoCl₂、Co-B、FeCl₂、NiCl₂、CuCl₂中的一种或几种；所述酸催化剂为柠檬酸、草酸、磷酸中的一种或几种。

进一步地，硼氢化物与金属催化剂的质量比为5～12︰1，硼氢化物与酸催化剂的质量比为5～12︰1。

最优选地，硼氢化钠：氯化钴：柠檬酸=0.25︰0.03︰0.04。

进一步地，还包括吸水剂和膨松剂，硼氢化物与吸水剂和膨松剂的质量比为5～15︰1，其中吸水剂与膨松剂的质量比为1～5︰1。

进一步地，所述吸水剂为氯化钙、活性炭、脱脂棉或硅胶中的一种或几种。

进一步地，所述膨松剂为活性炭。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的配方可以达到很高的单位质量产氢密度，单位质量产氢量最高可达700mL/g。

本发明的配方在水量充足的情况下可以达到90%以上的制氢转化率。

本发明的配方在供水量低于反应剂量比时反应速度也很快，如图1所示，加水量为0.25ml时在3min左右产氢量达到350mL/g。