CN103456975B - 水催化产氢发电的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水催化产氢发电的方法，包括以下步骤：（1）将水加热使其产生水蒸汽；（2）将步骤（1）产生的水蒸汽通过负离子粉，所述负离子粉电解所述水蒸气产生氢气；（3）将步骤（2）中产生的氢气送往燃料电池或燃氢发电机发电；其中，步骤（2）中所述的负离子粉中加入有金属催化剂。所述方法在负离子粉中加入金属催化剂，可将通过的水或水蒸气电解产生负离子和氢气，产生的氢气用于燃料电池或燃氢发电机的发电。所述方法简化了产氢过程，有效降低了氢气制备的成本。另外，本发明还公开一种实现所述发电方法的水催化产氢发电设备，可快速制备大量用于燃料电池发电的氢气，有利于燃料电池或燃氢发电机的普遍广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种对燃料电池发电的方法以及实现该方法的设备，尤其是一种利用水催化产氢对燃料电池发电的方法以及实现该方法的发电设备。
背景技术
燃料电池是很有发展前途的新的动力电源，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧气作为正极。燃料电池的活性物质（燃料和氧化剂）是在反应的同时源源不断地输入的，因此，这类电池实际上是一个能量转换装置。这类电池具有转换效率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电灯优点，广泛应用于飞机、汽车、飞船、潜艇、军事、电视中转站、灯塔等各个领域。
燃料电池是利用水的电解的逆反应的“发电机”，它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。最初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，现在正发展为直接使用固体的电解质。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气，起作用的成分为氧气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子沿外部电路移向正极，用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水，这正是水的电解反应（电能+2H2O→2H2+O2）的逆过程（2H2+O2→2H2O+电能）。利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，所以也可称它为一种“发电机”。
氢氧燃料电池是以氢气作燃料，氧气作氧化剂，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池。氢氧燃料电池工作时，向氢电极供应氢气，同时向氧电极供应氧气。氢、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水。这时，在氢电极上有多余的电子而带负电，在氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。燃料电池的正常运转，需要持续供应氢和氧。
现有燃料电池的成本较高，系统比较复杂，其用途得到了大大的限制。究其原因，主要是氢气和氧气的制备装置复杂，难以实现，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种易于实现、成本较低的水催化产氢发电的方法；同时，本发明还提供一种实现所述发电方法的发电设备，所述发电设备结构简单，同时有效降低了氢气制备的成本。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种水催化产氢发电的方法，
包括以下步骤：
（1）将水加热使其产生水蒸汽；
（2）将步骤（1）产生的水蒸汽通过负离子粉，所述负离子粉电解所述水
蒸气产生氢气；
（3）将步骤（2）中产生的氢气送往燃料电池或燃氢发电机发电；
其中，步骤（2）中所述的负离子粉中加入有金属催化剂。
负离子粉在金属催化剂的激励下，可以使空气中的水分子产生微弱的电解作用，产生负离子和氢气，其反应方程式为：4H2O+4e→2H3O2 -+H2。申请人选择在负离子粉中加入金属催化剂，当水加热后产生的水蒸气通过所述加入有金属催化剂的负离子粉时，水蒸气电解产生大量负离子和氢气，所产生的氢气可直接送往燃料电池进行发电。所述方法大大简化了产氢过程，使得氢气的产生易于实现，有效降低了氢气制备的成本。
作为本发明所述水催化产氢发电的方法的优选实施方式，所述步骤（3为：将步骤（2）中产生的氢气储存在储氢容器中，需要发电时，将氢气从储氢容器中排出并送往燃料电池发电。将产生的氢气先储存在储氢容器中，当需要发电时，再将储氢容器中的氢气排出并送往燃料电池或燃氢发电机发电。与直接将产生的氢气送往燃料电池或燃氢发电机发电相比，当产生的氢气较多时，此种方法可将多余的氢气暂时储存在容器中，避免了氢气的浪费，同时使燃料电池或燃氢发电机的发电更加灵活。
作为本发明所述水催化产氢发电的方法的优选实施方式，所述步骤（3）中的储氢容器采用活性碳罐或纳米碳管吸附器。选择活性碳罐或纳米碳管吸附器储存氢气，当需要发电时，对活性碳罐或纳米碳管吸附器加热，使氢气排出并送往燃料电池或燃氢发电机发电，不仅氢气的储存较方便，而且当需要发电时，氢气从所述容器中的释放也较简单。
作为本发明所述水催化产氢发电的方法的优选实施方式，所述步骤（2）中负离子粉中加入的金属催化剂为钴、镍、铂和钼中的至少一种。所述催化剂可以为一种，也可以为多种的混合物。
作为本发明所述水催化产氢发电的方法的优选实施方式，所述步骤（2）中负离子粉中加入的金属催化剂为钴-镍催化剂或铂金-镍催化剂。当在负离子粉中加入的金属催化剂选择钴-镍混合物催化剂或铂金-镍的混合物催化剂时，水蒸气在负离子粉中的电解作用更加容易。
作为本发明所述水催化产氢发电的方法的优选实施方式，所述步骤（2）中的负离子粉为含有电气石的混合材料。
另外，本发明还提供一种实现上述所述发电方法的水催化产氢发电设备，包括：
用于储存水的储水容器；
与所述储水容器的上端连通、用于储存负离子粉和金属催化剂的电解容器；
与所述电解容器连通的燃料电池或燃氢发电机。
所述发电设备中，储水容器用于储存水，储水容器中的水通过加热生成水蒸气，由于储水容器的上端与电解容器连通，因此生成的水蒸气通过储水容器的上端进入到所述电解容器中，水蒸气在电解容器中负离子粉和金属催化剂的共同作用下，发生电解，产生负离子和氢气，产生的氢气被送往与电解容器连通的燃料电池或燃氢发电机进行发电。
作为本发明所述水催化产氢发电设备的优选实施方式，所述电解容器与燃料电池之间还设有储氢容器，所述电解容器的上端与所述储氢容器连通，所述储氢容器与所述燃料电池或燃氢发电机连通。在电解容器和燃料电池之间设置储氢容器，电解容器中电解产生的氢气，首先进入到与所述电解容器上端连通的储氢容器中，并在储氢容器中进行储存。当需要对燃料电池或燃氢发电机发电时，将储存在储氢容器中的氢气从储氢容器中排出，并送往与所述储氢容器连通的燃料电池或燃氢发电机中，实现燃料电池或燃氢发电机的发电。
作为本发明所述水催化产氢发电设备的优选实施方式，所述储水容器和储氢容器的下端均设有加热装置。所述加热装置分别对储水容器和储氢容器进行加热，使储水容器中的水加热生成水蒸气进入电解容器电解；而储氢容器在加热装置的作用下，将储存在储氢容器中的氢气释放排出，进入与储氢容器连通的燃料电池或燃氢发电机中发电。所述加热装置可选用工业废热或太阳能或地热，利用工业废热、太阳能和电热对所述储水容器和储氢容器加热，合理的优化了资源的利用，有效减少了资源浪费。
作为本发明所述水催化产氢发电设备的优选实施方式，所述储氢容器为活性碳罐或纳米碳管吸附器。所述储氢容器选择活性碳罐或纳米碳管吸附器时，氢气的储存更加稳定方便，同时，需要发电时，对储氢容器进行加热，氢气的释放排出也更加容易。
本发明所述水催化产氢发电的方法，通过在负离子粉中加入金属催化剂，可快速将通过的水或水蒸气进行电解，产生负离子和氢气，使得氢气的制备方便容易，有效降低了氢气制备的成本。本发明所述水催化产氢发电设备，结构简单，可方便快速产生用于对燃料电池或燃氢发电机发电的氢气，有效降低燃料电池的成本，有利于燃料电池的普遍广泛应用。
附图说明
图1为本发明所述水催化产氢发电设备的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
一种水催化产氢发电的方法，包括以下步骤：
（1）将水加热使其产生水蒸汽；
（2）将步骤（1）产生的水蒸汽通过负离子粉，所述负离子粉电解所述水蒸气产生氢气；
（3）将步骤（2）中产生的氢气送往燃料电池或燃氢发电机发电；
其中，步骤（2）中所述的负离子粉中加入有金属催化剂。
负离子粉在金属催化剂的激励下，可以使空气中的水分子产生微弱的电解作用，产生负离子和氢气，其反应方程式为：4H2O+4e→2H3O2 -+H2。申请人选择在负离子粉中加入金属催化剂，当水加热后产生的水蒸气通过所述加入有金属催化剂的负离子粉时，水蒸气电解产生负离子和氢气。所产生的氢气可直接送往燃料电池或燃氢发电机，氢气与氧气发生逆电解反应，2H2+O2→2H2O+电能，产生电能。所述方法大大简化了产氢过程，使得氢气的产生易于实现，有效降低了氢气制备的成本。
较佳地，所述步骤（3为：将步骤（2）中产生的氢气储存在储氢容器中，需要发电时，将氢气从储氢容器中排出并送往燃料电池或燃氢发电机发电。将产生的氢气先储存在储氢容器中，当需要发电时，再将储氢容器中的氢气排出并送往燃料电池或燃氢发电机发电。与直接将产生的氢气送往燃料电池或燃氢发电机发电相比，当产生的氢气较多时，此种方法可将多余的氢气暂时储存在储氢容器中，避免了氢气的浪费，同时使燃料电池或燃氢发电机的发电更加灵活。
较佳地，所述步骤（3）中储氢容器采用活性碳罐或纳米碳管吸附器。选择活性碳罐或纳米碳管吸附器储存氢气，当需要发电时，对活性碳罐或纳米碳管吸附器加热，使氢气排出并送往燃料电池或燃氢发电机发电，不仅氢气的储存较方便，而且当需要发电时，氢气从所述储氢容器中的释放也较简单。
较佳地，所述步骤（2）中负离子粉中加入的金属催化剂为钴、镍、铂和钼中的至少一种。所述催化剂可以为一种，也可以为多种的混合物。更佳地，所述步骤（2）中负离子粉中加入的金属催化剂为钴-镍催化剂或铂金-镍催化剂。当在负离子粉中加入的金属催化剂选择钴-镍混合物催化剂或铂金-镍的混合物催化剂时，水蒸气在负离子粉中的电解作用更加容易。
较佳地，所述步骤（2）中的负离子粉为含有电气石的混合材料。
本发明的一种实现上述所述发电方法的水催化产氢发电设备，如附图1所示，包括：用于储存水的储水容器10；与所述储水容器10的上端连通、用于储存负离子粉和金属催化剂的电解容器20；与所述电解容器20连通的燃料电池30或燃氢发电机（图中未画出）。
所述发电设备中，储水容器10用于储存水，储水容器10中的水通过加热生成水蒸气，由于储水容器10的上端与电解容器20连通，因此生成的水蒸气通过储水容器10的上端进入到所述电解容器20中，水蒸气在电解容器20中负离子粉和金属催化剂的共同作用下，发生电解，产生负离子和氢气，产生的氢气被送往与电解容器20连通的燃料电池30或燃氢发电机进行发电。
较佳地，如附图1所示，所述电解容器20与燃料电池30或燃氢发电机之间还设有储氢容器40，所述电解容器20的上端与所述储氢容器40连通，所述储氢容器40与所述燃料电池30或燃氢发电机连通。在电解容器20和燃料电池30或燃氢发电机之间设置储氢容器40，电解容器20中电解产生的氢气，首先进入到与所述电解容器20上端连通的储氢容器40中，并在储氢容器40中进行储存。当需要对燃料电池30或燃氢发电机发电时，将储存在储氢容器40中的氢气从储氢容器40中排出，并送往与所述储氢容器40连通的燃料电池30或燃氢发电机中，实现燃料电池30或燃氢发电机的发电。
较佳地，所述储水容器10和储氢容器40的下端均设有加热装置（12、42）。所述加热装置（12、42）分别对储水容器10和储氢容器40进行加热，使储水容器10中的水加热生成水蒸气进入电解容器20电解；而储氢容器40在加热装置42的作用下，将储存在储氢容器40中的氢气释放排出，进入与储氢容器40连通的燃料电池30或燃氢发电机中发电。更佳地，所述加热装置（12、42）选用工业废热或太阳能或地热，选用上述能源对所述储水容器10和储氢容器40加热，实现利用工业废热、太阳能和地热发电，合理的优化了资源的利用，有效减少了资源浪费。
较佳地，所述储氢容器40为活性碳罐或纳米碳管吸附器。所述储氢容器40选择活性碳罐或纳米碳管吸附器时，氢气的储存更加稳定方便，同时，需要发电时，对储氢容器40进行加热，氢气的释放排出也更加容易。
以上所述仅是本发明的优选实施方式而非对本发明保护范围的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以对本发明技术方案进行修改或等同替换，这些修改或等同替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种水催化产氢发电的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将水加热使其产生水蒸汽；
（2）将步骤（1）产生的水蒸汽通过负离子粉，所述负离子粉电解所述水蒸气产生氢气；
（3）将步骤（2）中产生的氢气送往燃料电池或燃氢发电机发电；
其中，步骤（2）中所述的负离子粉中加入有金属催化剂;
所述步骤（2）中负离子粉中加入的金属催化剂为钴-镍催化剂或铂金-镍催化剂;
所述步骤（3）为：将步骤（2）中产生的氢气储存在储氢容器中，需要发电时，将氢气从储氢容器中排出并送往燃料电池或燃氢发电机发电;
所述步骤（3）中的储氢容器采用活性碳罐或纳米碳管填料吸附器。
2.如权利要求1所述的水催化产氢发电的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的负离子粉为含有电气石的混合材料。
3.一种实现如权利要求1所述发电方法的水催化产氢发电设备，其特征在于，包括：
用于储存水的储水容器；
与所述储水容器的上端连通、用于储存负离子粉和金属催化剂的电解容器；
与所述电解容器连通的燃料电池或燃氢发电机;
所述电解容器与燃料电池之间还设有储氢容器，所述电解容器的上端与所述储氢容器连通，所述储氢容器与所述燃料电池或燃氢发电机连通;
所述储氢容器为活性碳罐或纳米碳管填料吸附器。
4.如权利要求3所述的水催化产氢发电设备，其特征在于，所述储水容器和储氢容器的下端均设有加热装置。
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