CN106744678A - 硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置 - Google Patents

硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，所述反应装置包括：硼氢化钠储液罐、流量控制器、喷雾器、催化剂反应床、热交换器、产物回收槽；硼氢化钠储液罐用来存储碱性的硼氢化钠甲醇溶液；流量控制器用以调节溶液的流速和流量；喷雾器设置于制氢反应罐顶端；催化反应床包括至少两层催化剂反应床层；热交换器用以调控反应罐的温度；所述产物回收槽置于反应罐的底部，收集反应产物四甲基硼化钠，后续回收再利用。本发明可提高反应物的利用率，实现了产氢量精确可控；扩大了反应物同催化剂的接触，液固分离更彻底，消除了浓差梯度的影响；同时提高催化剂利用率，降低了贵金属成本。

Description

硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置
技术领域
本发明属于燃料电池反应装置技术领域，涉及一种多床层反应装置，尤其涉及一种硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是将燃料与氧化剂中化学能直接转化为电能一种新型发电装置，具有能量转换效率高，启动温度低，安静无噪音、结构简单、清洁环保等优点，是电动汽车、可移动电子设备及通讯基站的优选的动力电源。
目前燃料电池车的性能已接近传统汽油车的水平，世界各大汽车公司争相推出商业化的燃料电池汽车，抢占电动汽车的未来市场，至今世界上已有近千辆燃料电池车在世界各地示范运行。在科技部与各级政府的支持下，我国自主研发的燃料电池轿车与客车也成功在2008年北京奥运会与2010年上海世博会上运行。氢气是燃料汽车理想的燃料，燃料电池汽车的普及应用不仅需要大量的铂金等贵金属催化剂，更需要众多的加氢站和储氢设施。但是氢气是小分子气体，常态下体积能量密度非常低，而且缺乏高效安全的供氢和储氢技术及装置，制约着燃料电池汽车的推广。因此，采用富氢燃料现场制氢成为提供燃料电池汽车氢源的优选技术方案。
硼氢化钠的含氢质量高达10.8wt.％，同催化剂接触即可快速产生氢气，反应过程可控性好、反应条件温和，而且产生高纯氢气，不含其他污染性的杂质。同时，由于甲醇的冰点低至-97℃，寒冷环境中硼氢化钠的醇解制氢装置可正常工作，这极大提高了燃料电池动力系统的环境适应性，也拓宽了燃料电池汽车使用区域。因此，硼氢化钠醇解制氢被认为高效安全、实用性强的现场制氢技术，成为近年来研究的热点。从已有的研究报道和专利可知，硼氢化钠水解制氢的反应装置相对较多，如CN103253631A、CN203741035U、CN203402923U、CN201268575Y、CN203238030U、CN1O1353155A、CN201305456Y、CN201305457Y、CN101330152A、CN1O2101645A、CN101049907B、CN103552982A等专利。专利CN203741035U设计的主反应器有多个子反应器构成，通过开启子反应器的个数来控制氢气产量；专利CN103253631A通过多个微小流化床反应器的串联实现连续、可控产氢；专利CN103552982A设计了具有两段催化剂床层的硼氢化钠水解/醇解反应器，很好地解决反应后期溶液粘度增加致使传质阻力增加的问题。其余的制氢装置多采用单一固定床反应器，存在产氢反应不完全、液固分离难、产氢不连续的问题。另外，硼氢化钠水解(醇)制氢是放热反应，持续反应所累积的大量热量会导致反应溶液温度升高或沸腾(甲醇沸点：64.7℃,水:100℃),增加了可控产氢的难度，而且随之增加的容器内压力，严重影响设备及人身安全。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，可提高反应物的利用率，实现了产氢量精确可控；扩大了反应物同催化剂的接触，液固分离更彻底，消除了浓差梯度的影响；同时提高催化剂利用率，降低了贵金属成本。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，所述反应装置包括：硼氢化钠储液罐、流量控制器、喷雾器、催化剂反应床、热交换器、产物回收槽；
所述硼氢化钠储液罐用来存储碱性的硼氢化钠甲醇溶液，氢氧化钠溶液与硼氢化钠甲醇溶液混合以抑制自醇解反应；存储装置与外界环境绝热性好，避免硼氢化钠甲醇溶液因外界环境温度的上升而发生自醇解产氢，致使储液罐内出现高气压；储液罐配有耐碱腐蚀的进料口和输出口，便于硼氢化钠甲醇溶液的加注和输出；
所述流量控制器用以调节溶液的流速和流量，精确计量反应过程中硼氢化钠溶液的质量，控制最佳流速，提高硼氢化钠甲醇溶液的利用率和副产物脱离催化剂表面的速率，保持硼氢化钠溶液和催化剂持续接触，以及催化活性的稳定，实现制氢反应连续性、产氢量的按需可控；
所述喷雾器为设置于制氢反应罐顶端的一套耐碱腐蚀的雾化喷淋装置，自上而下喷洒，喷雾量、喷雾速度、覆盖范围能调节，最大程度地提高反应原料的利用率；
所述催化反应床是硼氢化钠甲醇溶液醇解制氢反应的发生场所，由上、中、下三段催化剂反应床层构成，通过圆形支架固定在反应罐中心的支撑杆；圆形支架和支撑杆为耐碱腐蚀的金属或聚四氟乙烯材料，具有良好的热传导性能和机械强度，不吸附氢气；上段催化剂床层为担载或非担载型的贵金属催化剂，其余催化剂床层为担载型或非担载型的非贵金属催化剂，或非金属催化剂；反应过程中催化剂能够牢固地固定床层上，不发生脱落和流失；雾化的硼氢化钠甲醇溶液自上而下喷洒在催化剂上，逐层下渗，逐段反应，氢气上浮，汇集于反应罐顶端；反应副产物快速顺利地透过催化剂的孔道及固定床，汇集在反应罐底部的副产物收集槽，保证硼氢化钠甲醇溶液与催化剂的持续接触面积，同时实现醇解制氢过程中的气、液两相分离；
所述热交换器用以调控反应罐的温度，防止温度过高，保持催化剂的活性稳定，并能收集热量，辅助加热低温环境下的制氢系统，加快制氢系统的低温启动；热交换器的冷却液为水或其他冷冻剂，循环流动，确保制氢反应体系的工作温度正常；
所述产物回收槽置于反应罐的底部，收集反应产物四甲基硼化钠，后续回收再利用。
一种硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，所述反应装置包括：硼氢化钠储液罐、流量控制器、喷雾器、催化剂反应床、热交换器、产物回收槽；
所述硼氢化钠储液罐用来存储碱性的硼氢化钠甲醇溶液，氢氧化钠溶液与硼氢化钠甲醇溶液混合以抑制自醇解反应；
所述流量控制器用以调节溶液的流速和流量，计量反应过程中硼氢化钠溶液的质量，控制流速；
所述喷雾器设置于制氢反应罐顶端；
所述催化反应床是硼氢化钠甲醇溶液醇解制氢反应的发生场所，催化反应床包括至少两层催化剂反应床层；雾化的硼氢化钠甲醇溶液自上而下喷洒在催化剂上，逐层下渗，逐段反应，氢气上浮，汇集于反应罐顶端；反应副产物快速顺利地透过催化剂的孔道及固定床，汇集在反应罐底部的副产物收集槽，保证硼氢化钠甲醇溶液与催化剂的持续接触面积，同时实现醇解制氢过程中的气、液两相分离；
所述热交换器用以调控反应罐的温度，防止温度过高，保持催化剂的活性稳定，并能收集热量，辅助加热低温环境下的制氢系统，加快制氢系统的低温启动；
所述产物回收槽置于反应罐的底部，收集反应产物四甲基硼化钠，后续回收再利用。
作为本发明的一种优选方案，所述硼氢化钠储液罐与外界环境绝热性好，避免硼氢化钠甲醇溶液因外界环境温度的上升而发生自醇解产氢，致使储液罐内出现高气压；储液罐配有耐碱腐蚀的进料口和输出口，便于硼氢化钠甲醇溶液的加注和输出。
作为本发明的一种优选方案，所述喷雾器为设置于制氢反应罐顶端的一套耐碱腐蚀的雾化喷淋装置，自上而下喷洒，喷雾量、喷雾速度、覆盖范围能调节，最大程度地提高反应原料的利用率。
作为本发明的一种优选方案，所述催化反应床由上、中、下三段催化剂反应床层构成，通过圆形支架固定在反应罐中心的支撑杆；圆形支架和支撑杆为耐碱腐蚀的金属或聚四氟乙烯材料，具有良好的热传导性能和机械强度，不吸附氢气；上段催化剂床层为担载或非担载型的贵金属催化剂，其余催化剂床层为担载型或非担载型的非贵金属催化剂，或非金属催化剂；反应过程中催化剂能够牢固地固定床层上，不发生脱落和流失。
作为本发明的一种优选方案，所述热交换器的冷却液为水，循环流动，确保制氢反应体系的工作温度正常。
本发明的有益效果在于：本发明提出的硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，采用流量控制器精确控制反应物的质量和流速，提高反应物的利用率，实现了产氢量精确可控；采用喷雾式、自上而下的进料方式，扩大了反应物同催化剂的接触，液固分离更彻底，消除了浓差梯度的影响；多段催化剂床层增加催化剂与反应物接触面积，延长了持续作用时间，反应更加完全，提高了催化剂利用率，降低了贵金属成本；热交换器的使用确保了制氢系统的工作温度正常，利于低温环境下制氢系统的快速启动，实现了反应所产热量的有效利用。
附图说明
图1为本发明硼氢化钠醇解制氢装置的结构示意图。
附图标注如下：
1.硼氢化钠储液罐 2.碱性硼氢化钠甲醇溶液
3.存储罐的进料端 4.硼氢化钠甲醇溶液输送管
5.流量控制器 6.喷雾器
7.反应床支撑杆 8.雾化后的硼氢化钠溶液
9.第一层催化剂床 10.催化剂的固定床
11.第二层催化剂床 12.第三层催化剂床
13.反应床的固定底端 14.副产物收集槽
15.冷却液 16.冷却系统的外壳
17.冷却液的进液端 18.冷却液的出液端
19.氢气的输出管线 20.控制阀门
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图1，本发明揭示了一种硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，主要包括硼氢化钠储液罐(硼氢化钠甲醇溶液储液罐)1、流量控制器5、喷雾器(雾化器)6、多段催化剂反应床、热交换器、产物回收槽14。
硼氢化钠储液罐1用来存储碱性的硼氢化钠甲醇溶液(碱性硼氢化钠甲醇溶液2)，氢氧化钠溶液与硼氢化钠甲醇溶液混合以抑制自醇解反应。存储装置与外界环境绝热性好，避免硼氢化钠甲醇溶液因外界环境温度的上升而发生自醇解产氢，致使储液罐内出现高气压。储液罐配有耐碱腐蚀的进料口(存储罐的进料端3)和输出口(通过硼氢化钠甲醇溶液输送管4输送)，便于硼氢化钠甲醇溶液的加注和输出。
流量控制器5可调节溶液的流速和流量，精确计量反应过程中硼氢化钠溶液的质量，控制最佳流速，提高硼氢化钠甲醇溶液的利用率和副产物脱离催化剂表面的速率，保持硼氢化钠溶液和催化剂持续接触，以及催化活性的稳定，实现制氢反应连续性、产氢量的按需可控。
喷雾器6为设置在制氢反应罐顶端的一套耐碱腐蚀的雾化喷淋装置，自上而下喷洒，喷雾量、喷雾速度、覆盖范围等可以调节，最大程度地提高反应原料的利用率。
催化反应床是硼氢化钠甲醇溶液醇解制氢反应的发生场所，有上、中、下三段催化剂反应床层构成(分别为第一层催化剂床9、第二层催化剂床11、第三层催化剂床12)，通过圆形支架固定在反应罐中心的反应床支撑杆7。圆形支架和支撑杆为耐碱腐蚀的金属或聚四氟乙烯材料，具有良好的热传导性能和机械强度，不吸附氢气。上段催化剂床层为担载或非担载型的贵金属催化剂，其余催化剂床层可为担载型或非担载型的非贵金属催化剂，或非金属催化剂。反应过程中催化剂能够牢固地固定床层(催化剂的固定床10)上，不发生脱落和流失。雾化的硼氢化钠甲醇溶液8自上而下喷洒在催化剂上，逐层下渗，逐段反应，氢气上浮，汇集于反应罐顶端。反应副产物快速顺利地透过催化剂的孔道及固定床，汇集在反应罐底部(反应床的固定底端13)的副产物收集槽14，保证硼氢化钠甲醇溶液与催化剂的持续接触面积，同时实现醇解制氢过程中的气、液两相分离。
热交换器可调控反应罐的温度，防止温度过高，保持催化剂的活性稳定，并能收集热量，辅助加热低温环境下的制氢系统，加快制氢系统的低温启动。热交换器的冷却液15可为水或其他冷冻剂，循环流动，确保制氢反应体系的工作温度正常。冷却系统的外壳16内设有冷却液的进液端17、冷却液的出液端18，冷却液的出液端18设有控制阀门20；反应罐的顶部设有氢气输出端口，氢气输出端口连接氢气的输出管线19。
副产物回收槽置14于反应罐的底部，收集反应产物四甲基硼化钠，后续回收再利用。
实施例二
图1所述的根据硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，由硼氢化钠储液罐、流量控制器、喷雾器、多段催化剂反应床、热交换器、产物回收槽等部分组成。自上而下，第一层催化剂是泡沫镍负载Ru催化剂，第二层和第三层均是碳布负载CoB催化剂，每层催化剂量为2g，采用含硼氢化钠5wt.％和氢氧化钠3wt.％的甲醇溶液为反应物，在50℃条件下,达到稳态时产氢流速为3.2L/min。
实施例三
图1所述的根据硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，由硼氢化钠储液罐、流量控制器、喷雾器、多段催化剂反应床、热交换器、产物回收槽等部分组成。自上而下，第一层催化剂是活性炭负载Pt催化剂，第二层是泡沫镍负载Ru催化剂，第三层是碳布负载CoB催化剂，采用含硼氢化钠5wt.％和氢氧化钠3wt.％的甲醇溶液为反应物，每层催化剂量为2g，在O℃条件下,达到稳态时产氢流速为1.5L/min。
综上所述，本发明提出的硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，采用流量控制器精确控制反应物的质量和流速，提高反应物的利用率，实现了产氢量精确可控；采用喷雾式、自上而下的进料方式，扩大了反应物同催化剂的接触，液固分离更彻底，消除了浓差梯度的影响；多段催化剂床层增加催化剂与反应物接触面积，延长了持续作用时间，反应更加完全，提高了催化剂利用率，降低了贵金属成本；热交换器的使用确保了制氢系统的工作温度正常，利于低温环境下制氢系统的快速启动，实现了反应所产热量的有效利用。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (6)

1.一种硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，其特征在于，所述反应装置包括：硼氢化钠储液罐、流量控制器、喷雾器、催化剂反应床、热交换器、产物回收槽；
所述硼氢化钠储液罐用来存储碱性的硼氢化钠甲醇溶液，氢氧化钠溶液与硼氢化钠甲醇溶液混合以抑制自醇解反应；存储装置与外界环境绝热性好，避免硼氢化钠甲醇溶液因外界环境温度的上升而发生自醇解产氢，致使储液罐内出现高气压；储液罐配有耐碱腐蚀的进料口和输出口，便于硼氢化钠甲醇溶液的加注和输出；
所述流量控制器用以调节溶液的流速和流量，精确计量反应过程中硼氢化钠溶液的质量，控制最佳流速，提高硼氢化钠甲醇溶液的利用率和副产物脱离催化剂表面的速率，保持硼氢化钠溶液和催化剂持续接触，以及催化活性的稳定，实现制氢反应连续性、产氢量的按需可控；
所述喷雾器为设置于制氢反应罐顶端的一套耐碱腐蚀的雾化喷淋装置，自上而下喷洒，喷雾量、喷雾速度、覆盖范围能调节，最大程度地提高反应原料的利用率；
所述催化反应床是硼氢化钠甲醇溶液醇解制氢反应的发生场所，由上、中、下三段催化剂反应床层构成，通过圆形支架固定在反应罐中心的支撑杆；圆形支架和支撑杆为耐碱腐蚀的金属或聚四氟乙烯材料，具有良好的热传导性能和机械强度，不吸附氢气；上段催化剂床层为担载或非担载型的贵金属催化剂，其余催化剂床层为担载型或非担载型的非贵金属催化剂，或非金属催化剂；反应过程中催化剂能够牢固地固定床层上，不发生脱落和流失；雾化的硼氢化钠甲醇溶液自上而下喷洒在催化剂上，逐层下渗，逐段反应，氢气上浮，汇集于反应罐顶端；反应副产物快速顺利地透过催化剂的孔道及固定床，汇集在反应罐底部的副产物收集槽，保证硼氢化钠甲醇溶液与催化剂的持续接触面积，同时实现醇解制氢过程中的气、液两相分离；
所述热交换器用以调控反应罐的温度，防止温度过高，保持催化剂的活性稳定，并能收集热量，辅助加热低温环境下的制氢系统，加快制氢系统的低温启动；热交换器的冷却液为水或其他冷冻剂，循环流动，确保制氢反应体系的工作温度正常；
所述产物回收槽置于反应罐的底部，收集反应产物四甲基硼化钠，后续回收再利用。
2.一种硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，其特征在于，所述反应装置包括：硼氢化钠储液罐、流量控制器、喷雾器、催化剂反应床、热交换器、产物回收槽；
所述硼氢化钠储液罐用来存储碱性的硼氢化钠甲醇溶液，氢氧化钠溶液与硼氢化钠甲醇溶液混合以抑制自醇解反应；
所述流量控制器用以调节溶液的流速和流量，计量反应过程中硼氢化钠溶液的质量，控制流速；
所述喷雾器设置于制氢反应罐顶端；
所述催化反应床是硼氢化钠甲醇溶液醇解制氢反应的发生场所，催化反应床包括至少两层催化剂反应床层；雾化的硼氢化钠甲醇溶液自上而下喷洒在催化剂上，逐层下渗，逐段反应，氢气上浮，汇集于反应罐顶端；反应副产物快速顺利地透过催化剂的孔道及固定床，汇集在反应罐底部的副产物收集槽，保证硼氢化钠甲醇溶液与催化剂的持续接触面积，同时实现醇解制氢过程中的气、液两相分离；
所述热交换器用以调控反应罐的温度，防止温度过高，保持催化剂的活性稳定，并能收集热量，辅助加热低温环境下的制氢系统，加快制氢系统的低温启动；
所述产物回收槽置于反应罐的底部，收集反应产物四甲基硼化钠，后续回收再利用。
3.根据权利要求2所述的硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，其特征在于：
所述硼氢化钠储液罐与外界环境绝热性好，避免硼氢化钠甲醇溶液因外界环境温度的上升而发生自醇解产氢，致使储液罐内出现高气压；储液罐配有耐碱腐蚀的进料口和输出口，便于硼氢化钠甲醇溶液的加注和输出。
4.根据权利要求2所述的硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，其特征在于：
所述喷雾器为设置于制氢反应罐顶端的一套耐碱腐蚀的雾化喷淋装置，自上而下喷洒，喷雾量、喷雾速度、覆盖范围能调节，最大程度地提高反应原料的利用率。
5.根据权利要求2所述的硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，其特征在于：
所述催化反应床由上、中、下三段催化剂反应床层构成，通过圆形支架固定在反应罐中心的支撑杆；圆形支架和支撑杆为耐碱腐蚀的金属或聚四氟乙烯材料，具有良好的热传导性能和机械强度，不吸附氢气；上段催化剂床层为担载或非担载型的贵金属催化剂，其余催化剂床层为担载型或非担载型的非贵金属催化剂，或非金属催化剂；反应过程中催化剂能够牢固地固定床层上，不发生脱落和流失。
6.根据权利要求2所述的硼氢化钠醇解制氢多床层反应装置，其特征在于：
所述热交换器的冷却液为水，循环流动，确保制氢反应体系的工作温度正常。
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