专利名称：一种微型化学制氢器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种氢气发生器，尤其是一种适用于硼氢化物水解法制备氢气的 微型化学制氢器。
背景技术：
氢作为一种重要的化学物质在化学工业，石油工业，食品和冶金工业中有广泛应 用。同时氢还是一种清洁的能源材料。当前燃料电池的利用开发，尤其是质子交换膜燃料电 池(PEMFC)的利用开发，已成为新世纪国际上攻克能源危机和环境污染的前沿技术领域， 特别是对以氢氧燃料电池驱动的移动工具的研制开发，已被发达国家列为重点投资研究项 目，并在国际间、各大公司间展开了既相互协作又相互竞争的局面。燃料电池大规模应用急 需解决的一个重要问题就是如何为燃料电池高效安全地提供氢源。目前为燃料电池提供氢源的方式大致有五种1)高压氢气瓶法；2)低温液化氢 法；3)甲醇或汽油重整法；4)金属氢化物固态储氢法；5)各种无机氢化物储氢法。高压氢 气瓶法和低温液化氢法都存在使用和运输过程中成本大、安全性差等缺点的；甲醇或汽油 重整法虽然使用较为方便，能把制氢与储氢溶为一体，但缺点是要求有较高的重整温度，能 量转化率低，故成本高，而且无法达到有害气体零排放。金属氢化物固态储氢法是较安全 的储氢方法，但缺点是储氢容量较低，无法应用到大功率燃料电池中，而且低温放氢性能较 差。无机金属氢化物储氢法是利用如氢化钠，氢化锂，氢化钙等无机金属氢化物与水反应产 生氢气的原理来制取氢气，这种方法的特点是产氢速度快，可低温产氢，缺点是金属氢化物 原材料成本高，回收再利用困难，很难广泛应用。硼氢化钠(NaBH4)是一种高储氢量的材料(10. 6wt% H2)，每克NaBH4水解能产生 2. 37标准升氢气，是燃料电池，特别是可移动式燃料电池的理想氢源。以硼氢化钠为代表 的硼氢化物催化水解制氢反应，关键是要控制好反应速度；反应速度主要由溶液的浓度、流 量、温度以及催化剂床的比表面积、直径和长度等控制。一般对制氢反应器的要求极为苛 刻，设计不合理的制氢设备极易导致氢气压力、流量的不稳定，甚至引起火灾、爆炸等。其缺 陷是只能适用于小型氢燃料电池或小型实验，其产氢也是间断的、不可控的，氢化源消耗 完后即废弃掉，生产效率低。专利文献1(200810198544. 8)公开了一种硼氢化物水解制氢 装置，其储液室和废液室独立存在，该装置体积大且其体系过于复杂，不适用于微型制氢系 统。专利文献2(200710201627. 3)和对比文件3 (200710202502. 2)各公开了一种硼氢化 物水解制氢装置，将装填有催化剂的反应器置于燃料容器内；使用时，打开反应器底部的阀 门，硼氢化物溶液即可进入反应器并水解产氢，其缺陷是产氢速率不可控，废液与原料液混 杂，生产效率低下。目前尚无规模化、安全、高效、低耗的硼氢化物水解法制备氢气专用的微 型发生器，此也限制了水解法制备氢气的推广应用。
发明内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种适于规模化生产安全、高效、低耗、操作简单的微型化学制氢器，尤其适用于硼氢化物水解制氢。为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案—种微型化学制氢器，包括贮液罐、反应器，其特征在于所述贮液罐内设活塞，活 塞上部为废液室，下部为储料室；所述贮液罐上方设反应器；所述反应器通过管道与废液 室、储料室连接。贮液罐、反应器的制备材料为不锈钢板、聚乙烯、聚丙烯，聚四氟乙烯等； 储料室用于储存配置好的硼氢化物反应液，废液室用于回收硼氢化物水解制氢后产生的废 液，二者整合成为一体，可以节省空间。所述的硼氢化物色括但不限于硼氢化物盐、三硼氢化物盐、十氢十硼酸盐、十三氢 十硼酸盐、十二氢十二硼酸盐、十八氢二十硼酸盐中的一种或几种的混合物，对于其他氢化 源，如碱金属氢化物或碱土金属氢化物，在条件允许的情况下，也适用于本制备方法和本氢 气发生器。其特点体现在(1)通过活塞作用于储液室，则其内压力增大，反应液在压力的作 用下经管道(位于贮液罐内的部分可称之为吸液管)输入反应器。(2)在催化剂的作用下 产生氢气和副产物偏硼酸盐，氢气携带废液经管道输入废液室。该反应为放热反应，在反应 过程中，溶液与催化剂接触会放出大量反应热，可导致催化剂固定床温度变动过大，反应剧 烈不稳定，氢气流量不可控制；本化学制氢器中，废液被带入废液室的同时也将大量反应热 带走，其在废液室中与储液室中的反应料液交换热量，吸液管输液时经过废液室处也有热 交换存在，从而降低氢气和废液的温度，同时提高反应液的温度。(3)反应产生的氢气和废 液回到废液室，对储液室产生压力，该压差促使反应液输送到反应器，并源源不断的产生氢 气。(4)本化学制氢器不需外加电源，靠压力的变化和平衡来调节体系的进液量，进而调节 氢气发生量，最终形成稳定、连续的氢气流。(5)在废液室中进行的热交换有利于降低氢气 和废液的温度，气液混合物在此冷凝，大部分废液冷凝在废液室中，氢气进行初步净化。(6) 废液室主要用于对反应产物偏硼酸盐的回收利用，回收后的偏硼酸盐经电解还原或金属氢 化物还原成硼氢化物，从而循环使用，利于环保和节约成本。进一步改进为，所述连接储料室和反应器的管道上设有止回阀，用于防止废液返 回。再者，所述废液室的气体出口处设有多孔或微孔的板状或折叠状材料如网状过滤 板，可进行初步气液分离和除沫，进一步减少了氢气中混有的液体。再者，所述连接储料室和反应器的管道上，位于贮液罐内的部分的外侧设有保护 套，保护套用于固定吸液管和固定启动器。所述保护套底部，与储料室底面接触处，设有固 定爪，所述固定爪位于贮液罐底的固定槽内；固定爪在固定槽内得以固定后，底部会形成进 料口，通过反应液自身重力、来自废液室的压力及活塞机械下压力作用，反应液穿过进料口 而进入输送管道(即吸液管)。所述保护套上端设启动器，启动器与活塞机械连接，通过控 制启动器来控制活塞的上升或下压，从而控制料液进入反应器，从而实现最初的氢气发生 反应。再者，所述微型化学制氢器还包括气液分离器，所述气液分离器通过管道与废液 室连接。其可由不锈钢板、聚乙烯、聚丙烯等材料制成，用于氢气的除碱和干燥，保证所制氢 气的纯度和洁净度。所述气液分离器与反应器水平并列放置，两者位于贮液罐上方或一侧。再者，所述反应器外壳上设有多层翅片，以起散热的效果，可加速气/液的分离，
4其可由不锈钢板、聚乙烯、聚丙烯等材料制成。本实用新型的微型化学制氢器通过反应液自身重力、来自废液室的压力及活塞机 械下压力作用控制加料速度，保证了氢气制备的高效率、高稳定性，其原料液使用充分，产 氢的流量、压力均勻。废液室中的多孔或微孔的板状或折叠状材料和气液分离器可充分除 去氢气中的碱性水分等杂质，使氢气质量大为提高，尤其适用于高端领域。
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用 新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中图1是本实用新型微型化学制氢器的结构示意图；图2是本实用新型微型化学制氢器的俯视图；图3是本实用新型微型化学制氢器的保护套结构示意图；图4是本实用新型微型化学制氢器的贮液罐底结构示意图；图5是本实用新型微型化学制氢器的反应器结构示意图；图1-5中标记示意为1储料室、2活塞，3废液室、4反应器、5贮液罐6气液分离 器、7气体出口、8保护套、9管道、10止回阀、11进口、12出口、13管道、14管道、15启动器、 16固定爪、17固定槽、18翅片。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优 选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。实施例1微型化学制氢器，如图1所示，包括贮液罐5、反应器4、气液分离器6、进口 11、出 口 12、气体出口 7、启动器15，贮液罐内部设有活塞2，活塞将其分为废液室3和储料室1 ； 贮液罐上方设反应器4、气液分离器6 ；储料室1与反应器4通过管道9连接，其上设止回阀 10 ；反应器4与废液室3通过管道13连接，废液室3与气液分离器6通过管道14连接，氢 气自出口 7输出。贮液罐5、反应器4、气液分离器6的制备材料为不锈钢板、聚乙烯、聚丙 烯，聚四氟乙烯等。管道9位于贮液罐内的部分(即吸液管)的外侧设有保护套8 ；保护套8底部，与 储料室1底面接触处，设有固定爪16，固定爪16位于贮液罐底的固定槽17内并形成进料口 与吸液管连通。保护套8上端设启动器15，与活塞2机械连接，顺时针旋转启动器15则活 塞2下压，逆时针旋转启动器15则活塞上升。反应器4外壳上设有多层翅片18。下面以硼氢化钠催化水解制备氢气为例，阐述化学制氢器的使用过程配制硼氢 化钠-氢氧化钠的水溶液，使硼氢化钠质量分数为15%、氢氧化钠质量分数为10%，通过贮 料罐进口 11持续注入储料室1中，反应器4填充4g多孔金属为载体的固体催化剂如钴、镍、 钼、钌、铑等。打开止回阀10，顺时针旋转启动器15，通过活塞2作用于储料室1使其压力增大， 此时储料室1中的硼氢化钠反应液通过保护套8的进料口 11和管道9进入反应器4，与催 化剂接触后立即发生水解反应。反应后的氢气携带副产物偏硼酸钠溶液流经过管道13进入废液室3。经冷凝后，氢气穿过出口处的网状过滤板(除沫)和管道14进入气液分离器 6，并经除碱和干燥，最后经出口 7输出氢气。 最后应说明的是以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本 实用新型，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行 修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的 任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种微型化学制氢器，包括贮液罐、反应器，其特征在于所述贮液罐内设活塞，活 塞上部为废液室，下部为储料室；所述贮液罐上方设反应器；所述反应器通过管道与废液 室、储料室连接。
2.根据权利要求1所述的一种微型化学制氢器，其特征在于所述连接储料室和反应 器的管道上设有上回阀。
3.根据权利要求1所述的一种微型化学制氢器，其特征在于所述废液室的气体出口 处设有多孔或微孔的板状或折叠状材料。
4.根据权利要求1所述的一种微型化学制氢器，其特征在于所述连接储料室和反应 器的管道上，位于贮液罐内的部分的外侧设有保护套。
5.根据权利要求4所述的一种微型化学制氢器，其特征在于所述保护套底部，与储料 室底面接触处，设有固定爪，所述固定爪位于贮液罐底的固定槽内。
6.根据权利要求4所述的一种微型化学制氢器，其特征在于所述保护套上端设启动ο
7.根据权利要求1所述的一种微型化学制氢器，其特征在于所述化学制氢器还包括 气液分离器，所述气液分离器通过管道与废液室连接。
8.根据权利要求7所述的一种微型化学制氢器，其特征在于所述气液分离器与反应 器水平并列放置，且位于贮液罐上方或一侧。
9.根据权利要求1所述的一种微型化学制氢器，其特征在于所述反应器外壳上设有 多层翅片。
专利摘要一种微型化学制氢器，尤其适用于硼氢化物水解法制备氢气，包括贮液罐、反应器，贮液罐内设活塞，活塞上部为废液室，下部为储料室；贮液罐上方设反应器；反应器通过管道与废液室、储料室连接。储料室用于储存配置好的硼氢化物反应液，废液室用于回收硼氢化物水解制氢后产生的废液，二者整合成为一体，保证了氢气制备的高效率、高稳定性，其原料液使用充分，产氢的流量、压力均匀。
文档编号C01B3/06GK201777878SQ20102023734
公开日2011年3月30日 申请日期2010年6月23日 优先权日2010年2月1日
发明者周媛媛, 孙元明, 崔永武, 陈强 申请人:常州南京大学高新技术研究院