CN107910572A - 一种储氢材料反应腔及其燃料电池发电装置 - Google Patents

一种储氢材料反应腔及其燃料电池发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种储氢材料反应腔及其燃料电池发电装置，上述燃料电池发电装置，包括水箱、打水泵、燃料电池组，具有这样的特征，水箱的出水口和打水泵的入水口通过管路连接，打水泵的出水口与反应腔的第一连接口通过管路连接，反应腔的第二连接口与燃料电池组通过管路连接。本发明中以水蒸气‑氢化镁水解产氢，并产生反应热，以为热解储氢材料的热解高温环境，使其可在高温环境下热解释放出氢气，并利用产生的氢气供给燃料电池发电。上述处理方式，不需要额外的加热装备，免除额外的重量、体积以及耗能的缺点；同时，也可利用储氢材料热解放氢吸热的特性，可进一步降低反应腔的腔壁温度,可减少高温保护套使用的厚度,减少产品体积和重量。

Description

一种储氢材料反应腔及其燃料电池发电装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种储氢材料反应腔及其燃料电池发电装置。
背景技术
氢气通过燃料电池可转化为电能。氢气的来源有两种，一种为储存在容器内，可为高压液态氢气储存方式；另一种为储存在材料里面，称作储氢材料。高压储氢方式有高压泄漏的危险，液态储氢方式有升温液态氢气沸腾的问题，储氢材料储氢方式被公认为最安全的储氢方法。储氢材料中提取氢气，供给燃料电池使用，便可发电。
氢化镁(MgH2)是一种已知的储氢材料，可与水反应产生氢气，并放出大量的热，其化学反应方程式为MgH2(S)+H2O(l)＝Mg(OH)2(S)+H2(g)↑，ΔH＝-268kJ/mol。
上述的产氢方法叫做水解制氢。水解制氢法中，液态水从水箱内以打水泵打入反应腔与氢化镁接触反应产生氢气，再将氢气导入燃料电池即可发电，上述水解制氢法的缺点为液态水与氢化镁的反应速率低，使得氢气产生的速率低(或是氢气流量低)，而直接导致燃料电池的发电功率低。
为解决液态水与氢化镁反应速率低的问题，在反应中添加反应促进剂(以催化反应方式或其他方式促进反应)的方法被提出来，例如在液态水中加入氯酸盐、NH4Cl、MgCl2、柠檬酸、LaH3。
添加水解反应促进剂除了直接提高使用材料的成本外，还有一个致命的缺点就是当燃料电池发电机(或是水解产氢设备)在搬运过程中因意外造成顷斜或顷倒时，液态水将顺着氢气出口流出到燃料电池，这流出的液态水杂质很多，可能是酸性或是碱性，甚至可能是带有MgH2或Mg(OH)2或MgO的悬浮液体，这杂质液体或悬浮液体，将覆盖燃料电池的膜电极，使氢气无法与膜电极接触，大幅降低燃料电池发电功率以至降低燃料电池寿命。
另外，酸性或碱性液体腐蚀管路以及管路上的阀门，更甚者，腐蚀性酸性或碱性液态水沿着管路通过燃料电池后，泄漏到外面，污染到使用者以及环境，伤害更大的是悬浮液体会阻塞氢气管路，造成氢气管路气压过大而爆裂，造成危险。
针对上述问题，有人提出气态-固态反应(gas-solidreaction)，也就是水蒸汽-氢化物水解反应法，上述方法中不存在液体，也不需要水解反应促进剂，可以解决上述液态水解产氢的问题。水蒸汽-氢化物水解反应法中，从水箱以打水泵将液态水打出，通过加热器，液态水汽化成水蒸汽，接着水蒸汽进入反应腔与氢化镁接触反应产生氢气，再将氢气导入燃料电池即可发电。因为氢化镁水解反应是放热，所以反应腔的温度可维持100℃以上，高温的反应腔不会存在液态水，并且水解反应放出热可以加以利用取代加热器使液态水汽化成水蒸气。但是，常见储氢材料都需要在高温环境(>室温)才可以释放出氢气供给燃料电池使用，例如Mg(BH4)2(NH3)2有大约13wt.％高储氢,但工作温度约380℃；例如SolidAB(NH3BH3)有大约16wt.％高储氢，但工作温度约160℃；例如Mg(BH4)2有大约11wt.％高储氢，但工作温度约350℃。这些高工作温度限制了这些储氢材料的使用，或是使用这些储氢材料需要额外加热,造成体积重量增大与耗能问题。
发明内容
针对现有的燃料电池技术领域存在的上述问题，现提供一种旨在降低水反应腔壁温度、减少高温保护套的使用厚度、减少装置体积和重量的储氢材料反应腔及其燃料电池发电装置。
具体技术方案如下：
本发明的第一个方面是提供一种储氢材料反应腔，应用于燃料电池发电装置中，具有这样的特征，反应腔内设有阻隔层，阻隔层合围形成封闭区域，封闭区域内填充有第一储氢材料，反应腔内相对封闭区域的外部设有第二储氢材料，并且，反应腔上设有用于通入水蒸汽且与封闭区域连通的第一连接口和延伸且依次与反应腔和封闭区域连通以用于通出氢气的第二连接口。
本发明中也可去除阻隔层，由第二储氢材料直接堆积于第一储氢材料的***。
上述的储氢材料反应腔，还具有这样的特征，第一储氢材料为MgH2，第二储氢材料为热解储氢材料。
上述的储氢材料反应腔，还具有这样的特征，第一储氢材料为热解储氢材料，第二储氢材料为MgH2。
上述的储氢材料反应腔，还具有这样的特征，热解储氢材料选自金属氢化物、介金属储氢材料(如AB2型储氢合金、AB5型储氢合金等)、金属硼氢化合物(如LiBH4、NaBH4、KBH4、Be(BH4)2、Mg(BH4)2、Ca(BH4)2、Al(BH4)3、LiK(BH4)4、LiSc(BH4)4、LiMn(BH4)3等)、金属氮氢化合物(如Mg(NH2)2、Ca(NH2)2、Mg(BH4)2(NH3)2、LiNH2、Li2NH、Li-N-H、Li-Mg-N-H、Ca-N-H体系、Li-Mg-N-H、Li4MgCaN4H4等)、金属铝氢化物(如NaAlH4、Na2LiAlH6、Na3AlH6、LiAlH4、KAlH4、Mg(AlH4)2、NaAlH6-xFx、CaAlH5等)、氨基硼烷化合物(如NHBH、NH2BH2、NH3BH3、LiNH2BH3、NaNH2BH3等)、元素氢化物(如LiH、NaH、KH、BeH2、MgH2、CaH2、AlH3、CH4、SiH4、NH3等)或液体有机储氢材料(如苯、甲苯、环己烷、甲基环己烷、十氢化萘、四氢化萘等)中的一种或几种。
上述的储氢材料反应腔，还具有这样的特征，阻隔层选自金属板、金属网、发泡金属、隔热棉、陶瓷棉陶瓷板或陶瓷粉末中的一种或几种。
本发明中设置于封闭区域外部的第二储氢材料，可以为层结构，即设置于封闭区域外相对封闭区域的上方、下方、左侧或右侧中的一种或几种，也可在反应腔内相对上述封闭区域外全部填充。
本发明的第二个方面是提供一种储氢材料反应腔，应用于燃料电池发电装置中，具有这样的特征，反应腔内设有阻隔层，阻隔层合围形成封闭区域，封闭区域内设有储氢材料，储氢材料由MgH2和热解储氢材料混合形成，并且，反应腔上设有用于通入水蒸汽且与阻隔层相抵的第一连接口和用于通出氢气且与阻隔层相抵的第二连接口。
上述的储氢材料反应腔，还具有这样的特征，热解储氢材料选自金属氢化物、介金属储氢材料(如AB2型储氢合金、AB5型储氢合金等)、金属硼氢化合物(如LiBH4、NaBH4、KBH4、Be(BH4)2、Mg(BH4)2、Ca(BH4)2、Al(BH4)3、LiK(BH4)4、LiSc(BH4)4、LiMn(BH4)3等)、金属氮氢化合物(如Mg(NH2)2、Ca(NH2)2、Mg(BH4)2(NH3)2、LiNH2、Li2NH、Li-N-H、Li-Mg-N-H、Ca-N-H体系、Li-Mg-N-H、Li4MgCaN4H4等)、金属铝氢化物(如NaAlH4、Na2LiAlH6、Na3AlH6、LiAlH4、KAlH4、Mg(AlH4)2、NaAlH6-xFx、CaAlH5等)、氨基硼烷化合物(如NHBH、NH2BH2、NH3BH3、LiNH2BH3、NaNH2BH3等)、元素氢化物(如LiH、NaH、KH、BeH2、MgH2、CaH2、AlH3、CH4、SiH4、NH3等)或液体有机储氢材料(如苯、甲苯、环己烷、甲基环己烷、十氢化萘、四氢化萘等)中的一种或几种。
本发明的第三个方面是提供一种利用上述储氢材料反应腔的燃料电池发电装置，包括水箱、打水泵、燃料电池组，具有这样的特征，水箱的出水口和打水泵的入水口通过管路连接，打水泵的出水口与反应腔的第一连接口通过管路连接，反应腔的第二连接口与燃料电池组通过管路连接。
上述的燃料电池发电装置，还具有这样的特征，还包括加热器，加热器设于打水泵与第一连接口之间的管路上。
上述方案的有益效果是：
本发明中以水蒸气-氢化镁水解产氢，并产生反应热，以为热解储氢材料的热解提供高温环境，使其可在高温环境下热解释放出氢气，并利用产生的氢气供给燃料电池发电。上述处理方式，不需要额外的加热装备，免除额外的重量、体积以及耗能的缺点；同时，储氢材料的高温释放氢气的过程为吸热反应，因此，利用储氢材料热解放氢吸热的特性，相对于单独使用水蒸气-氢化镁水解产氢，可进一步降低反应腔的腔壁温度，减少高温保护套使用的厚度，并减少装置的体积和重量。
附图说明
图1为本发明的实施例中提供的储氢材料反应腔的结构示意图。
附图中：1、反应腔、2、阻隔层；3、第一储氢材料；4、第二储氢材料；5、第一连接口；6、第二连接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
图1为本发明的实施例中提供的燃料电池反应腔的结构示意图。如图1所示，本发明的实施例中提供的燃料电池反应腔中，反应腔1为圆筒形，反应腔1内设有阻隔层2，阻隔层2合围形成封闭区域，封闭区域内填充有第一储氢材料3，反应腔1内相对封闭区域的外部设有第二储氢材料4，并且，反应腔1上设有用于通入水蒸汽且与封闭区域连通的第一连接口5和延伸且依次与反应腔1和封闭区域连通以用于通出氢气的第二连接口6，本实施例中阻隔层2由隔热棉制成。
本实施例中提供的燃料电池反应腔可应用于燃料电池发电装置中，上述燃料电池发电装置具体包括水箱、打水泵、加热器、燃料电池组，水箱的出水口和打水泵的入水口通过管路连接，打水泵的出水口与反应腔的第一连接口通过管路连接，反应腔的第二连接口与燃料电池组通过管路连接，加热器设于打水泵与第一连接口之间的管路上，本实施例中为了控制氢气流量，可以采用一个或多个第一连接口5，以通过控制水蒸汽的通入量来控制氢气的产生量；本实施例中也可通过选用合适的热解储氢材料以控制氢气的产生，这是因为热解储氢材料可以用平衡氢气压力控制是否放氢或吸氢，具体的，有些热解储氢材料有平衡氢气压力，当氢气压力大于平衡氢气压力时，则储氢材料吸氢；若氢气小于平衡氢气压力时，则储氢材料可以放氢，因此热解储氢材料也可当作总产氢***上的缓冲。
本实施例中因为热解储氢材料也可吸氢，所以在热解储氢材料释放氢气后，可以再回充氢气，以利反复使用。
本实施例中回充氢气可由外部提供氢气，也可以是由氢化镁水解产生的氢气来提供。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种储氢材料反应腔，应用于燃料电池发电装置中，其特征在于，所述反应腔内设有阻隔层，所述阻隔层合围形成封闭区域，所述封闭区域内填充有第一储氢材料，所述反应腔内相对所述封闭区域的外部设有第二储氢材料，并且，所述反应腔上设有用于通入水蒸汽且与所述封闭区域连通的第一连接口和延伸且依次与所述反应腔和所述封闭区域连通以用于通出氢气的第二连接口。
2.根据权利要求1所述的储氢材料反应腔，其特征在于，所述第一储氢材料为MgH2，所述第二储氢材料为热解储氢材料。
3.根据权利要求1所述的储氢材料反应腔，其特征在于，所述第一储氢材料为热解储氢材料，所述第二储氢材料为MgH2。
4.根据权利要求2或3所述的储氢材料反应腔，其特征在于，所述热解储氢材料选自金属氢化物、介金属储氢材料、金属硼氢化合物、金属氮氢化合物、金属铝氢化物、氨基硼烷化合物、元素氢化物或液体有机储氢材料中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的储氢材料反应腔，其特征在于，所述阻隔层选自金属板、金属网、发泡金属、隔热棉、陶瓷棉陶瓷板或陶瓷粉末中的一种或几种。
6.一种储氢材料反应腔，应用于燃料电池发电装置中，其特征在于，所述反应腔内设有阻隔层，所述阻隔层合围形成封闭区域，所述封闭区域内设有储氢材料，所述储氢材料由MgH2和热解储氢材料混合形成，并且，所述反应腔上设有用于通入水蒸汽且与所述封闭区域连通的第一连接口和用于通出氢气且与所述封闭区域连通的第二连接口。
7.根据权利要求6所述的储氢材料反应腔，其特征在于，所述热解储氢材料选自金属氢化物、介金属储氢材料、金属硼氢化合物、金属氮氢化合物、金属铝氢化物、氨基硼烷化合物、元素氢化物或液体有机储氢材料中的一种或几种。
8.一种燃料电池发电装置，包括水箱、打水泵、燃料电池组，其特征在于，还包括如权利要求1-7任一项所述的储氢材料反应腔，所述水箱的出水口和所述打水泵的入水口通过管路连接，所述打水泵的出水口与所述反应腔的第一连接口通过管路连接，所述反应腔的第二连接口与所述燃料电池组通过管路连接。
9.根据权利要求8所述的燃料电池发电装置，其特征在于，还包括加热器，所述加热器设于所述打水泵与所述第一连接口之间的管路上。
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