一种用镁盐或铝盐催化的高系统氢含量水解制氢系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用镁盐或铝盐催化的高系统氢含量水解制氢系统。所述系统包括依次串联连接的料仓、耐压反应器、净化装置、增压阀，以及连接在增压泵和净化装置之间的稳压阀，还包括沉淀分离与溶液回收装置，所述沉淀分离与溶液回收装置与耐压反应器构成循环回路，所述沉淀分离与溶液回收装置包括过滤网和循环泵。本实用新型的有益效果为：本实用新型充分利用金属盐催化金属水解放氢体系组成恒定的特点，将制氢系统与物料循环系统相结合，将反应的溶液进行循环回收后充分利用反应体系中的水，加同样量的水最大程度的提高了水的利用率，从而提高了系统氢含量。
【专利说明】一种用镁盐或铝盐催化的高系统氢含量水解制氢系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及氢气制备领域。具体涉及一种高系统氢含量的制氢系统。
【背景技术】
[0002] 氢气是最为理想的燃料，其热值高，燃烧产物清洁无污染。针对目前的燃料电池技 术，氢气是的最佳燃料，氢气的氧化反应和产物比较简单，同样条件下可以获得最高的电池 转化效率和功率密度，所需的贵金属催化剂用量小，氧化产物对燃料电池组件几乎无损害。 然而氢气不便于运输和储存，成为其在燃料电池应用中的技术瓶颈之一。因此可靠的氢气 供应方式是燃料电池的重要配套技术。
[0003] 利用水解反应放出氢气是一种重要的储氢手段，由于金属便于携带，在需要氢气 时利用金属与水反应放出氢气，非常适用于便携式燃料电池的氢源。作为便携式氢源，氢含 量是其中最重要的指标之一。金属中Mg和A1因为放氢量高、同时价格便宜，因此最具实 用性，按照化学计量比，Mg和A1与水反应可以制得的氢气质量相当于金属质量的8. 3%和 11. 1 %，但在工业上常用的制氢方法中用金属粉末水解制氢并不常见，此类方法常见于实 验室进行小规模的实验，并且实际进行实验室制氢的时候，系统氢含量都远低于理论值，系 统氢含量的定义为：产生氢气的质量与要制备此氢气的装置的质量比，然而此问题并没有 得到大家的关注，更没有人花精力对其进行原因探究，本 申请人:在查阅了大量资料并且进 行了多次试验后发现，导致系统氢含量都远低于理论值的原因主要在于：
[0004] 1)消耗型添加剂的存在。以A1与水反应体系为例，由于表面氢氧化物的生产，必 须借助NaOH促进反应，而反应过程中NaOH也被消耗，引入NaOH后，最理想的情况下材料体 系氢含量也将大幅降低至固体总质量的4. 5wt%，远低于A1的理论氢含量。因此为了提高 系统氢含量，需要寻找不消耗的催化剂代替消耗型的添加剂。
[0005] 2)过量水的存在。为使水解反应充分进行，除反应所需的水外，还需要额外的水 作为分散、传质的媒质，而这部分额外的水由于溶解有其他产物或者含有不溶的产物，使得 这部分水的利用率降低，不能够成分发挥作用，导致系统氢产量降低，同时影响了系统氢含 量。因此实现水解体系中水的充分利用，是提高系统氢含量的另一关键问题。 实用新型内容
[0006] 针对上述问题中存在的不足之处，本实用新型提供一种用镁盐或铝盐制备高系统 氢含量的制氢系统，此系统主要适用于 申请人:最近的研究发现，纳米级金属粉末可被同种 金属离子催化，在不借助酸或碱的条件下较快的与水反应放出氢气，其原理可通过下面的 式子表示：
[0007] Mj (s)+nH20+M2n+(aq) ^·Μ2(0Η)η I +H2+M1n+(aq)
[0008] 其中Mp M2为同一种金属M，其价态为n，但是来源不同，来自于金属（s)，而M2 存在于溶液中（aq)，η是金属的价态。可见净反应是金属与水反应生成氢气与氢氧化物沉 淀，整个过程中金属离子Μη+不消耗，即整个系统金属盐不会发生变化，这为实现高系统氢 含量提供了可能。
[0009] 为实现上述目的，本实用新型提供一种用镁盐或铝盐制备高系统氢含量的制氢系 统，所述系统包括依次串联连接的料仓、耐压反应器、净化装置、增压泵，以及连接在增压 泵和净化装置之间的稳压阀，通过稳压阀控制氢气流量的大小，从而实现对燃料电池的稳 定氢气输出，输出压力和流量可以根据燃料电池的需要进行调节；还包括沉淀分离与溶液 回收装置，所述沉淀分离与溶液回收装置与耐压反应器构成循环回路，所述沉淀分离与溶 液回收装置包括过滤网和循环泵；
[0010] 反应物（纳米金属粉末和水）可以通过与耐压反应器连接的料仓引入反应系统， 当纳米金属粉末与溶液接触后即反应放氢，产生的氢气通过净化装置除去杂质气体，如C0、 H2S等对氢燃料电池催化剂有毒害的杂质气体，最终得到高纯度的氢气；
[0011] 所述净化装置可包含基于物理净化和化学净化的不同单元或不同单元的组合，包 括但不限于冷凝器、冷阱、吸附柱、分离膜等净化装置；沉淀分离和溶液回收装置可包含不 限于沉淀、过滤、加压过滤等固液分离手段；
[0012] 所述料仓与净化装置之间连接有增压泵，一部分生成的氢气引入料仓，排除料仓 空间中的空气，同时使料仓和反应器之间保持稳定的压力差，可以利用高压气体将固体粉 末吹入反应器，同时防止料仓的阀门开启时耐压反应器中水汽进入料仓；
[0013] 进一步的，所述耐压反应器上还连接有压力传感器a和温度传感器，压力传感器a 用于监测耐压反应器中的气体压力大小，温度传感器监测耐压反应器中溶液的温度，使所 述耐压反应器的压力和温度在安全范围内；
[0014] 进一步的，所述增压泵与料仓之间还连接有压力传感器b，用于监测料仓中的气体 压力大小。正常工作状况下，压力传感器b的读数应高于压力传感器a的读数，典型数值为 0. 05-lbar ；
[0015] 进一步的，所述稳压阀与燃料电池之间还连接有压力传感器c，用于监测输送给燃 料电池的氢气压力大小，压力大小可以根据燃料电池的需求通过稳压阀调节，典型的压力 传感器c的读数在l-10bar ;
[0016] 进一步的，所述传感器以及沉淀分离与溶液回收装置都与控制系统连接，上述传 感器的信号可以通过人为监测，也可以反馈给控制系统，通过控制系统进一步控制料仓、增 压泵、耐压反应器、稳压阀的工作状态；而沉淀分离和溶液回收装置的运行模式可以是连续 的也可以是间断的，其运行模式、每次运行时间和运行间隔可以通过控制系统进行控制，控 制系统根据对固体累积进料量的分析，控制沉淀分离和溶液回收装置的运行时间，对部分 反应产生的氢氧化物沉淀进行分离，同时补充适量的水；
[0017] 所述耐压反应器、净化装置、增压泵、料仓构成一个循环回路；耐压反应器、净化装 置、稳压阀、燃料电池构成了氢气的利用途径；耐压反应器、沉淀分离与溶液回收装置构成 另一个回路，此回路是用来实现对反应物的循环利用的，耐压反应器中的溶液以一定的速 率通过沉淀分离与溶液回收装置，除去产生的氢氧化物沉淀，分离出的金属盐溶液通过沉 淀分离与溶液回收装置重新注入耐压反应器中，除去产生的氢氧化物沉淀，使整个体系的 组成保持恒定，反应消耗掉的水也通过沉淀分离与溶液回收装置进行补充。
[0018] 进一步的，所述料仓上可以安装阀门，通过阀门控制料仓与耐压反应器的联通与 隔断，可以通过阀门开启时间、开启大小控制原料进入耐压反应器的量，料仓中固体原料的 引入包括但不限于以下方式：利用固体粉末自重落入反应器；通过挤压将固体粉末引入反 应器；利用高压气体将固体粉末吹入反应器，此时就需要有增压泵，使料仓中的压力略大 于耐压反应器中的压力；将粉末预先制成球状或片状颗粒，再利用自重、挤压或气体吹扫引 入反应器。
[0019] 进一步的，净化装置上可以安装阀门，用以控制净化装置与耐压反应器的连通与 隔断。
[0020] 进一步的，耐压反应器上还可以安装有搅拌装置。
[0021] 进一步的，在耐压反应器上还可以安装有加热控温装置。
[0022] 本实用新型的有益效果为：本实用新型充分利用金属盐催化金属水解放氢体系组 成恒定的特点，将制氢系统与物料循环系统相结合，将反应的溶液进行循环回收后充分利 用反应体系中的水，加同样量的水最大程度的提高了水的利用率，从而提高了系统氢含量。 本实用新型将极大的促进了新型高容量的质子交换膜燃料电池（PEMFC)便携式氢源的发 展，对于推广质子交换膜燃料电池（PEMFC)作为移动电源的应用具有重大的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本实用新型的结构示意图。
[0024] 图中：1 :耐压反应器，2 :料仓，3 :净化装置，4 :压力传感器a，5 :温度传感器，6 :沉 淀分离和溶液回收装置，7 :压力传感器b，8 :压力传感器c，9 :稳压阀，10 :增压泵。
【具体实施方式】
[0025] 以下结合附图1和具体实施例对本发明作进一步解释。
[0026] 实施例1 :
[0027] 本实用新型实施例所述的一种用镁盐或铝盐制备高系统氢含量的制氢系统，如图 1所示，所述系统包括依次串联连接的料仓2、耐压反应器1、净化装置3、增压泵10,以及连 接在增压泵10和净化装置3之间的稳压阀9,通过稳压阀9控制氢气流量的大小，从而实 现对燃料电池的稳定氢气输出，稳压阀9输出压力可以稳定在l-5bar ;另外，还包括沉淀分 离与溶液回收装置6,所述沉淀分离与溶液回收装置6与耐压反应器1构成循环回路，所述 沉淀分离与溶液回收装置6包括过滤网和循环泵；
[0028] 反应物（纳米金属粉末和水）可以通过与耐压反应器1连接的料仓2引入反应系 统，当纳米金属粉末与溶液接触后即反应放氢，产生的氢气通过净化装置3除去杂质气体， 如CO、H2S等对氢燃料电池催化剂有毒害的杂质气体，最终得到高纯度的氢气；
[0029] 所述净化装置3可包含基于物理净化和化学净化的不同单元或不同单元的组合， 包括但不限于冷凝器、冷阱、吸附柱、分离膜等净化装置；沉淀分离和溶液回收装置6可包 含不限于沉淀、过滤、加压过滤等固液分离手段；
[0030] 所述料仓2与净化装置3之间连接有增压泵10, 一部分生成的氢气引入料仓，排除 料仓空间中的空气，同时使料仓2和耐压反应器1之间保持稳定的压力差，可以利用高压气 体将固体粉末吹入反应器，同时防止料仓2的阀门开启时耐压反应器1中水汽进入料仓2 ;
[0031] 进一步的，所述耐压反应器1上还连接有压力传感器a4和温度传感器5,压力传 感器a4用于监测耐压反应器中的气体压力大小，使的压力传感器a4的读数在1-10个大气 压，温度传感器5监测耐压反应器中溶液的温度，所述耐压反应器1中溶液的温度范围在 10-80C 之间；
[0032] 进一步的，所述增压泵10与料仓2之间还连接有压力传感器b7,用于监测料仓2 中的气体压力大小，压力传感器b7的读数比压力传感器a4的读数大0· 05-lbar ;
[0033] 进一步的，所述稳压阀9与燃料电池之间还连接有压力传感器c8,用于监测输送 给燃料电池的氢气压力大小，压力传感器c8的读数在1-5个大气压；
[0034] 进一步的，所述传感器以及沉淀分离与溶液回收装置6都与控制系统连接，上述 传感器的信号可以通过人为监测，也可以反馈给控制系统，通过控制系统进一步控制料仓 2、增压泵10、耐压反应器1、稳压阀9的工作状态；而沉淀分离和溶液回收装置6的运行模 式可以是连续的也可以是间断的，其运行模式、每次运行时间和运行间隔可以通过控制系 统进行控制，控制系统根据对固体累积进料量的分析，控制沉淀分离和溶液回收装置6的 运行时间，对部分反应产生的氢氧化物沉淀进行分离，同时补充适量的水；
[0035] 所述耐压反应器1、净化装置3、增压泵10、料仓2构成一个循环回路；耐压反应器 1、净化装置3、稳压阀9、燃料电池构成了氢气的利用途径；耐压反应器1、沉淀分离与溶液 回收装置6构成另一个回路，此回路是用来实现对反应物的循环利用的，耐压反应器1中的 溶液以一定的速率通过沉淀分离与溶液回收装置6,除去产生的氢氧化物沉淀，分离出的金 属盐溶液通过沉淀分离与溶液回收装置6重新注入耐压反应器中，除去产生的氢氧化物沉 淀，使整个体系的组成保持恒定，反应消耗掉的水也通过沉淀分离与溶液回收装置进行补 充。
[0036] 进一步的，所述料仓2上可以安装阀门，通过阀门控制料仓2与耐压反应器1的 联通与隔断，可以通过阀门开启时间、开启大小控制原料进入耐压反应器1的量，料仓2中 固体原料的引入包括但不限于以下方式：利用固体粉末自重落入反应器；通过挤压将固体 粉末引入反应器；利用高压气体将固体粉末吹入反应器，使料仓2中的压力略大于耐压反 应器1中的压力；将粉末预先制成球状或片状颗粒，再利用自重、挤压或气体吹扫引入反应 器。
[0037] 进一步的，净化装置3上可以安装阀门，用以控制净化装置与耐压反应器的连通 与隔断。
[0038] 进一步的，耐压反应器1上还安装有搅拌装置。
[0039] 进一步的，在耐压反应器1上还安装有加热控温装置。
[0040] 所述制氢系统的使用方法，包括如下步骤：
[0041] 1)向耐压反应器1中注入镁盐或铝盐溶液；
[0042] 2)通过料仓2向耐压反应器加入与步骤1)中盐溶液对应的纳米金属粉末，打开稳 压阀8用产生的氢气将系统中的空气驱逐净，耐压反应器工作压力为1-10大气压，耐压反 应器中溶液温度为10_80°C ;
[0043] 3)调节稳压阀，使出口压力为1-5个大气压，为燃料电池供氢，流量为 100-1000mL/min ；
[0044] 4)启动增压泵，使料仓中压力大于耐压反应器中压力。
[0045] 5)启动沉淀分离和溶液回收装置，通过循环泵使耐压反应器内含有沉淀的溶液通 过滤网，流速为100-300mL/min，滤网将沉淀截留，滤过的溶液重新注入耐压反应器，重新参 加反应；
[0046] 6)累积运行120min中后，打开沉淀分离和溶液回收装置的沉淀清理口，取出沉 淀，同时补充水，所述制氢系统继续稳定工作。
[0047] 惟以上所述者，仅为本实用新型的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人 士。在了解本实用新型的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本实用新型的教导下加 以变化。因此凡依本实用新型申请专利范围所作的同等变化与修饰，皆应仍属本实用新型 专利涵盖的范围内。
【权利要求】
1. 一种用镁盐或铝盐催化的高系统氢含量水解制氢系统，包括依次串联连接的料仓、 耐压反应器、净化装置、增压阀，以及连接在增压泵和净化装置之间的稳压阀，其特征在于 ： 还包括沉淀分离与溶液回收装置，所述沉淀分离与溶液回收装置与耐压反应器构成循环回 路，所述沉淀分离与溶液回收装置包括过滤网和循环泵。
2. 如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于：所述增压泵与料仓之间还连接有压力 传感器b。
3. 如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于：所述稳压阀与燃料电池之间还连接有 压力传感器c。
4. 如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于：所述耐压反应器上还连接有压力传感 器a和温度传感器。
5. 如权利要求2-4任一项所述的制氢系统，其特征在于：所述传感器以及沉淀分离与 溶液回收装置都与控制系统连接。
6. 如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于：所述料仓上设有阀门，控制料仓与反应 器的联通与隔断。
7. 如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于：所述净化装置上设有阀门，用于控制净 化装置与耐压反应器的联通与隔断。
8. 如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于：在耐压反应器上还包括搅拌装置。
9. 如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于：在耐压反应器上还安装有加热控温装 置。
【文档编号】C01B3/08GK203890051SQ201420269381
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】郑捷 申请人:北京北大明德科技发展有限公司