专利名称：一种产生氢气的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种产生氢气的装置及方法，尤其涉及一种可以为燃料电池提供燃料氢气的氢气发生装置及制氢方法。
背景技术：
一种安全、可靠、高效率的氢气储存方案，对于燃料电池的商业化是非常重要的。氢化物对移动电源的需求是一个非常有潜力的方法，目前有很多种方法被研究开发，通过用氢化物和纯水反应来产生氢气，这其中NaBH4反应可以用下面的化学反应式来表示。
其它氢化物有LiH，LiAlH4，LiBH4，NaH，NaAlH4，MgH2，KH，KBH4，CaH2，NaBH4。
这些反应是相当剧烈的，我们需要精确控制才能产生所需要量的氢气和防止爆炸。美国有一家公司采用NaBH4溶液，将NaBH4溶液与催化剂接触，通过调整泵的转速来调整氢气产生的速率，这种方法对高功率的燃料电池来说是非常实用的。然而对于小于20W的电池，由于反应剧烈，较难控制，在实际应用时存在一定的困难。
以前的一些技术采用气体选择性膜来分离水和氢化物，将水直接从水侧渗透到氢化物一侧。由于存在着水分压，当水和氢化物一接触就产生氢气，然而这种多孔的膜对于水和氢气都有通透性，这样反应物就需要密封来防止氢气的渗漏。而且反应用的水，必须在生产过程中就包装在氢气发生器中，这样就在运输途中减少能量效率。
有一个美国专利介绍了一个系统，这个系统由两个部分组成，一部分是化学氢化物，另一部分是甲醇水溶液。甲醇水溶液可以通过隔离膜扩散到氢化物侧与氢化物发生反应产生氢气。一个氢气出口安装在反应容器上，但是，必须有很好的密封来应付甲醇的毒性和高扩散性。
另一个美国专利介绍了一种用水选择性膜分隔水和氢化物的氢气发生装置。这种膜不允许H2、N2等气体通过，这样就使氢气收集变的容易。不幸的是，这个系统在实践运用中有相当大的缺陷，首先由于没有催化剂或者酸性物质在里面，水和NaBH4之间的化学反应变得相当缓慢，而不足以供给需要；其次这个反应过程，当水选择性通透膜直接与液态水接触时就会使反应变的难以控制，因为大量的水会通过膜直接到氢化物侧。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、能量效率高、操作安全、易于控制的产生氢气的装置及方法。本发明装置与燃料电池连接后，因为其轻便易于携带的特性可在许多领域得到应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种产生氢气的装置，其特征在于，该装置包括a)可选择性通过水气的燃料容器，b)该燃料容器内含有一种混合物，该混合物至少由一种氢化物和至少一种催化剂组成，c)在燃料容器上至少有一个氢气输出口，d)至少有一个气体过滤器，e)该燃料容器至少有一个面由以下材料所组成至少一层可选择性透过水的材料和至少一层可选择性透过气的材料，f)水源。
所述的氢化物选自NaBH4，LiAlH4，LiBH4，NaAlH4，MgH2，KBH4中的一种或几种。
所述的催化剂选自Co、Ni、Pt、Ru或它们的化合物包括CoCL2中的一种或几种。
所述的混合物是干燥固体粉末或颗粒，该混合物填充了燃料容器的20％～95％的体积。
所述的可选择性透过水的材料显著地只允许水气通过，不允许包括H2、O2、N2、CO2的气体通过。
所述的可选择性透过水的材料为一种全氟磺酸(Nafion)膜或赛璐珞(Cellulose)膜。
所述的可选择性透过气的材料显著地只允许气通过，不允许液态水通过，包括多孔的聚四氟乙烯(PTFE)膜。
所述的水源为外界空气中的水分。
所述的水源为至少一层含有水的多孔材料，包括含水海绵。
一种产生氢气的方法，其特征在于，该方法包括a)制备至少一种氢化物和至少一种催化剂粉末或颗粒状的混合物，b)利用可选择性透过水气的面把上述混合物和水源隔离，c)让水气从水源侧通过可选择性透过水气的面渗透到氢化物这一侧，产生化学反应，d)从燃料容器中收集氢气，e)其中可选择性透过水气的面由至少一层可选择性透过水的材料和至少一层可选择性透过气的材料组成。
所述的方法还包括了通过控制水气的渗透率来控制氢气的产生速度，其中水气的渗透率的控制是由调节可选择性透过水的材料的厚度和可选择性透过气的材料的厚度和孔隙率实现的。
所述的方法中可选择性透过水的材料显著地只允许水气通过，不允许包括H2、O2、N2、CO2的气体通过。
所述的方法中可选择性透过气的材料显著地只允许气通过，不允许液态水通过，包括多孔的聚四氟乙烯(PTFE)膜。
所述的方法还进一步包括了通过密封燃料容器使装置停止产生氢气。
与现有技术相比，本发明具有结构简单、能量效率高、操作安全、易于控制等优点。
图1为本发明一个实施例的结构示意图；图2为本发明另一个实施例的结构示意图；图3为本发明再一个实施例的结构示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明的高能量密度的氢气发生器，采用多种因素和技术方案，目的是提高能量效率，而这个目的的实现，是通过减少水的携带量；另一个目的是通过氢化物得到足量的氢气和可控制的氢气产生速率。
干燥粉末状的氢化物象LiH，LiAlH4，LiBH4，NaH，NaAlH4，MgH2，KH，KBH4，CaH2，NaBH4都有很高的能量密度，NaBH4作为优选的氢化物是由于它高能量密度的性质和反应后无有害物质的生成，固体的NaBH4可以从环境中吸收水气发生反应，特别是在潮湿度较高的环境中。如果在没有催化剂象CoCL2，Ni，Pt或者处在酸性环境中，这个反应是相当的缓慢以至在大多数场合下不足以供应燃料电池。通过实验，我们可以看到在NaBH4与水的反应中加入催化剂如CoCL2后，反应速度明显加快。我们之所以选择CoCL2是由于它的低价格和高效的催化特性。
混合物首选干燥的粉末，是为了增大反应的接触面积。粉末的制作方法是首先将CoCL2溶解在异丙醇中，然后将NaBH4粉末放进溶液中。NaBH4可以从Morton，Eagle-Picher或Bayer这些公司买到。这些物质可以在摄氏温度60℃的状态下真空干燥。
这些NaBH4和CoCL2的混合物可以放入一个至少有一层水气选择性膜的燃料容器中，而这个膜在最大程度上允许水气从水源侧进入到化学物质侧，氢气即在容器中产生，并从连接在容器上装有过滤器的出口上排出。NaBH4与水的反应产物偏硼酸钠会在NaBH4颗粒表面形成一层硬壳，同时，容器内化学物质的体积会在反应的时候增大，因此容器内不能完全填满反应物，必须留出5％～80％的空间，还有利于使水气充分接触NaBH4和CoCL2的混合物以及氢气的排放。
水气选择性通透膜至少由两层组成，一层是水选择性通透的材料和一层气选择性通透的材料，水选择性通透材料我们首选杜邦公司的Nafion膜，Cellulose膜也可以使用，气选择性材料首选多孔PTFE膜。如图1所示图中1是氢气的出气孔，出气孔可通过管子向外连接储气装置或发电装置。图中4表示的由NaBH4与催化剂组成的混合物，5是容器为防止接收由NaBH4与催化剂组成的混合物吸收水气发生膨胀而预留的空间，6是防止由NaBH4与催化剂组成的混合物在反应过程中产生废渣或块状物质等流入或堵住出气口等起过滤作用的过滤器，由NaBH4与催化剂组成的混合物吸收周围环境中的水气，通过图中表示的水选择性通透膜2和气选择性通透膜3，使水气进入装有NaBH4与催化剂组成的物质燃料容器中发生反应，反应产生的氢气，从图中1的出口流向燃料电池或储氢容器之中。
我们在实验中观察到，如果我们把Nafion膜直接和水接触，水的扩散量非常大，容器内的NaBH4和水会形成溶液，这样化学反应就会变的相当剧烈而无法控制，因此就要避免Nafion膜和液态水直接接触来控制反应，所以就需要在Nafion膜外放一层气选择性材料，多孔的PTFE膜是首选，而另一个好处是可以通过调整PTFE膜的厚度和孔径来调整水气的扩散率。当容器放置在一个湿度较大的环境中时，就有利于调整水气的扩散度来控制氢气的产生速率，还有一个好处就是这个气选择性透过材料，可以过滤低纯度的水，这在户外纯净水不易寻求的情况下非常有用。
在水选择性通透膜的内侧，我们可以再加一层气选择性透过膜，就象三明治一样，以避免反应生成物在水选择透过膜表面形成一层硬壳。
水气的水源可以是加在容器外的液态水或者是周围大气环境中的水，多孔的亲水材料可以放在燃料容器的外面来固定液态水，通过与容器的紧密接触来供给水分。这样做的好处是首先反应用水不需要事先存在氢气发生器内，这样运输的时候重量和体积会大大减少；其次是这个氢气发生器所需要的水，远小于采用NaBH4溶液做反应物的氢气发生器所需要的水。以前一个经典的使用NaBH4溶液的氢气发生器，只能携带其反应物重量的大约20％到30％的NaBH4，而我们的首选的目的是使NaBH4达到反应物重量的50％以上。同时，周围环境中的水也可以被利用，能量密度5倍于采用溶液形式的氢气发生器。如果用周围环境的水做为水源，一开始的时候燃料容器表面就可以直接和极小量的液态水接触，使其迅速产生所需量的氢气。
从产氢装置中产生的氢气供给燃料电池或者收集在储氢容器中，经过多层过滤装置可以得到高纯度的氢气，而多孔的PTFE可以优选。
燃料容器在储存的时候需要密封使之不透气，这样就没有水气可以进入到容器内，一旦密封后没有水气进入到容器内，反应就会停止。
实施例1如图1所示，一种产生氢气的装置，在图1中1是氢气出气孔，该出气孔可通过管子向外连接储氢装置或燃料电池发电装置；4表示的由NaBH4与催化剂组成的混合物；5是容器为防止接收由NaBH4与催化剂组成的混合物吸收水气发生膨胀而预留的空间；6是防止由NaBH4与催化剂组成的混合物在反应过程中产生废渣或块状物质等流入或堵住出气孔等起过滤作用过滤器；由NaBH4与催化剂组成的混合物吸收周围环境中的水气，通过图1中表示的水选择性通透膜2和气选择性通透膜3，使水气进入装有NaBH4与催化剂组成的物质燃料容器中发生反应，反应产生的氢气，从图1中的出气孔流向燃料电池或储氢装置中。图1中的氢气出气孔1、水选择性通透膜2和气选择性通透膜3构成本装置的燃料容器7。
实施例2如图2所示，一种产生氢气的装置，该装置的结构是采用塑料如(ABS、PVC)等材料作为外壳8，内附吸水材料10如海绵等，通过进水口11加水，含水吸水材料10保证水气能通过水选择性通透膜2和气选择性通透膜3进入装有NaBH4与催化剂组成混合物的容器之中。图2中1是氢气出气孔，该出气孔可通过管子向外连接；4表示的是由NaBH4与催化剂组成的混合物；5是容器为防止接收由NaBH4与催化剂组成的混合物吸收水气发生膨胀而预留的空间；9是一种硅橡胶、软橡胶或塑料加工而成的骨架，起支撑水选择性通透膜2和气选择性通透膜3的作用，当水选择性通透膜2和气选择性通透膜3通过胶粘贴在吸水材料上，再由该骨架撑住，使水选择性通透膜2和气选择性通透膜3能牢固的固定在吸水材料的内侧；图中6由聚四氟乙烯膜组成，是防止由NaBH4与催化剂组成的混合物在反应过程中废渣和块状物质等流入或堵住出气口等起过滤作用的过滤器，可有效地由NaBH4与催化剂组成的混合物吸收外加的水气；通过图中表示的水选择性通透膜2和气选择性通透膜3，使水气进入装有NaBH4与催化剂组成的混合物在燃料容器中发生反应，反应产生的氢气，从图中出气孔流向发电装置或储氢装置中。
实施例3如图3所示，一种组合式产生氢气的装置，本实施例把二组、四组、六组甚至更多的实施例1或实施例2的氢气发生装置并联起来，使氢气最终通过一个总出气口12流出，这样增大供气的流量，使这种氢气发生装置可供应更大的用气装置和发电装置。图3中12是氢气的总的出气口，通过几组接口把几组氢气发生装置的氢气出气孔1连接起来，汇总于一根总管，使氢气能集中起来流出，提高供气能力和速度。
当本发明通过说明书的描述被公开出来后，它将会被这个领域的专业人士所了解，相同原理而没有被写在说明书中的物件会被制造出来，另外，在不离开本发明原理的前提下会有许多修改方案来适应条件和材料的变化；因此，目前本发明说明书说明的产品只是预期中的一种，而本发明包括了任何在此原理下各种形式的装置以及直接用该装置生产氢气的方法。
权利要求
1.一种产生氢气的装置，其特征在于，该装置包括a)可选择性通过水气的燃料容器，b)该燃料容器内含有一种混合物，该混合物至少由一种氢化物和至少一种催化剂组成，c)在燃料容器上至少有一个氢气输出口，d)至少有一个气体过滤器，e)该燃料容器至少有一个面由以下材料所组成至少一层可选择性透过水的材料和至少一层可选择性透过气的材料，f)水源。
2.根据权利要求1所述的一种产生氢气的装置，其特征在于，所述的氢化物选自NaBH4，LiAlH4，LiBH4，NaAlH4，MgH2，KBH4中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种产生氢气的装置，其特征在于，所述的催化剂选自Co、Ni、Pt、Ru或它们的化合物包括CoCL2中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种产生氢气的装置，其特征在于，所述的混合物是干燥固体粉末或颗粒，该混合物填充了燃料容器的20％～95％的体积。
5.根据权利要求1所述的一种产生氢气的装置，其特征在于，所述的可选择性透过水的材料显著地只允许水气通过，不允许包括H2、O2、N2、CO2的气体通过。
6.根据权利要求1或5所述的一种产生氢气的装置，其特征在于，所述的可选择性透过水的材料为一种全氟磺酸膜或赛璐珞膜。
7.根据权利要求1所述的一种产生氢气的装置，其特征在于，所述的可选择性透过气的材料显著地只允许气通过，不允许液态水通过，包括多孔的聚四氟乙烯(PTFE)膜。
8.根据权利要求1所述的一种产生氢气的装置，其特征在于，所述的水源为外界空气中的水分。
9.根据权利要求1所述的一种产生氢气的装置，其特征在于，所述的水源为至少一层含有水的多孔材料，包括含水海绵。
10.一种利用权利要求1所述的装置产生氢气的方法，其特征在于，该方法包括a)制备至少一种氢化物和至少一种催化剂粉末或颗粒状的混合物，b)利用可选择性透过水气的面把上述混合物和水源隔离，c)让水气从水源侧通过可选择性透过水气的面渗透到氢化物这一侧，产生化学反应，d)从燃料容器中收集氢气，e)其中可选择性透过水气的面由至少一层可选择性透过水的材料和至少一层可选择性透过气的材料组成。
11.根据权利要求10所述的一种产生氢气的方法，其特征在于，所述的方法还包括了通过控制水气的渗透率来控制氢气的产生速度，其中水气的渗透率的控制是由调节可选择性透过水的材料的厚度和可选择性透过气的材料的厚度和孔隙率实现的。
12.根据权利要求10所述的一种产生氢气的方法，其特征在于，所述的方法中可选择性透过水的材料显著地只允许水气通过，不允许包括H2、O2、N2、CO2的气体通过。
13.根据权利要求10所述的一种产生氢气的方法，其特征在于，所述的方法中可选择性透过气的材料显著地只允许气通过，不允许液态水通过，包括多孔的聚四氟乙烯(PTFE)膜。
14.根据权利要求10所述的一种产生氢气的方法，其特征在于，所述的方法还进一步包括了通过密封燃料容器使装置停止产生氢气。
全文摘要
本发明涉及一种产生氢气的装置及方法，本发明氢气的产生是基于水气与干燥的氢化物和催化剂的混合物接触反应，这个干燥的混合物是存放在水气选择性通透的燃料容器内，而且来自水源渗透进容器的水气是可以调节速率的，水气选择通透的燃料容器可以透过水气，而不能透过液态水、H
文档编号C01B3/06GK1958438SQ200510030909
公开日2007年5月9日 申请日期2005年10月31日 优先权日2005年10月31日
发明者顾志军 申请人:上海清能燃料电池技术有限公司