CN101125638A - 一种氢气发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢气发生器，具体讲是涉及一种简易型自控压力氢气发生器。它包括设有燃料进出口(2)的燃料箱(1)和固定于燃料箱(1)上的催化反应器(6)。设在燃料箱里的内壳(3)将燃料箱隔成内室即燃料反应室(5)和外室即燃料储存室(4)两部分；内壳(3)下端与燃料箱(1)底部之间留有空隙；催化反应器(6)设于燃料反应室(4)内，且可拆卸，更换方便快捷。本发明提供的氢气发生器具有结构简单、使用方便、性能稳定、压力自控、安全性高等优点。属于为燃料电池提供氢气的氢气发生器领域。

Description

一种氢气发生器

技术领域

本发明涉及一种氢气发生器，具体地讲是涉及一种简易型自控压力氢气发生器。

背景技术

随着化石能源的日趋紧张和环境保护的日益重要，清洁、高效的，以氢为燃料的燃料电池(Fuel Cell，FC)技术成为未来可持续发展的新兴能源，并且日益受到世界各国政府的重视。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是作为继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)之后发展起来的第五代燃料电池。由于采用了固态电解质高分子膜作为电解质，因此具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄漏等特点，也因此被公认为最有希望成为航天、军事、运输和便携式备用电源的首选理想电源。

国际上燃料电池技术已发展到较高水平，要实现燃料电池的商业化，主要问题就是解决氢源问题和降低成本，而氢源技术已成为质子交换膜燃料电池商业化的技术瓶颈。目前，为燃料电池供氢的方式主要以下几种：高压气瓶储氢、低温液态储氢、甲醇或天然气重整制氢和氢化物(比如硼氢化锂、硼氢化钠、硼氢化钾或其混合物)水解制氢等。其中前两种供氢方式都存在能源消耗大、成本高和安全性差等缺点，重整制氢方式虽然可以解决运输、安全等问题，但重整温度高，转化效率低，也不适合便携式燃料电池。

氢化物(比如硼氢化钠)水解制氢方式具有如下优点：(1)制氢过程无污染；(2)储氢效率高；(3)运输方便、使用安全；(4)氢气纯度高等。因此这种制氢方式具有很高的稳定性和很强的实用性，特别适合用于燃料电池便携移动电源的氢气供应装置。

目前，氢化物水解制氢技术仍存在以下缺点：(1)液体氢化物与催化剂接触后发生化学反应的速率难以控制；(2)装置系统的压力调节需要增加额外的设备，而使装置系统结构复杂化，不便操作。

公开号为CN1774390A的发明专利申请公开了一种自调式氢气发生器，它的催化反应器配备有可以中断催化剂与燃料液体接触以阻止氢气生成的关闭部分，由一个弹性装置所控制，该弹性装置可以根据氢气生成时燃料箱内压力的升降情况，推动催化剂向关闭部分或开口部分移动，以调节氢气的生成。但该氢气发生器结构复杂，且其催化反应器被整体置于燃料箱内，催化剂的更换十分困难，而且一旦弹力设备发生故障，反应难以及时被停止，安全性较差。

因此需要一种结构简单、使用方便、性能稳定、压力自控、安全性高的可用于燃料电池的氢气发生器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、使用方便、性能稳定、压力自控、安全性高的可用于燃料电池的氢气发生器。

为解决上述技术问题，本发明氢气发生器包括设有燃料进出口的燃料箱和固定于燃料箱上的催化反应器，具体结构如下：

设在燃料箱里的内壳将燃料箱隔成内室即燃料反应室和外室即燃料储存室两部分；内壳下端与燃料箱底部之间留有空隙；催化反应器设于燃料反应室内。

催化反应器由聚碳酸酯制成，壁上设有孔，孔的形状可以为圆形、方形、三角形、星形等几何图形，孔径大小的上限以催化剂不会漏出为标准，下限以燃料溶液容易进入为标准。催化反应器上所有孔的表面积占总表面积的比例优选为50～70％。

催化反应器的底部优选高于内壳下端。

催化反应器为可拆卸固定于燃料箱上，优选为拔插式固定。

催化反应器的上端兼作氢气出口，并设有阀门。

燃料箱具有固定尺寸，可以容纳一定量的燃料液体，但具体的燃料箱的尺寸可随其用途的不同而改变。燃料箱是由耐碱耐压材料制成，优选为不锈钢或有机玻璃。

本发明提供的氢气发生器的燃料箱被内壳分成内外两室，即燃料反应室和燃料储存室，两室之间底部连通。催化反应器被固定于燃料箱上，装填有催化剂的部分插在燃料反应室中。将燃料液体即硼氢化钠的碱性溶液从燃料进出口注入到燃料箱中，催化反应器中的催化剂接触到燃料溶液，立即与其发生反应生成氢气，打开氢气阀门，即可以为燃料电池供氢。随着反应的进行，氢气产生速率大于燃料电池的耗氢速率，燃料反应室内的氢气积累量逐渐增加，压力随之增大，内部压力会迫使燃料反应室内的液面下移，同时燃料储存室的液面上升，燃料与催化剂接触面积减少，氢气生成速率减慢；随着燃料电池耗氢量的不断增加，燃料反应室内的氢气积累量逐渐减少，压力随之逐渐下降，燃料反应室内的液面会逐渐回升，催化剂与燃料溶液的接触面积逐渐增加，产氢速率随之增加，整个过程循环振荡，原理同气体弹簧，从而达到氢气压力的自控。本发明的另一个有益特点是可以通过调整燃料反应室和燃料储存室的体积比，来调节氢气的生成速率和产氢时间。在总体积一定的前提下，燃料反应室的体积越大，参与反应的燃料液体越多，氢气的生成速率就越快，而相应的燃料储存室体积减小，产气时间缩短；燃料反应室的体积越小，参与反应的燃料液体也越少，氢气的生成速率减慢，产气时间延长，因此可以通过调节燃料反应室和燃料储存室的体积比来满足不同燃料电池的实际需要。本发明的催化反应器与氢气出口集成一体，且采用拔插式方法，这既有利于催化反应器通道的清洗，又有利于催化剂的方便再生。本发明氢气发生器可以在反应的任何阶段停止氢气的生成，即关闭氢气出口处的阀门，燃料反应室内逐渐升高的压力迫使燃料溶液与催化剂脱离，使反应停止，因此大大提高了氢气发生器的安全性能。由此可以明显看出，本发明提供的是一种简易的自控压力氢气发生器，它结构简单，生产成本和运行成本相比传统的氢气发生器大为降低；可以实现氢气压力的有效自控，无需附加复杂的压力调节装置，使装置的体积减小，简化操作，便于携带；产氢速率和产氢时间可调，可以满足不同用途的多种燃料电池的需要，应用灵活；催化剂的更换再生方便快捷；可以随时停止氢气的生成，大大提高了安全性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明工作时的剖视图。

图2是本发明停止工作时的剖视图。

图3是本发明另一实施方式的剖视图。

具体实施方式

一种氢气发生器，如图1所示，本发明氢气发生器包括设有燃料进出口2的燃料箱1和固定于燃料箱1上的催化反应器6，具体结构如下：

设在燃料箱1里的内壳3将燃料箱1隔成内室即燃料反应室5和外室即燃料储存室4两部分；内壳3下端与燃料箱底部之间留有空隙；催化反应器6设于燃料反应室5内。

催化反应器6由聚碳酸酯制成，壁上设有孔7，孔7的形状可以为圆形、方形、三角形、星形等几何图形，孔径大小的上限以催化剂不会漏出为标准，下限以燃料溶液容易进入为标准。催化反应器6上所有孔7的表面积占总表面积的比例优选为50～70％。

催化反应器6底部优选高于内壳3下端。

催化反应器6为可拆卸固定于燃料箱1上，优选为拔插式固定。

催化反应器6的上端兼作氢气出口，并设有阀门8。

燃料箱1具有固定尺寸，可以容纳一定量的燃料液体，但具体的燃料箱的尺寸可随其用途的不同而改变。燃料箱1是由耐碱耐压材料制成，优选为不锈钢或有机玻璃。

本发明氢气发生器为燃料电池供氢过程如下：

将硼氢化钠的碱性溶液从燃料进出口2注入到燃料箱1中，燃料储存室4和燃料反应室5的液面均上升，催化反应器6中的催化剂接触到硼氢化钠碱性溶液，立刻发生催化反应生成氢气，开启阀门8产生的氢气即可供给燃料电池工作使用。

随着反应的进行，如果氢气产生速率大于燃料电池的耗氢速率，燃料反应室5内的氢气积累量逐渐增加，压力随之增大，内部压力会迫使燃料反应室5内的液面下移，同时燃料储存室4的液面上升，燃料与催化剂接触面积减少，氢气生成速率减慢；随着燃料电池耗氢量的不断增加，燃料反应室5内的氢气积累量逐渐减少，压力随之逐渐下降，燃料反应室4内的液面会逐渐回升，催化剂与硼氢化钠碱性溶液的接触面积逐渐增加，产氢速率随之增加，整个过程循环振荡，最终产氢速率趋于与燃料电池耗氢速率相匹配。

如图2所示，停止供氢只需将氢气阀门8关闭，随着反应的继续进行，燃料反应室5内的氢气压力逐渐升高，迫使燃料反应室5内的液面逐渐下降，直至与催化剂脱离，反应停止。

当硼氢化钠消耗至无法满足燃料电池正常工作时，本发明氢气发生器会从燃料进出口2排出废弃的溶液，然后将新的硼氢化钠碱性溶液从燃料进出口2重新注入，从而开始新一轮的供氢。

催化反应器6内的催化剂经过多次使用后失活，此时需要更换催化剂。先将催化反应器6从燃料箱1上拔下，取出失活的催化剂，放入新鲜的催化剂，然后将催化反应器6插到燃料箱1上，新的催化剂可以使反应继续进行。

如图3所示的氢气发生器，它的催化反应器6底部低于内壳3下端，催化反应器6与燃料溶液的接触面积增大，产氢速率增加，适用于连续不断地供氢。

上述硼氢化钠碱性溶液的组成：NaBH₄的质量百分含量为15～30％，NaOH的质量百分含量为10～20％，其余为水。

上述本发明的催化剂是Pt-Ru/C(40％)，粉末状，通过烧结附着在泡沫铜镍或泡沫镍上，装入到多孔的催化反应器中。

本发明也可用于燃料溶液为酸、催化反应器中装填金属的制氢反应，使用方法同上所述

Claims (5)

1.一种氢气发生器，包括设有燃料进出口(2)的燃料箱(1)和固定于燃料箱(1)上的催化反应器(6)，其特征是：所述燃料箱(1)内设有将燃料箱内部空间隔成燃料反应室(5)和燃料储存室(4)的内壳(3)，内壳(3)下端与燃料箱(1)底部之间留有空隙；催化反应器(6)设于燃料反应室(4)内。

2.根据权利要求1所述的氢气发生器，其特征是在于所述的催化反应器(6)壁上设有孔(7)。

3.根据权利要求1所述的氢气发生器，其特征是在于所述的催化反应器(6)底部高于内壳(3)下端。

4.根据权利要求1所述的氢气发生器，其特征是在于所述的催化反应器(6)为可拆卸固定于燃料箱上。

5.根据权利要求4所述的氢气发生器，其特征在于所述的催化反应器(6)上端设有阀门(8)。

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