CN201842638U - 一种自控气体发生装置 - Google Patents

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Abstract

一种自控气体发生装置，涉及固体与液体接触发生气体的方法和装置，特别涉及硼氢化物溶液催化水解制氢及其与燃料电池联用。该装置利用反应料液面与弹性伸缩管弹力和外部大气之间的压力差作用，使弹性伸缩管随氢气压力变化而伸长或者压缩，带动催化剂床上下移动，调节与反应料接触的催化剂量，实现氢气发生的自动控制。该装置由罐体和盖体组成；催化剂室顶部连接在盖体上，底部与罐体中的反应料相通；弹性伸缩管位于催化剂室内，顶部连接在盖体上，顶部开口与大气相通，弹性伸缩管的底部与催化剂床的顶部相连；催化剂床与反应料接触即发生氢气，经盖体顶部的氢气出口阀门通往燃料电池。该装置结构简洁，制氢密度高，可根据需求即时自控发生氢气。

Description

一种自控气体发生装置
技术领域
本实用新型涉及固体与液体接触发生气体的方法和装置，特别涉及硼氢化物溶液催化水解制氢以及其与燃料电池联用。
背景技术
储供氢技术是当前限制燃料电池应用的首要因素。现有的储氢技术如高压气瓶、金属合金储氢、纳米炭材料等，均难以在常温、常压下为燃料电池提供足够的氢气。硼氢化物溶液催化水解化学制氢产氢量高(NaBH4水解的理论产氢量为10.8％，质量分数)，常温下，硼氢化物溶液与钌等催化剂接触，便能迅速产生氢气。而一种简便实用、易控、高密度的制供氢方法和装置是该技术实际应用的关键之一。
目前国内外对硼氢化物溶液催化水解制氢技术的研究主要集中在催化剂性能上，中国专利(公开号CN 101049907A)公布的制氢方法及装置，虽然实现了氢气的即时自控发生，但反应区与溶液区体积相当，使体系的单位体积制氢量至少降低了一倍，属于传统的其普发生器类装置。中国专利(公开号CN201381220Y)公布的制氢方法及装置中，催化剂室位于溶液内部，大大缩小了反应区，提高了体系的单位体积制氢量，但反应室外部溶液与催化剂床的接触受扩散影响较大，从而影响氢气的持续发生。以上两种制氢方法及装置，均利用溶液液面压差变化促使溶液流动，调节溶液与催化剂的接触，达到控制制氢的目的。本实用新型则是利用溶液液面与弹性伸缩管弹力及外部大气压差的变化，使催化剂发生移动，调节与溶液接触的催化剂量，达到控制制氢的目的；催化剂室不再是反应室，提高了罐体中溶液的容量比例，装置制氢密度进一步提高；发生氢气时，催化剂位于溶液整体之中，受扩散影响大大减小。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种结构简单、制氢密度高的硼氢化物溶液催化水解即时自控制氢的方法及装置。
为达到上述目的，该装置的结构是这样设计的：装置由罐体1和盖体2两部分组成，盖体2中包含氢气出口阀门3和催化剂室4；氢气出口阀门3与燃料电池的氢气入口相连，供应外需；催化剂室4顶部连接在盖体2上，底部与罐体1中的反应料5相通；弹性伸缩管6位于催化剂室4内，顶部连接在盖体2上，顶部开口与大气相通，弹性伸缩管6的底部与催化剂床7的顶部相连。
在上述装置中：弹性伸缩管6具有一定的伸缩弹性，催化剂床7顶部固定在弹性伸缩管6的底部，催化剂床7可以循环多次使用，也可以根据制氢需要进行更换。
该装置是利用罐体1中反应料5液面与弹性伸缩管6的弹力及外部大气之间的压力差作用，使弹性伸缩管6压缩或伸长，带动催化剂床7在催化剂室4中上下移动，调节催化剂床7与反应料5的接触量，从而控制氢气的产生速度和氢气压力。由于制氢时罐体1与外部燃料电池相通，罐体1内的气压随外部氢气的需求变化而变化，从而实现该装置根据外部氢气的需求量来自动调节氢气的发生速度，达到即时自控制氢的目的。
本实用新型先在罐体1中加入反应料5溶液，氢气出口阀门3保持关闭，盖上盖体2。需要氢气时，打开氢气出口阀门3，罐体1内气压下降，在弹力作用下弹性伸缩管6伸长，将催化剂床7推出催化剂室4，催化剂床7与反应料5接触发生氢气，氢气经出口阀门3通往燃料电池。当燃料电池消耗的氢气量小于发生的氢气量时，燃料电池内部和罐体1中的氢气压力增大，使弹性伸缩管6缩短，将催化剂床7带入催化剂室4，使与反应料5接触的催化剂量减少，产氢速度减缓。当燃料电池消耗的氢气量大于发生的氢气量时，燃料电池内部和罐体1中的氢气压力降低，在弹力作用下弹性伸缩管6伸长，将催化剂床7推出催化剂室4，使与反应料5接触的催化剂量增加，产氢速度加快。关闭氢气出口阀门3时，产生的氢气使罐体1中压力增大，使弹性伸缩管6缩短，将催化剂床7全部带入催化剂室4，使催化剂床7与反应料5分离，氢气发生停止。
本实用新型催化剂床7中的催化剂是过量的，保证制氢装置的氢气发生速度大于燃料电池中的氢气最大消耗速度，通过控制催化剂床7与反应料5的接触量，达到可控产氢的目的，催化剂床7可以循环多次使用。
该装置结构简洁，制氢密度高，可根据需求即时自控发生氢气。
附图说明
图1是自控气体发生装置的结构示意图
图中1.罐体，2.盖体，3.氢气出口阀门，4.催化剂室，5.反应料，6.弹性伸缩管，7.催化剂床。
具体实施方式
本实用新型装置由罐体1和盖体2两部分组成，盖体2中包含氢气出口阀门3和催化剂室4；氢气出口阀门3外接燃料电池；催化剂室4顶部连接在盖体2上，底部与罐体1中的反应料5相通；弹性伸缩管6位于催化剂室4内，顶部连接在盖体2上，顶部开口与大气相通，弹性伸缩管6的底部与催化剂床7的顶部相连。
设置装置的罐体1容积为1000ml，催化剂室4所占容积为100ml，反应料5用量为800ml。反应料5采用30％NaBH4+5％NaOH的溶液，溶液可直接在罐体1中加入240g硼氢化钠固体和40g氢氧化钠固体，然后加入水配置而成。催化剂床7采用片状泡沫镍载钌催化剂，将泡沫镍卷成圆柱状催化剂床7，固定在弹性伸缩管6的底部，此时弹性伸缩管6处于伸长状态，催化剂床7处于催化剂室4外。盖上盖体2，催化剂床7与反应液5接触，发生氢气，关闭氢气出口阀门3，产生的氢气使罐体1中压力增大，使弹性伸缩管6缩短，将催化剂床7全部带入催化剂室4，使催化剂床7与反应料5分离，氢气发生停止，装置进入备用状态。
需要氢气时，打开氢气出口阀门3，罐体1内气压下降，在弹力作用下弹性伸缩管6伸长，将催化剂床7推出催化剂室4，催化剂床7与反应料5接触，发生氢气，此时，制氢装置便可根据燃料电池实际消耗氢气量来自动调节氢气的发生量：当燃料电池中氢气消耗量降低时，燃料电池内部和罐体1中的氢气压力增大，使弹性伸缩管6缩短，将催化剂床7带入催化剂室4，使与反应料5接触的催化剂量减少，产氢速度减缓。当燃料电池中氢气消耗量增加时，则燃料电池内部和罐体1中的氢气压力降低，在弹力作用下弹性伸缩管6伸长，将催化剂床7推出催化剂室4，使与反应料5接触的催化剂量增加，产氢速度加快。不需要氢气时，关闭氢气出口阀门3时，产生的氢气使罐体1中压力增大，使弹性伸缩管6缩短，将催化剂床7全部带入催化剂室4，使催化剂床7与反应料5分离，氢气发生停止。
当反应料5消耗完时，可拧开盖体2更换反应料5。催化剂床7可以循环多次使用。
该装置的罐体1和盖体2均采用硬质耐热塑料，耐热100℃以上，防止装置因水解放热而变型。装有800ml 30％NaBH4+5％NaOH溶液的制氢装置总重量约为1kg，总体积约为1L，800ml反应料5中含硼氢化钠240g，可产生氢气50g，即568L氢气。1g氢对应的能量为33Wh，50g氢对应的总能量为1650Wh。据此，1kg装置整体的总制氢质量密度为5％，总能量密度为1650Wh·kg-1，总体积密度为1650Wh·L-1。

Claims (2)

1.一种自控气体发生装置，其特征在于：该装置包括罐体(1)和盖体(2)两部分，盖体(2)中包含氢气出口阀门(3)和催化剂室(4)；氢气出口阀门(3)与燃料电池的氢气入口相连；催化剂室(4)顶部连接在盖体(2)上，底部与罐体(1)中的反应料(5)相通；弹性伸缩管(6)位于催化剂室(4)内，顶部连接在盖体(2)上，弹性伸缩管(6)的底部与催化剂床(7)的顶部相连，顶部开口与大气相通。
2.根据权利要求1所述的自控气体发生装置，其特征在于：催化剂床(7)的顶部固定在弹性伸缩管(6)的底部，随着弹性伸缩管(6)的伸长或缩短，催化剂床(7)在催化剂室(4)内上下移动，催化剂床(7)可以循环反复使用，也可以根据制氢需要随时更换。
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