CN101851540A - 具有高分子基材的固态氢燃料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有高分子基材的固态氢燃料及其制造方法。上述具有高分子基材的固态氢燃料包括一高分子基材，以及一固态化学氢化物和一固态催化剂的粉碎混合体，均匀分散于该高分子基材中。上述制造方法包括将固态化学氢化物和固态催化剂制入破碎混合机内进行粉碎及混合，以及在上述混合物中加入高分子基材后，进行混合后制成可塑性固态氢燃料。将可塑性固态氢燃料柔捏成各种几何造型与外观结构后，置入适当的盛装容器中；以及在盛装容器加入适当的液体后即可产生氢气。

Description

具有高分子基材的固态氢燃料及其制造方法

技术领域

本发明是有关于一种固态氢燃料，特别有关于一种具有高分子基材的可塑性固态氢燃料及其制造方法。

背景技术

可挠式电子材料(Flexible Electronics)通过软性或可弯曲的材料，使得其应用的产品具备轻、薄、且不易碎等特性，并且使得电子产品的应用从笨重的固态形象，进入轻、薄、可携的全新领域。

公知技术的燃料电池是在电解质离子交换膜两侧分别供应含氢燃料及含氧空气，经过氧化还原之后，形成电流回路，用以提供组件所需的电源。这类燃料电池通常具有庞大的结构，使得其适用的产品局限于较大型设备中，例如发电厂、汽车、汽电共生、潜水艇、宇宙飞船等。

然而，对于许多可携式电子产品的电力需求而言，例如可携式计算机、随身听、相机、随身听等各种数字装置，都需要一种便宜、长时效供电、体积小、重量轻、且可以设用于各种环境的电池。虽然部分公知的燃料电池具有经济而长效的特点，但受到常用结构的限制，使得其能无法广泛地使用于各类产品上。所以，燃料电池朝向可挠式设计将是未来的趋势。

中国台湾专利第I229471号公开一种可挠式燃料电池，其主要是针对燃料电池进行可挠式设计，并非针对固态氢燃料做可塑性设计，应注意的是，其氢燃料供给单元为甲醇燃料或其它可解离氢离子的燃料。

此外，若燃料电池要能广泛应用，尚需克服另一个难题，亦即氢燃料供应问题，氢燃料的供应除了要满足便宜、方便、体积小、重量轻、供氢速率稳定的条件，且要满足能搭配可塑性燃料电池的造型条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高分子基材的固态氢燃料及其制造方法。

为实现上述目的，本发明提供的具有高分子基材的固态氢燃料，包括：一高分子基材；以及一固态化学氢化物和一固态催化剂的粉碎混合体，均匀分散于该高分子基材中。

本发明提供的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，包括：

将固态化学氢化物和固态催化剂制入破碎混合机内进行粉碎及混合；以及在上述混合物中加入高分子基材后，进行混合后制成可塑性固态氢燃料。再者，可进一步将可塑性固态氢燃料柔捏成各种几何造型与外观结构后，置入适当的盛装容器中；以及在盛装容器加入一适当的液体后，产生高且稳定的放氢速率。

附图说明

图1是显示根据本发明实施例的催化剂制备方法的制造流程图；

图2是显示根据本发明实施例的可塑性固态氢燃料的制备方法的制造流程图；

图3是显示根据本发明实施例的高分子基材添加量与对应的放氢速率关系图；

图4是显示根据本发明实施例的催化剂的添加量与对应的放氢速率关系图；以及

图5是显示根据本发明实施例的燃料的表面积与对应的放氢速率关系图。

附图中主要组件符号说明

S110-S150～固态催化剂的制程步骤；

S210-S250～固态氢燃料的制程步骤。

具体实施方式

为使本发明能更明显易懂，以下特举实施例并配合附图作详细说明。

以下以各实施例详细说明并伴随着附图说明的范例，做为本发明的参考依据。在附图或说明书描述中，相似或相同的部分皆使用相同的图号。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各组件的部分将以分别描述说明，值得注意的是，图中未绘示或描述的组件，为本领域技术人员所知的形式，另外，特定的实施例仅为揭示本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。

本发明的实施例提供一种可塑性固态氢燃料，能制成各种几何造型与外观结构，并可兼容于各种用途所需的可挠式燃料电池。此可塑性固态氢燃料于加水后即可产生稳定的供氢速率。再者，使用结束后，消费者可选择抛弃或回收补充固态燃料。例如，以2W手机燃料电池充电器所需氢燃料为例，其放氢速率需稳定维持在24ml/min。

根据本发明的一实施例，一种可塑性固态氢燃料包括一个以上的燃料供给单元。各个燃料单元是由高分子基材、催化剂以及固体化学氢化物所构成，并可以构成各种几何造型的可塑性固态氢燃料结构，能产生稳定的供氢速率。

于一实施例中，一种具有高分子基材的固态氢燃料，包括：一高分子基材；以及一固态化学氢化物和一固态催化剂的粉碎混合体，均匀分散于该高分子基材中。该高分子基材包含一疏水性高分子弹性体。于一特定的范例中，该疏水性高分子弹性体包括一硅胶、一橡胶或一硅橡胶。使用硅橡胶的理由为其具有特殊的疏水表面性能，因而对很多材料不粘，具有防粘隔离作用。硅橡胶耐热性好，可在260℃以下长期工作，短期使用温度可达300℃，且低温性能好，玻璃化温度为(-123±5)℃，故使用温度范围可为-100℃～260℃，因此硅橡胶的适用温度广。再者，硅橡胶是气体通过性最大的弹性体，对气体的渗透率是天然橡胶的25倍，更是丁基橡胶的428倍。此外，硅橡胶为无毒性，环境亲合力高。

该固态化学氢化物包括一含碱金属的氢硼化物、一碱金属氢化物、一金属氢硼化物和一金属氢化物。该固态化学氢化物的含量范围大抵为30％～70％。于另一实施例中，该固态化学氢化物包括硼氢化钠(NaBH₄，简称NBH)、氢化钠(NaH)、锂氢硼化物(LiBH₄)、氢化锂(LiH)、氢化钙(CaH₂)、钙氢硼化物(Ca(BH₄)₂)、镁氢硼化物(MgBH₄)、硼氢化钾(KBH₄)和硼氢化铝(Al(BH₄)₃)。另择一地，该固态化学氢化物为具有实验式B_xN_yH_z的化合物，其中该具有实验式B_xN_yH_z的化合物包括氨硼烷(H₃BNH₃)、二氨乙硼烷，H₂B(NH₃)₂BH₄、聚-(氨基硼烷)、环硼氮烷(B₃N₃H₆)、吗硼烷、硼烷-四氢呋喃复合物和乙硼烷。

该固态催化剂包括固态酸、含钌、钴、镍、铜、铁的盐类或利用其离子所制成的固态催化剂。该固态催化剂的含量范围大抵为0％～25％。

应注意的是，上述催化剂制备方法为一简单快速且低成本的制程，其制造流程图如图1所示。于本实施例中，采用强酸型的离子交换树脂做为一支撑体，并由和金属离子产生离子交换将金属离子螯合到该树脂表面，直接干燥做成催化剂。例如，配制欲螯合的金属(如钌、钴、镍、铜、铁)盐类水溶液(步骤S110)，并加入定量的强酸型阳离子交换树脂(步骤S120)，接着在室温下以50rpm低速搅拌30分钟(步骤S130)，将树脂取出并用去离子水清洗树脂表面(步骤S 140)，接着在120℃下干燥(步骤S 150)，完成固态催化剂的制作。

根据本发明另一实施例，一种制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，包括将固态化学氢化物(例如NaBH₄，步骤S210)和固态催化剂(例如Co²⁺/IR-120，步骤S220)置入破碎混合机(例如高能球磨机，步骤S230)内进行粉碎及混合，以及在上述混合物中加入疏水性高分子弹性基材(步骤S240)后，进行混合后制成可塑性固态氢燃料(步骤S250)。再者，可选择性地将可塑性固态氢燃料揉捏成各种几何造型与外观结构后，置入适当的盛装容器中，以及在盛装容器加入适当的液体后即可稳定地产生高的放氢速率。

图2显示根据本发明实施例的可塑性固态氢燃料的制备方法的制造流程图。首先，将固体化学氢化物和上述固体催化剂进行球磨。于球磨过程中，不仅可以将固态化学氢化物和固态催化剂混合均匀，亦可将其粉碎微小化。待球磨结束后，加入适量的高分子基材再进行球磨混合，混合完成后取出，此固态氢燃料即具有可挠的特性，可任意构成各种几何造型与外观结构。以此方法制成的可塑性固态氢燃料，直接加入适当的液体即可产生稳定的放氢速率，该适当的液体包括水或由水所形成的水溶液。

该破碎混合机包含一颚型破碎机(Jaw Crusher)、一偏心破碎机(Gyratory Crusher)、一细破碎机有锥形破碎机(Cone Crusher)、一转轮破碎机(Rolls Crusher)、一冲击破碎机(Impact Crusher)、一剪断破碎机、一复合切断式破碎机、一球磨机(Ball Mill)、一棒磨机(Rod Mill)、以及一振动磨机(Vibration Mill)。

于一范例中，可由调整高分子基材添加量而控制控制不同的放氢速率，其中高分子基材添加量与对应的放氢速率关系图如图3所示。再者，亦可由调整催化剂的添加量而控制不同的放氢速率，其中催化剂的添加量与对应的放氢速率关系图如图4所示。更有甚者，还可由调整燃料的表面积达到控制不同的放氢速率，其中。燃料的表面积与对应的放氢速率关系图如图5所示。有鉴于此，于本发明实施例中，可塑性固态氢燃料可藉由硅橡胶、催化剂添加量和粒径大小，以达到调控不同的放氢速率。

于一比较例中，以3克的NaBH₄、0.6克的Co²⁺/IR-120、和2.5克的硅橡胶(silicone rubber)为例，其放氢速率可稳定维持在25ml/min达2小时以上，足以满足2W手机燃料电池充电器所需的电量。

因此，本发明实施例提供的可塑性固态氢燃料，可使用塑料容器盛装，不仅价格便宜、体积小、重量轻、供氢速率稳定，且消费者只需加水即可使用，使用结束后，消费者可选择抛弃或回收补充固态燃料。

本发明虽以较佳实施例描述如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以申请的权利要求范围所界定的内容为准。

Claims (23)

1.一种具有高分子基材的固态氢燃料，包括：

一高分子基材；以及

一固态化学氢化物和一固态催化剂的粉碎混合体，均匀分散于该高分子基材中。

2.如权利要求1所述的具有高分子基材的固态氢燃料，其中，该高分子基材包含一疏水性高分子弹性体。

3.如权利要求2所述的具有高分子基材的固态氢燃料，其中，该疏水性高分子弹性体包括一硅胶、一橡胶或一硅橡胶。

4.如权利要求1所述的具有高分子基材的固态氢燃料，其中，该固态化学氢化物包括一含碱金属的氢硼化物、一碱金属氢化物、一金属氢硼化物和一金属氢化物。

5.如权利要求1所述的具有高分子基材的固态氢燃料，其中，该固态化学氢化物包括硼氢化钠、氢化钠、锂氢硼化物、氢化锂、氢化钙、钙氢硼化物、镁氢硼化物、硼氢化钾和硼氢化铝。

6.如权利要求1所述的具有高分子基材的固态氢燃料，其中，该固态化学氢化物为具有实验式B_xN_yH_z的化合物。

7.如权利要求6所述的具有高分子基材的固态氢燃料，其中，该具有实验式B_xN_yH_z的化合物包括氨硼烷、二氨乙硼烷，H₂B(NH₃)₂BH₄、聚-(氨基硼烷)、环硼氮烷、吗硼烷、硼烷-四氢呋喃复合物和乙硼烷。

8.如权利要求1所述的具有高分子基材的固态氢燃料，其中，该固态化学氢化物的含量范围约为30％～70％。

9.如权利要求1所述的具有高分子基材的固态氢燃料，其中，该固态催化剂包括固态酸、含钌、钴、镍、铜、铁的盐类或利用其离子所制成的固态催化剂。

10.如权利要求1所述的具有高分子基材的固态氢燃料，其中，该固态催化剂的含量范围约为0％～25％。

11.一种制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，包括：

将固态化学氢化物和固态催化剂置入一破碎混合机内进行粉碎及混合；以及

在上述混合物中加入高分子基材后，进行混合后制成可塑性固态氢燃料。

12.如权利要求11所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，包括：

将可塑性固态氢燃料揉捏成各种几何造型与外观结构后，置入适当的盛装容器中；以及

在盛装容器加入一适当的液体后，即可产生氢气。

13.如权利要求11所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，其中，该高分子基材包含一疏水性高分子弹性体。

14.如权利要求13所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，其中，该疏水性高分子弹性体包括一硅胶、一橡胶或一硅橡胶。

15.如权利要求11所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，其中，该固态化学氢化物包括一含碱金属的氢硼化物、一碱金属氢化物、一金属氢硼化物和一金属氢化物。

16.如权利要求11所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，其中，该固态化学氢化物包括硼氢化钠、氢化钠、锂氢硼化物、氢化锂、氢化钙、钙氢硼化物、镁氢硼化物、硼氢化钾和硼氢化铝。

17.如权利要求11所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，其中，该固态化学氢化物为具有实验式B_xN_yH_z的化合物。

18.如权利要求17所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，其中，该具有实验式B_xN_yH_z的化合物包括氨硼烷、二氨乙硼烷，H₂B(NH₃)₂BH₄、聚-(氨基硼烷)、环硼氮烷、吗硼烷、硼烷-四氢呋喃复合物和乙硼烷。

19.如权利要求11所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，其中，该固态化学氢化物的含量范围约为30％～70％。

20.如权利要求11所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，其中，该固态催化剂包括固态酸、含钌、钴、镍、铜、铁的盐类或利用其离子所制成的固态催化剂。

21.如权利要求11所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，其中该固态催化剂的含量范围约为0％～25％。

22.如权利要求11所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，其中，该破碎混合机包含一颚型破碎机、一偏心破碎机、一细破碎机有锥形破碎机、一转轮破碎机、一冲击破碎机、一剪断破碎机、一复合切断式破碎机、一球磨机、一棒磨机、以及一振动磨机。

23.如权利要求12所述的制造具有高分子基材的固态氢燃料的方法，其中，该适当的液体包括水或由水所形成的水溶液。

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