TWI570059B - Hydrogen production composition and hydrogen production method - Google Patents

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產氫組成物及產生氫氣的方法
本發明是有關於一種產氫組成物及產生氫氣的方法，特別是指一種利用高純度矽粉之產氫組成物及產生氫氣的方法。
在目前地球石油能源有限，且環保意識抬頭的情況下，汽車、發電機設備等正積極地尋找替代石油且兼具環保的能源。
其中，由於目前的燃料電池模組是利用氫氣與氧氣間產生反應，進而產生大量電能，成為適合於下一代的動力源。
參閱圖1，一般的燃料電池模組主要包含一陽極導電板11、一陰極導電板12、夾置於該陽極導電板11及該陰極導電板12間的二氣體擴散層15、二觸媒反應層14，及一質子交換膜13。其中，該質子交換層13是固態高分子電解材料，用以傳送質子，並阻隔氣體通過；該等觸媒反應層14分別設置於該質子交換層13的兩側面，並分別供陰極與陽極進行電化學反應；該等氣體擴散層15分設置於該等觸媒反應層14的外側，供反應物擴散進入至觸媒反應層14，並供生成物擴散排出。該陽極導電板11及該陰極導電 板12用以傳導電流。
當氫氣通入該陽極導電板11，及氧氣通入該陰極導電板12時，電子由陽極傳導至陰極，再配合外部電路，進而產生直流電能，並生成由該陰極導電板12排出的水。
目前可直接供應燃料電池使用之氫氣的產生方式是先以二氧化碳雷射裂解尺寸為10-100奈米的純矽粉，再將裂解後的純矽粉通入鹼水後，產生氫氣。
然而，利用二氧化碳雷射裂解矽粉的設備及過程增加生產氫氣的複雜度及成本，且需提供額外的耗能(也就是二氧化碳雷射)；此外，還需要將矽粉顆粒的尺寸限制於10-100奈米。因此，如何不需額外耗能，即可產生氫氣，成為所屬技術領域亟欲解決的問題。
因此，本發明之其中一目的，即在提供一種產氫組成物，用以與水反應產生氫氣。
此外，本發明之另一目的，即在提供一種產生氫氣的方法。
於是，本發明產氫組成物，包含一矽粉、一有機醇及一催化劑。該矽粉的純度高於80%。該催化劑包括一鹼金屬的氫氧化物，其純度高於70%。
較佳地，該矽粉之顆粒的尺寸為0.1μm至10μm。
較佳地，該產氫組成物為100重量份，該矽粉 佔35-75重量份，該有機醇佔1-10重量份，該催化劑佔15-64重量份。
較佳地，該產氫組成物為100重量份，該矽粉佔63-74重量份，該有機醇佔4-5重量份，該催化劑佔21-33重量份。
於是，本發明產生氫氣的方法，包含(1)在一矽粉的多數顆粒表面上吸附一有機醇，以形成一經有機物吸附矽粉；(2)使該經有機物吸附矽粉與一鹼金屬水溶液接觸，以產生氫氣。
較佳地，該鹼金屬水溶液中的水，與該鹼金屬水溶液中的鹼金屬及該經有機物吸附矽粉之總重間的重量比值大於5且小於50。
較佳地，該鹼金屬水溶液中的水，與該鹼金屬水溶液中的鹼金屬及該經有機物吸附矽粉之總重間的重量比值大於35且小於50。
11‧‧‧陽極導電板
12‧‧‧陰極導電板
13‧‧‧質子交換膜
14‧‧‧觸媒反應層
15‧‧‧氣體擴散層
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一剖視示意圖，說明一燃料電池。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的 說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
本發明產氫組成物之實施例包含一矽粉、一有機醇，及一催化劑。
該矽粉的純度高於80%。
該催化劑包括一鹼金屬的氫氧化物，其純度高於70%。
較佳地，該矽粉之顆粒的尺寸為0.1μm至10μm。
較佳地，該實施例產氫組成物為100重量份，該矽粉佔35-75重量份，該有機醇佔1-10重量份，該催化劑佔15-64重量份。
該實施例的製作方法包括：(1)在一矽粉的多數顆粒表面上吸附一有機醇，以形成一經有機物吸附矽粉；及(2)使該經有機物吸附矽粉與一鹼金屬水溶液接觸，以產生氫氣。
又，該矽粉、該有機醇，及該鹼金屬水溶液中的鹼金屬的氫氧化物即為該實施例的產生組成物。
較佳地，該鹼金屬水溶液中的水，與該經有機物吸附矽粉及鹼金屬水溶液中的鹼金屬的總合間的重量比值大於5且小於50。也就是說，水與該產氫組成物間的重量比值大於5且小於50。
需說明的是，該矽粉可來自回收廢棄的砂漿。由於廢棄的砂漿中含有大量具有有機醇的一研磨液；又，該研磨液之有機醇的官能基(-OH)具備極性，使得該矽粉的表面易於吸附具有極性的有機醇。當該研磨液在乾燥後，形成一經有機物吸附矽粉。
其次，當該矽粉的純度小於80%時，其中的雜 質主要為碳化矽。由於碳化矽在吸附有機醇後，即便在該以鹼金屬水溶液之鹼性環境下，經吸附有機醇的碳化矽仍無法與水反應而產生氫氣。所以，當矽粉的純度小於80%時，該經有機物吸附矽粉與該鹼金屬水溶液接觸反應後的氫氣的產量極低。
再者，當該實施例的矽粉的純度高於80%，但不含有機醇時，該矽粉在鹼金屬水溶液所形成的鹼性環境中，仍然無法與水反應而產生氫氣。
本發明利用純度高於80%的矽粉，配合可吸附於該矽粉之顆粒表面的有機醇，接觸鹼金屬之氫氧化物溶於水所形成的鹼金屬水溶液中，可產生大量的氫氣，且不需事先對矽粉進行雷射，也不需再次純化氫氣，有效地解決目前的問題。
[具體例1]
首先，將9.4g之純度為99%的矽粉與0.6g之一二乙二醇混合，使得該矽粉的多數顆粒表面吸附該二乙二醇，並經乾燥後，得到一經二乙二醇吸附矽粉。
接著，將5g之純度為99%的氫氧化鈉置入250ml的水中，得到250ml之濃度為0.5M的一氫氧化鈉水溶液。其中，該矽粉、該二乙二醇，及該氫氧化鈉為一產氫組成物，且該產氫組成物為100重量份時，該矽粉為63重量份，該二乙二醇為4重量份，該氫氧化鈉為33重量份。
接著，將0.1g之該經二乙二醇吸附矽粉置入容 量為50ml的一反應容器中；再將12ml該氫氧化鈉水溶液置入該反應容器中；其中，該氫氧化鈉水溶液具有水及氫氧化鈉，使得該氫氧化鈉水溶液中的水的重量，與該氫氧化鈉水溶液中的氫氧化鈉及該經二乙二醇吸附矽粉總重間的重量比值為35；也就是說，該水與該產氫組成物間的重量比值為35。
均勻混合該氫氧化鈉水溶液與該經二乙二醇吸附矽粉，以產生氫氣。
[具體例2]
首先，將9.4g之純度為99%的矽粉與0.6g之一二乙二醇混合，使得該矽粉的多數顆粒表面吸附該二乙二醇，並經乾燥後，得到一經二乙二醇吸附矽粉。
接著，將8g之純度為99%的氫氧化鈉置入水中，得到50ml之濃度為4.0M的一氫氧化鈉水溶液。其中，該矽粉、該二乙二醇，及該氫氧化鈉為產氫組成物，且該產氫組成物為100重量份時，該矽粉為52重量份，該二乙二醇為3重量份，該氫氧化鈉為45重量份。
接著，將1g之該經二乙二醇吸附矽粉置入容量為50ml的一反應容器中；再將該氫氧化鈉水溶液置入該反應容器中；其中，該氫氧化鈉水溶液具有水及氫氧化鈉，使得該氫氧化鈉水溶液中的水的重量，與該氫氧化鈉水溶液中的氫氧化鈉及該經二乙二醇吸附矽粉總重間的重量比值約為5；也就是說，該水與該產氫組成物間的重量比值為5。
均勻混合該氫氧化鈉水溶液與該經二乙二醇吸附矽粉，以產生氫氣。
[具體例3]
首先，將9.4g之純度為99%的矽粉與0.6g之一二乙二醇混合，使得該矽粉的多數顆粒表面吸附該二乙二醇，並經乾燥後，得到一經二乙二醇吸附矽粉。
接著，將3g之純度為99%的氫氧化鈉置入水中，得到250ml之濃度為0.3M的一氫氧化鈉水溶液。其中，該矽粉、該二乙二醇，及該氫氧化鈉為產氫組成物，且該產氫組成物為100重量份時，該矽粉為74重量份，該二乙二醇為5重量份，該氫氧化鈉為21重量份。
接著，將1g之該經二乙二醇吸附矽粉置入容量為100ml的一反應容器中；再將100ml該氫氧化鈉水溶液置入該反應容器中；其中，該氫氧化鈉水溶液具有水及氫氧化鈉，使得該氫氧化鈉水溶液中的水的重量，與該氫氧化鈉水溶液中的氫氧化鈉及該經二乙二醇吸附矽粉總重間的重量比例約為50；也就是說，該水與該產氫組成物間的重量比值為50。
均勻混合該氫氧化鈉水溶液與該經二乙二醇吸附矽粉，以產生氫氣。
[比較例1]
首先，將9.4g之純度為80%的矽粉與一二乙二醇混合，使得該矽粉的多數顆粒表面吸附該二乙二醇，並經乾燥後，得到一經二乙二醇吸附矽粉。
接著，將5g之純度為99%的氫氧化鈉置入250ml水中，得到250ml之濃度為0.5M的一氫氧化鈉水溶液。其中，該矽粉、該二乙二醇，及該氫氧化鈉為產氫組成物，且該產氫組成物為100重量份時，該矽粉為63重量份，該二乙二醇為4重量份，該氫氧化鈉為33重量份。
接著，將0.1g之該經二乙二醇吸附矽粉置入容量為50ml的一反應容器中；再將12ml之濃度為0.5M的一氫氧化鈉水溶液置入該反應容器中；其中，該氫氧化鈉水溶液具有水及氫氧化鈉，使得該氫氧化鈉水溶液中的水的重量，與該氫氧化鈉水溶液中的氫氧化鈉及該經二乙二醇吸附矽粉總重間的重量比例約為35。
均勻混合該氫氧化鈉水溶液與該經二乙二醇吸附矽粉。
[比較例2]
首先，準備10g之純度為80%的一矽粉。
接著，將5g之純度為99%的氫氧化鈉置入250ml水中，得到250ml之濃度為0.5M的一氫氧化鈉水溶液。
接著，將0.1g之未經二乙二醇吸附矽粉置入容量為50ml的一反應容器中；再將35ml之濃度為0.5M的一氫氧化鈉水溶液置入該反應容器中。
均勻混合該氫氧化鈉水溶液與該矽粉。
[量測結果]
表1是具體例1、2、3與比較例1、2之產 氫量數據，及該產氫組成物與水間的重量關係。
自量測結果可以瞭解，具體例1、2、3的矽粉純度高於80%，且產氫組成物為100重量份時，該矽粉為35-75重量份、有機醇為1-10重量份、氫氧化鈉為15-64重量份，而可達到高產氫量；較佳地，水與該產氫組成物間的重量比值大於5且小於50時；更佳地，該矽粉為63-74重量份、有機醇為4-5重量份、氫氧化鈉為21-33重量份，且水與該產氫組成物間的重量比值大於35且小於50時，可以達到更高的產氫量。
進一步地說，當本發明應用於如圖1所示之燃料電池時，僅需在經吸附有機醇之矽粉中加入鹼金屬的氫氧化物作為催化劑，再加入水，即可反應產生高純度且不需再經純化的氫氣，供該燃料電池有效率地利用氫氣配合氧化而產生電能。
綜上所述，本發明產氫組成物與水反應即可產生高純度的氫氣，該矽粉不需再經額外的雷射製程，可有效簡化產生氫氣的步驟，並適合應用於燃料電池，確實能 達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (7)

  1. 一種產氫組成物，用以與水反應產生氫氣，包含：一矽粉，其純度高於80%；一有機醇；及一催化劑，包括一鹼金屬的氫氧化物，其純度高於70%。
  2. 如請求項1所述的產氫組成物，其中，該矽粉之顆粒的尺寸為0.1μm至10μm。
  3. 如請求項1所述的產氫組成物，其中，該產氫組成物為100重量份，該矽粉佔35-75重量份，該有機醇佔1-10重量份，該催化劑佔15-64重量份。
  4. 如請求項3所述的產氫組成物，其中，該產氫組成物為100重量份，該矽粉佔63-74重量份，該有機醇佔4-5重量份，該催化劑佔21-33重量份。
  5. 一種產生氫氣的方法，包含：(1)在一矽粉的多數顆粒表面上吸附一有機醇，以形成一經有機物吸附矽粉，該矽粉的純度高於80%；及(2)使該經有機物吸附矽粉與一鹼金屬水溶液接觸，以產生氫氣，其中，該鹼金屬水溶液是由鹼金屬之氫氧化物溶於水所形成，該鹼金屬之氫氧化物的純度高於70%。
  6. 如請求項5所述的產生氫氣的方法，其中，該鹼金屬水 溶液中的水，與該鹼金屬水溶液中的鹼金屬及該經有機物吸附矽粉之總重間的重量比值大於5且小於50。
  7. 如請求項6所述的產生氫氣的方法，其中，該鹼金屬水溶液中的水，與該鹼金屬水溶液中的鹼金屬及該經有機物吸附矽粉之總重間的重量比值大於35且小於50。
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