CN1951800A - 金属氢化合物水解制氢的氢气发生装置及制氢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氢气发生装置，该氢气发生装置包括反应液贮存容室(21)、催化反应容室(22)、废液回收容室(23)，催化反应容室(22)分别与反应液贮存容室(21)、废液回收容室(23)连通，其中，该氢气发生装置还包括氢气净化单元(24)，氢气净化单元(24)与催化反应容室(22)连通。本发明还提供了利用该装置的制氢方法。由于本发明提供的氢气发生装置包括氢气净化单元，因此可以对氢气进行净化，降低了对燃料电池系统的损害。
Description
技术领域
本发明涉及一种氢气发生装置及制氢方法，更具体地涉及一种金属氢化合物水解制氢的氢气发生装置及制氢方法。
背景技术
燃料电池一般以氢为原料产生电能，具有高比能量、清洁无污染等显著特点，是理想的移动电源或电动车的动力电源。人们提出了许多方法将氢储存在燃料电池中，比如高压气态贮氢、液态贮氢、碳纳米管贮氢、储氢合金贮氢。但这些方法都存在一定的缺陷。例如，气态储氢的安全性差；液态储氢的液化成本较高；碳纳米管的吸放氢速度缓慢、吸附容量的稳定性差；储氢合金的储氢量较低。
近年又有人提出金属氢化合物如硼氢化物水解制氢的方法，该方法的优点是氢的贮存率高(以NaBH4为例，储氢量达到10.9重量％)、产氢纯度高(生成的气体中不含有其它对电池催化剂有影响的气体)、安全无污染等。该方法的原理如下式所示：
其中，M可以是钾、钠、锂等碱金属。
金属氢化合物水解制氢一般是在氢气发生装置中进行。例如，《天然气化工》2003年第28卷第5期52页介绍了由千年电池公司开发的Hydrogen onDemandTM硼氢化钠制氢系统。如图1所示，该系统依次包括NaBH4燃料箱11、加料泵12、催化反应室13、气/液分离器14、(NaBO2返回箱15)、热交换器/冷却剂回路16，得到的氢气进入到燃料电池或氢发动机17中。
由于金属氢化合物催化水解制氢方法所使用的反应液呈碱性，因此制得的氢气也会显碱性，如果直接进入燃料电池系统会对燃料电池系统产生危害，例如使燃料电池的催化剂中毒，严重影响电极性能。而现有的氢气发生装置均不具备氢气净化功能。
发明内容
本发明的目的是克服现有的氢气发生装置不具备氢气净化功能的缺点，提供一种具备氢气净化功能的氢气发生装置。
本发明的另外一个目的是提供使用该氢气发生装置的制氢方法。
本发明提供了一种氢气发生装置，该氢气发生装置包括反应液贮存容室21、催化反应容室22、废液回收容室23，催化反应容室22分别与反应液贮存容室21、废液回收容室23连通，其中，该氢气发生装置还包括氢气净化单元24，氢气净化单元24与催化反应容室22连通。
本发明还提供了一种制氢方法，该方法包括将反应液从反应液贮存容室21输送到催化反应容室22中进行反应制得氢气，反应得到的废液从催化反应容室22输送到废液回收容室23中，其中，所述制氢的过程在本发明提供的氢气发生装置中进行，该方法还包括用氢气净化单元24对制得的氢气进行净化的步骤。
由于本发明提供的氢气发生装置还包括氢气净化单元，因此可以对氢气进行净化，降低了对燃料电池系统的损害。
附图说明
图1是表示现有技术的Hydrogen on DemandTM硼氢化钠制氢系统的示意图；
图2是表示本发明提供的氢气发生装置的剖视图；
图3是表示按照本发明的另一个实施方式的氢气发生装置的剖视图；
图4是表示本发明提供的氢气发生装置的氢气净化单元的局部放大图，图4a-4c分别为图2所示的A、B、C区域的放大图；
图5是表示本发明提供的制氢方法的流程图。
具体实施方式
如图2所示，本发明提供的氢气发生装置包括反应液贮存容室21、催化反应容室22、废液回收容室23，催化反应容室22分别与反应液贮存容室21、废液回收容室23连通，其中，该氢气发生装置还包括氢气净化单元24，氢气净化单元24与催化反应容室22连通。
本发明对反应液贮存容室21、催化反应容室22、废液回收容室23、氢气净化单元24之间的位置关系没有具体的限定。但是为了便于反应的进行，优选情况下，反应液贮存容室21与废液回收容室23位于催化反应容室22的下方，氢气净化单元24位于催化反应容室22的上方。
所述氢气净化单元24可以采用现有的任何能够去除气体碱性的处理单元，优选情况下，如图4a所示，所述氢气净化单元24含有至少一段阳离子交换树脂41和至少一段阴离子交换树脂42。所述阳离子交换树脂41和阴离子交换树脂42优选放置在管状容器中，并且阳离子交换树脂41和阴离子交换树脂42之间由离子交换树脂阻隔网43隔开。所述阳离子交换树脂41可以是强酸性也可以是弱酸性，例如可以为选自强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂、弱酸性苯丙烯型阳离子交换树脂、弱酸性丙烯酸型阳离子交换树脂中的一种或几种；所述阴离子交换树脂可以是强碱性也可以是弱碱性，例如可以为选自强碱性苯乙烯型阴离子交换树脂、强碱性季铵型苯乙烯阴离子交换脂、弱碱性苯乙烯型阴离子交换树脂中的一种或几种。所述离子交换树脂阻隔网43为不锈钢筛网。当氢气净化单元24含有多段阳离子交换树脂41和阴离子交换树脂42时，阳离子交换树脂41和阴离子交换树脂42优选间隔放置，并且阳离子交换树脂41和阴离子交换树脂42之间由离子交换树脂阻隔网43隔开。为了增加氢气净化单元24与氢气的接触面积和接触时间，并且节省空间，所述管状容器优选为蛇形管。
如图2所示，所述氢气净化单元24可以通过已知的任何方式与催化反应容室22连通，优选情况下，催化反应容室22的顶部或接近顶部的侧面具有导气口25，氢气净化单元24与导气口25相连。为了防止催化反应容室22中的反应液或废液进入到氢气净化单元24中，优选在氢气净化单元24和催化反应容室22之间设置气液过滤网26。所述气液过滤网26可以为现有的各种气液过滤网，例如气液过滤网26为一层或多层泡沫状金属。
所述催化反应容室22可以由现有的各种耐腐蚀、机械性能良好的材料制成，所述材料可以为不锈钢或工程塑料。所述工程塑料包括聚碳酸酯类树脂，聚甲醛类树脂，聚酯类树脂，聚酰胺类树脂，聚苯醚类树脂，ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)和环氧塑料。对催化反应容室22的形状没有具体的限制，但是为了便于安装组合，催化反应容室22优选为立方柱形。所述催化反应容室22中放置有催化剂，该催化剂可放置一层或多层，催化剂的种类已为本领域技术人员所公知，本发明对此没有限定。所述催化反应容室22的底部优选为波浪状，这样可以增加反应液与催化剂接触反应的时间。
所述反应液贮存容室21可以通过已知的任何方式与催化反应容室22连通，优选情况下反应液贮存容室21通过液体输送管道27与催化反应容室22连通。反应液贮存容室21具有反应液出口28，催化反应容室22具有反应液进口29，液体输送管道27分别与反应液出口28、反应液进口29相连。优选情况下，反应液出口28位于反应液贮存容室21的底部或接近底部的侧面；反应液进口29位于催化反应容室22的顶部或接近顶部的侧面，这样有利于将反应液贮存容室21中的全部反应液输送到催化反应容室22中。
为了控制从反应液贮存容室21输送到催化反应容室22中的反应液的量，优选在液体输送管道27上设置液体进料控制装置30。所述液体进料控制装置30可以使用现有的各种液体进料控制装置，如水泵、计量泵，优选为水泵。
所述反应液贮存容室21可以由现有的各种耐腐蚀、机械性能良好的材料制成，所述材料可以为不锈钢或工程塑料。所述工程塑料包括聚碳酸酯类树脂，聚甲醛类树脂，聚酯类树脂，聚酰胺类树脂，聚苯醚类树脂，ABS和环氧塑料。对反应液贮存容室21的形状没有具体的限制，但是为了便于安装组合，反应液贮存容室21优选为立方柱形。反应液贮存容室21的顶部设置有具塞的加料口31。当需要往反应液贮存容室21中添加反应液时，将具塞的加料口31的塞子打开，从加料口注入反应液。
所述废液回收容室23可以通过已知的任何方式与催化反应容室22连通，优选情况下，催化反应容室22底部具有废液出口32，废液回收容室23的顶部或接近顶部的侧面具有废液进口33，废液出口32与废液进口33之间通过废液输送管道34连接。所述废液出口32上覆盖有过滤丝网35。所述废液输送管道34上设置有阀门36，当需要将废液从催化反应容室22排到废液回收容室23中时，打开阀门36，由于重力作用废液自动通过废液输送管道34输送到废液回收容室23中。
所述废液回收容室23可以由现有的各种耐腐蚀、机械性能良好的材料制成，所述材料可以为不锈钢或工程塑料。所述工程塑料包括聚碳酸酯类树脂，聚甲醛类树脂，聚酯类树脂，聚酰胺类树脂，聚苯醚类树脂，ABS和环氧塑料。对废液回收容室23的形状没有具体的限制，但是为了便于安装组合，废液回收容室23优选为立方柱形。所述废液回收容室23的底部或接近底部的侧面设置有具塞的出液口37。当需要将废液回收容室23中的废液排出时，将具塞的出液口37的塞子打开即可。
所述反应液贮存容室21与废液回收容室23可以是单独的封闭空间，也可以合为一体(如图2、图3所示)。当二者合为一体时，可以循环利用反应液，使其中的金属氢化合物得到充分的分解，而且可以节省空间，因此本发明优选将反应液贮存容室21与废液回收容室23合为一体。当反应液贮存容室21与废液回收容室23合为一体时，如果从催化反应容室22输送出的废液中含有未分解的金属氢化合物，则可以将废液通过液体输送管道27重新输送到催化反应容室22中进行反应。
按照本发明提供的氢气发生装置，经过所述氢气净化单元24净化的空气可以直接进入到燃料电池系统中，也可以储存备用。如图3所示，按照本发明的另外一个实施方式，本发明提供的氢气发生装置还可以包括气体贮存容室51。所述气体贮存容室51与氢气净化单元24连通。
所述气体贮存容室51可以由现有的各种耐腐蚀、机械性能良好的材料制成，所述材料可以为不锈钢或工程塑料。所述工程塑料包括聚碳酸酯类树脂，聚甲醛类树脂，聚酯类树脂，聚酰胺类树脂，聚苯醚类树脂，ABS和环氧塑料。对气体贮存容室51的形状没有具体的限制，但是为了便于安装组合，气体贮存容室51优选为立方柱形。
所述气体贮存容室51可以采用现有的各种方法与氢气净化单元24连通，优选情况下，如图3所示，所述氢气净化单元24安装在气体贮存容室51中。这样可以节省空间，减小氢气发生装置的体积。
所述气体储存容室51的顶部或接近顶部的侧面具有氢气出口52，氢气出口52连接有气管接头53。所述气管接头53可外接气管及气压调节装置。
本发明提供的氢气发生装置还可以包括壳体，所述反应液贮存容室21、催化反应容室22、废液回收容室23、氢气净化单元24以及选择性包括的气体贮存容室51都位于壳体中。所述壳体可以由现有的各种耐腐蚀、机械性能良好的材料制成，所述材料可以为不锈钢或工程塑料。所述工程塑料包括聚碳酸酯类树脂，聚甲醛类树脂，聚酯类树脂，聚酰胺类树脂，聚苯醚类树脂，ABS和环氧塑料。对壳体的形状没有具体的限制，但是为了便于安装组合，壳体优选为立方柱形。
本发明提供的制氢方法包括将反应液从反应液贮存容室21输送到催化反应容室22中进行反应制得氢气，反应得到的废液从催化反应容室22输送到废液回收容室23中，其中，所述制氢的过程在本发明提供的氢气发生装置中进行，该方法还包括用氢气净化单元24对制得的氢气进行净化的步骤。
所述反应液的组成已为本领域技术人员所公知，本发明对此没有特别的限定。例如，反应液可以为通过将金属氢化合物溶入到碱性水溶液中形成的反应介质。
所述金属氢化物的种类已为本领域技术人员所公知。例如，所述金属氢化物的通式为MQH4或M’(QH4)2，其中M为碱金属元素，M’为碱土金属元素，Q为选自硼、铝、镓中的一种元素。所述金属氢化物优选为硼氢化钠、硼氢化钾或其混合物，更优选为硼氢化钠。
所述碱性水溶液的种类已为本领域技术人员所公知，例如氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氨水。所述碱性水溶液优选为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。碱性水溶液的浓度没有具体限制，例如碱性水溶液的浓度为5-30重量％。
所述金属氢化合物在所述反应介质中的浓度为2-50重量％，优选为5-30重量％。
图5为本发明提供的制氢方法的流程图。其中，虚线表示选择性进行的步骤。
下面结合图2所示的装置，对本发明提供的制氢方法的一个优选实施方式进行详细地描述。
将上述含有金属氢化合物的反应液通过加料口31加入到反应液贮存容室21中，然后利用液体进料控制装置30将反应液通过液体输送管道27输送到催化反应容室22中；
反应液中的金属氢化合物在催化反应容室22中水解生成氢气，得到的氢气通过导气口25进入到氢气净化单元24中，氢气通过氢气净化单元24含有的至少一段阳离子交换树脂41和至少一段阴离子交换树脂42而得到净化，净化后的氢气直接进入到燃料电池系统中进行利用；
反应完成后，打开阀门36，反应后的反应液即废液通过废液输送管道34输送到废液回收容室23中，如果反应液贮存容室21与废液回收容室23是单独的封闭空间，则废液储存在废液回收容室23并通过出液口37排出；如果反应液贮存容室21与废液回收容室23合为一体，则利用液体进料控制装置30重新将含有未反应的金属氢化合物的废液通过液体输送管道27从废液回收容室23(反应液贮存容室21)即输送到催化反应容室22中，直到废液中含有少量或不含未反应的金属氢化合物时，将废液通过出液口37排出，这样可以达到循环利用反应液、提高利用率的效果。
下面结合图3所示的装置，对本发明提供的制氢方法的另外一个优选实施方式进行详细地描述。
将上述含有金属氢化合物的反应液通过加料口31加入到反应液贮存容室21中，然后利用液体进料控制装置30将反应液通过液体输送管道27输送到催化反应容室22中；
反应液中的金属氢化合物在催化反应容室22中水解生成氢气，得到的氢气通过导气口25进入到氢气净化单元24中，氢气通过氢气净化单元24含有的至少一段阳离子交换树脂41和至少一段阴离子交换树脂42而得到净化，净化后的氢气进入到气体储存容室51中储存备用，当需要使用时，净化的氢气通过氢气出口52进入到燃料电池系统中进行利用；
反应完成后，打开阀门36，反应后的反应液即废液通过废液输送管道34输送到废液回收容室23中，如果反应液贮存容室21与废液回收容室23是单独的封闭空间，则废液储存在废液回收容室23并通过出液口37排出；如果反应液贮存容室21与废液回收容室23合为一体，则利用液体进料控制装置30重新将含有未反应的金属氢化合物的废液通过液体输送管道27从废液回收容室23(反应液贮存容室21)即输送到催化反应容室22中，直到废液中含有少量或不含未反应的金属氢化合物时，将废液通过出液口37排出，这样可以达到循环利用反应液、提高利用率的效果。
Claims (21)
1、一种氢气发生装置，该氢气发生装置包括反应液贮存容室(21)、催化反应容室(22)、废液回收容室(23)，催化反应容室(22)分别与反应液贮存容室(21)、废液回收容室(23)连通，其特征在于，该氢气发生装置还包括氢气净化单元(24)，氢气净化单元(24)与催化反应容室(22)连通。
2、根据权利要求1所述的氢气发生装置，其中，所述氢气净化单元(24)含有至少一段阳离子交换树脂(41)和至少一段阴离子交换树脂(42)。
3、根据权利要求2所述的氢气发生装置，其中，所述阳离子交换树脂(41)选自强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂、弱酸性苯丙烯型阳离子交换树脂、弱酸性丙烯酸型阳离子交换树脂中的一种或几种；所述阴离子交换树脂选自强碱性苯乙烯型阴离子交换树脂、强碱性季铵型苯乙烯阴离子交换脂、弱碱性苯乙烯型阴离子交换树脂中的一种或几种。
4、根据权利要求2所述的氢气发生装置，其中，所述阳离子交换树脂(41)和阴离子交换树脂(42)放置在管状容器中，并且阳离子交换树脂(41)和阴离子交换树脂(42)之间由离子交换树脂阻隔网(43)隔开。
5、根据权利要求4所述的氢气发生装置，其中，所述管状容器为蛇形管；所述离子交换树脂阻隔网(43)为不锈钢筛网。
6、根据权利要求1所述的氢气发生装置，其中，所述氢气净化单元(24)位于所述催化反应容室(22)的上方；所述催化反应容室(22)的顶部或接近顶部的侧面具有导气口(25)，氢气净化单元(24)与导气口(25)相连，并且在氢气净化单元(24)和催化反应容室(22)之间设置有气液过滤网(26)。
7、根据权利要求1所述的氢气发生装置，其中，所述催化反应容室(22)中放置有催化剂，所述催化反应容室(22)的底部为波浪状。
8、根据权利要求1所述的氢气发生装置，其中，所述反应液贮存容室(21)位于催化反应容室(22)的下方；所述反应液贮存容室(21)的底部或接近底部的侧面具有反应液出口(28)，催化反应容室(22)的顶部或接近顶部的侧面具有反应液进口(29)，所述反应液贮存容室(21)与催化反应容室(22)之间设置有液体输送管道(27)；所述液体输送管道(27)分别与反应液出口(28)、反应液进口(29)相连。
9、根据权利要求8所述的氢气发生装置，其中，所述液体输送管道(27)上设置有液体进料控制装置(30)；所述液体进料控制装置(30)为水泵。
10、根据权利要求1所述的氢气发生装置，其中，所述废液回收容室(23)位于催化反应容室(22)的下方；所述催化反应容室(22)底部具有废液出口(32)，废液回收容室(23)的顶部或接近顶部的侧面具有废液进口(33)，废液出口(32)与废液进口(33)之间通过废液输送管道(34)连接；所述废液出口(32)上覆盖有过滤丝网(35)；所述废液输送管道(34)上设置有阀门(36)。
11、根据权利要求1所述的氢气发生装置，其中，所述废液回收容室(23)的底部或接近底部的侧面设置有具塞的出液口(37)。
12、根据权利要求1所述的氢气发生装置，其中，所述反应液贮存容室(21)与废液回收容室(23)合为一体。
13、根据权利要求1所述的氢气发生装置，其中，所述反应液贮存容室(21)、催化反应容室(22)、废液回收容室(23)由不锈钢或工程塑料制成；所述工程塑料包括聚碳酸酯类树脂、聚甲醛类树脂、聚酯类树脂、聚酰胺类树脂、聚苯醚类树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯和环氧塑料。
14、根据权利要求1所述的氢气发生装置，其中，该氢气发生装置还包括气体贮存容室(51)；所述气体贮存容室(51)与氢气净化单元(24)连通。
15、根据权利要求14所述的氢气发生装置，其中，所述氢气净化单元(24)安装在气体贮存容室(51)中；所述气体储存容室(51)的顶部或接近顶部的侧面具有氢气出口(52)，氢气出口(52)连接有气管接头(53)；所述气管接头(53)外接气管及气压调节装置。
16、根据权利要求1所述的氢气发生装置，其中，该氢气发生装置还包括壳体，所述反应液贮存容室(21)、催化反应容室(22)、废液回收容室(23)、氢气净化单元(24)位于壳体中。
17、一种制氢方法，该方法包括将反应液从反应液贮存容室(21)输送到催化反应容室(22)中进行反应制得氢气，反应得到的废液从催化反应容室(22)输送到废液回收容室(23)中，其特征在于，所述制氢的过程在权利要求1所述的氢气发生装置中进行，该方法还包括用氢气净化单元(24)对制得的氢气进行净化的步骤。
18、根据权利要求17所述的制氢方法，其中，所述反应液为通过将金属氢化合物溶入到碱性水溶液中形成的反应介质；所述金属氢化物为硼氢化钠。
19、根据权利要求17所述的制氢方法，其中，所述氢气净化单元(24)含有至少一段阳离子交换树脂(41)和至少一段阴离子交换树脂(42)，所述制得的氢气通过所述阳离子交换树脂(41)和阴离子交换树脂(42)。
20、根据权利要求17所述的制氢方法，其中，所述反应液贮存容室(21)与废液回收容室(23)合为一体，反应得到的废液从反应液贮存容室(21)重新输送到催化反应容室(22)中进行反应。
21、根据权利要求17所述的制氢方法，其中，所述氢气发生装置还包括气体贮存容室(51)，所述气体贮存容室(51)与氢气净化单元(24)连通，经过氢气净化单元(24)净化的氢气储存在气体贮存容室(51)中。
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