CN102076603A - 用于氢气发生的胶体悬浮液 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种胶体悬浮液用于生产氢气的用途，所述胶体悬浮液含有2-60％的悬浮在中性疏水稀释剂中的碱金属颗粒，以及氢的生产方法。本发明还涉及一种生成氢的设备及其用途。

Description

用于氢气发生的胶体悬浮液
技术领域
本发明涉及一种组合物的用途，特别是用于氢气发生。
本发明还涉及一种从这种组合物生成氢气的发生装置以及该装置为燃料电池供氢的用途。
背景技术
石油储备的减少和和城市污染问题使得有必要开发比石油产品更不受约束和污染更少的新能源。
为此目的进行的诸多探索途径之一是使用一种燃料电池，其能够从氢和氧出发产生电力。
因为氢是清洁能源的载体，其与空气中的氧气一起燃烧释放出大量能量并只产生水。
然而，使用氢作为燃料总是面临生产和在使用前的储存的问题，尤其对于在车船上应用，这已经成为这种能量载体大规模发展的阻碍。
储氢是一个难于解决的技术问题。
最紧凑的、以液体形式的存储需要低温冷却到非常低的温度和适合汽车使用的达到非常绝热的储存器设计。
此外，几乎不可能长期存储少量的液态氢。目前，最好的储罐原型允许存储氢不到一个月的时间，因为氢气的损失是巨大的。
氢也能够以气态的形式存储。然而，由于氢的摩尔质量低，仅能以压缩的形式存储少量的氢，并且因为氢的分子体积小，由于孔隙度系统性地出现泄漏。因此，长期和安全地贮存气态氢是非常有限的。
我们还知道，可以可逆的方式在有吸附能力的结构中存储氢。这种存储方法使用具有或多或少提高了的与氢的亲和力的材料，具有很好的储存性能，但是仍需要对液态氢或气态进行处理。另一方面，在这些以氢化物的形式存储的系统需要安装加热装置用于氢的解吸。
因此，目前没有合适的用于存储氢的系统。
另一个减缓了将氢作为能源载体的开发的困难是获得氢的难度。
现有技术描述了几种生产氢的方法，如特别是通过电解水生成，通过将过热水蒸汽和碳的反应生成，烃裂解，例如甲醇或乙醇的醇重整，或还有通过水和碱金属或硼氢化物的反应生产。
然而，这些生产氢的方法需要复杂的设施和大量的能源，这使得通过已知方法生产氢难以被纳入一个便携式装置。
因此，与氢的储存和生产相关的各种制约目前阻碍了这种能源的大规模发展。
因而，存在一种对安全、高效地处理氢、适合移动应用的体系的需要。
发明内容
这就是本发明所解决的，本发明建议使用一种组合物，其能够通过化学反应在需要使用氢的时候生成氢，而无需存储氢。
特别地，本发明涉及一种用于生产氢的组合物，其为胶体悬浮液的形式，含有2至60％的悬浮在中性疏水稀释剂中的碱金属微粒。
本发明特别涉及从这种组合物开始生产氢的方法。本发明还涉及包含这种组合物的氢气生产装置以及该装置在所有需要氢的应用中的用途，例如用于给燃料电池或内燃机供氢。
“胶体悬浮液”是指多少具有粘性的液体组合物，其含有悬浮的尺寸微小的颗粒。
本发明现对照附图进行具体说明，其中，图1表示根据本发明的生产氢的装置的示意图。
根据本发明用于生产氢的组合物含有2-60％的、悬浮在中性疏水稀释剂中的碱金属微粒。所述碱金属微粒在胶体悬浮液中的比例特别适合于氢气生产。优选，更适合的碱金属的浓度为5至40％。
碱金属可特别选自钠或锂。优选，根据本发明的胶体悬浮液含有金属钠微粒。
碱金属以直径非常微小的颗粒形式存在，甚至是纳米颗粒。根据一个特别适合的实施方案，颗粒尺寸小于15μm，优选0.1-1μm。
这些颗粒悬浮在中性疏水稀释剂中，例如选自植物油和矿物油有机聚合物。优选，碱金属颗粒悬浮在硅氧烷油中。
根据一个实施方案，组合物还含有脱水剂，以允许在胶体悬浮液中存在可能过早触发反应的微量水或者痕量的大气潮气。这种脱水剂通常是悬浮的矿物组合物，如二氧化硅或五氧化磷，或还可以是复杂的有机化合物，如沸石。
根据本发明的组合物可以例如通过包括以下步骤的方法制备：
-在高于97.5℃的温度、优选在120-150℃加热钠，得到具有所述温度的钠液态溶液，
-在相同的高于97.5℃的温度、优选在120-150℃加热疏水性稀释剂，得到具有所述温度的油溶液，
-在搅拌下，将所述钠液体溶液引入所述油溶液中，
-借助涡轮搅拌式胶体磨进行乳化，
-在高压下，将乳液注入冷却系统中或冷的疏水油溶液中，从而得到胶体钠颗粒。
有利地，疏水性稀释剂的存在使悬浮液保持在液体状态，在储存环境条件下无需特别的预防措施。稀释剂的疏水性防止了组合物与水的偶然局部接触，水会导致不希望的化学反应。
根据另一个优点，所述组合物略有粘性容易使用，在常温常压下稳定。因此，在常压下以液体的形式可以很容易操作和存储。
本发明的组合物可用于生产氢。
通过将根据本发明的碱金属胶体悬浮液与水溶液、水密切接触，优选纯水和去离子水，逐步与碱金属发生反应，生成氢气和碱氢氧化物水乳液，如氢氧化钠溶液。
进行的反应如下所示：
2M+2H2O→H2+2M++2HO-
M表示碱金属，优选钠或锂。
根据本发明的胶体悬浮液的疏水性和其被置于自然水存在的状态限制了所述反应的速率，因此限制了爆炸意外的危险。
为便于胶体钠与水之间的反应和接触，可在水溶液中引入至少一种乳化表面活性剂和/或有机溶剂。表面活性剂和/或有机溶剂可以进行油乳化，从而便于氢的生成反应。
表面活性剂可以选择任何合适的离子表面活性剂或阴离子表面活性剂。它可以是，例如山梨醇酯、聚氧乙烯、聚山梨酯或卵磷脂。
优选，表面活性剂含量为0.05-10％。
本发明的组合物可用于一个简单的氢气发生器设备，其中反应物的储存不受低温或高压热限制。
附图说明
图1显示了氢气发生设备10，特别包括：
-组合物13的储罐12，组合物13含有悬浮在中性疏水性稀释剂中的碱金属颗粒，
-水溶液15的储罐14，
-一个混合室16，向其中引入组合物13及和水溶液15，从中放出氢气17。混合室16，或反应器，可用不锈钢制成以便耐腐蚀和耐热，可以在内部设置一个耐高温陶瓷隔板。
具体实施方式
组合物13和水溶液15优选借助喷射体系在压力下注入混合室16，从而避免任何密封问题。
在混合室16中，反应时间的控制可以由自动调节的传感器和喷射器混合装置保证。
根据一个特别适合的实施方案，设备10还包括回收罐18，在混合室16中反应后回收疏水油和碱氢氧化物含水产物的乳液。该储罐18优选由在很高的pH下耐化学侵蚀的高分子材料或惰性复合物制成。
混合室16还可包括一个吸入并研磨氢氧化钠晶体的系统，氢氧化钠是由生产氢的反应生成的。
该设备是完全便携式体系，可为燃料电池供氢，用于例如电动汽车。事实上，在室16生成的氢可用作为气体氢供给燃料电池20，用于与氧气一起发电。
根据本发明的设备可用于向低功率或高功率内燃机提供气态氢，或向固定或移动氢配给站提供气态氢，或以环保的方式将氢按需提供使其拥有合适的电动续航时间。
有利地，本发明克服了大量储氢技术困难并且危险的问题。
根据另一个优点，组合物13以液体形式存在，允许借助简单的液体传送/计量泵送系统容易地操作。
在给燃料电池供氢的应用情况下，电池20产生的水可在与碱金属胶体悬浮液反应必须的水溶液15中重复使用。
根据本发明的设备还可包括一个换热器形式的热回收体系，用来通过斯特林发动机型设备或类似的设备产生机械力，或者，还可以通过热电偶设备直接转化为电能。
此外，碱金属和水的反应放热可在车船体系中被利用，其利用设备10以便为例如汽车车厢供暖，或通过吸收系统提供空调，或还可加热燃料电池使其转换效率在较高温度下更好。
最后，根据另一个优点，通过在根据本发明的组合物和含水溶液之间的反应生成的氢氧化物溶液可循环再生碱金属胶体悬浮液。

Claims (14)

1.胶体悬浮液用于生成氢气的用途，所述胶体悬浮液含有2-60％的悬浮在中性疏水稀释剂中的碱金属颗粒。
2.根据权利要求1的用途，其中所述胶体悬浮液中的碱金属是金属钠或金属锂。
3.根据权利要求1或2的用途，其中胶体悬浮液中所述碱金属颗粒的尺寸小于15μm。
4.根据前述权利要求任一项的用途，其特征在于胶体悬浮液中所述碱金属颗粒的尺寸在0.1-1μm之间。
5.根据前述权利要求任一项的用途，其特征在于胶体悬浮液的中性疏水稀释剂是选自植物油和矿物油的有机聚合物。
6.根据权利要求5的用途，其特征在于胶体悬浮液的中性疏水稀释剂是硅氧烷油。
7.根据前述权利要求任一项的用途，其特征在于胶体悬浮液含有脱水剂。
8.一种生产氢的方法，其特征在于包括将一胶体悬浮液与一水溶液接触从而产生气态氢和碱氢氧化物含水乳液，所述胶体悬浮液含有2-60％的悬浮在中性疏水稀释剂中的碱金属颗粒。
9.根据权利要求8的生产氢气的方法，其特征在于所述水溶液含有纯化的去离子水和乳化表面活性剂和/或有机溶剂。
10.根据权利要求9的生产氢气的方法，其特征在于乳化表面活性剂的含量在0.05-10％之间。
11.一种生产氢的装置(10)，包括
一个用于存储胶体悬浮液(13)的储罐(12)，所述胶体悬浮液含有悬浮在中性疏水稀释剂中的碱金属颗粒，
一个用于储存水溶液(15)的储罐(14)，
一个混合室(16)，向其中引入组合物(13)和水溶液(15)并由此放出氢气。
12.根据权利要求11的装置(10)，其特征在于它包括将组合物(13)和水溶液(15)注入混合室(16)的系统。
13.根据权利要求11或12的氢气发生装置(10)，其特征在于它包括一个回收在混合室(16)中反应后生成的疏水油和碱氢氧化物含水乳液的储罐(18)。
14.根据权利要求11、12或13的设备的用途，用于为燃料电池(20)、内燃机或按需供氢的固定或移动氢气配送站提供氢气。
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