CN201161926Y

CN201161926Y - 一种移动化学制氢装置

Info

Publication number: CN201161926Y
Application number: CNU2007200124739U
Authority: CN
Inventors: 张华民; 叶威; 刘景开
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2017-06-06

Abstract

一种移动化学制氢装置，其特征在于：所述的移动化学制氢装置包括储氢介质储罐，输液泵，阀门，催化水解反应器，反应废液回收罐，气液分离罐，氢气净化部分，气体缓冲罐，连接管线，氢气流量测量装置，压力传感器，液位控制部分，电控部分，氢气出口；其中：储氢介质储罐与输液泵、阀门、催化水解反应器、气液分离罐、氢气净化部分、气体缓冲罐连接、氢气流量测量装置、氢气出口顺次连接，电控部分分别与输液泵、液位控制部分连接。本实用新型的优点是：加料方便，可操作性好；系统一体化程度高、轻便小巧，移动性好；安全性好；环保性好。可以为氢气内燃机、燃料电池等以氢气为燃料的装置提供氢源。

Description

一种移动化学制氢装置

技术领域

本实用新型涉及一种移动化学制氢装置，采用硼氢化物碱性溶液作为储氢介质的催化水解制氢装置。

背景技术

氢能被普遍认为是未来的清洁能源，因为它可以直接用于内燃机，或者作为燃料电池的燃料来驱动车辆或作为其他用途的电源。氢气是质子交换膜燃料电池的理想燃料，质子交换膜燃料电池可以在温和条件下高效地(高达83％)将氢的化学能转化为电能。在质子交换膜燃料电池实用化之前，用氢气驱动的内燃机车辆可作为一种实现运输车辆零排放的过渡手段。

作为内燃机车辆的燃料，氢气比汽油有更高的热效率，这是因为它在过剩空气中比汽油燃烧得更完全并且可使用更高的压缩比；此外，它对空气/燃料比有更强的适应能力，因而在频繁的启动和刹车过程中有较高的燃烧效率。氢气作为内燃机车辆的燃料的另一个重大优点是，它不像汽油那样会产生CO、未燃尽的烃、烟尘、异味以及温室气体CO2等环境污染物。氢气在空气中燃烧生成的少量NO_x也可以通过调节空气/燃料比减少到最低限度。而使用氢气为燃料的质子交换膜燃料电池汽车则可以实现零排放。但是，用氢气作燃料也有许多困难，主要是缺乏安全、高效、经济、轻便的储氢技术。如果以质量为基准，氢气的储能密度很大，但若以体积为基准，其储能密度非常小，必须储存和输送体积庞大的氢气以满足需要。因此，发展氢能汽车和轻便电源的主要技术关键是能找到安全生产、输送和储存一定量氢气的技术。

目前制氢方法较多，有物理制氢法、化学制氢法和生物制氢法，但目前能够工业化的制氢方法还只有化学制氢法。包括：水电解制氢、甲醇蒸汽转化制氢、氨分解制氢、烃类氧化重整制氢、生物制氢。以上各种方法各有优缺点，例如：水电解可完全自动化，操作方便，其氢气纯度较高(一般可达99％～99.9％)。缺点是耗电量较高，一般不低于5kW·h/m³(标准)；甲醇蒸汽转化制氢反应过程是吸热的，需要外界提供能量，不适于便携装置；氨分解制氢比水电解法制氢能耗低40％以上(水电解制氢的能耗为73.4kJ/m³，氨分解制氢的能耗为42.7kJ/m³)，但其缺点是明显的：一是反应温度高(约800℃)，对反应器和换热器等材质要求较高；二是液氨储存需用压力容器，且氨气属易燃易爆品。

目前储氢方法大致分为5种，即液态储氢、高压储氢、有机化合物储氢、金属化合物储氢和吸附储氢。液态储氢，由于氢气沸点极低(-14.77℃)，能耗大，成本高、储氢设备材质要求很高，操作和使用条件苛刻，大都用于火箭、飞船和卫星发射等高科技领域；高压储氢，对储氢容器材质要求高，储存和使用安全性差一般只用于实验室；有机化合物储氢，主要是利用苯和甲苯的加氢-脱氢反应以达到吸-放氢的目的，它们的储氢密度高(苯为质量分数7.8％，甲苯为质量分数6.12％)，吸放氢工艺复杂，还有许多技术问题没解决，但由于储存设备简单，是一种有发展前景的储氢技术；金属化合物储氢在国内外近几年已受到重视，理论究和应用技术进展很快。储氢机理是氢分子被吸附在金属表面后，离解成氢原子嵌入到金属的晶格中形成氢化物。金属化合物体积储氢密度高达12kg/m³，大于液氢密度(70kg/m³)。

硼氢化物化学制氢技术为近来世界范围内广泛关注的一种集制氢与储氢技术为一体的氢能利用方法。该方法不但具有金属氢化物贮氢的优点，而且质量储氢密度大幅度提高，因而更适合于质子交换膜燃料电池，更适用于移动式装置。归纳起来，主要有以下优点：

1)硼氢化物溶液无可燃性，储运和使用安全

2)硼氢化物的碱性溶液在空气中可稳定存在数月

3)制得的氢气纯度高(可达99.99mole％)，可直接作为质子交换膜燃料电池等用氢装置的燃料

4)氢的生成速度容易控制

5)氢的储存效率高，其中硼氢化钠干态质量储氢效率为10.7％；其35wt％溶液储氢效率可达7％(质量分数)或74g/L

6)催化剂和反应产物可以循环使用

7)在常温甚至0℃下便可以生产氢气

8)全过程无污染

目前基于硼氢化物水解反应催化剂的研究比较多，但是鲜见在高效制氢装置方面的专利和文献报道。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种利用硼氢化物碱性溶液催化水解反应的可操作性、移动性、安全性、环保性均较好的制氢装置。

一种移动化学制氢装置，其特征在于：所述的移动化学制氢装置包括储氢介质储罐(1)，输液泵(2)，阀门(3)，催化水解反应器(4)，气液分离罐(5)，反应废液回收罐(7)，氢气净化部分(6)，气体缓冲罐(8)，连接管线(16)，氢气流量测量装置(9)，压力传感器(12)，液位控制部分(10)，电控部分(11)，氢气出口(15)；

其中：储氢介质储罐(1)通过连接管线(16)与输液泵(2)连接，输液泵(2)通过阀门(3)和催化水解反应器(4)连接，催化水解反应器(4)通过连接管线(16)与气液分离罐(5)连接，气液分离罐(5)通过连接管线(16)与氢气净化部分(6)连接，并且同时通过连接管线(16)与反应废液回收罐(7)连接，氢气净化部分(6)通过连接管线(16)与气体缓冲罐(8)连接，气体缓冲罐(8)通过连接管线(16)与氢气流量测量装置(9)连接，氢气流量测量装置(9)与氢气出口(15)连接，电控部分(11)通过导线与输液泵(2)连接，电控部分(11)通过导线与液位控制部分(10)连接。

所述的移动化学制氢装置还包括外壳(13)，提手(14)，提手安装在外壳顶部，其它的装置都安装与外壳的内部。

所述的储氢介质储罐(1)上安装有加料口(101)。

所述的催化水解反应器(4)包括反应器主体(401)，上端盖(402)，上端盖垫圈(403)，上入口滤片或滤网(404)，下入口(405)，下端盖(406)，下端盖垫圈(407)，上端盖(402)与反应器主体(401)之间从上至下依次安装有上端盖垫圈(403)和上入口滤片或滤网(404)，反应器主体(401)与下端盖(406)之间安装有下端盖垫圈(407)。

所述的外壳(13)的形状以能方便固定内部制氢装置和移动性好为原则，优选长方体，其中外壳底部安装固定脚垫(131)或轮子(132)。

所述的气液分离罐(5)，气体缓冲罐(8)为圆柱形。

所述的移动化学制氢装置包括蓄电池(17)，蓄电池(17)安装在外壳(13)的内部，通过导线与输液泵(2)、阀门(3)、电控部分(11)连接。1.以下根据图1介绍本发明的方案实施流程。当装置开车之后，硼氢化物溶液通过输液泵(2)从储氢介质储罐(1)中输送到催化水解反应器(4)中，在其中同催化剂接触发生水解反应，生成的氢气连同反应副产物以及未反应完的反应物以气液混合物的形式进入到气液分离罐(5)中，副产物以及未反应完的溶液流入废液回收罐(7)中，经过气液分离罐(5)中分离之后的氢气连同废液回收罐(7)中由废液带出来的少量氢气一起进入氢气净化部分(6)，经过净化处理后的氢气进入缓冲罐(8)，缓冲罐出口的压力和流量传感装置(9)采集出口氢气的压力和流量信息送至电控部分(11)，电控部分判断催化剂是否失效。其中电控部分还控制整个系统正常运行，包括蓄电池充电放电控制、进料速度控制、废液排放控制，还保证在氢气泄漏以及其他异常情况发生时其自带的报警装置报警并停止输液泵。根据用户需要电控部分还可添加其他功能。蓄电池为系统启动、甚至运行时提供动力，也为各电磁阀件、传感装置提供动力。最终气体通过气体出口(15)进入到用户。

本实用新型的优点：

能够通过适时调节进料速度来提供满足用户需求且纯度达99.99％的氢气，加料方便，且反应废液能实现自动排放，可操作性好；系统一体化程度高、轻便小巧，移动性好；没有高温高压部分，氢气泄漏及出现工作异常能报警并自动停车，安全性好；反应副产物可以无毒无污染且可以循环利用，环保性好。本实用新型可以按照需求为氢气内燃机、燃料电池等以氢气为燃料的装置提供氢源。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1为本实用新型实施方案流程图，箭头代表氢气流动方向；

图2为本实用新型装配后的左侧剖面图；

图3为本实用新型装配后的右侧剖面图；

图4为本实用新型中催化水解反应器的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图及给燃料电池提供氢气时的具体实施例对本实用新型作进一步说明：

实施例1

参见图2到图4，一种给负载额定功率已知且不变的燃料电池提供氢气的移动化学制氢装置，它主要由系统外壳(13)、储氢介质溶液储罐(1)、变频输液泵(2)、反应器(4)、气液分离罐(5)、洗气罐(6)、反应废液回收罐(7)、缓冲罐(8)、压力传感器(12)、蓄电池(17)及电控部分(11)等组成。所述储氢介质储罐设有加料口(101)，在储氢料液不足时可随时添加而不影响系统正常运行。所述变频输液泵可以通过人工给定信号改变其转速来改变储氢介质溶液进料速度，从而达到改变氢气流速满足燃料电池不同负载时用氢需要的目的。所述输液泵出口需要添加单向阀(3)，防止溶液回流。所述反应器主要包括：上下端盖(402)和(406)，反应器主体(401)，上下入口滤片或者滤网(404)和(405)，上下端盖垫圈(403)和(407)。在工作时反应器中需要装填一定量的催化剂，催化剂不仅需要对硼氢化物水解有较好的催化活性，还需要有较好的强度和寿命。所述洗气罐其中盛有一定体积的去离子水除去氢气中残留的碱性物质，(601)为洗气罐换水口。氢气经过缓冲罐后，由压力和流量传感器测定其压力和流量，并将信息汇总至电控部分。当输液泵正常工作时氢气压力或者流量小于输液泵设定转速下的对应值时，电控部分中的报警装置报警提示需要更换催化剂。氢气通过出口(15)进入燃料电池。液位控制部分(10)中的液位传感器测定废液回收罐中的液位，信号传递给电控部分之后，由电控部分判断并指令(10)中电磁阀是否排放，废液从废液排放口(701)排出系统。所述电控部分包括数据采集、逻辑运算、指令发出以及报警装置，控制整个系统正常运行，包括蓄电池充电放电控制、进料速度控制、废液排放控制、监测燃料电池工作状况(测定电流、电压)，还保证在报警装置报警时切断燃料电池电路并停止输液泵。根据用户需要电控部分还可添加其他功能。蓄电池为系统启动、也为各电磁阀件、传感装置提供动力。可通过提手(14)搬动本装置，具有较好的移动性。

本实施例中储氢介质溶液进料速度控制还可采取以下办法：输液泵(2)为固定转速泵，而其出口处单向阀(3)改为带单向阀功能的比例调节阀，通过给定信号改变比例调节阀开度来实现。

本实施例中洗气罐(6)还可用填料式气体净化装置替代，以达到将气体净化的目的。

实施例2

一种给负载额定功率已知但工况会变动的燃料电池提供氢气的移动化学制氢装置，它主要由系统外壳、储氢介质溶液储罐、变频输液泵、反应器、气液分离罐、洗气罐、反应废液回收罐、缓冲罐、压力和流量传感器、电控部分等组成。所述储氢介质储罐设有加料口，在储氢料液不足时可随时添加而不影响系统正常运行。所述变频输液泵可以通过电控部分给定信号改变其转速来改变储氢介质溶液进料速度，从而达到改变氢气流速满足燃料电池不同负载时用氢需要的目的。所述输液泵出口需要添加单向阀，防止因反应器中压力过大将溶液回压或者损坏输液泵。所述反应器主要包括：上下端盖，反应器主体，上下入口滤片或者滤网，上下端盖垫圈。在工作时反应器中需要装填一定量的催化剂，催化剂不仅需要对硼氢化物水解有较好的催化活性，还需要有较好的强度和寿命。所述洗气罐其中盛有一定体积的去离子水除去氢气中残留的碱性物质。氢气经过缓冲罐后，由压力和流量传感器测定其压力和流量，并将信息汇总至电控部分。液位控制部分中的液位传感器测定废液回收罐中的液位，信号传递给电控部分之后，由电控部分判断并指令电磁阀是否排放，废液从废液排放口排出系统。所述电控部分包括数据采集、逻辑运算、指令发出以及报警装置，控制整个系统正常运行，包括蓄电池充电放电控制、进料速度控制、废液排放控制、监测燃料电池工作状况(测定电流、电压)，还保证在报警装置报警时切断燃料电池电路并停止输液泵。根据用户需要电控部分还可添加其他功能。蓄电池为系统启动、甚至运行时提供动力，也为各电磁阀件、传感装置提供动力。可通过提手搬动本装置，具有较好的移动性。

电控部分调节进料速度以满足负载需求的过程如下：当负载发生变动时，按下本系统面板上的复位按键，此时输液泵以本制氢装置额定转速工作，使燃料电池能提供最大功率，保证用电器能在额定状态下工作。电控部分测定此时燃料电池的电流值，并判断此时对应的泵的转速同时将泵调整到该转速，这样就能保证制氢系统与负载匹配同时又不浪费氢气。同样当电控部分得到氢气流量或者压力值小于设定泵转速下对应的值时，会报警提示更换催化剂。

本实施例中储氢介质溶液进料速度的改变方法也可按照实施例1中的方法实施。

本实施例中氢气净化部分也可按照实施例1中的方法实施。

Claims

1、一种移动化学制氢装置，其特征在于：所述的移动化学制氢装置包括储氢介质储罐(1)，输液泵(2)，阀门(3)，催化水解反应器(4)，气液分离罐(5)，反应废液回收罐(7)，氢气净化部分(6)，气体缓冲罐(8)，连接管线(16)，氢气流量测量装置(9)，压力传感器(12)，液位控制部分(10)，电控部分(11)，氢气出口(15)；

2、按照权利要求1所述的移动化学制氢装置，其特征在于：所述的移动化学制氢装置还包括外壳(13)，提手(14)，提手安装在外壳顶部，其它的装置都安装与外壳的内部。

3、按照权利要求1所述的移动化学制氢装置，其特征在于：所述的储氢介质储罐(1)上安装有加料口(101)。

4、按照权利要求1所述的移动化学制氢装置，其特征在于：所述的催化水解反应器(4)包括反应器主体(401)，上端盖(402)，上端盖垫圈(403)，上入口滤片或滤网(404)，下入(405)，下端盖(406)，下端盖垫圈(407)，上端盖(402)与反应器主体(401)之间从上至下依次安装有上端盖垫圈(403)和上入口滤片或滤网(404)，反应器主体(401)与下端盖(406)之间安装有下端盖垫圈(407)。

5、按照权利要求2所述的移动化学制氢装置，其特征在于：所述的外壳(13)的形状以能方便固定内部制氢装置和移动性好为原则，优选长方体，其中外壳底部安装固定脚垫(131)或轮子(132)。

6、按照权利要求1所述的移动化学制氢装置，其特征在于：所述的气液分离罐(5)，气体缓冲罐(8)为圆柱形。

7、按照权利要求1所述的移动化学制氢装置，其特征在于：所述的移动化学制氢装置包括蓄电池(17)，蓄电池(17)安装在外壳(13)的内部，通过导线与输液泵(2)、阀门(3)、电控部分(11)连接。