CN1571695A - 由压力差驱动的、基于硼氢化物的发生器 - Google Patents
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Abstract
一种用于产生氢气的装置利用压力差来输送燃料和废弃燃料组分，而不需要电动燃料输送泵。
Description
发明领域
本发明涉及一种利用催化剂由燃料例如硼氢化物产生氢气的方法和装置。尤其是，本发明涉及一种燃料和方法，其中，燃料通过内部产生的压力差而传送给催化室，同时不需要专用电动泵送系统。
发明背景
氢气是“清洁燃料”，因为它可以在消耗氢气的装置(例如燃料电池或燃烧发动机)中与氧气反应，以便产生能量和水。实际上，在排气中不产生其它反应负产品。因此，使用氢气作为燃料能够有效解决与使用基于石油的燃料相关的各种环境问题。因此，对于可以使用氢气的各种用途，氢气的安全性和高效储存是必须的。特别是，在汽车用途中，减小氢气储存系统的容积、尺寸和复杂性是很重要的因素。
目前已经有各种储存氢气的方法，但是对于多种用户用途，这些方法并不充分或者并不实际。例如，氢气可以在非常低的温度下以液体形式储存。低温储存提供了70克氢气每升的容积密度，但是它还受到储存所需的储罐的重量的限制，这限制了它在用户用途中的使用。此外，在液化氢气时消耗的能量大约为可由生成的氢气获得的能量的60％。最后对于大部分用户用途，液态氢气并不安全或实用。
也可选择在高压下将氢气储存在气瓶中。不过，100磅的钢气瓶在大约2200psi下只能储存大约一磅的氢气，这只有氢气储存装置的重量的1％。具有专用压缩机的更昂贵和复杂的气瓶可以在大约4500psi的高压下储存氢气，以便获得大约4％重量的更佳储存比。尽管可以使压力更高，但是安全因素和获得这样的高压所消耗的大量能量都迫使人们寻找安全和高效的氢气储存技术。
已经开发了一种氢气产生技术，用于根据需要使用稳定的金属氢化物溶液和氢气产生催化系统来产生氢气。通常，这样的系统需要专门的泵送系统和电动力供给，以便使金属氢化物溶液进入氢气产生催化系统和除去废弃的反应物。
发明简介
因此，本发明的目的是提供一种氢气产生系统，它不需要通过外部电源操作的泵送系统。
本发明的另一目的是提供一种氢气产生系统，它不需要电力来操作。
本发明还有一目的是提供一种氢气产生系统，它可以用于通过减小作用在泵上的压力差负载而增大包含电动泵的氢气产生系统。
本发明的另一目的是提供一种氢气发电系统，它可以用于增大用作微电源的军用和小型静止氢气产生系统。
本发明的这些和其它目的通过提供一种用于产生氢气的装置来实现，该装置包括：催化剂室，该催化剂室有催化剂；燃料室，该燃料室包括反应物材料，该反应物材料在与催化剂接触时能够产生氢气；废弃燃料室，该废弃燃料室与催化剂室相连，用于接收废弃的反应物材料和氢气；导管，该导管在燃料室和废弃燃料室之间，它包括单向阀；以及出口导管，该出口导管与该单向阀相连。
本发明还提供了使用这样的装置来产生氢气的方法，其中，压力供给燃料室，以便使反应物材料传送给催化剂，并与该催化剂接触，从而产生氢气和废弃反应物材料。
附图的简要说明
图1是表示本发明的氢气产生系统的结构的视图；
图2是表示图1中的氢气产生系统的结构的示意图；
图3是表示本发明的氢气产生系统的示意图，其中，燃料容器包括活塞；
图4是表示本发明的氢气产生系统的示意图，其中，燃料容器包括柔性囊；
图5是表示根据本发明包括燃料泵的氢气产生系统的示意图；
图6是表示根据本发明包括燃料水平传感器的氢气产生系统的示意图；
图7是用于本发明的容积交换储罐的示意图；
图8A、8B和8C分别是表示根据本发明用于装燃料、废弃燃料或者燃料和废弃燃料的柔性囊装置的示意图；以及
图9A是表示用于本发明的、平行布置的多个储罐的视图，图9B是表示根据本发明可以分别选择使用的多个储罐的视图。
优选实施例的详细说明
本发明提供了用于产生氢气的装置，它不需要电动泵来使催化剂或反应物组分运动。相反，该新型装置利用内部产生的压力差来控制反应物向氢气产生催化剂的输送。
在图1所示的本发明实施例中，氢气产生装置包括硼氢化物燃料容器10，该硼氢化物燃料容器10通过燃料进口管路15与催化剂室20连接。通过硼氢化物燃料与催化剂反应，硼酸盐和氢气从催化剂室25的出口流入废弃燃料室30。通过使催化剂的位置远离燃料室，燃料和废弃燃料彼此分离，从而避免持续稀释燃料浓度。
废弃燃料室30通过有单向阀40的导管与燃料容器10连接，该单向阀40只允许氢气沿一个方向流动。氢气出口管路50将氢气输出该系统。传送压力/流量调节器55可以用于控制流向出口管路50的氢气。压力计60可以用于监测系统中的压力。设定压力调节器/释压阀100可以用于通过由旁通管路110将压力直接释放到出口管路50内，从而设置和保持系统的最大操作压力。作为安全措施，在设定压力调节器/释压阀100不能有效设置和保持系统内的压力时，手动压力释放出口管路70和手动压力释放安全阀80和90可以释放压力。燃料切断阀120可以停止燃料向催化剂室的输送。
通过下面的实例，可以更好地理解本发明，这些实例只是示例性的，并不意味着对本发明范围的限定。
实例1
图2表示了图1中的本发明装置的示意图。包括20％重量的NaBH4、3％重量的NaOH和77％重量的水的燃料溶液倒入燃料容器10中，使得该容器的大约一半充满该溶液。通过由具有调节器阀55(处于关闭位置)的管路135引入N2气体，向系统供给初始压力。应当知道，初始压力源并不局限于气体N2，例如，它可以选择为通过迫使少量燃料到催化剂上而生成的H2气体。压力计150的读数为15psi。燃料切断阀120打开，且如预期，没有观察到压力降。为了开始产生氢气，调节器阀55打开大约一半。如在水杯180中的气泡明显所示，气体开始流出该出口管路50。在开始产生气泡之后，很快发现燃料通过燃料进口管路190并经单向阀210而流入催化剂室20中。催化剂室的表面温度增加至大约60℃，硼酸盐和氢气流入废弃燃料容器220中。
在压力计150中观察的压力为大约16psi，并通过设定压力调节器/释压阀100释放到出口管路50。当在压力计150中的压力下降至大约15psi时，由于燃料容器10中的压力PF大于废弃燃料容器30中的压力PB，更多燃料从燃料容器10流入催化剂室20。在压力计150中的压力再次升高至大约16至17psi，由于燃料的输送和氢气的产生而形成的压力降低和压力升高的相同循环重复进行。当在大约15psi的供给下工作时，产生的H2的速度经测量为大约1.5SLM(标准升每分钟)，或者等效为大约100瓦的等效燃料电池功率。
调节器55进行调节，以便改变流量，且没有观察到不利影响。用手指堵塞出口管路50，从而停止气体流动。当移开手指时，流动立即继续产生，且没有观察到不利影响。
系统能够一直运转，直到燃料容器10的燃料基本用完。在燃料消耗完之后，系统通过出口管路50降压。对收集在腔室30中的废弃燃料进行检查。该废弃燃料有相当高的转换率，估计将大于80％。根据该实验，假定为100％转换，那么预计本发明的该装置可以利用750ml的、20％重量的NaBH4在大约1.5SLM下工作大约4.3小时。
在图3中所示的本发明另一实施例中，燃料容器10可以包括活塞230，以便使氢气压保持与燃料液体分开。这使得燃料容器10可以定向为任意方向，而不依赖于重力方向，该重力使燃料向下引出燃料容器10。也就是，活塞230防止具有压力PF的氢气通过燃料切断阀120运送。在图4所示的本发明另一实施例中，燃料容器10包括柔性囊，以便使燃料容器10获得类似的方向独立性。
在图5中所示的本发明另一实施例中，燃料泵270可以布置在燃料切断阀120和催化剂室进口单向阀210之间。燃料泵270可能需要外部动力来操作，不过，该系统进行了改进，因为该泵只需要逆着压力差(PB-PF)进行泵送，而在普通系统中，泵需要逆着压力PB进行泵送。减小的压力差将降低泵的力，这可以获得比不采用增强压差所能获得的输送压力更高的输送压力，并且可以使泵的规格降低，更容易购买。
在图6中所示的本发明另一实施例中，较大燃料储存器在环境压力下储存在主燃料储罐300中。燃料水平传感器340检测在燃料容器10中的燃料高度。当燃料水平传感器340检测到预定的“低”水平时，燃料泵320打开，并通过燃料管路330泵送燃料，以便重新充满燃料容器10。当燃料水平传感器340检测到燃料水平达到预定的“满”水平时，燃料泵320关闭，从而停止通过燃料管路330供给燃料。另外，在该循环过程中，废弃燃料排出阀350可以打开，从而使废弃燃料容器30中的氢气压力(PB)能够将废弃燃料通过废弃燃料排出管路370而推入环境压力主废弃燃料储罐310中。当废弃燃料水平传感器360检测到废弃燃料的预定“低”水平时，废弃燃料排出阀350可以关闭。在本实施例中，尽管可能需要外部动力来使某些部件运转，但是潜在的优点是可以使更大的燃料储罐和废弃燃料储罐都处于大气压力下。因此，这使得系统可以在重新充装燃料和/或排出废弃燃料之间可以运行更长时间(如果不定期)。当然，在本实施例中详述的准确结构和顺序只是示例性的，并不是对本发明范围的限定。
图7表示了图6中使用的环境压力储罐300和310的可选实施例。这牢固环境压力储罐300和310可以由单个“容量交换储罐”代替，它包括燃料区域400、废弃燃料区域和活动隔板420(例如活塞)。当燃料区域400中的燃料消耗和废弃燃料返回废弃燃料区域410时，活动隔板420滑动，这样，起初由燃料占据的空间变成由废弃燃料占据。这样的明显优点是减小了储存燃料和废弃燃料所需的总容积。活动隔板420可以设计为绝热体。还有，当燃料、废弃燃料、或者这两种材料装在柔性囊430中时，活动隔板420可以取消，如图8A、8B和8C所示。
图9A和9B表示了容积交换储罐的另一实施例。该系统包含任意数目的离散储罐，它们最初装有燃料500或为空的520。当装于给定燃料储罐500中的燃料消耗后，该储罐再象储罐510一样用于储存废弃燃料，并从另外的燃料储罐500中消耗燃料。图9A中所示的系统表示了储罐怎样通过燃料控制阀540和废弃燃料控制阀550而并联复用(multipliexed)，以便分别将燃料引入燃料管路330中和将废弃燃料从废弃燃料管路360中引入。图9B表示了储罐通过控制阀55而可选择地串联充满的实施例。阀530、540和550可以人工或通过其它自动装置来驱动。当然，在本实施例中详述的准确结构只是示例性的，并不用于限制本发明的范围。例如，该系统可以布置成柱形、球形或其它几何形状。
本发明中使用的燃料包括(i)金属氢化物、(ii)至少一种稳定剂、以及(iii)溶剂的溶液。这里所用的术语“溶液”包括：液体，所有组分都溶解于该液体中；和/或浆，其中，某些组分溶解而某些组分为不溶固体。这里所述的术语“大约”的意思是所述值加或减10％。
已经发现，络合物金属氢化物可以用于本发明的氢气产生系统中。这些络合物金属氢化物的通用化学式为MBH4。M是从周期表的族1(前面的族IA)或族2(前面的族IIA)中选定的碱金属，例如它们包括：锂、钠、钾、镁或钙。在某些情况下，M也可以是铵或有机组。B是从周期表的族13(前面的族IIIA)中选定的元素，例如它们包括：硼、铝和镓。H是氢。可用于本发明的金属氢化物例如包括但不局限于：NaBH4、LiBH4、KBH4、Mg(BH4)2、Ca(BH4)2、NH4BH4、(CH3)4NH4BH4、NaAlH4、LiAlH4、KAlH4、NaGaH4、LiGaH4、KGaH4、以及它们的混合物。不需考虑受任何理论的限制，可以认为，金属氢化物，尤其是硼氢化物在碱性pH值水中最稳定，即当与高pH值的水接触时，金属硼氢化物不容易分解。下面的硼氢化物为优选：硼氢化钠(NaBH4)、硼氢化锂(LiBH4)、硼氢化钾(KBH4)、硼氢化铵(NH4BH4)、硼氢化三甲基铵((CH3)4NH4BH4)、四硼氢化物、以及它们的混合物。
本发明的金属氢化物溶液包括至少一种稳定剂，因为含水硼氢化物溶液如果不被稳定将缓慢分解。这里所用的稳定剂是能够延迟、阻碍或防止金属氢化物与水反应的任意成份。通常，有效的稳定剂在室温下(25℃)大于大约7的pH值中保持金属氢化物溶液，该pH值优选是大于大约11，更优选是大于大约13。
有用的稳定剂包括金属氢化物盐的阳离子的相应氢氧化物。例如，当硼氢化钠用作金属氢化物盐时，相应的稳定剂为氢氧化钠。在本发明的稳定金属氢化物溶液中，氢氧化物的浓度大于大约0.1摩尔，优选是大于大约0.5摩尔，最优选是大于大约1摩尔或4％重量。通常，通过在添加硼氢化物盐之前将氢氧化物溶解在水中，可以使金属氢化物溶液稳定。例如，有用的氢氧化物盐包括但不局限于：氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、以及它们的混合物。氢氧化钠为优选，因为它在水中有大约44％重量的很高可溶性。尽管其它氢氧化物也合适，但是必须考虑在不同金属氢化物和各种氢氧化物盐之间的可溶性差异，因为这样的可溶性差异可能很显著。例如，向浓的硼氢化钠溶液中添加太多氢氧化锂将导致生成硼氢化锂沉淀。
其它的非氢氧化物稳定剂包括能够升高金属氢化物溶液的超电位(overpotential)以便生成氢气的物质。这些非氢氧化物稳定剂优选是与氢氧化物盐组合。非氢氧化物稳定剂的非限定实例包括包含在周期表的右侧的较软金属的化合物。这些非氢氧化物稳定剂的非限定实例包括包含铅、锡、镉、锌、镓、汞和它们的组合的化合物。包含镓和锌的化合物为优选，因为这些化合物稳定和可溶于碱性介质中。例如，锌和镓分别形成可溶的锌酸盐和镓酸盐，它们不容易由硼氢化物还原。
包含某些在周期表右侧的非金属的化合物也可用于使金属氢化物溶液稳定。这些非氢氧化物稳定剂的非限定实例包括包含硫的化合物，例如硫化钠、硫脲、二硫化碳和它们的混合物。
优选是，催化剂在两个方面有利于金属氢化物盐和水的反应：(i)可以获得氢位(site)以及(ii)能够有助于水解机理，即与水分子的氢原子反应。金属氢化物溶液为络合物系统，有多步还原机理。例如，硼氢化物有4个氢和8电子还原机理。因此，一旦单个氢原子从硼氢化物分子中取出，剩下的部分将不稳定，并将与水反应，以便释放其余的氢原子。用于本发明的催化剂包括但不局限于：过渡金属、过渡金属硼化物、这些材料的合金以及它们的混合物。
可用于本发明的催化剂系统的过渡金属催化剂在授予Amendola的美国专利No.5804329中有描述，该专利文献被本文参引。这里所用的过渡金属催化剂是包含周期表中的族IB至族VIIIB的金属的催化剂，或者由这些金属制成的化合物。这些金属的典型实例包括但不局限于：由铜族、锌族、钪族、钛族、钒族、铬族、锰族、铁族、钴族和镍族。过渡金属元素或化合物催化化学反应( )，并通过在表面上吸收成氢原子形式(即氢化物H-或质子氢H+)的氢而有助于水的水解。有用的过渡金属元素和化合物的实例包括但不局限于：钌、铁、钴、镍、铜、锰、铑、铼、铂、钯、铬、银、锇、铱、它们的硼化物、它们的合金、以及它们的混合物。钌、钴、铑以及它们的混合物为优选。
在本发明的催化剂系统中使用的催化剂优选是有较大表面面积。这里所使用的较大表面面积的意思是该催化剂颗粒具有非常小的平均颗粒尺寸，即平均直径小于大约100微米，优选是小于大约50微米，更优选是小于大约25微米。在有催化剂的情况下，硼氢化物和水的化学反应在所有的测量硼氢化物浓度中都遵循零阶动态，即生成的氢气容积与时间成线性关系。因此，认为反应速度主要取决于催化剂的表面面积。
获得具有较高表面面积的催化剂颗粒的一个方法是使用具有很小平均颗粒尺寸的催化剂。尽管具有较小平均颗粒尺寸的催化剂为优选，但是当较小颗粒足够小，从而能通过保持系统时，它们可能被液体金属氢化物溶液冲走。该缺点可以通过形成较小催化剂颗粒的较大集合体而消除。这里所使用的较大催化剂颗粒集合体是由任何较小催化剂颗粒通过已知的粉末冶金方法例如烧结而形成的块或实体。这些冶金方法也可以用于制成各种有利的形状。可以认为，因为这些较大催化剂颗粒集合体有很大的多孔性，因此它们保持较大表面面积。这些催化剂颗粒装入催化剂室中。
也可选择，氢气产生催化剂可以形成细线或细线网。这些细线的直径小于大约0.5mm，优选是小于大约0.2mm，更优选是小于大约20微米。
在最简单的形式中，催化剂室为液体和气体可透过的网，该网捕获或保持颗粒状催化剂，同时使液体和气体能够自由通过该保持系统。在该实施例中，催化剂颗粒比由保持系统提供的间隙更大。例如，金属氢化物溶液可以例如该保持系统，以便与催化剂反应，同时氧化金属氢化物、氢气和未反应的金属氢化物可以很容易离开该保持系统。
优选是，催化剂颗粒可以装入可取出的管或筒中，其中，该筒的端部由多孔或网状材料覆盖。这里使用的多孔或网状材料包括：陶瓷、塑料、聚合物、无纺物、编织物、纺织物、织物、碳、碳纤维、离子交换树脂、金属、合金、金属丝、网、以及它们的组合。通常，多孔或网状材料为片状形式。多孔或网状材料的非限定实例包括尼龙筛网和不锈钢筛网。
包含较高表面面积的催化剂可以通过由化学装置将过渡金属催化剂粘接或截留到多孔或无孔基质上和/或基质中。多孔的意思是该材料可由液体和气体可透过。通常，该处理包括(i)通过使溶液与基质接触而使有过渡金属离子的溶液分散在基质上和/或基质中；以及(ii)使分散的过渡金属离子还原成过渡金属的零价状态，即金属形式。无需受任何理论限制可以认为，该独特方法使过渡金属催化剂以分子水平粘接和/或截留在基质上和/或基质中。这些步骤也可以重复进行，以便获得粘接和/或截留在基质内的多层过渡金属分子。这里所用的、基质粘接催化剂的较高表面面积的意思是：多孔基质的有效表面面积大于大约10m2/g，或者无孔基质的平均直径小于大约50微米。多孔基质的非限定实例包括陶瓷和离子交换树脂。无孔基质的非限定实例包括金属、金属丝、金属网、纤维和纤维材料，例如绳索。
这里所用的过渡金属离子的意思是上述过渡金属的阴离子、阳离子、阴离子络合物或阳离子络合物。过渡金属离子可以通过溶解过渡金属的盐而获得，这些过渡金属盐可以很容易从制造商购得，该制造商例如：Alfa Aesar Company和Aldrich Chemical Company。这些过渡金属盐可以溶解在任何溶液中，通常为水。还原剂也可以是能够将该过渡金属离子还原至它的零价状态的任何材料或化合物。还原剂的非限定实例包括：联氨、氢气、葡萄糖羟胺、一氧化碳、连二亚硫酸、二氧化硫、硼氢化物、乙醇、以及它们的混合物。通常，催化金属氢化物例如硼氢化物的大部分过渡金属也可以通过相同金属氢化物还原。例如，硼氢化物是合适的还原剂。
合适基质的非限定实例包括：陶瓷、塑料、聚合物、玻璃、纤维、绳索、无纺物、编织物、纺织物、织物、多种形式的碳和碳纤维、离子交换树脂、金属、合金、金属丝、网、以及它们的组合。多孔陶瓷基质的非限定实例包括：金属氧化物、沸石、钙钛矿、磷酸盐、金属丝、金属网、以及它们的混合物。合适基质的特定实例包括但不局限于：氧化锆、氧化钛、氧化镁、氧化钙、沸石、阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、纤维材料、无纺物、编织物、芳族聚酰胺纤维例如NOMEX®和KEVLAR®、聚四氟乙烯(PTFE)、以及它们的组合。因为金属氢化物溶液可以有很高pH值，因此，优选是不会溶解或与腐蚀剂反应的基质。还优选是，多孔基质的有效表面面积大于大约50m2/g，或者无孔基质的平均直径小于大约50微米。
当基质为小珠形式时，优选是，该小珠处于保持系统中，如上所述，其中，小珠的平均直径大于保持系统的间隙。而且，当基质有表面处理部分时，可以通过合适方法除去该处理部分，例如通过煮沸或施加溶剂。例如，用蜡处理的基质可以煮沸。也可选择，蜡可以通过使用丙酮来除去。同样，在织物上的淀粉可以通过在水中煮沸而除去。
除了后面所述的离子交换树脂外，基质可以通过以下方法处理成催化剂。基质首先浸泡在含有过渡金属盐例如三氯化钌的溶液中。优选是溶液的浓度接近饱和。该步骤使过渡金属盐分散到基质中和/或基质上。然后使处理后的基质干燥，通常通过加热。也可选择，处理后的基质在干燥之前进行过滤。应当知道，处理后的基质并不漂洗。可以认为，干燥步骤通过除去溶剂而促使过渡金属离子吸收到基质上和/或基质中。该干燥的处理后基质再放入含有还原剂例如硼氢化钠的溶液中，该溶液的浓度足以进行完全还原，例如5％重量的硼氢化钠。尽管该步骤可以在室温下进行，但是优选是在升高的温度(例如大于大约30℃)下还原该吸收的过渡金属离子，以便增加还原速度。可以认为，还原步骤将过渡金属离子转变成它的零价状态，即金属状态。在用水漂洗之后，该基质准备用作在金属氢化物和水的反应中的催化剂，以便产生氢气。该方法可以重复进行，以便使合适量的过渡金属装在基质上和/或基质中。
获得有较高表面面积的催化剂的该方法也可以通过形成过渡金属络合物而利用化学蒸气沉积方法(CVD)，该过渡金属络合物可以在真空中蒸发，即沸腾或升华。过渡金属络合物包括上述过渡金属离子和化学蒸气沉积络合化合物。因为该基质为冷的，因此过渡金属络合物将再凝结到该基质上。可以使用上述任意合适基质。也可以使用本领域已知的任意合适的化学蒸气沉积络合化合物。用于化学蒸气沉积的金属络合物的非限定实例为金属二酮盐(metal diketonate)例如Ru(acac)或Co(acac)3以及金属醇盐例如Ti(OiPr)4(acac＝醋酸丙酮盐；OiPr＝异丙醇盐(isopropoxide))。然后，沉积在基质上的过渡金属络合物可以通过上述还原剂进行还原。
也可选择，该方法可以利用电镀技术，即在具有过渡金属离子的溶液中对导电基质进行电镀。可用的过渡金属离子如上所述。该过渡金属可以电镀在导电基质例如镍或不锈钢细丝、包括该细丝的筛网或金属板上。通常，这样的细丝的平均直径小于大约20微米，优选是小于大约10微米，最优选是小于大约2微米。
在电化学电镀的一个优选模式中，获得粗糙涂层，而不是普通的光滑或“光亮涂层”。可以认为，这些粗糙涂层有较大表面面积。这些粗糙涂层的颜色通常为黑色，在电化学电镀领域中，它们通常称为元素名称后面加词“黑”，例如铂黑或钌黑。大部分上述过渡金属都可以涂覆成“过渡金属黑”。准确状态可以在元素之间变化，但是在电镀处理过程中，通常采用的参数是变化电压。“变化电压”的意思是该电压以周期性或非周期性的方式变化、交替、上升或下降。例如，DC电压可以在一定时间后接通或断开。也可选择，电流可以周期性反转，或者电压可以从低压转变成高压，然后回到低压。还通常将AC信号叠加在DC源上。
在另一实例中，获得具有较高表面面积的催化剂的方法也可以利用溅射沉积技术，例如物理蒸气沉积，它为表面涂层技术领域中的技术人员公知。在溅射沉积过程中，通过由高能轰击粒子例如离子或高能中性原子(优选是来自一种惰性气体)传递的动量引起的、颗粒从表面的物理发射，金属表面的原子可以蒸发。目标离子蒸发到真空室中，然后凝结在基质上，以便形成薄膜。通常，氢气产生催化剂基质安装在溅射室中，且朝上或朝下的一面对着金属电极目标(它的实例包括但不局限于：Ni、Pt、Ru、Os、Ag或这些金属的合金)。在抽空腔室后，惰性气体例如氩气用于重新装入该腔室内，使得压力为大约10至大约50毫托(从大约1.3至大约6.7Pa)。溅射处理通过在目标和腔室壁之间施加高电压而起动。溅射处理将根据希望在基质上承载的催化剂的厚度而持续一定时间(通常几分钟，但是可以从低于一分钟到几个小时)。当完成溅射时，空气能够重新进入腔室，以便取出涂覆后的基质。
尽管这些基质的大部分只是吸收过渡金属盐溶液，但是离子交换树脂有令人惊奇和感兴趣的特征。离子交换树脂为多孔聚合物材料，具有在聚合物链的末端的活性基。通常，用于离子交换树脂的聚合物包括但不局限于：聚苯乙烯、环氧胺、环氧聚胺、酚醛塑料和丙烯酸树脂。离子交换树脂分成阴离子交换树脂和阳离子交换树脂。这些树脂在市场上以小珠的形式获得，通常颗粒尺寸为大约20网目(mesh)至大约100网目。该树脂也可以以片状形式获得，并可以制成为任意合适形状。
阴离子交换树脂吸引阴离子，因为在聚合物末端的活性基具有正电荷。正电荷活性基的非限定实例包括：季铵、叔胺、三甲基苯铵和/或二甲基乙醇苯铵。市场上的阴离子交换树脂通常以Cl-或OH-形式供给，即，可很容易置换的氯离子或氢氧离子结合在具有正电荷的自由基上。市场上可购得的阴离子交换树脂包括但不局限于：A-26、A-36、IRA-400和IRA-900，它们由位于Philadelphia的Rohm & Haas，Inc.制造；Dowex 1、Dowex 2、Dowex 21K、Dowex 550A、Dowex MSA-1和Dowex MSA-2，它们由Dow Corporation制造；Duolite A-101D、Duolite A-102D和Duolite A-30B；以及Ionac A-540、Ionac A-550和Ionac A-300。
阳离子交换树脂吸引阳离子，因为在聚合物末端的活性基有负电荷。负电荷自由基的非限定实例包括：磺酸、羧酸、膦酸和/或脂肪酸。市场上的阳离子交换树脂通常以Na+或H+形式供给，即，可很容易置换的钠离子或氢离子结合在具有负电荷的自由基上。市场上可购得的阳离子交换树脂包括但不局限于：Nafion树脂，由位于Wilmington，Delaware的Dupont Corp.制造；IRA-120和Amberlyst 15，它们由位于Philadelphia，Pennsylvania的Rohm & Haas，Inc.制造；Dowex 22、Dowex 50、Dowex 88、Dowex MPC-1、Dowex HCR-W2和DowexCCR-1，它们由Dow Corporation制造；Duolite C-3、Duolite ES-63和Duolite ES-80；以及Ionac 240。
阴离子交换树脂小珠以如下方式处理成催化剂。过渡金属盐溶解于酸中，该酸有能够形成过渡金属的阴离子络合物的相应阴离子。例如，三氯化钌可以溶解于盐酸中，以便形成氯钌酸，其中，钌包含于阴离子络合物即[RuCl6]-3中。通常，过渡金属的阴离子络合物的特征是化学通式[My+X6](y-6)，其中：M是过渡金属，y是过渡金属的化合价，而X是具有单个负电荷的阴离子。因此，过渡金属溶液的浓度可以变化，但是优选是浓度接近饱和。然后，通过使阴离子交换树脂小珠与阴离子过渡金属溶液接触，包含阴离子过渡金属络合物的酸溶液可以交换到阴离子交换树脂小珠上。通常，这可以通过将该小珠浸入溶液中或将溶液一滴滴添加到该小珠上来实现。无需受任何理论的限制，可以认为，与树脂的活性基相连的阴离子与阴离子过渡金属络合物进行交换。这里所用的交换的意思是，与离子交换树脂的自由基相连的离子(例如氯化物)由该过渡金属的离子代替。因此，在各活性基位置处，在阴离子过渡金属络合物和离子交换树脂的活性基之间形成非常强的化学(离子)键。
当暴露在还原剂例如硼氢化钠中时，阴离子过渡金属络合物在交换位置还原成零价状态，即金属状态。这使得过渡金属催化剂分子分布在树脂中和/或树脂上。需要时，该处理可以重复进行，以便获得很高的金属含量，因为还原步骤将使交换树脂的正电荷活性基处的阴离子还原。可以认为，与活性基相连的还原阴离子既可以是先前与过渡金属相关的阴离子，例如[RuCl6]-3的氯化物，也可以是还原剂。在用水漂洗后，处理后的阴离子交换树脂小珠很容易用作在金属氢化物和水反应生成氢气时的催化剂。
阳离子交换树脂小珠的催化剂处理的步骤稍微不同，因为用于阳离子交换树脂的阳离子过渡金属络合物的亲和力比用于阴离子交换树脂的阳离子过渡金属络合物的亲和力弱得多。尽管这增加了复杂性，但是阳离子交换树脂特别有用，因为它们通常能够承受更苛刻的环境，特别是更高温度。
尽管在形式上将过渡金属写成它们的阳离子化合价状态，例如Ru+3，但是过渡金属在有普通络合离子例如氯化物的情况下形成阴离子络合物。该阴离子过渡金属络合物将很少或者不能被具有负电荷活性基的阳离子交换树脂小珠吸引。这可以通过使用具有非络合阴离子的过渡金属盐来避免。这里所用的非络合阴离子是指通常非常大且包含中心原子的离子，该中心原子完全配位，因此，几乎没有活性来进一步与过渡金属络合。这种非络合阴离子的非限定实例包括：高氯酸盐(ClO4 -)、六氟磷酸盐(PF6 -)和四氟硼酸盐(BF4 -)、以及它们的混合物。具有非络合阴离子的过渡金属盐可以通过使过渡金属盐与等摩尔量的、具有非络合阴离子的化合物进行沉淀反应而获得。具有非络合阴离子的化合物选择为使得过渡金属盐中的阴离子与和非络合阴离子相连的阳离子沉淀出来。例如，三氯化钌溶液可以与等摩尔量的高氯酸银反应。氯化物将作为氯化银而从溶液中沉淀出来，并在溶液中留下高氯酸钌。因为高氯酸离子并不象氯化物离子那样进行络合，因此，钌将水合成阳离子形式，即[Ru.xH2O]3+，其中，x是指水分子的数目。可以认为，水合钌通常有以下化学式：[Ru.6H2O]+3。
在与阳离子交换树脂小珠接触之前，在不会使钌作为氢氧化物而沉淀的情况下，含有过渡金属离子和非络合离子的溶液的pH值将尽可能调节成接近7。优选是，含有过渡金属离子和非络合离子的溶液的pH值大于或等于大约2，更优选是大于或等于大约4，最优选是大于或等于大约7。该pH调节将防止氢阳离子H+抢占阳离子交换树脂的阳离子位置，即与负电荷活性基相连的阳离子位置。例如，当使用1摩尔浓度的钌溶液，且pH值为2时，钌离子的数目将超过氢离子100倍。尽管钌离子与氢离子的比例在pH值为2时就很充分，但在pH值接近7时该比例将更好。无需受限于任何理论，可以认为，当阳离子交换树脂小珠与过渡金属盐溶液接触时，正电荷过渡金属离子与最初与阳离子交换树脂的负电荷活性基相连的正离子交换。
为了在不使用过大量的过渡金属盐溶液的情况下保证过渡金属离子的较高置换，交换可以通过使阳离子交换树脂小珠与过渡金属盐溶液在管或筒中接触来进行。该方法也可以用于处理前述阴离子交换树脂。该管或筒通常垂直安装，并装满阳离子交换树脂小珠。含有过渡金属离子和非络合离子的溶液能够通过小珠列。通常，首先使用更稀的溶液，然后可以使用逐渐更浓的溶液，从而可以在前述处理结束和后面处理开始时使用较浓的溶液。通过利用连续逆流系统，可以生成大量的催化剂处理阳离子树脂小珠，该逆流系统能够基本完全利用钌，并完全浸泡该小珠。连续逆流装置意味着更稀的钌溶液与进行了更少处理的小珠接触，更浓的钌溶液与进行了更多处理的小珠接触。在过渡金属交换到小珠上和/或小珠内之后，用去离子的水漂洗该阳离子交换树脂，然后与含有还原剂的溶液例如硼氢酸钠反应，以便将钌还原到它的零价状态。通过重复该交换和/或还原步骤，可以获得更高的过渡金属含量，因为还原步骤还原在交换树脂的负电荷活性基处的阳离子。可以认为，与活性基相连的还原阳离子由还原剂提供，即硼氢酸钠中的钠。在用水漂洗后，处理后的阳离子交换树脂小珠准备用作在金属氢化物和水反应中的催化剂，以便生成氢气。
在优选实施例中，催化剂室是包括催化剂的螺旋缠绕管，这样，燃料在螺旋的中心处进入该管，并流过该螺旋缠绕管。
Claims (24)
1.一种用于产生氢气的装置，包括：
(a)催化剂室，该催化剂室包括催化剂；
(b)燃料室，该燃料室包括反应物材料，该反应物材料在与所述催化剂接触时能够产生氢气；
(c)废弃燃料室，该废弃燃料室与催化剂室相连，用于接收所述的与所述催化剂接触之后的反应物材料，并用于接收通过使反应物材料和催化剂接触而产生的氢气；
(d)导管，该导管在废弃燃料室和燃料室之间，该导管包括单向阀；以及
(e)出口导管，该出口导管与该单向阀相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：出口导管包括压力释放阀。
3.根据权利要求1所述的装置，其中：该燃料室包括囊。
4.根据权利要求1所述的装置，其中：该燃料室包括活塞。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括：泵，该泵位于燃料室和催化剂室之间。
6.根据权利要求1所述的装置，其中：该燃料室包括燃料传感器，还包括主燃料储罐，该主燃料储罐与燃料泵相连，该燃料泵有与燃料室相连的出口。
7.根据权利要求6所述的装置，还包括：主废弃燃料储罐，该主废弃燃料储罐与该主燃料储罐相邻，其中，该主废弃燃料储罐与该废弃燃料室相连。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括：容积交换储罐，该容积交换储罐有燃料区域部分、废弃燃料区域部分以及在它们之间的活动隔板，其中，该燃料区域部分包括与燃料室相连的出口管路以及与废弃燃料室相连的进口管路。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括：容积交换储罐，该容积交换储罐有燃料区域部分和废弃燃料区域部分，其中，从包括燃料区域部分和废弃燃料区域部分的组中选定的至少一个为柔性囊。
10.根据权利要求1所述的装置，还包括：多个储罐，这些储罐与燃料室和废弃燃料室相连。
11.根据权利要求10所述的装置，其中：该多个储罐布置成并联结构。
12.一种用于产生氢气的方法，包括：
提供用于产生氢气的装置，该装置包括：催化剂室，该催化剂室包括催化剂；燃料室，该燃料室包括反应物材料，该反应物材料在与所述催化剂接触时能够产生氢气；废弃燃料室，该废弃燃料室与催化剂室相连，用于接收所述的与所述催化剂接触之后的该反应物材料，并用于接收通过使反应物材料和催化剂接触而产生的氢气；导管，该导管在废弃燃料室和燃料室之间，该导管包括单向阀；以及出口导管，该出口导管与该单向阀相连；
将压力供给燃料室，其中，反应物材料传送给催化剂室；以及
使催化剂与该反应物材料接触，从而产生氢气。
13.根据权利要求4所述的方法，其中：在不使用与电源相连的泵的情况下产生氢气。
14.根据权利要求4所述的方法，其中：在不使用外部电源的情况下产生氢气。
15.根据权利要求12所述的方法，其中：燃料室包括活塞，将压力施加给燃料室使得活塞通过该燃料室运动，由此反应物材料离开燃料室传送给催化剂室。
16.根据权利要求12所述的方法，其中：该燃料室包括囊，将压力施加给燃料室使得该囊挠曲，由此反应物材料离开燃料室传送给催化剂室。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括：在燃料室和催化剂室之间提供燃料泵，并使燃料在环境压力PF-PB下从燃料室传递给催化剂室，其中，该PF是在燃料室中的气体压力，而该PB是在废弃燃料室中的气体压力。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括：
提供主燃料储罐，该主燃料储罐靠近废弃燃料储罐，并与燃料泵相连，该燃料泵有与燃料室相连的出口，并提供燃料传感器，该燃料传感器位于燃料室内；
通过传感器检测在燃料室中的燃料的量，并确定该燃料水平是较低还是充分；
当检测到燃料水平较低时，驱动燃料泵，并使燃料从主燃料储罐泵送至燃料室内；以及
当检测到燃料水平为充分时，停止该燃料泵。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在废弃燃料室中提供废弃燃料传感器，并提供废弃燃料阀，该废弃燃料阀允许废弃燃料从废弃燃料室排出到废弃燃料储罐中；
利用废弃燃料传感器检测在废弃燃料室中的废弃燃料量，并检测该废弃燃料水平是否较低；以及
当检测到废弃燃料水平较低时，关闭废弃燃料阀。
20.根据权利要求12所述的方法，还包括：
提供容积交换储罐，该容积交换储罐有：燃料区域部分和废弃燃料区域部分，其中，燃料区域部分包括与燃料室相连的出口管路，废弃燃料区域部分包括与废弃燃料室相连的进口管路；以及活动隔板，该活动隔板在燃料区域部分和废弃燃料区域部分之间；
通过出口管路使燃料从燃料区域部分传送给燃料室；
使活动隔板朝着燃料区域部分运动；以及
通过进口管路使废弃燃料从废弃燃料室装入废弃燃料区域部分中。
21.根据权利要求12所述的方法，还包括：
提供容积交换储罐，该容积交换储罐有燃料区域部分和废弃燃料区域部分，该燃料区域部分包含在柔性囊中，该柔性囊有与燃料室相连的出口管路，该废弃燃料区域部分位于该柔性囊的外部，并包括与废弃燃料室相连的进口管路；
通过出口管路使燃料从燃料区域部分传送给燃料室，其中，柔性囊的容积收缩；以及
通过进口管路使废弃燃料从废弃燃料室装入废弃燃料区域中。
22.根据权利要求12所述的方法，还包括：
提供容积交换储罐，该容积交换储罐有燃料区域部分和废弃燃料区域部分，该燃料区域部分有与燃料室相连的出口管路，该废弃燃料区域部分包含在柔性囊中，并有与废弃燃料室相连的进口管路；
通过进口管路使废弃燃料从废弃燃料室装入废弃燃料区域部分中，从而使柔性囊膨胀；以及
通过出口管路使燃料从燃料区域部分传送给燃料室。
23.根据权利要求12所述的方法，还包括：
提供容积交换储罐，该容积交换储罐有燃料区域部分和废弃燃料区域部分，该燃料区域部分包含在第一柔性囊中，该第一柔性囊有与燃料室相连的出口管路，该废弃燃料区域部分包含在第二柔性囊中，该第二柔性囊有与废弃燃料室相连的进口管路；
通过进口管路使废弃燃料从废弃燃料室装入第二柔性囊中，从而使柔性囊膨胀；以及
通过出口管路使燃料从第一柔性囊传送给燃料室，从而减小第一柔性囊的容积。
24.根据权利要求12所述的方法，还包括：
提供多个储罐，这些储罐与燃料室和废弃燃料室相连；
将燃料从多个储罐中的至少一个传送给燃料室；以及
将废弃燃料从废弃燃料室传送给至少一个空储罐。
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