CN102491266A - 一种锂水反应制备氢气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂水反应制备氢气的方法，其特点是：包括堵住装置底部的排水口，装置顶部的出氢口连接在用氢设备上，顶部的注水口中注入纯净水，纯净水经装置中微晶陶瓷隔膜与锂锭反应产生氢气。本发明由于采用了锂，由微晶陶瓷隔膜与水隔离反应获得高纯度氢气，方法简单、装置携带和操作方便，成本低廉，安全性好，氢气产量高，适于配套于小型燃料电池的使用。

Description

一种锂水反应制备氢气的方法

技术领域

本发明属于制氢技术领域，特别是涉及一种锂水反应制备氢气的方法。 

背景技术

在众多的新能源中，氢能是二十一世纪最理想的能源，但是氢能源的发展由于制造氢气的价格昂贵而受到制约，氢气生产的方法主要有裂化石油气、水煤气分离、电解水等，但其成本比矿物燃料要贵2～3倍。此外氢燃料电池已经有了长足的发展，作为燃料的氢气的储存也一直是个难题。氢气的储存技术主要有高压氢气、液态氢气、氢气吸收合金、纳米碳管储氢，有机氢气化合物等技术正在被开发中，但每种储氢技术都有其各自的优缺点。市场中的氢气发生器往往结构复杂，而且体积较为庞大，不适合移动设备使用，大部分还需要外部电源，且不适合配套小型燃料电池携带使用。 

经过检索发现申请号为200810153976.7，公开号为CN101748419A，专利名称为：“一种锂锭电化学制备氢气的方法”的发明专利，采用带有电极引线、带有厚度为1μm-500μm锂离子导电膜保护的锂锭阳极；再选用带有电极引线的导电石墨作为析氢阴极；在阴极上方设置有一个氢气存储器；在阳极电极引线和阴极电极引线之间串联一个电阻和一个开关；将LiCl水溶液作为电解液倒入制氢电解槽，制氢电解槽上面盖上密封盖；闭合开关，阴极上有氢气析出。上述技术由于在电解槽中通过LiCl水溶液电解液进行电解制氢，结构相对复杂、不便于携带。 

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种携带方便，成本低廉，操作简单，安全性好，氢气产量高，使用寿命长的锂水反应制备氢气的方法。 

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是： 

一种锂水反应制备氢气的方法，其特点是：包括以下制备步骤：

⑴ 制备制氢装置零件：

先制备出圆形片状微晶陶瓷膜；根据微晶陶瓷膜的尺寸分别制作出底部带有反应孔的反应室；靠近底部的侧壁有排水口的壳体；带有液气孔的隔板和顶部有注水口、出氢口的上盖； 

⑵ 装配制氢装置

在干燥环境中，用防水耐碱密封胶将微晶陶瓷膜靠近外径的端面粘接在反应室腔体的底面上，检漏无泄漏后，自下至上放置锂锭、弹簧；反应室密封固装于隔板密下面；隔板密封置于壳体和上盖形成的腔体之间，使腔体构成上腔室和下腔室；

⑶ 制氢

制氢时，用排水堵堵住排水口，出氢口连接在用氢设备上，在注水口中封闭注入纯净水，纯净水从步骤⑵中的上腔室经隔板上的液气孔流入下腔室，当下腔室的水位高于反应室底部且低于隔板时，用注水堵堵住注水口，氢气经隔板的液气孔排至上腔室后经出氢口流向用氢设备；当停止制氢时，打开排水堵，放净装置内部的纯净水，停止产氢。

本发明还可以采用如下技术方案： 

所述微晶陶瓷膜与锂锭之间置有电解质膜，所述电解质膜为0.2mm～1mm的胶体膜或磁控溅射在微晶陶瓷膜表面厚度为0.5μm～2μm的LIPON膜。

所述锂锭与弹簧之间置有不锈钢板推板。 

所述隔板一端面上有固装反应室的裙边，裙边内底部置有与底部尺寸相同的耐碱胶片作为反应室密封垫片，所述液气孔位于裙边外隔板的端面上；所述隔板上还置有尺寸大于隔板的耐碱胶片作为隔板密封垫片。 

所述壳体、反应室、推板、隔板、上盖均为不锈钢材料。 

所述弹簧为不锈钢弹簧。 

所述壳体的内径上制有内径与隔板外径尺寸相同的凹槽、所述上盖内径上有压制隔板的挡台。 

所述隔板与反应室为螺纹连接；所述壳体与上盖为螺纹连接。 

所述防水耐碱密封胶为硅胶。 

所述完成制氢后，在排水口上盖好排水堵、在注水口上盖好注水堵、在出氢口盖好出氢堵。 

本发明具有的优点和积极效果是： 

1、本发明由于采用了纯锂作为锂锭，由微晶陶瓷隔膜与水隔离反应获得高纯度氢气，结构简单、携带和操作方便，成本低廉，安全性好，氢气产量高，适于配套于小型燃料电池的使用。

2、本发明采用了弹簧经推板推动锂锭，保持制氢消耗中的锂锭始终与电解质膜持续接触，保证制氢过程中锂锭能够完全消耗，减少了锂锭的浪费，降低了制氢的成本，提高了氢气的产量； 

3、本发明在微晶陶瓷膜和锂锭之间加设了电解质膜，降低了锂锭与微晶陶瓷膜的界面阻抗，加速了锂锭与水的反应，进一步提高了氢气的生成速率。

4、本发明采用了不锈钢材料制作推板、隔板、反应室、壳体和推板，耐微碱腐蚀，并能反复使用，延长了装置的使用寿命。 

5、本发明采用螺纹连接，当锂锭完全消耗后，装填新的锂锭后继续投入使用，装置可长期使用，降低了制氢成本。 

附图说明

图1 为本发明锂水反应制备氢气的装置剖视示意图； 

图2 为图1中壳体的主视示意图；

图3为图2的俯视示意图；

图4 为图1中上盖的主视示意图；

图5 为图4的俯视示意图；

图6 为图1中隔板的主视示意图；

图7 为图6的仰视示意图；

图8 为图1中反应室的主视示意图；

图9 为图8的俯视示意图。

图中：1-排水堵；2-排水口；3-密封胶；4-微晶陶瓷膜；5-电解质膜；6-锂锭；7-推板；8-弹簧；9-反应室；10-壳体；11-反应室密封垫片；12-隔板；13-隔板密封垫片；14-上盖；15-注水口；16-出氢口；17-注水堵；18-出氢堵；19-液气孔；20-裙边；21-反应孔；22-凹槽；23-上腔室；24-下腔室。 

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图1-9详细说明如下： 

实施例1：锂水反应制备氢气的方法，包括以下制备步骤：

制备装置零件：

⑴ 先制备厚度约0.1mm～0.3mm的致密防水的微晶陶瓷膜4，经精密机械加工裁得直径为5cm的样品；微晶陶瓷膜是一种对锂离子导电对电子绝缘的圆片型硬质膜，且不能通过水分子；根据微晶陶瓷膜的尺寸分别制作出反应室、隔板、壳体、上盖； 

⑵ 如图8-9所示，用不锈钢制作一个反应室9，反应室为圆桶状，反应室的内径与微晶陶瓷膜外径相同，微晶陶瓷膜能够放入反应室中；反应室底部边缘的中心处有不限数量的孔作为反应孔21，目的是使用时让水与微晶陶瓷膜充分接触，使金属锂与水只发生电化学反应，无其他副反应发生；底部边缘部分没有开孔，以便于微晶陶瓷膜与底部的粘结在一起，防止水进入反应室内部对金属锂造成腐蚀，并且金属锂与水只发生电化学反应，无其他副反应发生；反应室的上端加工有外螺纹； 

⑶ 如图6-7所示，用不锈钢材料制作一隔板12，使装置形成上下两个腔体，隔板一端带有裙边20、另一端为平面状，裙边的内径上制有与反应室外螺纹连接的内螺纹，所述裙边外部隔板的端面上制有不限数量的孔作为液气孔19，液气孔作为注入水以及生成的氢气的通道； 

⑷ 如图2-3所示，用不锈钢制作一壳体10，壳体为圆桶状，壳体壁上靠近桶底部有一个排水口2，外壳上部有直径与隔板直径相同的凹槽，隔板与反应室组装完成后可直接放置在此凹槽部分；壳体上部外壁制有外螺纹；

⑸ 如图4-5所示，用不锈钢制作一体的上盖14，上盖的顶部为弧状、下部为圆柱桶状，上盖的顶部制有一个注水口15和一个出氢口16，上盖的下端内壁加工有连接壳体的内螺纹和压住隔板的挡台；

反应室的装配

⑹ 如图1所示，在干燥间中用硅胶3将步骤⑴中的微晶陶瓷膜粘结在步骤⑵制备的反应室底面上的最大圆周处，并进行检漏，有泄漏的地方重新粘结；在微晶陶瓷膜上自下至上依次装填厚度0.2mm～1mm的电解质膜5、锂锭6、推板7和弹簧8；所述胶质电解质膜为与微晶陶瓷膜尺寸相同的吸附1M LiPF₆ EC/DEC电解液的PVDF-HFD基聚合物电解质，作为过渡层降低金属锂与微晶陶瓷膜的界面阻抗，加速金属锂与水的反应，提高氢气的生成速率；锂锭为两端平整的圆柱形纯锂，其截面面积与微晶陶瓷膜有效面积相等，微晶陶瓷膜的有效面积是其实际面积减去与反应室底部粘结在一起部分的面积，以提高微晶陶瓷膜面积的利用率；推板为直径与反应室内径相同的不锈钢片，作用是使弹簧的推动力均匀分布在锂锭表面，保证锂锭与电解质膜、电解质膜与微晶陶瓷膜的接触面阻抗均匀，锂锭反应面均匀反应；弹簧为长度大于反应室高度的不锈钢弹簧，其作用是随着锂锭的消耗推动锂锭与电解质膜持续接触，防止锂锭与电解质膜脱离，导致反应终止；隔板裙边内底部放置与填满硅胶片作为反应室垫片11后，隔板与反应室螺纹密封固装成一体，完成反应室的装配；

整体装置的装配

将隔板放置在壳体的凹槽22上；隔板上放置一层与壳体外径相同的硅胶片作为隔板密封垫片13，将上盖螺纹密封固装于壳体上，隔板将整体装置内部分隔成上腔室23和下腔室24，为防止杂质和粉尘的进入装置内部，用排水堵1堵塞排水口、用注水堵17堵塞注水口、用出氢堵18堵塞出氢口，即组装出制备锂水反应用装置；

锂水反应制氢：

⑺ 制氢时，将步骤⑹组装完成后锂水反应用装置的注水堵和出氢堵取下，在注水口封闭注入纯净水，纯净水从上腔室经隔板上的液气孔流入到下腔室，下腔室的水位高于反应室底部且低于隔板为标准，水通过反应室底部的反应孔到达微晶陶瓷膜，由于微晶陶瓷膜是对锂离子导电对电子绝缘，且不能通过水分子，反应室内部锂锭发生反应Li-e→Li⁺，Li⁺通过电解质膜和微晶陶瓷膜到达反应室外部，外壁与水接触的部分生成氢气，从氢气经隔板的液气孔流向上腔体，经连接到用氢设备上的出氢口放出氢气；如出氢口直接与燃料电池氢气入口相连，作为一体使用；使用结束后，放净锂水反应用装置内部的水，停止产氢；再用排水堵、注水堵、出氢堵分别将排水口、注水口和出氢口密封螺纹连接堵阻塞管路，以防止杂质和粉尘的进入。

长时间使用时，由于反应室内部弹簧推板的作用，锂锭消耗一部分后反应面还一直与电解质接触，保证锂锭可以完全反应；当内部锂锭消耗完全后，可以拆解本氢气发生器，更换电解质膜，装填锂锭后重新组装，之后可以继续投入使用；更换的过程需在干燥气氛中进行。 

实施例2 

取消实施例 1中装填的胶体电解质膜，在微晶陶瓷膜表面磁控溅射一层厚度在0.5μm～2μm的LIPON膜作为过渡电解质膜，将溅射有LIPON膜的微晶陶瓷膜使用硅胶粘接在反应室底部，LIPON膜层朝上，之后进行检漏，有泄漏的情况需重新粘接；其余与实施例1相同。

本发明的工作原理：微晶陶瓷膜是一种对锂离子导电对电子绝缘的圆片型硬质膜，且不能通过水分子，注入的水位高于反应室的底部、低于隔板的高度，反应室内部锂锭发生反应Li-e→Li⁺，Li⁺通过电解质膜和微晶陶瓷膜到达反应室外部，同时因为反应室内部的锂锭、推板、弹簧、隔板以及反应室壳体都为导电性能良好的金属作为导体，电子通过反应室内部金属回路到达反应室壳体，与注入的纯净水中的氢离子发生反应2H⁺+e→H₂；当水排空后，因反应室外部没有H⁺参与反应，整个反应过程终止。 

以上所述仅为本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这也应属于本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种锂水反应制备氢气的方法，其特征在于：包括以下制备步骤：

⑴ 制备制氢装置零件：

先制备出圆形片状微晶陶瓷膜；根据微晶陶瓷膜的尺寸分别制作出底部带有反应孔的反应室；靠近底部的侧壁有排水口的壳体；带有液气孔的隔板和顶部有注水口、出氢口的上盖； 

⑵ 装配制氢装置

在干燥环境中，用防水耐碱密封胶将微晶陶瓷膜靠近外径的端面粘接在反应室腔体的底面上，检漏无泄漏后，自下至上放置锂锭、弹簧；反应室密封固装于隔板密下面；隔板密封置于壳体和上盖形成的腔体之间，使腔体构成上腔室和下腔室；

⑶ 制氢

制氢时，用排水堵堵住排水口，出氢口连接在用氢设备上，在注水口中封闭注入纯净水，纯净水从步骤⑵中的上腔室经隔板上的液气孔流入下腔室，当下腔室的水位高于反应室底部且低于隔板时，用注水堵堵住注水口，氢气经隔板的液气孔排至上腔室后经出氢口流向用氢设备；当停止制氢时，打开排水堵，放净装置内部的纯净水，停止产氢。

2.根据权利要求1所述的锂水反应制备氢气的方法，其特征在于：所述微晶陶瓷膜与锂锭之间置有电解质膜，所述电解质膜为0.2mm～1mm的胶体膜或磁控溅射在微晶陶瓷膜表面厚度为0.5μm～2μm的LIPON膜。

3.根据权利要求1所述的锂水反应制备氢气的方法，其特征在于：所述锂锭与弹簧之间置有不锈钢板推板。

4.根据权利要求1所述的锂水反应制备氢气的方法，其特征在于：所述隔板一端面上有固装反应室的裙边，裙边内底部置有与底部尺寸相同的耐碱胶片作为反应室密封垫片，所述液气孔位于裙边外隔板的端面上；所述隔板上还置有尺寸大于隔板的耐碱胶片作为隔板密封垫片。

5.根据权利要求1所述的锂水反应制备氢气的方法，其特征在于：所述壳体、反应室、推板、隔板、上盖均为不锈钢材料。

6.根据权利要求1所述的锂水反应制备氢气的方法，其特征在于：所述弹簧为不锈钢弹簧。

7.根据权利要求1所述的锂水反应制备氢气的方法，其特征在于：所述壳体的内径上制有内径与隔板外径尺寸相同的凹槽、所述上盖内径上有压制隔板的挡台。

8.根据权利要求1所述的锂水反应制备氢气的方法，其特征在于：所述隔板与反应室为螺纹连接；所述壳体与上盖为螺纹连接。

9.根据权利要求1所述的锂水反应制备氢气的方法，其特征在于：所述防水耐碱密封胶为硅胶。

10.根据权利要求1所述的锂水反应制备氢气的方法，其特征在于：所述完成制氢后，在排水口上盖好排水堵、在注水口上盖好注水堵、在出氢口盖好出氢堵。

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