产生氢气的方法、产生氢气的装置和能量转换系统制造方法及图纸

本发明专利技术披露了产生氢气的方法、由此产生氢气的装置和能量转换系统，该方法即使在没有催化剂的情况下也能提高产生氢气的效率，并且在反复和长期使用中可以增加可靠性。本发明专利技术提供了由具有通式α↓［ｚ（１－ｘ）］β↓［ｚｘ］［ＢＨ↓［ｙ］］（其中，α和β各自代表一种选自元素周期表１Ａ、２Ａ和２Ｂ族的元素；３＜ｙ＜６；０≤ｘ≤１和０＜ｚ＜３）的金属氢化物、水和ｐＨ值低于该金属氢化物的水溶液的ｐＨ值的另一种液体构成的混合物体系，并分解所述金属氢化物。所述制备氢气的装置包括：用于贮存氢化物水溶液的第一贮存器（２）、用于贮存ｐＨ值低于上述水溶液的ｐＨ值的另一种液体的第二贮存器（３）和用于将所述水溶液和其它液体混合以借此产生氢气的反应器（４）。通过能量转化装置将如此获得的氢气转化为电化学能。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
产生氢气的方法、产生氢气的装置和能量转换系统
本专利技术涉及产生氢气的方法、产生氢气的装置和能量转换系统。
技术介绍
自工业革命以来，矿物燃料(fossil fuels)如汽油和轻油等已经广泛地用作交通工具、发电和其它许多工业分支中的能源。矿物燃料的使用对工业的发展有着极大的贡献，而这反过来又提高了人类的生活标准。另一方面，地球正面临着严重的环境破坏问题。此外，对矿物燃料的长期稳定供给存在着普遍怀疑。在这些情况下，作为即将取代矿物燃料的清洁能源，氢燃料正受到关注。这是因为氢燃料燃烧后只排放出水。致力于开发能够有效储存和释放(evolution)氢气以及容易运输的新材料已经得到了相当多的关注。最近已经报道在催化剂金属，如Ti和Zr的存在下，NaAlH4在约150℃下经历可逆的氢化和脱氢，如下所示。(Journal of Alloys and Compounds，253-254(1997)，1-9；和专利申请特开平11-510133的PCT国际公开的公开日文翻译)NaAlH41/3Na3AlH6+2/3Al+H2  (3.7wt％)             ..(1)不幸的是，上式(1)表示的NaAlH4的氢化和脱氢的反应速率随着温度降低而快速下降。换句话说，NaAlH4在低于100℃的温度下并没有起到实用的氢吸留剂(hydrogen occludent)的作用。上式(1)表示的反应是借助于催化剂加速的，并且释放的理论氢气量是3.7wt％。然而，可使用的实际氢气量为约3wt％，这并不令人满意。另一方面，已经提出了通过金属氢化物(例如NaH和MgH2)和水之间的直接反应来产生大量氢气的方法。(该反应是不可逆的)。这样产生氢气需要-->大量的劳力和安全成本，这是因为该反应太剧烈以至于很难适当控制。已经提出具有可控制性和安全性的、回避这些问题的方法。该方法通过在碱性水溶液中稳定氢化物(例如NaBH4和KBH4)，并将其与催化金属接触，而使其在常压和常温下释放出氢气。(日本专利申请公开2002-19401和国际申请公开01/51410)。根据该方法，在催化剂与水溶液接触的任何时候，可以根据需要产生大量的氢气。在该方法中也涉及到根据下式(3)从水中产生氢气的反应。     ..(3)不幸的是，通过分解BH4-和水分子而产生氢气包括快速容积变化，该变化产生剥离催化剂的冲击波(shock wave)。为了防止冲击波，应当以特定的方式支撑催化剂。支撑催化剂的合适方式对所需的高反应速率也是很重要的，但也是困难的和昂贵的。产生氢气的反应只在液体燃料与固体催化剂接触的界面上进行。因此，反应速率是由催化剂的有效比表面积决定的。即使上述催化剂支撑的问题得到解决并且建立了催化剂支撑的最佳方式，但是仍存在选择高活性催化剂的问题。此外，预期为了得到每单位时间的最大氢气产量，应当预先以略微过量的方式装填催化剂。当运行该系统产生少量氢气时，这种方式的操作浪费了大量的催化剂。对系统空间的有效利用来说是不理想的。催化剂和催化剂载体量的增加使得该系统体积和重量增加。此外，由于各种反应物，催化剂遭受中毒和失活。一些反应物机械覆盖在催化剂的表面，而其它一些反应物产生化学失活。然而，几乎不可能从液体燃料中完全除去这些反应物。这使得该系统在其重复和长期操作中不那么可靠。存在的另一个问题是，随着反应的进行，反应产生浓度不断增加的NaBO2(作为反应产物)并降低了反应效率。NaBO2不仅改变了溶液的化学性质并且当其浓度超过饱和度时在催化剂表面上析出，而且它在管内析出从而导致堵塞。上述反应系统的内在缺陷归因于溶液组成随反应进行而变化的事实。这限制了溶液初始组成的选择，并防碍连续使用理想组成的溶液。上述反应系统中涉及的另一问题是，从碱性水溶液中直接产生氢气，-->因此产生的氢气不可避免地被含有氢氧化钠等杂质的湿气(mist)所污染。这些污染物不仅限制了反应系统组成材料的选择，而且也劣化了反应系统的特性。为解决上述问题完成了本专利技术。本专利技术的目的是提供产生氢气的方法、产生氢气的装置和能量转换系统，它们如此设计，以便在没有固液界面的非均相催化反应的情况下运行，从而在没有催化剂的帮助下，极其有效地产生氢气，并在整个重复和长期操作中保持高的可靠性。
技术实现思路
本专利技术涉及产生氢气的方法，其包括：在由下式(1)表示的金属氢化物、水和pH值低于所述金属氢化物的水溶液的pH值的第二溶液构成的混合物中，分解所述金属氢化物，式(1)：αz(1-x)βzx[BHy](式中，α和β为相互不同的选自元素周期表1A、2A和2B族的元素；且x、y和z分别由0≤x≤1、3＜y＜6和0＜z＜3确定。)本专利技术也涉及产生氢气的装置，其包括：第一贮存器(贮存器)，用于贮存上式(1)表示的金属氢化物的水溶液；第二贮存器，用于贮存pH值低于所述金属氢化物的水溶液的pH值的第二溶液；以及反应器，用于将所述金属氢化物的水溶液和所述第二溶液混合在一起，从而产生氢气。本专利技术也涉及能量转换系统，其包括：产生氢气的装置和将从所述产生氢气的装置中产生的氢气转换为电化学能的能量转换装置，所述产生氢气的装置具有贮存上式(1)表示的金属氢化物的水溶液的第一贮存器；贮存pH值低于所述金属氢化物的水溶液的pH值的第二溶液的第二贮存器；以及将所述金属氢化物的水溶液和所述第二溶液混合在一起，从而产生氢气的反应器。根据本专利技术，在有所述的上式(1)表示的金属氢化物、水和pH值低于所述金属氢化物的水溶液的pH值的第二溶液构成的混合物中分解所述金属氢化物。这样方式的分解是发生在水溶液和第二溶液之间的均相液相反应。与固体催化剂和液体燃料之间的常规催化反应相比，该均相反应提供了更多的反应活性位。因此，它能有效地产生氢气。与常规催化剂辅助的反应不同的是，水溶液和第二溶液之间的均相反-->应是化学计量决定的。因此，只要根据理论反应方程式以恒定的比率供给金属氢化物的水溶液和第二溶液以及适当地切换供给阶段，就能在没有催化剂的帮助下，高度有效地产生氢气。此外，金属氢化物的水溶液和pH值低于所述水溶液的pH值的第二溶液之间的均相反应在没有催化剂的帮助下有效地产生氢气。这有助于提高重复和连续操作中的可靠性。附图说明图1是显示本专利技术实施方案的产生氢气的装置的一个实例的示意图。图2是显示本专利技术实施方案的产生氢气的装置的另一实例的示意图。图3是显示构成本专利技术实施方案的产生氢气的装置的贮存器的示意图。图4是显示本专利技术实施方案的产生氢气的装置的另一实例的示意图。图5A和5B分别是显示本专利技术实施方案的产生氢气的装置的另一实例的示意图。图6A-6D分别是显示构成本专利技术实施方案的产生氢气的装置的反应器的示意图。图7A和7B分别是显示本专利技术实施方案的产生氢气的装置的剖面示意图。图8是显示构成本专利技术实施方案的能量转换系统的燃料电池的剖面示意图。图9A-9C分别是显示构成本专利技术实施方案的能量转换系统的燃料电池的剖面示意图。图10是显示本专利技术实施例中产生的氢气量随时间的变化的图。图11是显示本专利技术实施例中产生的氢气量随时间的变化的图。具体实施方式在使用本专利技术产生氢气的方法的过程中，要求将上式(1)表示的金属氢化物的水溶液与pH值低于金属氢化物的水溶液的pH值的第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生氢气的方法，其包括：在由下式（１）表示的金属氢化物、水和ｐＨ值低于所述金属氢化物的水溶液的ｐＨ值的第二溶液构成的混合物中，分解所述金属氢化物，式（１）：α↓［ｚ（１－ｘ）］β↓［ｚｘ］［ＢＨ↓［ｙ］］式中，α和β为相 互不同的选自元素周期表１Ａ、２Ａ和２Ｂ族的元素；且ｘ、ｙ和ｚ分别由０≤ｘ≤１、３＜ｙ＜６和０＜ｚ＜３确定。

【技术特征摘要】
JP 2002-8-26 244890/20021.一种产生氢气的方法，其包括：在由下式(1)表示的金属氢化物、水和pH值低于所述金属氢化物的水溶液的pH值的第二溶液构成的混合物中，分解所述金属氢化物，式(1)：αz(1-x)βzx[BHy]式中，α和β为相互不同的选自元素周期表1A、2A和2B族的元素；且x、y和z分别由0≤x≤1、3＜y＜6和0＜z＜3确定。2.权利要求1的产生氢气的方法，其中α和β各自表示选自Li、Na、K、Mg、Ca和Zn的元素。3.权利要求1的产生氢气的方法，其中上式(1)表示的金属氢化物的水溶液与pH值低于所述金属氢化物的水溶液的pH值的第二水溶液结合。4.权利要求3的产生氢气的方法，其中金属氢化物的水溶液和第二水溶液以恒定的比率混合在一起用于连续反应。5.权利要求1的产生氢气的方法，其中金属氢化物的水溶液的pH值大于7，而第二水溶液的pH值小于7。6.权利要求1的产生氢气的方法，其中第二溶液是液态的酸或者酸的水溶液。7.权利要求6的产生氢气的方法，其中第二溶液是无机酸或有机酸的酸性水溶液。8.一种产生氢气的装置，其包括：用于贮存下式(1)表示的金属氢化物的水溶液的第一贮存器；用于贮存pH值低于所述金属氢化物的水溶液的pH值的第二溶液的第二贮存器；以及用于将所述金属氢化物的水溶液和所述第二溶液混合在一起从而产生氢气的反应器，式(1)：αz(1-x)βzx[BHy]式中，α和β为相互不同的选自元素周期表1A、2A和2B族的元素；且x、y和z分别由0≤x≤1、3＜y＜6和0＜z＜3确定。9.权利要求8的产生氢气的装置，其中α和β各自表示选自Li、Na、K、Mg、Ca和Zn的元素。10.权利要求8的产生氢气的装置，其中金属氢化物的水溶液的pH值大于7，而第二水溶液的pH值小于7。-->11.权利要求8的产生氢气的装置，其中第二溶液是液态的酸或者酸的水溶液。12.权利要求10的产生氢气的装置，其中第二溶液是无机酸或有机酸的酸性水溶液。13.权利要求8的产生氢气的装置，其中第一贮存器和第二贮存器各自与反应器连接。14.权利要求8的产生氢气的装置，其具有以下机构，通过该机构金属氢化物的水溶液和第二水溶液以恒定的比率混合在一起用于连续反应。15.权利要求8的产生氢气的装置，其中构造第一贮存器和第二贮存器，以使它们一直完全充有金属氢化物的水溶液和第二溶液。16.权利要求15的产生氢气的装置，其中第一贮存器具有由耐碱性的柔性材料制成的水溶液容器，以及第二贮存器具有由耐酸性的柔性材料制成的液体容器。17.权利要求16的产生氢气的装置，其中作为第一贮存器水溶液容器的内部容器安装在耐碱性的外部容器内，以及作为液体容器的内部容器安装在耐酸性的外部容器内。18.权利要求17的产生氢气的装置，其中第一贮存器的内部容器和外部容器之间的空间填充有与碱性水溶液反应时固化的物质，第二贮存器的内部容器和外部容器之间的空间填充有与酸性水溶液反应时固化的物质。19.权利要求13的产生氢气的装置，其具有放置在反应器和第一贮存器或第二贮存器或者两者之间的流量调节器。20.权利要求19的产生氢气的装置，其具有检测反应器的内部压力的压力传感器，以及根据压力传感器检测的值调节调节器的作用的控制器。21.权利要求8的产生氢气的装置，其中从反应器中排出氢气。22.权利要求8的产生氢气的装置，其中第一贮存器和第二贮存器各自具有保持内部压力低于预定值的安全阀。23.权利要求22的产生氢气的装置，其中安装第一贮存器的安全阀和第二贮存器的安全阀，以使气体压力施加在相互相反的方向上。24.权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：守冈宏之，山田淳夫，须藤业，猪俣浩二，户木田裕一，
申请(专利权)人：索尼株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]