[发明专利]合成铝烷的装置和方法

说明书

发明领域

本发明涉及铝烷的合成方法及其使用方法。

发明背景

铝烷(又称氢化铝，化学式AlH₃)是用于未来燃料电池车辆的一种 潜在氢源。在燃料电池车辆上，铝烷可被分解以产生氢。该反应的副产 物为铝金属。要将铝烷广泛用于燃料电池车辆，必须以高能量效率把所 述铝金属再处理变回铝烷。使铝金属与氢气直接反应制造铝烷非常困 难，因为在热力学上是不利的。

铝烷的合成得到了很好地发展。从20世纪60年代开始(直至今天) 铝烷已被当作吸引人的火箭推进剂。然而，迄今一直不存在使铝与氢直 接反应形成铝烷的需要。因此，由于铝与氢直接反应非常困难，现有技 术的合成过程都是间接的。例如，发展得最好的铝烷(AlH₃)合成法是 以氯化铝(AlCl₃)和铝氢化钠(NaAlH₄)为起点的。这些化合物在溶 剂如四氢呋喃(THF)中按以下反应式反应：

3NaAlH₄+AlCl₃→4AlH₃+3NaCl    反应1

以产生铝烷和副产物NaCl。要将此合成法用于再处理铝，必须首先把铝 连同反应1中产生的NaCl处理成AlCl₃和NaAlH₄。这些反应可以通过既有 的方法进行，但能量效率极低。

铝烷的热动力学也得到了充分研究。这些研究表明由铝和氢直接合 成铝烷，按以下反应式进行：

Al+3/2H₂→AlH₃                                反应2

使用Windows版HSC Chemistry中的热动力计算模块计算按反应2由 铝金属与氢气直接形成铝烷的标准焓变，ΔH°，为-11.3kJ/mol-AlH₃或 -7.5kJ/mol-H₂。由于ΔH°为负，此反应是放热的，所以预期可以自发进 行。然而，由于氢气被结合入固相，所以标准熵变也是负的。由HSC算 出，ΔS°＝-194.8kJ/K-mol-AlH₃或-129.9kJ/K-mol-H₂。从而，由以下公式1 给出的标准吉布斯自由能变化，ΔG°，

ΔG°＝ΔH°-T*ΔS°                        公式1

在20℃(293K)下为+45.5kJ/mol-AlH₃或+30.3kJ/mol-H₂，其中T为绝对 温度。由于反应要进行ΔG°必须为负，所以按反应2直接合成铝烷在标准 条件下并不会发生。可以通过提高压力直至克服熵的损失来推动反应2 进行。正的ΔG°可通过施加10⁴-10⁵大气压左右的超高压克服。然而，采 用这些高压的能效极低、技术上很难且不实际。由于这些限制，在高压 下的直接合成并未得到广泛应用。

铝烷的合成和存储还存在其它问题。铝烷在水中分解。此外，铝烷 在高于约100℃的温度也分解。

发明的示范性实施方案概述

本发明的一个实施方案包括用于驱动制造铝烷的直接合成反应的 电化学电池和外加电势。

从以下提供的详细说明中将可展现本发明的其它实施方案。应当清 楚，所述详细说明和具体实施例，在表明本发明的示范性实施方案的同 时，只用于说明目的并不意在限制本发明的范围。

附图简述

由以下详细说明和附图将能更全面地理解本发明，其中：

图1为根据本发明的一个实施方案用于合成铝烷的装置示意图。

图2是根据本发明的一个实施方案在燃料补给站用包含铝烷的胶囊 为燃料电池汽车提供燃料和使用所述胶囊在汽车内运行燃料电池的方 法示意图。

图3为根据本发明的一个实施方案包含铝烷的胶囊的横截面。

示范性实施方案详细说明

对实施方案的以下说明本质上仅仅是示范性的，决非意在限制本发 明、其应用或使用。