一种基于铝合金/硼氢化物水解反应的微型制氢系统及制氢方法

摘要

本发明涉及一种基于铝合金/硼氢化物水解反应的微型制氢系统及制氢方法。本发明属于氢气制备技术领域。一种基于铝合金/硼氢化物水解反应的微型制氢系统，包括制氢发生器、储液罐；制氢发生器被储液罐包覆；储液罐底端出口连接制氢发生器输液管、输液控制阀、不锈钢管和反应区；输液管顶端连接储氢室；分离膜将制氢发生器分为反应室和储氢室；反应区底部设置对称圆台。一种基于铝合金/硼氢化物水解反应的微型制氢系统制氢方法，其特点是：调控输液控制阀的硼氢化物溶液输入速率实现制氢系统水解反应的启动/停止，从而稳定制氢系统的氢气压力。本发明具有结构简单、安全可靠等特点，适合于便携式燃料电池或内燃烧机的氢气供给。

说明书

技术领域

本发明属于氢的制造与储存技术，尤其涉及一种基于铝合金/硼氢化物水解反应的微型制 氢系统及制氢方法。

背景技术

随着全球环境和能源问题的日益突出，汽车节能和减少有害排放的研究受到了空前重视。 由于氢气的热值142.35kJ/g是汽油的2.8倍、煤的4倍，并且氢气的燃烧和电化学反应的产物 均为水，因此氢气被认为是未来最具潜力的、低碳高效的能源载体。作为氢能利用的最佳方 式之一，燃料电池近年来取得了飞速的发展。燃料电池是汽车等交通工具的理想动力来源， 也可作为便携电源、小型移动电源领域提供电源。而燃料电池要在这些领域得到广泛的应用， 仍面临着安全储氢方法的选择问题。传统的储氢方法如高压储氢、合金储氢等存在储氢效率 低、工艺设备复杂等缺点，无法满足燃料电池的实际需求。

微型制氢系统是解决燃料电池氢气来源的有效途径。该方法主要是把燃料如硼氢化物、金 属储存在制氢系统内，通过水解反应产生氢气并供给燃料电池，实现随时制氢、供氢，解决 了氢气的储存以及运输过程中的安全问题。铝/硼氢化物(NaBH₄和BH₃NH₃等)体系具有含氢 量高、无污染、反应温和可控等优点，广受国内外科研人员的关注。Evgen[S.Evgeny，D. Victor，V.Arvind.Combustion of novel chemical mixtures for hydrogen generation.Int. J.Hydrogen Energy 2007，32：207-211]利用纳米铝/硼氢化钠体系协同制氢，通过铝水解 释放的热量提高硼氢化钠水解动力学，当纳米铝/硼氢化钠的质量比为1∶1时，可产生6.7wt％ 的氢。沈阳金属所王平[H.B Dai，G.L Ma，P.Wang.Hydrogen generation from coupling  reactions of sodium borohydride and aluminum powder with aqueous solution of cobalt  chloride.Catalysi s Today 2011，170：50-55]利用铝/硼氢化钠/氢氧化钠/氯化钴水溶液混 合体系制氢，最优成分在2-3分钟可实现获得5.4wt％的储氢值，转化效率达到91％。但是， 在实际应用中，铝/硼氢化物水解产生的大量热量和不溶性物质，导致水解产物结块粘附在铝 合金表面，阻止了反应的持续进行。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种满足铝合金/硼氢化物水解反应的微 型制氢系统及制氢方法，该系统具有成本低廉、制备的氢气纯度高、反应物水解完全、水解 速率可控等特点，适合便携式制氢。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于铝合金/硼氢化物体系水解反应的微型制氢系统，包括制氢发生器、储液罐、输 液泵和输液管道；制氢发生器为圆柱空心体，包括罐体和盖体；罐体包括反应室和储氢室； 制氢发生器外围包覆长方体储液罐；储液罐内壁和制氢发生器外壁的间距为5～30cm；制氢 发生器高于储液罐5～10cm；储液罐顶端设置进口，底端设置出口，底端出口经输液管、输 液泵、输液管连接制氢发生器进口输液管；制氢发生器进口输液管与制氢发生器罐体等高； 制氢发生器进口输液管顶端密封，离顶端0～0.5cm处有一个气孔，连接制氢发生器储氢室； 离制氢发生器进口输液管顶端1～4cm处有一个输液控制阀；输液控制阀为两个等同的实心 三角锥相连，输液控制阀上部和下部分别设置正立空心三角锥和倒立空心三角锥，所有三角 锥的形状和体积相同；输液控制阀上部的正立空心三角锥和输液控制阀下部的倒立空心三角 锥间距为1～3cm，在其中间距离有一小孔并经不锈钢管进入制氢发生器反应区，不锈钢管 向下倾斜与水平呈5～150环绕制氢发生器内壁，并焊接在制氢发生器内壁上；不锈钢管底部 均匀分布圆形、细小的洒水口；在不锈钢管正上方0.5～2cm设置气液分离膜；分离膜将罐 体分为反应室和储氢室；储氢室内壁直径小于反应室内壁直径1～3cm，并在储氢室内壁与 反应室内壁之间，环绕储氢室焊接均匀分布的4根立柱；立柱穿透分离膜，立柱的直径在0.1～ 0.3cm之间，高度在0.5～1.5cm之间；分离膜在立柱上可自由移动；在不锈钢管正下方10～ 30cm对称设置2个开口朝上的圆台；盖体中间有出气孔，连接输气管，输气管端连接气压 阀；罐体与盖体周围均匀分布圆孔，经聚四氟垫片、法兰固定密封。

所述的微型制氢系统的制氢方法，其特征是：铝合金棒、铝合金块体预先放置在制氢发 生器反应区的圆台上；硼氢化物碱溶液通过储液罐顶端进口预先储存在储液罐中；启动输液 泵，硼氢化物碱溶液经输液管、输液泵、制氢发生器进口输液管、输液控制阀和不锈钢管， 喷洒到制氢发生器反应区铝合金表面；反应产生氢气，氢气透过分离膜，进入储氢室；当储 氢室氢气压力逐渐增加时，推动输液控制阀实心三角锥，逐步顶住输液控制阀的进液口，阻 止硼氢化物碱溶液进入；当储氢室氢气压力降低时，硼氢化物碱溶液推开输液控制阀实心三 角锥，经不锈钢管，喷洒到制氢发生器反应区铝合金表面反应制氢。

与现有制氢方法相比，本发明具有的优点和积极效果：1)实用性广；本发明适用于铝合 金/硼氢化物水解制氢，包括铝合金和硼氢化物水解制氢；也适用于其它制氢材料铝/碱水解制 氢、碱土金属氢化物水解制氢、碱金属氢化物水解制氢。2)反应速率易控制、反应效率高； 制氢系统可根据水解反应产生的氢气压力，调控硼氢化物碱液的输入速率和输入量，调控系 统的水解反应速率；另外，系统内存在一定的氢气压力，也保证了氢气输出稳定；采用铝合 金悬空、硼氢化物碱溶液喷洒的方法，保证了铝合金一直暴露在硼氢化钠碱溶液中，因此， 该制氢方法具有反应效率高的特点。3)本发明具有廉价、环保的特点；制氢材料铝合金/硼 氢化物水解产物可循环回收、环境友好无污染；另外，因水解反应可控，制氢系统的氢气压 力维持在较低水平，制氢系统可采用廉价、轻便的材料制作。4)本发明特别适合便携式燃料 电池或内燃烧机的氢气供给。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，1-输气阀，2-储氢室，3-立柱；4-分离膜；5-不锈钢管；6-储液室；7-圆环支柱； 8-制氢发生器进口输液管；9-储液室进口；10-输液泵；11-输液控制阀；12-气孔。

具体实施方式

下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本 发明。

实施例1

如图1所示，本发明包括制氢发生器、储液罐、输液泵和输液管道；制氢发生器包括罐 体和盖体；罐体包括反应室和储氢室；储液罐顶端设置进口，底端设置出口，底端出口经输 液管、输液泵、输液管连接制氢发生器进口输液管；制氢发生器进口输液管顶端密封，离顶 端0～0.5cm处有一个气孔，连接制氢发生器储氢室；离制氢发生器进口输液管顶端1～4cm 处有一个输液控制阀；输液控制阀为两个等同的实心三角锥相连，输液控制阀上部和下部分 别设置正立空心三角锥和倒立空心三角锥；输液控制阀上部的正立空心三角锥和输液控制阀 下部的倒立空心三角锥中间处有一小孔连接不锈钢管进入制氢发生器反应区，不锈钢管向下 倾斜与水平呈5～15⁰环绕制氢发生器内壁，并焊接在制氢发生器内壁上；不锈钢管底部均匀 分布圆形、细小的洒水口；在不锈钢管正上方设置气液分离膜；分离膜上为反应室，分离膜 下为储氢室；在储氢室内壁与反应室内壁之间，环绕储氢室焊接均匀分布的4根立柱；立柱 穿透分离膜，并使分离膜在其上自由移动；在不锈钢管正下方对称设置2个开口朝上的圆台； 盖体中间有出气孔，连接输气管，输气管端连接气压阀；罐体与盖体周围均匀分布圆孔，经 聚四氟垫片、法兰固定密封。

工作时，先铝合金棒、铝合金块体预先放置在制氢发生器反应区的圆台上；硼氢化物碱 溶液通过储液罐顶端进口预先储存在储液罐中；启动输液泵，硼氢化物碱溶液经输液管、输 液泵、制氢发生器进口输液管、输液控制阀，并通过不锈钢管喷洒到制氢发生器反应区铝合 金表面；铝合金与硼氢化物碱溶液反应产生氢气，氢气透过分离膜，进入储氢室；而硼氢化 物碱溶液沿铝合金表面顺势留下，从而保证了铝合金与硼氢化物碱溶液的充分接触和反应。 剩余的少量未反应的硼氢化物碱溶液和铝合金亦可在反应区底部接触反应。当储氢室氢气压 力逐渐增加时，氢气压力向下推动输液控制阀实心三角锥，逐步顶住输液控制阀的进液口， 减少硼氢化物碱溶液进入，从而减少制氢发生器反应区的铝合金/硼氢化物水解反应的进行； 正因为储氢室的氢气压力，从而保证了制氢系统内氢气的平稳输出；当储氢室氢气压力降低 时，硼氢化物碱溶液又逐渐推开输液控制阀实心三角锥，经不锈钢管，喷洒到制氢发生器反 应区铝合金表面反应制氢，水解反应又进行。