CN102139859A

CN102139859A - 一种自调式氢气发生器

Info

Publication number: CN102139859A
Application number: CN2010102071501A
Authority: CN
Inventors: 孙元明; 顾军
Original assignee: WUXI ANYDA NEW ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI ANYDA NEW ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2011-08-03

Abstract

一种自调式氢气发生器，尤其适用于硼氢化物水解法制备氢气，其包括贮料罐、反应器、缓冲罐、输液泵，所述反应器穿过贮料罐并形成一储液夹套；所述贮料罐、输液泵、反应器通过管道串联；所述反应器通过管道与缓冲罐连接。本发明的氢气制备发生器保证了氢气制备的高效率、高稳定性，其原料液使用充分，产氢的流量、压力均匀。

Description

一种自调式氢气发生器

技术领域

本发明涉及一种自调式氢气发生器，尤其适用于硼氢化物水解法制备氢气。

背景技术

氢作为一种重要的化学物质在化学工业，石油工业，食品和冶金工业中有广泛应用。同时氢还是一种清洁的能源材料。当前燃料电池的利用开发，尤其是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的利用开发，已成为新世纪国际上攻克能源危机和环境污染的前沿技术领域，特别是对以氢氧燃料电池驱动的移动工具的研制开发，已被发达国家列为重点投资研究项目，并在国际间、各大公司间展开了既相互协作又相互竞争的局面。燃料电池大规模应用急需解决的一个重要问题就是如何为燃料电池高效安全地提供氢源。

目前为燃料电池提供氢源的方式大致有五种：1)高压氢气瓶法；2)低温液化氢法；3)甲醇或汽油重整法；4)金属氢化物固态储氢法；5)各种无机氢化物储氢法。高压氢气瓶法和低温液化氢法都存在使用和运输过程中成本大、安全性差等缺点的；甲醇或汽油重整法虽然使用较为方便，能把制氢与储氢溶为一体，但缺点是要求有较高的重整温度，能量转化率低，故成本高，而且无法达到有害气体零排放。金属氢化物固态储氢法是较安全的储氢方法，但缺点是储氢容量较低，无法应用到大功率燃料电池中，而且低温放氢性能较差。无机金属氢化物储氢法是利用如氢化钠，氢化锂，氢化钙等无机金属氢化物与水反应产生氢气的原理来制取氢气，这种方法的特点是产氢速度快，可低温产氢，缺点是金属氢化物原材料成本高，回收再利用困难，很难广泛应用。

硼氢化钠(NaBH₄)是一种高储氢量的材料(10.6wt％H₂)，每克NaBH₄水解能产生2.37标准升氢气，是燃料电池，特别是可移动式燃料电池的理想氢源。以硼氢化钠为代表的硼氢化物催化水解制氢反应，关键是要控制好反应速度；反应速度主要由溶液的浓度、流量、温度以及催化剂床的比表面积、直径和长度等控制。一般对制氢反应器的要求极为苛刻，设计不合理的制氢设备极易导致氢气压力、流量的不稳定，甚至引起火灾、***等。专利文献1(200480008485.3)和专利文献2(200480025014.3)各公开了一种氢化源水解产氢的装置，其技术思路是将氢化源与导引液体分两个空间储存；使用时，将导引液体输入氢化源即可产生氢气，其缺陷是：只能适用于小型氢燃料电池或小型实验，其产氢也是间断的、不可控的，氢化源消耗完后即废弃掉，生产效率低。专利文献3(200710201627.3)和对比文件4(200710202502.2)各公开了一种硼氢化物水解制氢装置，将装填有催化剂的反应器置于燃料容器内；使用时，打开反应器底部的阀门，硼氢化物溶液即可进入反应器并水解产氢，其缺陷是产氢速率不可控，废液与原料液混杂，生产效率低下。目前尚无规模化、安全、高效、低耗的硼氢化物水解法制备氢气专用的发生器，此也限制了水解法制备氢气的推广应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适于规模化生产安全、高效、低耗、操作简单的自调式氢气发生器，尤其适用于硼氢化物水解制氢。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种自调式氢气发生器，其包括贮料罐、反应器、缓冲罐、输液泵，所述反应器穿过贮料罐并形成一贮液夹套；所述贮料罐、输液泵、反应器通过管道串联；所述反应器通过管道与缓冲罐连接。

贮料罐、缓冲罐外壳的制备材料为不锈钢板、聚乙烯、聚丙烯等；反应器穿过贮料罐并形成的贮液夹套制于储存配置好的硼氢化物反应料液。所述的硼氢化物包括但不限于硼氢化物盐、三硼氢化物盐、十氢十硼酸盐、十三氢十硼酸盐、十二氢十二硼酸盐、十八氢二十硼酸盐中的一种或几种的混合物，对于其他氢化源，如碱金属氢化物或碱土金属氢化物，在条件允许的情况下，也适用于本制备方法和本一种自调式氢气发生器。使用时，硼氢化物反应料液经输液泵(可采用手动或自动变速式)输入反应器，在催化剂作用下产生氢气和副产物偏硼酸盐，氢气通过管道输入缓冲罐。因该反应为放热反应，在反应过程中，溶液与催化剂接触会放出大量反应热，从而导致催化剂固定床反应温度升高过快，反应剧烈不稳定，氢气流量不可控制；但使用本发明的反应器时，贮料罐中的溶液置于夹套中并与催化剂固定内管充分接触，可吸收反应热，一方面可提高溶液温度，使溶液通过催化剂时缩短达到所需反应速率的时间，另一方面使固定床反应温度保持在稳定的范围内，减轻反应温度剧变导致的氢气流量波动。

进一步改进为，所述一种自调式氢气发生器还包括废液回收罐，其通过管道分别与反应器底部、缓冲罐底部连接。其可由不锈钢板、聚乙烯、聚丙烯等材料制成，主要用于对反应产物偏硼酸盐的回收利用，回收后的偏硼酸盐经电解还原或金属氢化物还原成硼氢化物，从而循环使用。

再者，所述一种自调式氢气发生器还包括压力变送器和压力仪表，所述压力变送器与压力仪表电连接，所述压力仪表与输液泵电连接。其组成一个控制回路，用以控制制氢体系并产生所需压力、流量的氢气；其仪表包括PID控制仪、VF转换器等，它们与步进电机驱动器共同组成一个控制输液蠕动泵的控制***；输液泵可以设定所需氢气的压力，通过与压力变送器传送的压力信号进行比较来自动调节转速，从而改变进入发生器的硼氢化物料液流量，进而使制氢速率发生变化，最终缓冲罐中的氢气压力根据氢气的使用条件保持在稳定的范围内。输液泵也可设置成定值，在硼氢化物料液持续供应的情况下，也可使氢气的压力、流量保持稳定。

再者，所述反应器内设催化剂套管，催化剂床呈网状结构或是具有多孔的非贵金属材料。套管由内外径相嵌的两部分组成，可根据催化剂用量调节其长短。

再者，所述反应器上部设液体分散器，其可重新聚集、分散反应液，从而使其均匀地通过催化剂固定床。

再者，所述反应器下部设网状过滤板，用以防止催化剂的残渣落入处于反应器下部的废液回收罐中。

再者，所述缓冲罐内设网状或多孔的气液分离结构如干燥床，其上填充干燥剂如5A分子筛、氯化钙、五氧化二磷、硅胶等。干燥剂将进入缓冲罐的氢气中所含的碱性水分吸收、过滤，累积成一定溶液后通过再排放到废液罐中。

再者，所述缓冲罐上部设伞形液体收集器，其可进一步防止水分被夹带出去。

再者，所述缓冲罐外壳上设有多层翅片，以起散热的效果，可加速气/液的分离。

本发明的一种自调式氢气发生器通过电路控制***严格控制反应液的流量，其液体分散器、夹套设计、多孔或网状的催化剂床都保证了氢气制备的高效率、高稳定性，其原料液使用充分，产氢的流量、压力均匀。缓冲罐内设的气液分离结构如干燥床、液体收集器可充分除去氢气中的碱性水分等杂质，使氢气质量大为提高，尤其适用于高端领域。回收罐保证了废液的充分回收利用，利于环保和节约成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种自调式氢气发生器的结构示意图；

图2是本发明一种自调式氢气发生器的反应器套管结构示意图；

图3是本发明一种自调式氢气发生器的套管过滤板的结构示意图；

图4是本发明一种自调式氢气发生器的缓冲罐外部结构示意图；

图5是本发明一种自调式氢气发生器的缓冲罐内部结构示意图；

图1-5中标记示意为：进口1、贮料罐2、出口3、输液泵4、液体分散器5、反应器6、管道7、9、11、废液回收罐8、缓冲罐10、收集器12、出口管路13、安全阀14、压力变送器15、套管16、过滤板17、网孔18、翅片19、干燥剂床20、过滤板21。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种自调式氢气发生器，如图1所示，其包括贮料罐2、反应器6、缓冲罐10、输液泵4和废液回收罐8，反应器6穿过贮料罐2并形成一贮液夹套用于储存配置好的硼氢化物料液；贮料罐2、输液泵4、反应器6通过管道串联；反应器6通过管道与缓冲罐10连接；废液回收罐8通过管道7和管道11分别与反应器6底部、缓冲罐10底部连接。贮料罐2、反应器6、废液回收罐8和缓冲罐10的制备材料为不锈钢板、聚乙烯、聚丙烯等。

一种自调式氢气发生器还包括压力变送器15和压力仪表组成的控制回路，用以控制制氢体系以产生所需压力、流量的氢气；压力变送器与压力仪表连接，压力仪表与输液泵电连接。其仪表包括PID控制仪、VF转换器等，它们与步进电机驱动器共同组成一个控制输液蠕动泵4的控制***。

如图2、图3所示，反应器6内设催化剂套管16，催化剂床内设在套管16内，并呈立体多孔网状结构，套管由内径镶嵌的两部分组成，可根据催化剂用量调节其长短，其下部设网状过滤板17，网状过滤板上设细小网孔18；反应器6上部设液体分散器5，其截面呈正置的三角形状，顶角设入口，底边设若干细小的料液出孔，料液从上顶角进入，经底边的出料孔分散后进入套管16。

如图4、图5所示，缓冲罐1)内设网状的气液分离干燥剂床21，其上填充5A分子筛干燥剂20，缓冲罐上部设伞形液体收集器12，气体移向出口时，流经伞形液体收集器12底部的出气孔，氢气中夹杂的水分顺着伞内壁凝结，小液滴汇集成大液滴并沿壁向下流动，最后返回到废液回收罐8中；外壳上设有多层翅片19。

下面以硼氢化钠催化水解制备氢气为例，阐述本发生器的使用过程：配制硼氢化钠-氢氧化钠的水溶液，使硼氢化钠质量分数为15％、氢氧化钠质量分数为10％，通过贮料罐进口1持续注入夹套2中。将输液泵4设置成固定流速7g/min，使溶液自出口3输出，并经液体分散器5分配，再均匀加入内管6中。套管6的直径为28mm，长度为200mm，其中填充40g多孔金属为载体的固体催化剂如钴、镍、铂、钌、铑等。

硼氢化钠料液加入反应器6后，与催化剂接触后立即发生水解反应。反应后的副产物偏硼酸钠溶液流经过滤板17、管路7，最后在废液回收罐8内积累起来，以备回收循环利用。大部分氢气从发生器6顶部的管路9进入缓冲罐10，小部分氢气随偏硼酸钠溶液通过管路7进入回收罐8，再通过管路11进入缓冲罐10。缓冲罐10内的多孔气液分离器干燥剂床21可进行气液分离，并吸收去除含杂质的水分，经液体收集器12也可除掉混杂的少许液体，最终通过出口管路13输送氢气与使用单元连接。经氢气流量计测量，氢气的平均流量为4L/min(标准状况)，最高流量为10L/min(标准状况)，安全阀14的压力设定值为1.4MP。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自调式氢气发生器，其包括贮料罐、反应器、缓冲罐、输液泵，其特征在于：所述反应器穿过贮料罐并形成一贮料夹套；所述贮料罐、输液泵、反应器通过管道串联；所述反应器通过管道与缓冲罐连接。

2.根据权利要求1所述的一种自调式氢气发生器，其特征在于：所述发生器还包括废液回收罐，其通过管道分别与反应器底部、缓冲罐底部连接。

3.根据权利要求1所述的一种自调式氢气发生器，其特征在于：所述一种自调式氢气发生器还包括压力变送器和压力仪表，所述压力变送器与压力仪表电连接，所述压力仪表与输液泵电连接。

4.根据权利要求1所述的一种自调式氢气发生器，其特征在于：所述反应器内设催化剂套管，催化剂床呈网状结构或是具有多孔的非贵金属材料。

5.根据权利要求1所述的一种自调式氢气发生器，其特征在于：所述反应器上部设液体分散器。

6.根据权利要求1所述的一种自调式氢气发生器，其特征在于：所述反应器下部设网状过滤板。

7.根据权利要求1所述的一种自调式氢气发生器，其特征在于：所述缓冲罐内设网状结构或多孔的气液分离结构，其上填充干燥剂。

8.根据权利要求1所述的一种自调式氢气发生器，其特征在于：所述缓冲罐上部设液体收集器。

9.根据权利要求1所述的一种自调式氢气发生器，其特征在于：所述缓冲罐外壳上设有多层翅片。