CN101565165A - 一种氢气发生器安全制氢和氢气净化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢气发生器安全制氢和氢气净化方法，所述的氢气发生器外包覆隔热膜或隔热涂料，氢气发生器中产生的氢气经过冷却，并通过吸水材料将冷凝水除去，氢气中的碱雾通过除碱剂除去。本发明具有降低氢气发生器外壁温度、操作安全、简单并且有效去除冷凝水和氢气中夹带的碱雾的优点。属于氢气制备领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种安全制备纯净氢气的方法，具体地讲是涉及一种为燃料电池供氢的氢气发生器安全制氢并净化生成氢气的方法。
背景技术
由于储氢材料硼氢化钠具有储氢量高、存储安全、使用方便、环境友好、产生的氢气纯度高等优势，近来，将硼氢化钠作为储氢载体用于供氢装置已经引起了人们的极大兴趣和深入研究。
目前已有不少专利介绍氢气发生器，例如中国专利CN1438169A是关于一种氢气的制备方法及装置；中国专利CN101049907A是关于一种化学硼氢化物水解制氢的即时自控供氢的方法及装置；中国专利CN1951800A是关于金属氢化合物水解制氢的氢气发生装置及制氢方法等，这些专利主要介绍氢气发生器的结构，对附属结构提及较少，仅在中国专利CN1951800A中涉及到加除碱介质除碱。
由于硼氢化钠制氢为放热反应，生成1mol的H2放出75KJ的热量，若使用不锈钢反应器，器壁温度高达80？，很容易导致操作人员烫伤及对相邻设备产生影响等；由于反应器出口H2的温度高达76℃，且H2逸出过程中夹带大量水蒸气及碱雾，相对湿度接近100％，如果直接进电堆，受电堆实际工作温度的影响，夹带大量水蒸气的氢气会在电堆内部冷却，产生大量冷凝水阻碍H2的扩散，局部H2不足会导致燃料电池的反极，严重时会导致整个燃料电池的报废，因此需要根据电堆的工作温度对反应器出口气体进行冷却，使之低于电堆工作温度，冷却过程中产生的冷凝水同样会堵塞H2的进气通道，需要在进电堆前预先去除，碱雾的存在会严重影响质子交换膜燃料电池的性能及寿命，因此必须对硼氢化钠水解产生的氢气进行净化，适度冷却同时去除冷凝水和碱雾，以保证燃料电池的正常运行。
中国专利公开号为CN 2305409Y报道了水解制氢装置中氢气的净化除碱问题，选用洗涤除碱，水冷方式冷却不适用于便携式装置；专利CN1951800A设置了蛇形管加除碱介质除碱，没有提及氢气的温度及冷凝水处理的问题，而氢气温度和大量冷凝水都会对燃料电池产生影响。采用酸液洗涤产生的氢气可以有效解决温度及碱雾的问题，但是净化装置不能倒置，否则引起酸液进入燃料电池或氢气发生器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种降低氢气发生器外壁温度、操作安全、简单并且有效去除氢气冷却过程中产生的冷凝水和氢气中夹带的碱雾的方法。
为解决上述技术问题，本发明的发明人在现有技术的基础上进行了大量的研究和创造性的劳动，研制出了一种氢气发生器安全制氢和氢气净化方法，所述的氢气发生器外包覆隔热膜或隔热涂料，氢气发生器中产生的氢气经过冷却，并通过吸水材料将冷凝水除去，氢气中的碱雾通过除碱剂除去。
所述的吸水材料为高吸水性树脂、吸水纸、脱脂棉、无尘纸、海绵、分子筛中的一种或几种的混合物。而且，所述的吸水材料制成中空状。
所述的除碱剂是固体超强酸或离子交换树脂。
所述的固体超强酸为负载型固体超强酸、无机盐复配而成的固体超强酸、硫酸根离子改性金属氧化物、氟代磺酸化离子交换树脂、杂多酸、强酸型分子筛、AlCl3与磺酸根离子交换树脂形成的配合物中的一种或其中几种的混合物。
所述的离子交换树脂为强酸性阳离子交换树脂或弱酸性阳离子交换树脂。
所述的氢气发生器外包覆隔热膜或隔热涂料，根据环境温度及可接受的外壁温度决定隔热材料的厚度，这样既可以防止操作人员烫伤，又可以防止器壁温度过高，影响燃料电池电堆的散热，提高氢气发生器的安全性。由于硼氢化钠制氢得到的氢气温度较高(76℃)，相对湿度接近100％，直接进燃料电池电堆后可能产生大量冷凝水妨碍H2的扩散，故需对反应器出口的气体进行适度冷却降低水汽含量以满足电堆的工作要求，冷却可采用空冷等简易便携式方式，冷却过程中产生的冷凝水采用吸水材料吸收，吸水材料选用高吸水性树脂、吸水纸、脱脂棉、无尘纸、海绵、分子筛等，吸水效果好，为避免吸水材料吸水后体积膨胀造成气阻增加，影响H2的生成速率和燃料电池的正常运行，故设置吸水材料时，中间留出中空的空隙，该中空部分作为体积膨胀的备用空间。这种中空状吸水材料吸收冷凝水的方法可用于任何需要除去冷凝水同时避免气阻的场合。氢气中夹带的碱雾一部分随冷凝水冷凝下来，剩余碱雾通过固体超强酸或离子交换树脂去除，除碱效果很好，净化后的氢气仍有较高的相对湿度，可直接使用，不需要加装增湿系统。
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是本发明净化装置的剖视图。
具体实施方式
如图1所示，氢气发生器中产生的氢气从气体入口1进入净化装置，通过吸水材料4将气体冷却后产生的冷凝水除去，中空部分3是为吸水材料吸水后膨胀预留的空间，然后氢气经过除碱剂5除去碱雾，然后从气体出口2排出，可直接供给燃料电池使用。
除碱率的计算方法：将净化后的氢气通入一定量的去离子水中，用pH计实时检测去离子水的pH值变化，每1-2分钟记录一次去离子水的pH值。溶液中的OH-浓度可用下式计算：c(OH-)＝10x-14，x为tmin时去离子水中的pH值。pH值没有变化说明除碱率为100％。
实施例中所用到的除碱剂和吸水材料均为市售商品。
实施例1
硼氢化钠制氢采用不锈钢反应器，产氢速率2.0L/min，采用5mm厚隔热膜包覆反应器，包覆前后反应器外壁温度分别为80℃和38℃，反应器出口气体温度74℃，经空冷至60℃，采用1g热合无尘纸吸收冷凝水，置于长60mm，内径25mm的脱水管中，吸水后无尘纸向中空部分膨胀，中间部分仍有一定的空间故不会产生气阻；然后再经3g SO4 2-/ZrO2固体超强酸除碱，经过60min的测试，出口气体中不夹带液态冷凝水，除碱率为100％，完全可满足燃料电池的要求。
实施例2
硼氢化钠制氢采用聚甲醛反应器，产氢速率1.6L/min，采用5mm厚隔热膜包覆反应器，包覆前后反应器外壁温度分别为78℃和38℃，反应器出口气体温度72℃，经空冷至60℃，采用5g高吸水性树脂吸收冷凝水，置于长60mm，内径25mm的脱水管中，其中间设有中空部分；然后再经10gNafion-H除碱，经过200min的测试，出口气体中不夹带液态冷凝水，除碱率为100％，完全可满足燃料电池的要求。
实施例3
硼氢化钠制氢采用不锈钢反应器，产氢速率1.6L/min，采用3mm厚隔热膜包覆反应器，反应器和隔热膜的外壁温度分别为76℃和45℃，反应器出口气体温度71℃，经空冷至60℃，采用3g胶合无尘纸吸收冷凝水，置于长100mm，内径25mm的脱水管中，其中间设有中空部分；然后再经7g001×7型离子交换树脂除碱，经过90min的测试，出口气体中不夹带液态冷凝水，除碱率为100％，完全可满足燃料电池的要求。
实施例4
硼氢化钠制氢采用聚苯硫醚反应器，产氢速率2.0L/min，采用10mm厚隔热膜包覆反应器，包覆前后反应器外壁温度分别为80℃和36℃，反应器出口气体温度75℃，经空冷至60℃，采用10g吸水纸吸收冷凝水，置于长200mm，内径25mm的脱水管中，其中间设有中空部分；然后再经40gD001型离子交换树脂除碱，经过500min的测试，出口气体中不夹带液态冷凝水，除碱率为100％，完全可满足燃料电池的要求。
实施例5
硼氢化钠制氢采用不锈钢反应器，产氢速率1.6L/min，采用5mm厚隔热涂料涂覆反应器，包覆前后反应器外壁温度分别为76℃和42℃，反应器出口气体温度72℃，经空冷至55℃，采用10g分子筛和高吸水性树脂的混合物吸收冷凝水，其中分子筛和高吸水性树脂的质量比为1∶2，置于长100mm，内径25mm的脱水管中，其中间设有中空部分；然后再经15gS04 -/ZrO2/MCM-41除碱，经过300min的测试，出口气体中不夹带液态冷凝水，除碱率为100％，完全可满足燃料电池的要求。
实施例6
硼氢化钠制氢采用ABS塑料反应器，产氢速率2L/min，采用7mm厚隔热涂料涂覆反应器，包覆前后反应器外壁温度分别为78℃和40℃，反应器出口气体温度73℃，经空冷至60℃，采用5g含高吸水性树脂的海绵吸收冷凝水，将高吸水性树脂均匀填充到海绵中，高吸水性树脂和海绵的质量比为4∶1，置于长100mm，内径25mm的脱水管中，其中间设有中空部分；然后再经10g AlCl3-CuCl2复配型固体超强酸和10g强酸型分子筛HZSM-5的混合物除碱，经过180min的测试，出口气体中不夹带液态冷凝水，除碱率为100％，完全可满足燃料电池的要求。
实施例7
硼氢化钠制氢采用不锈钢反应器，产氢速率1.6L/min，采用3mm厚隔热膜包覆反应器，包覆前后反应器外壁温度分别为76℃和45℃，反应器出口气体温度71℃，经空冷至50℃，采用3g热合无尘纸吸收冷凝水，置于长100mm，内径25mm的脱水管中，其中间设有中空部分；然后再经40g 110型阳离子交换树脂除碱，经过180min的测试，出口气体中不夹带液态冷凝水，除碱率为100％，完全可满足燃料电池的要求。
实施例8
硼氢化钠制氢采用不锈钢反应器，产氢速率2.4L/min，采用5mm厚隔热膜包覆反应器，包覆前后反应器外壁温度分别为80℃和40℃，反应器出口气体温度约75℃，经空冷至50℃，采用1.5g吸水纸吸收冷凝水，置于长60mm，内径15mm的脱水管中，其中间设有中空部分；然后氢气再经10g122型阳离子交换树脂除碱，经过60min的测试，出口气体中不夹带液态冷凝水，除碱率为100％，完全可满足燃料电池的要求。
实施例9
硼氢化钠制氢采用聚甲醛反应器，产氢速率2.4L/min，采用10mm厚隔热膜包覆反应器，包覆前后反应器外壁温度分别为80℃和36℃，，反应器出口气体温度76℃，经空冷至55℃，采用12g热合无尘纸吸收冷凝水，置于长50mm，内径25mm的脱水管中，其中间设有中空部分；然后再经40g磷钨酸除碱，经过600min的测试，出口气体中不夹带液态冷凝水，除碱率为100％，完全可满足燃料电池的要求。
Claims (6)
1.一种氢气发生器安全制氢和氢气净化方法，其特征在于在所述的氢气发生器外包覆隔热膜或隔热涂料，氢气发生器中产生的氢气经过冷却，并通过吸水材料将冷凝水除去，氢气中的碱雾通过除碱剂除去。
2.根据权利要求1所述的氢气发生器安全制氢和氢气净化方法，其特征在于所述的吸水材料为高吸水性树脂、吸水纸、脱脂棉、无尘纸、海绵、分子筛中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的氢气发生器安全制氢和氢气净化方法，其特征在于所述的吸水材料制成中空状。
4.根据权利要求1所述的氢气发生器安全制氢和氢气净化方法，其特征在于所述的除碱剂是固体超强酸或离子交换树脂。
5.根据权利要求4所述的氢气发生器安全制氢和氢气净化方法，其特征在于所述的固体超强酸为负载型固体超强酸、无机盐复配而成的固体超强酸、硫酸根离子改性金属氧化物、氟代磺酸化离子交换树脂、杂多酸、强酸型分子筛、AlCl3与磺酸根离子交换树脂形成的配合物中的一种或其中几种的混合物。
6.根据权利要求4所述的氢气发生器安全制氢和氢气净化方法，其特征在于所述的离子交换树脂为强酸性阳离子交换树脂或弱酸性阳离子交换树脂。
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