CN2890023Y - 一种氢气发生装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种氢气发生装置，该装置包括：a)可选择性通过水气的燃料容器，b)该燃料容器内设有至少由一种氢化物和至少一种催化剂组成的反应混合物，c)在燃料容器上至少设有一个氢气输出口，d)至少设有一个气体过滤器，e)该燃料容器至少设有一个面由以下材料所组成：至少一层可选择性透过水的膜和至少一层可选择性透过气的膜。与现有技术相比，本实用新型具有结构简单、能量效率高、操作安全、易于控制等优点。

Description

一种氢气发生装置
技术领域
本实用新型涉及一种氢气发生装置，尤其涉及一种可以为燃料电池提供燃料氢气的氢气发生装置。
背景技术
一种安全、可靠、高效率的氢气储存方案，对于燃料电池的商业化是非常重要的。氢化物对移动电源的需求是一个非常有潜力的方法，目前有很多种方法被研究开发，通过用氢化物和纯水反应来产生氢气，这其中NaBH4反应可以用下面的化学反应式来表示： 。
其它氢化物有：LiH，LiAlH4，LiBH4，NaH，NaAlH4，MgH2，KH，KBH4，CaH2，NaBH4。
这些反应是相当剧烈的，我们需要精确控制才能产生所需要量的氢气和防止爆炸。美国有一家公司采用NaBH4溶液，将NaBH4溶液与催化剂接触，通过调整泵的转速来调整氢气产生的速率，这种方法对高功率的燃料电池来说是非常实用的。然而对于小于20W的电池，由于反应剧烈，较难控制，在实际应用时存在一定的困难。
以前的一些技术采用气体选择性膜来分离水和氢化物，将水直接从水侧渗透到氢化物一侧。由于存在着水分压，当水和氢化物一接触就产生氢气，然而这种多孔的膜对于水和氢气都有通透性，这样反应物就需要密封来防止氢气的渗漏。而且反应用的水，必须在生产过程中就包装在氢气发生器中，这样就在运输途中减少能量效率。
有一个美国专利介绍了一个系统，这个系统由两个部分组成，一部分是化学氢化物，另一部分是甲醇水溶液。甲醇水溶液可以通过隔离膜扩散到氢化物侧与氢化物发生反应产生氢气。一个氢气出口安装在反应容器上，但是，必须有很好的密封来应付甲醇的毒性和高扩散性。
另一个美国专利介绍了一种用水选择性膜分隔水和氢化物的氢气发生装置。这种膜不允许H2、N2等气体通过，这样就使氢气收集变的容易。不幸的是，这个系统在实践运用中有相当大的缺陷，首先由于没有催化剂或者酸性物质在里面，水和NaBH4之间的化学反应变得相当缓慢，而不足以供给需要；其次这个反应过程，当水选择性通透膜直接与液态水接触时就会使反应变的难以控制，因为大量的水会通过膜直接到氢化物侧。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、能量效率高、操作安全、易于控制的氢气发生装置。本实用新型装置与燃料电池连接后，因为其轻便易于携带的特性可在许多领域得到应用。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种氢气发生装置，其特征在于，该装置包括：
a)可选择性通过水气的燃料容器，
b)该燃料容器内设有至少由一种氢化物和至少一种催化剂组成的反应混合物，
c)在燃料容器上至少设有一个氢气输出口，
d)至少设有一个气体过滤器，
e)该燃料容器至少设有一个面由以下材料所组成：至少一层可选择性透过水的膜和至少一层可选择性透过气的膜。
所述的燃料容器由至少一层可选择性透过水的膜和至少一层可选择性透过气的膜，以及氢气输出口、支撑底封组成。
所述的燃料容器各部件的相对位置是，所述的至少一层可选择性透过水的膜和至少一层可选择性透过气的膜叠加并设于四周，所述的氢气输出口设于顶部，所述的支撑底封设于底部。
所述的燃料容器的中间形成一容置空间，该容置空间内设有反应混合物。
所述的氢气输出口底部的容置空间内设有至少一个氢气过滤器。
所述的氢气过滤器与反应混合物之间设有一预留空间。
所述的至少一层可选择性透过水的膜设在容器的内侧，所述的至少一层可选择性透过气的膜设在容器的外侧。
所述的至少一层可选择性透过水的膜设在中间，所述的至少一层可选择性透过气的膜设在上述可选择性透过水的膜的两侧。
与现有技术相比，本实用新型具有结构简单、能量效率高、操作安全、易于控制等优点。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型一个应用实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
本实用新型的高能量密度的氢气发生器，采用多种因素和技术方案，目的是提高能量效率，而这个目的的实现，是通过减少水的携带量；另一个目的是通过氢化物得到足量的氢气和可控制的氢气产生速率。
干燥粉末状的氢化物象LiH，LiAlH4，LiBH4，NaH，NaAlH4，MgH2，KH，KBH4，CaH2，NaBH4都有很高的能量密度，NaBH4作为优选的氢化物是由于它高能量密度的性质和反应后无有害物质的生成，固体的NaBH4可以从环境中吸收水气发生反应，特别是在潮湿度较高的环境中。如果在没有催化剂象CoCL2，Ni，Pt或者处在酸性环境中，这个反应是相当的缓慢以至在大多数场合下不足以供应燃料电池。通过实验，我们可以看到在NaBH4与水的反应中加入催化剂如CoCL2后，反应速度明显加快。我们之所以选择CoCL2是由于它的低价格和高效的催化特性。
混合物首选干燥的粉末，是为了增大反应的接触面积。粉末的制作方法是首先将CoCL2溶解在异丙醇中，然后将NaBH4粉末放进溶液中。NaBH4可以从Morton，Eagle-Picher或Bayer这些公司买到。这些物质可以在摄氏温度60℃的状态下真空干燥。
这些NaBH4和CoCL2的混合物可以放入一个至少有一层水气选择性膜的燃料容器中，而这个膜在最大程度上允许水气从水源侧进入到化学物质侧，氢气即在容器中产生，并从连接在容器上装有过滤器的出口上排出。NaBH4与水的反应产物偏硼酸钠会在NaBH4颗粒表面形成一层硬壳，同时，容器内化学物质的体积会在反应的时候增大，因此容器内不能完全填满反应物，必须留出5％～80％的空间，还有利于使水气充分接触NaBH4和CoCL2的混合物以及氢气的排放。
水气选择性通透膜至少由两层组成，一层是水选择性通透的材料和一层气选择性通透的材料，水选择性通透材料我们首选杜邦公司的Nafion膜，气选择性材料首选多孔PTFE膜。如图1所示：图中1是氢气的出气孔，出气孔可通过管子向外连接储气装置或发电装置。图中4表示的由NaBH4与催化剂组成的混合物，5是容器为防止接收由NaBH4与催化剂组成的混合物吸收水气发生膨胀而预留的空间，6是防止由NaBH4与催化剂组成的混合物在反应过程中产生废渣或块状物质等流入或堵住出气口等起过滤作用的过滤器，由NaBH4与催化剂组成的混合物吸收周围环境中的水气，通过图中表示的水选择性通透膜2和气选择性通透膜3，使水气进入装有NaBH4与催化剂组成的物质燃料容器中发生反应，反应产生的氢气，从图中1的出口流向燃料电池或储氢容器之中。
我们在实验中观察到，如果我们把Nafion膜直接和水接触，水的扩散量非常大，容器内的NaBH4和水会形成溶液，这样化学反应就会变的相当剧烈而无法控制，因此就要避免Nafion膜和液态水直接接触来控制反应，所以就需要在Nafion膜外放一层气选择性材料，多孔的PTFE膜是首选，而另一个好处是可以通过调整PTFE膜的厚度和孔径来调整水气的扩散率。当容器放置在一个湿度较大的环境中时，就有利于调整水气的扩散度来控制氢气的产生速率，还有一个好处就是这个气选择性透过材料，可以过滤低纯度的水，这在户外纯净水不易寻求的情况下非常有用。
在水选择性通透膜的内侧，我们可以再加一层气选择性透过膜，就象三明治一样，以避免反应生成物在水选择透过膜表面形成一层硬壳。
在本实用新型中，水气的水源是燃料容器周围大气环境中的水，一开始的时候燃料容器表面就可以直接和极小量的液态水接触，使其迅速产生所需量的氢气。
从产氢装置中产生的氢气供给燃料电池或者收集在储氢容器中，经过多层过滤装置可以得到高纯度的氢气，而多孔的PTFE可以优选。
燃料容器在储存的时候需要密封使之不透气，这样就没有水气可以进入到容器内，一旦密封后没有水气进入到容器内，反应就会停止。
实施例
如图1所示，一种氢气发生装置，在图1中：1是氢气出气孔，该出气孔可通过管子向外连接储氢装置或燃料电池发电装置；4表示的由NaBH4与催化剂组成的混合物；5是容器为防止接收由NaBH4与催化剂组成的混合物吸收水气发生膨胀而预留的空间；6是防止由NaBH4与催化剂组成的混合物在反应过程中产生废渣或块状物质等流入或堵住出气孔等起过滤作用过滤器；9是起支撑水/气选择性通透膜和容器密封作用的支撑底封；由NaBH4与催化剂组成的混合物吸收周围环境中的水气，通过图1中表示的水选择性通透膜2和气选择性通透膜3，使水气进入装有NaBH4与催化剂组成的物质燃料容器中发生反应，反应产生的氢气，从图1中的出气孔流向燃料电池或储氢装置中。图1中的氢气出气孔1、支撑底封9、水选择性通透膜2和气选择性通透膜3构成本装置的燃料容器7。
应用实施例
如图2所示，一种组合式氢气发生装置，本应用实施例把二组、四组、六组甚至更多的上述实施例的氢气发生装置并联起来，使氢气最终通过一个总出气口12流出，这样增大供气的流量，使这种氢气发生装置可供应更大的用气装置和发电装置。图2中：12是氢气的总的出气口，通过几组接口把几组氢气发生装置的氢气出气孔1连接起来，汇总于一根总管，使氢气能集中起来流出，提高供气能力和速度。

Claims (8)

1.一种氢气发生装置，其特征在于，该装置包括：
a)可选择性通过水气的燃料容器，
b)该燃料容器内设有至少由一种氢化物和至少一种催化剂组成的反应混合物，
c)在燃料容器上至少设有一个氢气输出口，
d)至少设有一个气体过滤器，
e)该燃料容器至少设有一个面由以下材料所组成：至少一层可选择性透过水的膜和至少一层可选择性透过气的膜。
2.根据权利要求1所述的一种氢气发生装置，其特征在于，所述的燃料容器由至少一层可选择性透过水的膜和至少一层可选择性透过气的膜，以及氢气输出口、支撑底封组成。
3.根据权利要求1或2所述的一种氢气发生装置，其特征在于，所述的燃料容器各部件的相对位置是，所述的至少一层可选择性透过水的膜和至少一层可选择性透过气的膜叠加并设于四周，所述的氢气输出口设于顶部，所述的支撑底封设于底部。
4.根据权利要求3所述的一种氢气发生装置，其特征在于，所述的燃料容器的中间形成一容置空间，该容置空间内设有反应混合物。
5.根据权利要求4所述的一种氢气发生装置，其特征在于，所述的氢气输出口底部的容置空间内设有至少一个氢气过滤器。
6.根据权利要求5所述的一种氢气发生装置，其特征在于，所述的氢气过滤器与反应混合物之间设有一预留空间。
7.根据权利要求1或2所述的一种氢气发生装置，其特征在于，所述的至少一层可选择性透过水的膜设在容器的内侧，所述的至少一层可选择性透过气的膜设在容器的外侧。
8.根据权利要求1或2所述的一种氢气发生装置，其特征在于，所述的至少一层可选择性透过水的膜设在中间，所述的至少一层可选择性透过气的膜设在上述可选择性透过水的膜的两侧。
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