CN108238585A - 一种用于硼氢化钠制氢的氢气发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于硼氢化钠制氢的氢气发生器，包括发生器壳体，排气管、叶轮、引流罩、轮轴及电机，其中：排气管位于壳体端盖上，轮轴由端盖伸入壳体内部并与端盖动密封；引流罩为上下开口中空筒状，其上部卡合固定在端盖下端面，下部不接触壳体内侧底部，引流罩上设有引流孔，轮轴前端固定安装的叶轮伸入到引流罩内；叶轮表面设置有催化硼氢化钠水解的催化剂层；端盖与壳体可拆卸连接，通过密封圈密封。该氢气发生器体积小、重量轻、能耗小，滞留层厚度小，硼氢化钠溶液与催化层接触更充分，催化剂利用率高，在离心力的作用下，NaBO2更容易从叶轮上的催化剂表面脱离，保证了催化剂的催化活性，可处理高浓度的硼氢化钠溶液。

Description

一种用于硼氢化钠制氢的氢气发生器
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种用于硼氢化钠制氢的氢气发生器。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)质量轻，供电供热可靠，无震动，噪声小，并能生产饮用水，所有这些优点均是其它能源不可比拟的。而如何高密度地储存和快速得到纯净氢气是PEMFC技术普及应用的一个瓶颈。目前氢气储存方法主要是物理高压储氢和化学储氢。高压钢瓶储氢，即使在非常高的压力下，氢气本身质量不到系统质量的2％。气瓶质量问题和气体泄漏问题也是不可忽视的安全问题。化学储氢主要有金属氢化物储氢和硼氢化物储氢两种方式。金属氢化物必须装在耐压力的容器中才能使用，因此储氢密度也比较低，大约为0.65％。而且每次用完后必须充高纯氢气，在不可抗拒的天灾和人祸条件下充氢是不现实的。硼氢化钠供氢系统则完全不同，只要储存一定量的硼氢化钠作为备用燃料，就可以连续长期供电。而且硼氢化钠储氢密度高，自身含氢量达到10.6％，约为常规金属氢化物的5倍。硼氢化钠在空气中较稳定，溶于水形成液态储氢材料，没有自燃、爆炸的危险。通过催化水解反应硼氢化钠能在常温及低温下迅速放出全部氢气，启动时间短，最低放氢温度可达－40℃。与传统化学氢化物的改质相比(甲烷、甲醇等)，硼氢化钠产氢流程简单，系统简单，产氢速度可调，可采用装卸燃料盒或更换溶液的方法，大大延长了燃料电池的工作时间。在野外，可以使用海水、河水、溪水、雪水等水源作为硼氢化钠水解产氢的原料，在极端情况下甚至可以使用尿液作为水源。所以硼氢化钠是一种特别适合于野外、极度恶劣的环境下为燃料电池供氢的理想储氢介质。
利用NaBH4碱溶液来生产氢气,必须要有足够快的反应速度。为了加速反应,使用催化剂是最简单易行的方法。在硼氢化钠供氢系统中，硼氢化钠水解制氢所采用的催化剂主要分为两类：固定床催化剂和酸催化剂。固定床催化剂中，应用最为广泛的催化剂是附着在多孔载体材料上的贵金属催化剂。美国千年电池公司Amendola等对用离子交换树脂负载的Ru催化剂进行了系统的研究，并将该催化剂应用于该公司的即时供氢装置中。经过多种离子交换树脂负载5％Ru后的活性比较，发现采用阴离子交换树脂比阳离子交换树脂效果更好。而日本丰田研发中心采用超临界方法将Fe、Ni、Pd、Ru、Rh、Pt等负载在TiO2上作为硼氢化钠水解制氢催化剂。常见的液体NaBH4水解制氢装置都具有2个主要容器，1个燃料罐和1个残液罐，NaBH4水溶液作为燃料储存于燃料罐中，工作时，燃料进入反应器，NaBH4发生水解发应，生成氢气和NaBO2，NaBO2溶解于水中。反应产物和未反应的燃料形成气液混合物直接进入残液罐，经过气液分离后，氢气离开残液罐，供燃料电池堆用。水力旋流分离器由于其效率高、处理量大、维护费用低等优点，已广泛应用于煤矿、化工、食品加工及能源等各个领域，工业中常用的水力旋流器的结构特点是直径小而圆锥部分长。这种双腔结构的制氢系统应用比较广泛。
这种结构的制氢系统，存在如下问题：第一，由于设置了床式催化室，结构不够紧凑，很难小型化；第二，溶液催化室的管路阻力，会增加溶液的压力损失，增加能耗；第三，采用固定床催化剂如固定床雷尼镍等作为硼氢化钠水解制氢催化剂时，硼氢化钠溶液的浓度不能过高，否则会使得反应过程中生成的偏硼酸钠在催化剂上面析出，覆盖活性位，使得催化剂逐渐失活，这严重限制了硼氢化钠的浓度提高，从而使得整个系统的储氢率下降。
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系统体系重量减，流体压力损失小，能耗低、催化剂利用率高的一种用于硼氢化钠制氢的氢气发生器。
本发明包括如下技术方案：
一种用于硼氢化钠制氢的氢气发生器，包括发生器壳体，排气管、叶轮、引流罩、轮轴以及电机，其中：排气管位于壳体端盖上，轮轴由端盖伸入壳体内部并与端盖动密封；引流罩为上下开口的中空筒状，其上部卡合固定在端盖下端面，下部不接触壳体内侧底部，引流罩上设置有多个引流孔，轮轴前端固定安装的叶轮伸入到引流罩内；叶轮表面设置有催化硼氢化钠水解的催化剂层；端盖与壳体可拆卸连接，通过密封圈密封。
本发明还可以采用如下技术措施：
优选地，上述催化剂层为多孔层，以增大催化面积。
优选地，催化剂为Co、Fe、Ni。
优选地，氢气发生器外壁设置有散热装置，来控制反应温度。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.本发明省略了床式催化室，形成了循环动力、储罐、催化剂一体的发生器，减轻了系统体系和重量，并减小了流体压力损失，减低了能耗。
2.本发明催化层设置在叶轮上，滞留层厚度小，硼氢化钠溶液与催化层接触更充分，催化剂利用率高。
3.本发明在离心力的作用下，NaBO2更容易从叶轮上的催化剂表面脱离，保证了催化剂的催化活性，可处理高浓度的硼氢化钠溶液。
附图说明
图1是本发明用于硼氢化钠制氢的氢气发生器结构示意图：
1为氢气发生器，2为密封壳体，3为排气管，4为叶轮，5为引流罩，6为引流孔，7为轮轴，8为电机，9为端盖。
具体实施方式
为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，并配合附图详细说明如下：
实施例1
一种用于硼氢化钠制氢的氢气发生器，其材质为316不锈钢，叶轮4采用镍粉、铝粉和黏结剂混合涂敷经高温焙烧，制备表面合金化的泡沫镍，再经碱液活化，形成催化剂层。在壳体2内加入28％硼氢化钠溶液溶液，将端盖9与壳体2密封连接。通过控制器调节电机8转速。电机8带动叶轮4在引流罩5内旋转，在引流罩5内形成不规则的涡流和负压，硼氢化钠溶液从壳体2底部被吸入，与叶轮4上的催化剂层充分接触，硼氢化钠发生水解反应，残夜在离心力的作用下甩出，从引流罩上的多个引流孔6射出后回流到壳体2底部，反复循环；氢气则从叶轮4表面溢出在液面上达到一定压力后，从排气管3排出；氢气的发生速度可以通过电机8的转速来控制。在该放生器内硼氢化钠利用率可以达到93％以上。
实施例2
一种用于硼氢化钠制氢的氢气发生器，其材质为316不锈钢，叶轮4采用铁粉、铝粉和黏结剂混合涂敷经高温焙烧，制备多孔铁催化层，再经碱液活化，形成催化剂层。在壳体2内加入20％硼氢化钠溶液溶液，将端盖9与壳体2密封连接。通过控制器调节电机8转速。电机8带动叶轮4在引流罩5内旋转，在引流罩5内形成不规则的涡流和负压，硼氢化钠溶液从壳体2底部被吸入，与叶轮4上的催化剂层充分接触，硼氢化钠发生水解反应，残夜在离心力的作用下甩出，从引流罩上的多个引流孔6射出后回流到壳体2底部，反复循环；氢气则从叶轮4表面溢出在液面上达到一定压力后，从排气管3排出；氢气的发生速度可以通过电机8的转速来控制。在该放生器内硼氢化钠利用率可以达到90％以上。
实施例3
一种用于硼氢化钠制氢的氢气发生器，其材质为316不锈钢，叶轮4采用钴粉、铝粉和黏结剂混合涂敷经高温焙烧，制备多孔钴催化层，再经碱液活化，形成催化剂层。在壳体2内加入25％硼氢化钠溶液溶液，将端盖9与壳体2密封连接。通过控制器调节电机8转速。电机8带动叶轮4在引流罩5内旋转，在引流罩5内形成不规则的涡流和负压，硼氢化钠溶液从壳体2底部被吸入，与叶轮4上的催化剂层充分接触，硼氢化钠发生水解反应，残夜在离心力的作用下甩出，从引流罩上的多个引流孔6射出后回流到壳体2底部，反复循环；氢气则从叶轮4表面溢出在液面上达到一定压力后，从排气管3排出；氢气的发生速度可以通过电机8的转速来控制。在该放生器内硼氢化钠利用率可以达到96％以上。
这种氢气发生器，体积小、能耗低、硼氢化钠利用率高，可用于无人机等小型燃料电池供氢系统。除上述应用外，以硼氢化钠水解制氢的燃料电池电源可应用于航天器、卫星、火箭、鱼雷、便携导弹发射器以及。该系统因其高容量、高性能显示出强大的市场竞争力。除此之外，硼氢化钠粉末易携带、易运输，适合为特殊场合(高山、海上、水下、地下等)的燃料电池电源供给氢气。因此，硼氢化钠供氢的燃料电池电源不仅可代替现有的干电池和部分二次电池，还具备取代小型发电机电源的潜力。
本发明实现的原理：
电机带动叶轮在引流罩内旋转，在引流罩内形成不规则的涡流和负压，硼氢化钠溶液从壳体底部被吸入，与叶轮上的催化剂层充分接触，硼氢化钠发生水解反应，残夜在离心力的作用下甩出，从引流罩上的多个引流孔射出后回流到壳体底部，反复循环；氢气则从叶轮表面溢出在液面上达到一定压力后，从排气管排出；氢气的发生速度可以通过电机的转速来控制。
尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于硼氢化钠制氢的氢气发生器，包括发生器壳体(2)，排气管(3)、叶轮(4)、引流罩(5)、轮轴(7)以及电机(8)，其中：排气管(3)位于壳体(2)端盖(9)上，轮轴(7)由端盖(9)伸入壳体(2)内部并与端盖(9)动密封；引流罩(5)为上下开口的中空筒状，其上部卡合固定在端盖(9)下端面，下部不接触壳体(2)内侧底部，引流罩(5)上设置有多个引流孔(6)，轮轴(7)前端固定安装的叶轮(4)伸入到引流罩(5)内；叶轮(4)表面设置有催化硼氢化钠水解的催化剂层；端盖(9)与壳体(2)可拆卸连接，通过密封圈密封。
2.根据权利要求1所述的硼氢化钠制氢的氢气发生器，其特征在于：所述催化剂层为多孔层。
3.根据权利要求1所述的硼氢化钠制氢的氢气发生器，其特征在于：所述催化剂为Co、Fe、Ni。
4.根据权利要求1所述的硼氢化钠制氢的氢气发生器，其特征在于：氢气发生器外壁设置有散热装置，来控制反应温度。
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