專利名稱：一種基于鋁合金/硼氫化物水解反應的微型制氫系統及制氫方法
技術領域：
本發明屬于氫的制造與儲存技術，尤其涉及一種基于鋁合金/硼氫化物水解反應的微型制氫系統及制氫方法。
背景技術：
隨著全球環境和能源問題的日益突出，汽車節能和減少有害排放的研究受到了空前重視。由于氫氣的熱值142. 35kJ/g是汽油的2. 8倍、煤的4倍，并且氫氣的燃燒和電化學反應的產物均為水，因此氫氣被認為是未來最具潛力的、低碳高效的能源載體。作為氫能利用的最佳方式之一，燃料電池近年來取得了飛速的發展。燃料電池是汽車等交通工具的理想動力來源，也可作為便攜電源、小型移動電源領域提供電源。而燃料電池要在這些領域得到廣泛的應用，仍面臨著安全儲氫方法的選擇問題。傳統的儲氫方法如高壓儲氫、合金儲氫等存在儲氫效率低、工藝設備復雜等缺點，無法滿足燃料電池的實際需求。微型制氫系統是解決燃料電池氫氣來源的有效途徑。該方法主要是把燃料如硼氫化物、金屬儲存在制氫系統內，通過水解反應產生氫氣并供給燃料電池，實現隨時制氫、供氫，解決了氫氣的儲存以及運輸過程中的安全問題。鋁/硼氫化物(NaBH4和BH3NH3等)體系具有含氫量高、無污染、反應溫和可控等優點，廣受國內外科研人員的關注。Evgen[S.Evgeny, D.Victor, V. Arvind. Combustion of novel chemical mixtures for hydrogengeneration. Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32 207-211]利用納米招 / 硼氫化鈉體系協同制氫，通過鋁水解釋放的熱量提高硼氫化鈉水解動力學，當納米鋁/硼氫化鈉的質量比為I : I時，可產生6. 7wt%的氫。沈陽金屬所王平[H. B Dai, G. L Ma, P. Wang. Hydrogengeneration from coupling reactions of sodium borohydride and aluminum powderwith aqueous solution of cobalt chloride. Catalysi s Today 2011,170 :50_55]利用鋁/硼氫化鈉/氫氧化鈉/氯化鈷水溶液混合體系制氫，最優成分在2-3分鐘可實現獲得
5.4wt %的儲氫值，轉化效率達到91 %。但是，在實際應用中，鋁/硼氫化物水解產生的大量熱量和不溶性物質，導致水解產物結塊粘附在鋁合金表面，阻止了反應的持續進行。

發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明旨在提供一種滿足鋁合金/硼氫化物水解反應的微型制氫系統及制氫方法，該系統具有成本低廉、制備的氫氣純度高、反應物水解完全、水解速率可控等特點，適合便攜式制氫。為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種基于鋁合金/硼氫化物體系水解反應的微型制氫系統，包括制氫發生器、儲液罐、輸液泵和輸液管道；制氫發生器為圓柱空心體，包括罐體和蓋體；罐體包括反應室和儲氫室；制氫發生器外圍包覆長方體儲液罐；儲液罐內壁和制氫發生器外壁的間距為5 30cm ;制氫發生器高于儲液罐5 IOcm ;儲液罐頂端設置進口，底端設置出口，底端出口經·輸液管、輸液泵、輸液管連接制氫發生器進口輸液管；制氫發生器進口輸液管與制氫發生器罐體等高；制氫發生器進口輸液管頂端密封，離頂端O O. 5cm處有一個氣孔,連接制氫發生器儲氫室；離制氫發生器進口輸液管頂端I 4cm處有一個輸液控制閥；輸液控制閥為兩個等同的實心三角錐相連，輸液控制閥上部和下部分別設置正立空心三角錐和倒立空心三角錐，所有三角錐的形狀和體積相同；輸液控制閥上部的正立空心三角錐和輸液控制閥下部的倒立空心三角錐間距為I 3cm，在其中間距離有一小孔并經不銹鋼管進入制氫發生器反應區，不銹鋼管向下傾斜與水平呈5 150環繞制氫發生器內壁，并焊接在制氫發生器內壁上；不銹鋼管底部均勻分布圓形、細小的灑水口 ；在不銹鋼管正上方O. 5 2cm設置氣液分離膜；分離膜將罐體分為反應室和儲氫室；儲氫室內壁直徑小于反應室內壁直徑
I 3cm，并在儲氫室內壁與反應室內壁之間，環繞儲氫室焊接均勻分布的4根立柱；立柱穿透分離膜，立柱的直徑在O. I O. 3cm之間，高度在O. 5 I. 5cm之間；分離膜在立柱上可自由移動；在不銹鋼管正下方10 30cm對稱設置2個開口朝上的圓臺；蓋體中間有出氣孔，連接輸氣管，輸氣管端連接氣壓閥；罐體與蓋體周圍均勻分布圓孔，經聚四氟墊片、法蘭固定密封。 所述的微型制氫系統的制氫方法，其特征是鋁合金棒、鋁合金塊體預先放置在制氫發生器反應區的圓臺上；硼氫化物堿溶液通過儲液罐頂端進口預先儲存在儲液罐中；啟動輸液泵，硼氫化物堿溶液經輸液管、輸液泵、制氫發生器進口輸液管、輸液控制閥和不銹鋼管，噴灑到制氫發生器反應區鋁合金表面；反應產生氫氣，氫氣透過分離膜，進入儲氫室；當儲氫室氫氣壓力逐漸增加時，推動輸液控制閥實心三角錐，逐步頂住輸液控制閥的進液口，阻止硼氫化物堿溶液進入；當儲氫室氫氣壓力降低時，硼氫化物堿溶液推開輸液控制閥實心三角錐，經不銹鋼管，噴灑到制氫發生器反應區鋁合金表面反應制氫。與現有制氫方法相比，本發明具有的優點和積極效果1)實用性廣；本發明適用于鋁合金/硼氫化物水解制氫，包括鋁合金和硼氫化物水解制氫；也適用于其它制氫材料鋁/堿水解制氫、堿土金屬氫化物水解制氫、堿金屬氫化物水解制氫。2)反應速率易控制、反應效率高；制氫系統可根據水解反應產生的氫氣壓力，調控硼氫化物堿液的輸入速率和輸入量,調控系統的水解反應速率；另外，系統內存在一定的氫氣壓力，也保證了氫氣輸出穩定；采用鋁合金懸空、硼氫化物堿溶液噴灑的方法，保證了鋁合金一直暴露在硼氫化鈉堿溶液中，因此，該制氫方法具有反應效率高的特點。3)本發明具有廉價、環保的特點；制氫材料鋁合金/硼氫化物水解產物可循環回收、環境友好無污染；另外，因水解反應可控，制氫系統的氫氣壓力維持在較低水平，制氫系統可采用廉價、輕便的材料制作。4)本發明特別適合便攜式燃料電池或內燃燒機的氫氣供給。


圖I為本發明的結構示意圖。圖中，I-輸氣閥,2-儲氫室,3-立柱；4_分離膜；5_不銹鋼管；6_儲液室；7-圓環支柱；8-制氫發生器進口輸液管；9-儲液室進口 ； 10-輸液泵；11-輸液控制閥；12_氣孔。
具體實施例方式
下面的實施例可以使本領域技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。實施例I如圖I所示，本發明包括制氫發生器、儲液罐、輸液泵和輸液管道；制氫發生器包括罐體和蓋體；罐體包括反應室和儲氫室；儲液罐頂端設置進口，底端設置出口，底端出口經輸液管、輸液泵、輸液管連接制氫發生器進口輸液管；制氫發生器進口輸液管頂端密封，離頂端O O. 5cm處有一個氣孔，連接制氫發生器儲氫室；離制氫發生器進口輸液管頂端I 4cm處有一個輸液控制閥；輸液控制閥為兩個等同的實心三角錐相連,輸液控制閥上部和下部分別設置正立空心三角錐和倒立空心三角錐；輸液控制閥上部的正立空心三角錐和輸液控制閥下部的倒立空心三角錐中間處有一小孔連接不銹鋼管進入制氫發生器反應區，不銹鋼管向下傾斜與水平呈5 15°環繞制氫發生器內壁，并焊接在制氫發生器內壁上；不銹鋼管底部均勻分布圓形、細小的灑水口 ；在不銹鋼管正上方設置氣液分離膜；分離膜上為反應室，分離膜下為儲氫室；在儲氫室內壁與反應室內壁之間，環繞儲氫室焊接均勻分布的4根立柱；立柱穿透分離膜，并使分離膜在其上自由移動；在不銹鋼管正下方對稱設置2個開口朝上的圓臺；蓋體中間有出氣孔，連接輸氣管，輸氣管端連接氣壓閥；罐體與蓋體周 圍均勻分布圓孔，經聚四氟墊片、法蘭固定密封。工作時，先鋁合金棒、鋁合金塊體預先放置在制氫發生器反應區的圓臺上；硼氫化物堿溶液通過儲液罐頂端進口預先儲存在儲液罐中；啟動輸液泵，硼氫化物堿溶液經輸液管、輸液泵、制氫發生器進口輸液管、輸液控制閥，并通過不銹鋼管噴灑到制氫發生器反應區鋁合金表面；鋁合金與硼氫化物堿溶液反應產生氫氣，氫氣透過分離膜，進入儲氫室；而硼氫化物堿溶液沿鋁合金表面順勢留下，從而保證了鋁合金與硼氫化物堿溶液的充分接觸和反應。剩余的少量未反應的硼氫化物堿溶液和鋁合金亦可在反應區底部接觸反應。當儲氫室氫氣壓力逐漸增加時，氫氣壓力向下推動輸液控制閥實心三角錐，逐步頂住輸液控制閥的進液口，減少硼氫化物堿溶液進入，從而減少制氫發生器反應區的鋁合金/硼氫化物水解反應的進行；正因為儲氫室的氫氣壓力，從而保證了制氫系統內氫氣的平穩輸出；當儲氫室氫氣壓力降低時，硼氫化物堿溶液又逐漸推開輸液控制閥實心三角錐，經不銹鋼管，噴灑到制氫發生器反應區鋁合金表面反應制氫，水解反應又進行。
權利要求
1.一種基于鋁合金/硼氫化物體系水解反應的微型制氫系統，包括制氫發生器、儲液罐、輸液泵和輸液管道；制氫發生器為圓柱空心體，包括罐體和蓋體；罐體包括反應室和儲氫室；制氫發生器外圍包覆長方體儲液罐；儲液罐內壁和制氫發生器外壁的間距為5 30cm ;制氫發生器高于儲液罐5 IOcm ;儲液罐頂端設置進口，底端設置出口，底端出口經輸液管、輸液泵、輸液管連接制氫發生器進口輸液管；制氫發生器進口輸液管與制氫發生器罐體等高；制氫發生器進口輸液管頂端密封，離頂端O O. 5cm處有一個氣孔,連接制氫發生器儲氫室；離制氫發生器進口輸液管頂端I 4cm處有一個輸液控制閥；輸液控制閥為兩個等同的實心三角錐相連，輸液控制閥上部和下部分別設置正立空心三角錐和倒立空心三角錐，所有三角錐的形狀和體積相同；輸液控制閥上部的正立空心三角錐和輸液控制閥下部的倒立空心三角錐間距為I 3cm，在其中間距離有一小孔并經不銹鋼管進入制氫發生器反應區，不銹鋼管向下傾斜與水平呈5 150環繞制氫發生器內壁，并焊接在制氫發生器內壁上；不銹鋼管底部均勻分布圓形、細小的灑水口 ；在不銹鋼管正上方O. 5 2cm設置氣液分離膜；分離膜將罐體分為反應室和儲氫室；儲氫室內壁直徑小于反應室內壁直徑I 3cm，并在儲氫室內壁與反應室內壁之間，環繞儲氫室焊接均勻分布的4根立柱；立柱穿透分離膜，立柱的直徑在O. I O. 3cm之間，高度在O. 5 I. 5cm之間；分離膜在立柱上可自由移動；在不銹鋼管正下方10 30cm對稱設置2個開口朝上的圓臺；蓋體中間有出氣孔，連接輸氣管，輸氣管端連接氣壓閥；罐體與蓋體周圍均勻分布圓孔，經聚四氟墊片、法蘭固定密封。
2.根據權利要求I所述的微型制氫系統的制氫方法，其特征是鋁合金棒、鋁合金塊體預先放置在制氫發生器反應區的圓臺上；硼氫化物堿溶液通過儲液罐頂端進口預先儲存在儲液罐中；啟動輸液泵，硼氫化物堿溶液經輸液管、輸液泵、制氫發生器進口輸液管、輸液控制閥和不銹鋼管，噴灑到制氫發生器反應區鋁合金表面；反應產生氫氣，氫氣透過分離膜，進入儲氫室；當儲氫室氫氣壓力逐漸增加時，推動輸液控制閥實心三角錐，逐步頂住輸液控制閥的進液口，阻止硼氫化物堿溶液進入；當儲氫室氫氣壓力降低時，硼氫化物堿溶液推開輸液控制閥實心三角錐，經不銹鋼管，噴灑到制氫發生器反應區鋁合金表面反應制氫。
全文摘要
本發明涉及一種基于鋁合金/硼氫化物水解反應的微型制氫系統及制氫方法。本發明屬于氫氣制備技術領域。一種基于鋁合金/硼氫化物水解反應的微型制氫系統，包括制氫發生器、儲液罐；制氫發生器被儲液罐包覆；儲液罐底端出口連接制氫發生器輸液管、輸液控制閥、不銹鋼管和反應區；輸液管頂端連接儲氫室；分離膜將制氫發生器分為反應室和儲氫室；反應區底部設置對稱圓臺。一種基于鋁合金/硼氫化物水解反應的微型制氫系統制氫方法，其特點是調控輸液控制閥的硼氫化物溶液輸入速率實現制氫系統水解反應的啟動/停止，從而穩定制氫系統的氫氣壓力。本發明具有結構簡單、安全可靠等特點，適合于便攜式燃料電池或內燃燒機的氫氣供給。
文檔編號C01B3/08GK102910582SQ20121035770
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月20日 優先權日2012年9月20日
發明者范美強, 王禹, 陳達, 田光磊, 舒康穎 申請人:中國計量學院