CN114105093A - 一种水回收式NaBH4制氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水回收式NaBH4制氢装置，包含：回收容器，配液容器，储液容器、反应器，及定时开关控制单元；回收容器与燃料电池双向管道连通；回收容器与配液容器通过一进水管道连通；进水管道还设置有第一泵；配液容器与储液容器通过一排液管道连通，排液管道还设置有第二泵；储液容器与反应器通过一进液管道连通；反应器与回收容器管道连通；定时开关控制单元控制第一泵、第二泵的通断。本发明通过燃料电池反应水回收方式，对燃料电池阴极反应水进行回收，将回收水用作水解反应原料以及水解反应氢气产物清洗液；并将水解催化反应器与散热器集成，从而达到轻量化效果减轻NaBH4制氢装置重量，有效提高装置储氢密度。

Description

一种水回收式NaBH4制氢装置
技术领域
本发明属于制氢装置领域，具体涉及一种水回收式NaBH4制氢装置。
背景技术
氢燃料电池因其具备能量密度高、低噪声、无污染、效率高、寿命长、红外辐射及电磁辐射低等优势，呈现在航天及军用领域逐渐开展应用的趋势，但由于氢源问题未能有效解决而限制其进一步配套发展。
针对小型航天军工装备，相比其他储氢方式，NaBH4水解制氢具有氢气纯度高、能源利用率高、安全性高、副产物可回收利用等优点，按照35％饱和NaBH4溶液理论材料储氢密度为7.56％，但目前NaBH4水溶液制氢装置储氢密度仅可达3wt％左右，与高压气体储氢系统相比无优势。为满足轻量化、小型化装备需求，需进一步提升制氢装置储氢密度。
发明内容
本发明的目的是如何提升NaBH4水解制氢装置储氢密度，通过燃料电池反应水回收方式、结合集成化设计减轻NaBH4制氢装置重量，有效提高装置储氢密度。
为了达到上述目的，本发明提供了一种水回收式NaBH4制氢装置，包含：回收容器，配液容器，储液容器、反应器，及定时开关控制单元；
所述的回收容器与燃料电池双向管道连通，回收容器洗涤后的氢气进入燃料电池提供燃料，燃料电池反应生成的水流入回收容器；
所述的回收容器与所述的配液容器通过一进水管道连通，向配液容器提供水作为溶剂，用于配置一定浓度的NaBH4水溶液；其中，所述的进水管道还设置有第一泵；
所述的配液容器与所述的储液容器通过一排液管道连通，以提供配置的NaBH4水溶液；其中，所述的排液管道还设置有第二泵；
所述的储液容器与所述的反应器通过一进液管道连通，以提供NaBH4水溶液进行反应；
所述的反应器与所述的回收容器管道连通，以提供生成的氢气；
所述的定时开关控制单元控制第一泵与第二泵的通断。
可选地，所述的定时控制单元控制第一泵与第二泵交替运行。
可选地，所述的定时控制单元通过设置运行参数控制第一泵、第二泵的运行时间和/或功率。
可选地，所述的定时控制单元包含微型单片机MCU、芯片ULN2003、两路MOSFET管，微型单片机MCU根据实际需要选择配置DC-DC组成，起到两路信号开关互斥作用。
可选地，所述的定时控制单元由并联在燃料电池上的锂电池组供电。
可选地，所述的配液容器内还设置有一容置腔，配置的NaBH4水溶液位于容置腔外壁与配液容器内壁之间的空腔中，所述的容置腔设置有至少一开口，该开口不低于设定浓度NaBH4水溶液的高度，该容置腔通过一排水管道与所述的回收容器连通。
可选地，该装置进一步包含：固体NaBH4投料机，向配液容器自动投喂NaBH4原料。
可选地，所述的配液容器还设置有混匀件。
可选地，所述的反应器为水解催化反应管，其外部集成设置有换热器，水解催化剂至少均匀布置在所述水解催化反应管底部的前端。
可选地，所述的反应器的出口处还设置有一分流三通阀。
本发明的技术效果：
1)设计实现了新的燃料电池反应水回收方式：对燃料电池阴极反应水进行回收，将回收水用作水解反应，理论上可使得材料储氢密度提高达20％以上；进一步地，该回收水还用作水解反应氢气产物清洗液，既节约了成本，又实现了轻量化的目的，进一步起到了提高储氢密度的作用。
2)设计定时开关控制单元50控制实现在线配料，储液容器30提供配置好的原料存储，以持续供应反应器40需要的原料，保持制氢的稳定性；
3)集成化设计减轻NaBH4制氢装置重量，有效提高装置储氢密度：对燃料电池阴极反应水进行回收，将回收水用作水解反应，将水解催化反应器与散热器集成，用回收瓶中燃料电池反应水作为水解反应氢气产物清洗液，即，将反应物回收、原料提供以及后处理洗涤集成到一个回收容器中。
附图说明
图1为本发明的一种水回收式NaBH4制氢装置示意图；
图2为本发明的一种水回收式NaBH4制氢装置设计流程示意图；
图3为本发明的定时开关控制单元功能组成示意图。
附图标识：
燃料电池 1
回收容器 10
进水管道 11
第一泵 12
排水管道 13
配液容器 20
排液管道 21
第二泵 22
容置腔 23
混匀件 24
储液容器 30
进液管道 31
第三泵 32
单向阀 33
反应器 40
催化反应管 41
换热器 42
三通阀 43
定时开关控制单元 50
单片机 51
芯片 52
MOSFET管 53
投料机 60
锂电池组 70。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
硼氢化钠(NaBH4)是一种白色晶体粉末，真空中，在400℃条件下，还能稳定存在。在催化剂存在下，硼氢化钠与水分发生水解反应生成氢气和水溶性亚硼酸钠，反应式如下：
Figure BDA0003420924420000041
25℃下，NaBH4在水中的溶解度为0.55g/g(H2O)，而NaBO2在水中的溶解度却只有0.28g/g(H2O)。因此，要使反应生成的NaBO2不沉淀，则NaBH4的含量必须低于0.16g/g(H2O)。
本申请设计了一种装置，在线配置合适浓度的NaBH4水溶液水解制氢气，如，可低于0.16g/g(H2O)。该氢气为燃料电池提供燃料，并将反应生成的水经回收容器输送至配液容器，充分地利用原料水，提升储氢密度。
如图1所示，一种水回收式NaBH4制氢装置，回收容器10，配液容器20，储液容器30，反应器40，及定时开关控制单元50。
如图2所示，所述的回收容器10与燃料电池1双向管道连通，回收容器10洗涤后的氢气进入燃料电池1提供燃料，燃料电池1反应生成的水流入回收容器10，用于为配液容器20提供溶剂。
所述的回收容器10与所述的配液容器20通过一进水管道11连通，向配液容器20提供水作为溶剂，用于配置一定浓度的NaBH4水溶液；其中，所述的进水管道11还设置有第一泵12。
所述的配液容器20与所述的储液容器30通过一排液管道21连通，以提供配置的NaBH4水溶液；其中，所述的排液管道21还设置有第二泵22。为了保证配液容器20内NaBH4水溶液的浓度恒定，还在配液容器20中设置一容置腔23，配置的NaBH4水溶液位于容置腔外壁与配液容器内壁之间的空腔中，所述的容置腔23设置有至少一开口，在核定添加的NaBH4下，当水面达到该开口时，达到需要的NaBH4水溶液的浓度，该容置腔23通过一排水管道13与所述的回收容器10连通，将由于水面高于所述开口，进入到容置腔23内的水输送回回收容器10。为了加速固体NaBH4溶解，尽快混匀，所述的配液容器还设置有混匀件24。所述的混匀件24包含但不限于震动马达，搅拌子或搅拌器等，本例中采用震动马达。
所述的定时开关控制单元50控制第一泵12与第二泵22的通断，具体来说，控制第一泵12与第二泵22交替运行。通过设置运行参数可严格控制第一泵12、第二泵22的运行时间和/或功率大小，通过控制功率控制流速。
如图3所示，所述的定时开关控制单元50包含微型单片机(MCU)51、芯片(ULN2003)52、两路MOSFET管53，微型单片机MCU根据实际需要选择配置DC-DC组成，起到两路信号开关互斥作用。其中，信号开关采用OD门控制，由单片机MCU驱动芯片ULN2003控制OD门MOSFET，当MCU输出低电平时，ULN2003输出高电平驱动，MOSFET导通，泵开始工作；当MCU输出高电平时，ULN2003输出低电平驱动，MOSFET关闭，泵停止工作。为防止泵关断时泵内部电感续流在输出端口反并二极管；在单片机中设计定时器以控制泵工作和关闭的时间。单片机MCU采用STC高速低功耗超强抗干扰的8051单片机。
所述的储液容器30与所述的反应器40通过一进液管道31连通，以提供NaBH4水溶液进行反应，其中，所述的进液管道31还设置有第三泵32。所述的储液容器30可以确保在配液容器20配置溶液时也能持续地向反应器40提供NaBH4水溶液原料，以持续地生产氢气。为了避免反应液倒灌，所述的进液管道31上还设置有一单向阀33。
所述的反应器40包含水解催化反应管41，水解催化剂至少均匀布置在所述水解催化反应管底部的前端，也可以根据需要均匀布置在水解催化反应管底部。为了尽快散热，本例中还将水解催化反应管41与换热器42(本例中采用翅片换热器)合体，集成设置，达到轻量化的目的。其中，水解催化反应管41采用不锈钢散热器基管，管外套铝片散热翅片，使用时水解催化剂均匀置于不锈钢基管前端内部；在基管两端还可粘贴分子筛，起到阻隔催化剂作用；在散热器出口处安装一分流三通阀43，其中上流道口粘贴PTFE膜，以此将反应产物溶液与氢气分离，避免产物溶液随氢气排出。
所述的反应器40与所述的回收容器10管道连通，以提供生成的氢气；该氢气经回收容器10洗涤后，输入到燃料电池1。
一些实施例中，该装置进一步包含：固体NaBH4投料机60，向配液容器20自动投喂NaBH4原料。
一些实施例中，所述的定时控制单元50由并联在燃料电池1上的锂电池组70供电。
一些实施例中，本制氢装置中投料机、震动马达、定时控制单元50、第一泵12、第二泵22、第三泵32均通过并联在燃料电池1上的锂电池组70供电，实现自循环，不需要外部电源。
实施例
如图2所示，提供了一种水回收式NaBH4制氢装置，首先在回收容器10中注入初始水，固体投料机60中放置固体NaBH4。以燃料电池配套装置工况500W运行5h计算，需要氢气200g、NaBH4固体925g，若配制成质量百分数计12％NaBH4溶液，固体投料机NaBH4块上料速度3.2g/min，NaBH4块为采用压片机压制的固定尺寸及重量的片状物，约200mg/片。
锂电池组上电，固体投料机60、震动马达、定时开关控制单元50开始工作，同时第一泵12输送回收容器10中的水至配液容器20，流速23.47g/min，与固体NaBH4混合配液。
设定时间到时，第二泵22与第三泵32开启。第二泵22控制自配液容器20到储液容器30的流速为26.67g/min；第三泵32将NaBH4溶液从储液容器30输送至反应器40，设计流速13.33g/min。
后续定时开关控制单元50控制第一泵12与第二泵22交替工作(本例中，每个泵每次运行5min)，第三泵32保持持续工作，将配置好的NaBH4溶液输送至反应器40。本例中，反应器40采用Φ8-10mm不锈钢散热器基管、管外套Φ10-16mm铝片散热翅片，每根翅片散热器150mm、共8根串联，催化剂以碳为载体、钌为催化主体，使用时将20g水解催化剂均匀置于前两根散热器不锈钢基管内。
催化水解，反应产物通过分流三通阀43，排出产物溶液，生成的氢气经回收容器10中回收水清洗后，通往燃料电池1。燃料电池1反应产生水，生成水被回收至回收容器10，同时回收水被不断输送至配液容器20中进行配液随后水解制氢。
综上所述，本发明通过燃料电池反应水回收方式，对燃料电池阴极反应水进行回收，将回收水用作水解反应；设计定时开关控制单元50控制实现在线配料，储液容器30提供配置好的原料的临时存储，持续供应反应器40需要的原料，并结合集成化设计，将水解催化反应器与换热器集成，用回收容器10中燃料电池反应水作为水解反应氢气产物清洗液，从而达到轻量化效果减轻NaBH4制氢装置重量，相比反应水不回收装置储氢密度有效提高了20％以上。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种水回收式NaBH4制氢装置，其特征在于，包含：回收容器，配液容器，储液容器、反应器，及定时开关控制单元；
所述的回收容器与燃料电池双向管道连通，回收容器洗涤后的氢气进入燃料电池提供燃料，燃料电池反应生成的水流入回收容器；
所述的回收容器与所述的配液容器通过一进水管道连通，向配液容器提供水作为溶剂，用于配置一定浓度的NaBH4水溶液；其中，所述的进水管道还设置有第一泵；
所述的配液容器与所述的储液容器通过一排液管道连通，以提供配置的NaBH4水溶液；其中，所述的排液管道还设置有第二泵；
所述的储液容器与所述的反应器通过一进液管道连通，以提供NaBH4水溶液进行反应；
所述的反应器与所述的回收容器管道连通，以提供生成的氢气进行清洗；
所述的定时开关控制单元控制第一泵与第二泵的通断。
2.如权利要求1所述的水回收式NaBH4制氢装置，其特征在于，所述的定时控制单元控制第一泵与第二泵交替运行。
3.如权利要求2所述的水回收式NaBH4制氢装置，其特征在于，所述的定时控制单元通过设置运行参数控制第一泵、第二泵的运行时间和/或功率。
4.如权利要求1所述的水回收式NaBH4制氢装置，其特征在于，所述的定时控制单元包含微型单片机MCU、芯片ULN2003、两路MOSFET管，微型单片机MCU根据实际需要选择配置DC-DC组成，起到两路信号开关互斥作用。
5.如权利要求1所述的水回收式NaBH4制氢装置，其特征在于，所述的定时控制单元由并联在燃料电池上的锂电池组供电。
6.如权利要求1所述的水回收式NaBH4制氢装置，其特征在于，所述的配液容器内还设置有一容置腔，配置的NaBH4水溶液位于容置腔外壁与配液容器内壁之间的空腔中，所述的容置腔设置有至少一开口，该开口不低于设定浓度NaBH4水溶液的高度，该容置腔通过一排水管道与所述的回收容器连通。
7.如权利要求1所述的水回收式NaBH4制氢装置，其特征在于，该装置进一步包含：固体NaBH4投料机，向配液容器自动投喂NaBH4原料。
8.如权利要求1所述的水回收式NaBH4制氢装置，其特征在于，所述的配液容器还设置有混匀件。
9.如权利要求1所述的水回收式NaBH4制氢装置，其特征在于，所述的反应器为水解催化反应管，其外部集成设置有换热器，水解催化剂至少均匀布置在所述水解催化反应管底部的前端。
10.如权利要求1所述的水回收式NaBH4制氢装置，其特征在于，所述的反应器的出口处还设置有一分流三通阀。
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