[发明专利]一种用于燃料电池的铝基氢能燃料及其制备方法

说明书

本发明公开一种用于燃料电池的铝基氢能燃料及其制备方法，该产氢材料由金属铝、金属锡、Ga‑ln‑Sn液态合金以及α‑Al₂O₃氧化促进剂、分散剂等组分构成，采用高能球磨工艺，将其制备成微纳米级尺寸的铝基合金粉末。该金属粉末具有与水即时反应产氢的性质，并且所产氢气纯度高，是燃料电池优良的氢源。本发明还在铝水反应器上安装了超强永磁搅拌部件，进一步提高了铝水反应速率和产氢率。

技术领域

本发明属于氢能源领域，涉及一种用于燃料电池的铝基氢能燃料，更具体地，涉及一种能够即时产氢的铝基合金粉末及其制备方法。

背景技术

燃料电池使用氢燃料，通过电化学装置与氧气发生反应产生电能，其能量转换效率高，运行安静，其副产是水，是清洁的能源利用方式。

铝是一种重要的金属能源材料，它具有大量的储存能量，并且它是相对安全的。铝水反应可以在密闭的空间内进行，不需要提供额外的氧源(例如来自空气中的氧气)，水就是它的氧化剂，并且铝水反应产生的氢气纯度很高。

然而，铝水制氢并不是一个顺利的过程，当铝与空气或水接触时会立即发生氧化，在其表面上形成一个致密的钝化层，抑制与水的反应，防止进一步水化反应。如何破坏和消除这种钝化层是铝能够有效产氢的关键。通常的方法是在高温或在较强碱性或酸性条件下抑制铝表面形成钝化层。但这类方法腐蚀性较强，并且需要提供额外的热能。

随着不断研究探索，人们发现镓、铟等低熔点金属具有防止铝表面形成氧化膜的功能，通过熔炼或机械冶金化工艺，它们可以与金属铝融合，进而制备出在常温和中性条件下能够产氢的铝基合金粉体。

但是目前许多技术文献描述的铝-镓或铝-镓-铟合金粉末产氢的方法，其镓/铟的添加量比例较高，其产氢率的提高主要依靠增加镓和/或铟的添加量来实现。然而，镓和铟是昂贵的，并且在地球上的储量是有限的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种价格相对廉价、在资源上具有可持续性的铝基产氢材料，它能在大幅度减少稀有昂贵金属的情况下，仍然具有较高的产氢量和产氢速率。

为了实现上述目标，本发明在作为基体的金属铝中，加入适量的低熔点金属锡、少量的镓-铟-锡液态合金，以及少量氧化促进剂和分散剂，通过高能机械冶金化方式，将其制备成纳米级尺寸的铝基合金粉末。该铝基合金粉末具有遇水即时产生氢气的性质，并且所产生的氢气纯度高，是燃料电池优良的供氢来源。

本发明的铝基合金产氢材料，在实现高效产氢的同时，能够使原料成本和加工费用大幅降低，适应工业化批量生产的需要。

本发明在铝水制氢反应器里安装了超强永磁搅拌桨叶，从而使铝粉与水反应得更快和更完全。

本发明的铝基合金产氢机制：它既来自于经典的铝与水的化学反应，也是微观电化学反应的结果。经过高能研磨制备的铝基合金粉末，能够形成一种微型原电池结构，其中：铝是阳极基质；锡(Sn)、镓(Ga)、铟(In)碳(C)是阴极材料，该阴极材料与铝的阳极基质靠拢和紧密接触而形成电偶，而阳极和阴极的金属材料具有不同的电极电位。其产生的微电流效应可破坏铝表面的氧化钝化层，微观电化学效应可以不断地暴露未氧化的铝金属表面，使铝与水连续反应产生氢气。

以下是对本发明的铝基合金的材料组分及其制备过程的进一步说明。

本发明是一种产氢铝基合金复合材料，是以金属铝为基质，加入低熔点金属锡、更低熔点的镓-铟-锡液态合金、α-Al₂O₃、球磨助剂等组分构成。

金属铝在铝基合金中的含量为50～99wt％；优选的含量为80～97wt％；更优选的含量是95wt％。金属铝是基体材料，也是本合金中实际产氢的材料，在原料选择上可优选纯度高的工业纯铝。若选择低纯度的铝，不仅可能产生未知的负反应，也会降低产氢量。