专利名称：一种基于铝合金/硼氢化物水解的微型制氢系统的制作方法
技术领域：
本发明属于氢的制造与储存技木，尤其涉及ー种基于铝合金/硼氢化物水解反应的微型制氢系统。
背景技术：
随着全球环境和能源问题的日益突出，汽车节能和減少有害排放的研究受到了空前重视。由于氢气的热值142. 35kJ/g是汽油的2. 8倍、煤的4倍，并且氢气的燃烧和电化学反应的产物均为水，因此氢气被认为是未来最具潜力的、低碳高效的能源载体。作为氢能利用的最佳方式之一，燃料电池近年来取得了飞速的发展。燃料电池是汽车等交通工具的理想动カ来源，也可作为便携电源、小型移动电源领域提供电源。而燃料电池要在这些领域得到广泛的应用，仍面临着安全储氢方法的选择问题。传统的储氢方法如高压储氢、合金储氢等存在储氢效率低、エ艺设备复杂等缺点，无法满足燃料电池的实际需求。微型制氢系统是解决燃料电池氢气来源的有效途径。该方法主要是把燃料如硼氢化物、金属储存在制氢系统内，通过水解反应产生氢气并供给燃料电池，实现随时制氢、供氢，解决了氢气的储存以及运输过程中的安全问题。硼氢化物(NaBH4和BH3NH3等)含氢量高、无污染、反应温和可控等优点，广受国内外科研人员的关注。硼氢化物在碱性水溶液保持稳定，通过催化剂催化水解。但为了保持催化剂的高性能和长寿命，硼氢化物浓度有所限制，比如，硼氢化钠浓度限 制在0-20wt%，从而限制了系统的储氢量0-3wt%。铝合金制氢具有资源丰富、价格低廉、反应在温和条件进行和无有毒气体等优点，是ー种比较理想的制氢材料。国内外科研人员开发了大量的铝基制氢材料。专利(一种铝钙合金水解制氢的方法，CN101948092)采用铝钙合金水解制氢，金属钙水解产生碱性物质Ca(OH)2催化铝的水解。但铝合金水解制氢的理论储氢值偏低(3.7wt%)，无法满足实际需求。铝/硼氢化物复合材料协同制氢有效地提高了単位质量储氢值并改善了彼此的水解性能。文献(L. Soler, J. Macanas, M. Munoz, J. Casado. Synergistic hydrogengeneration irom aluminum, aluminum alloys and sodium borohydride in aqueoussolutions.1nternational Journal of Hydrogen Energy, 2007, 32 :4702-4710)米用 AlCo合金与硼氢化钠水溶液协同制氢，金属Co对Al/NaBH4存在双催化作用，体系具有很好的水角军性倉を。文献(H. B. Dai,G.し Ma,P. Wang. Hydrogen generation from coupling reactionsof sodium borohydride and aluminum powder with aqueous solution of cobaltchloride. Catalysis Today 2011，17 :50-55.)采用 Al/NaBH4/NaOH+CoCl2 溶液混合水解，体系具有很高的水解速率和转化效率。但是，在实际应用中，铝/硼氢化物水解产生大量热量和不溶性物质，导致水解产物结块粘附在铝合金表面，阻止了反应的持续进行。
发明内容为了克服上述现有技术的不足，本发明g在提供ー种满足铝合金/硼氢化物水解反应的微型制氢系统及制氢方法，该系统具有成本低廉、制备的氢气纯度高、反应物水解完全、水解速率可控等特点，适合便携式制氢。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是ー种基于铝合金/硼氢化物体系水解反应的微型制氢系统，包括制氢发生器、储液罐、输液泵和输液管道；制氢发生器为圆柱空心体，包括罐体和盖体；罐体包括反应室和储氢室；制氢发生器外围包覆长方体储液罐；储液罐内壁和制氢发生器外壁的间距为5 30cm ;制氢发生器高于储液罐5 IOcm ;储液罐顶端设置进ロ，底端设置出ロ，底端出ロ经输液管、输液泵、输液管连接制氢发生器进ロ输液管；制氢发生器进ロ输液管与制氢发生器罐体等高；制氢发生器进ロ输液管顶端密封，离顶端0 0. 5cm处有ー个泡沫镍分离膜，连接制氢发生器储氢室；离制氢发生器进ロ输液管顶端I 4cm处有ー个输液控制阀；输液控制阀为两个等同的实心三角锥相连，输液控制阀上部和下部分别设置正立空心三角锥和倒立空心三角锥，所有三角锥的形状和体积相同；输液控制阀上部的正立空心三角锥和输液控制阀下部的倒立空心三角锥间距为I 3cm，在其中间距离有一小孔并经不锈钢管进入制氢发生器反应区，不锈钢管向下倾斜与水平呈5 15°环绕制氢发生器内壁，并焊接在制氢发生器内壁上；不锈钢管底部均匀分布圆形、细小的洒水口 ；在不锈钢管正上方
0.5 2cm设置气液分离膜；分离膜将罐体分为反应室和储氢室；储氢室内壁直径小于反应室内壁直径I 3cm，并在储氢室内壁与反应室内壁之间，环绕储氢室焊接均匀分布的4根立柱；立柱穿透分离膜,立柱的直径在0.1 0. 3cm之间，高度在0. 5 1. 5cm之间；分离膜在立柱上可自由移动；在不锈钢管正下方10 30cm对称设置2个开ロ朝上的圆台；盖体中间有出气孔，连接输气管，输气管端连接气压阀；罐体与盖体周围均匀分布圆孔，经聚四氟垫片、法兰固 定密封。工作时，铝合金棒、铝合金块体预先放置在制氢发生器反应区的圆台上；硼氢化物碱溶液通过储液罐顶端进ロ预先储存在储液罐中；启动输液泵，硼氢化物碱溶液经输液管、输液泵、制氢发生器进ロ输液管、输液控制阀和不锈钢管，喷洒到制氢发生器反应区铝合金表面；反应产生氢气，氢气透过分离膜，进入储氢室；当储氢室氢气压カ逐渐增加时，推动输液控制阀实心三角锥，逐步顶住输液控制阀的进液ロ，阻止硼氢化物碱溶液进入；当储氢室氢气压カ降低时，硼氢化物碱溶液推开输液控制阀实心三角锥，经不锈钢管，喷洒到制氢发生器反应区铝合金表面反应制氢。与现有制氢装置相比，本发明具有的优点和积极效果1)实用性广；本发明适用于铝合金/硼氢化物水解制氢，包括铝合金和硼氢化物水解制氢；也适用于其它制氢材料铝/碱水解制氢、碱土金属氢化物水解制氢、碱金属氢化物水解制氢。2)反应速率易控制、反应效率高；系统可根据水解反应产生的氢气压力，调控硼氢化物碱液的输入速率和输入量，调控系统的水解反应速率；另外，系统内存在一定的氢气压力，也保证了氢气输出稳定；采用铝合金悬空、硼氢化物碱溶液喷洒的方法，保证了铝合金一直暴露在硼氢化钠碱溶液中，因此，该制氢方法具有反应效率高的特点。3)本发明具有廉价、环保的特点；制氢材料铝合金/硼氢化物水解产物可循环回收、环境友好无污染；另外，因水解反应可控，制氢系统的氢气压カ維持在较低水平，制氢系统可采用廉价、轻便的材料制作。4)本发明特别适合便携式燃料电池或内燃烧机的氢气供给。
图1为本发明的结构示意图。图中，1-输气阀,2-储氢室,3-立柱；4_分离膜；5_不锈钢管；6_储液室；7_圆环支柱；8-制氢发生器进ロ输液管；9_储液室进ロ ；10_输液泵；11_输液控制阀；12_气孔。
具体实施方式
实施例一、 如图1所示，本发明包括制氢发生器、储液罐、输液泵和输液管道；制氢发生器包括罐体和盖体；罐体包括反应室和储氢室；储液罐顶端设置进ロ，底端设置出口，底端出口经输液管、输液泵、输液管连接制氢发生器进ロ输液管；制氢发生器进ロ输液管顶端密封，离顶端0 0. 5cm处有ー个泡沫镍分离膜，连接制氢发生器储氢室；离制氢发生器进ロ输液管顶端I 4cm处有ー个输液控制阀；输液控制阀为两个等同的实心三角锥相连，输液控制阀上部和下部分别设置正立空心三角锥和倒立空心三角锥；输液控制阀上部的正立空心三角锥和输液控制阀下部的倒立空心三角锥中间处有ー小孔连接不锈钢管进入制氢发生器反应区，不锈钢管向下倾斜与水平呈5 15°环绕制氢发生器内壁，并焊接在制氢发生器内壁上；不锈钢管底部均匀分布圆形、细小的洒水口 ；在不锈钢管正上方设置气液分离膜；分离膜上为反应室，分离膜下为储氢室；在储氢室内壁与反应室内壁之间，环绕储氢室焊接均匀分布的4根立柱；立柱穿透分离膜，并使分离膜在其上自由移动；在不锈钢管正下方对称设置2个开ロ朝上的圆台；盖体中间有出气孔，连接输气管，输气管端连接气压阀；罐体与盖体周围均匀分布圆孔，经聚四氟垫片、法兰固定密封。工作时，先铝合金棒、铝合金块体预先放置在制氢发生器反应区的圆台上；硼氢化物碱溶液通过储液罐顶端进ロ预先储存在储液罐中；启动输液泵，硼氢化物碱溶液经输液管、输液泵、制氢发生器进ロ输液管、输液控制阀，并通过不锈钢管喷洒到制氢发生器反应区铝合金表面；铝合金与硼氢化物碱溶液反应产生氢气，氢气透过分离膜，进入储氢室；而硼氢化物碱溶液沿铝合金表面顺势留下，从而保证了铝合金与硼氢化物碱溶液的充分接触和反应。剰余的少量未反应的硼氢化物碱溶液和铝合金亦可在反应区底部接触反应。当储氢室氢气压カ逐渐增加时，氢气压カ向下推动输液控制阀实心三角锥，逐步顶住输液控制阀的进液ロ，減少硼氢化物碱溶液进入，从而減少制氢发生器反应区的铝合金/硼氢化物水解反应的进行；正因为储氢室的氢气压力，从而保证了制氢系统内氢气的平稳输出；当储氢室氢气压力降低时，硼氢化物碱溶液又逐渐推开输液控制阀实心三角锥，经不锈钢管，喷洒到制氢发生器反应区铝合金表面反应制氢，水解反应又进行。
权利要求1. 一种基于招合金/硼氢化物水解的微型制氢系统，包括制氢发生器、储液罐、输液泵和输液管道；制氢发生器为圆柱空心体，包括罐体和盖体；罐体包括反应室和储氢室；制氢发生器外围包覆长方体储液罐；储液罐内壁和制氢发生器外壁的间距为5 30cm ;制氢发生器高于储液罐5 IOcm ;储液罐顶端设置进口，底端设置出口，底端出口经输液管、输液泵、输液管连接制氢发生器进口输液管；制氢发生器进口输液管与制氢发生器罐体等高；制氢发生器进口输液管顶端密封，离顶端0 0. 5cm处有一个泡沫镍分离膜,连接制氢发生器储氢室；离制氢发生器进口输液管顶端I 4cm处有一个输液控制阀；输液控制阀为两个等同的实心三角锥相连，输液控制阀上部和下部分别设置正立空心三角锥和倒立空心三角锥，所有三角锥的形状和体积相同；输液控制阀上部的正立空心三角锥和输液控制阀下部的倒立空心三角锥间距为I 3cm，在其中间距离有一小孔并经不锈钢管进入制氢发生器反应区，不锈钢管向下倾斜与水平呈5 15°环绕制氢发生器内壁，并焊接在制氢发生器内壁上；不锈钢管底部均勻分布圆形、细小的洒水口 ；在不锈钢管正上方0. 5 2cm设置气液分离膜；分离膜将罐体分为反应室和储氢室；储氢室内壁直径小于反应室内壁直径1 3cm，并在储氢室内壁与反应室内壁之间，环绕储氢室焊接均匀分布的4根立柱；立柱穿透分离膜，立柱的直径在0.1 0. 3cm之间，高度在0.5 1. 5cm之间；分离膜在立柱上可自由移动；在不锈钢管正下方10 30cm对称设置2个开口朝上的圆台；盖体中间有出气孔，连接输气管，输气管端连接气压阀；罐体与盖体周围均匀分布圆孔，经聚四氟垫片、法兰固定密封。
专利摘要本发明涉及一种基于铝合金/硼氢化物水解的微型制氢系统。本发明属于氢气制备技术领域。一种基于铝合金/硼氢化物水解反应的微型制氢系统，包括制氢发生器、储液罐、输液泵和输液管道；制氢发生器包括罐体和盖体；罐体包括反应室和储氢室；制氢发生器外围包覆长方体储液罐；储液罐底端出口经输液管、输液泵连接制氢发生器进口输液管；制氢发生器进口输液管顶端密封，离顶端0～0.5cm处有一个泡沫镍分离膜，连接储氢室；制氢发生器进口输液管有一个输液控制阀；输液控制阀边有一小孔并经不锈钢管进入制氢发生器反应区；分离膜将罐体分为反应室和储氢室；并固定于储氢室内壁与反应室内壁之间立柱；反应区设置开口朝上的对称圆台。本发明具有结构简单、安全可靠、调控性好、实用性广等特点，适合于便携式燃料电池或内燃烧机的氢气供给。
文档编号C01B3/08GK202864905SQ20122048930
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月20日 优先权日2012年9月20日
发明者范美强, 王禹, 陈达, 田光磊, 舒康颖 申请人:中国计量学院