一種用鎂鹽或鋁鹽催化的高系統氫含量水解制氫系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用鎂鹽或鋁鹽催化的高系統氫含量水解制氫系統。所述系統包括依次串聯連接的料倉、耐壓反應器、凈化裝置、增壓閥，以及連接在增壓泵和凈化裝置之間的穩壓閥，還包括沉淀分離與溶液回收裝置，所述沉淀分離與溶液回收裝置與耐壓反應器構成循環回路，所述沉淀分離與溶液回收裝置包括過濾網和循環泵。本實用新型的有益效果為：本實用新型充分利用金屬鹽催化金屬水解放氫體系組成恒定的特點，將制氫系統與物料循環系統相結合，將反應的溶液進行循環回收后充分利用反應體系中的水，加同樣量的水最大程度的提高了水的利用率，從而提高了系統氫含量。
【專利說明】一種用鎂鹽或鋁鹽催化的高系統氫含量水解制氫系統
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及氫氣制備領域。具體涉及一種高系統氫含量的制氫系統。
【背景技術】
[0002] 氫氣是最為理想的燃料，其熱值高，燃燒產物清潔無污染。針對目前的燃料電池技 術，氫氣是的最佳燃料，氫氣的氧化反應和產物比較簡單，同樣條件下可以獲得最高的電池 轉化效率和功率密度，所需的貴金屬催化劑用量小，氧化產物對燃料電池組件幾乎無損害。 然而氫氣不便于運輸和儲存，成為其在燃料電池應用中的技術瓶頸之一。因此可靠的氫氣 供應方式是燃料電池的重要配套技術。
[0003] 利用水解反應放出氫氣是一種重要的儲氫手段，由于金屬便于攜帶，在需要氫氣 時利用金屬與水反應放出氫氣，非常適用于便攜式燃料電池的氫源。作為便攜式氫源，氫含 量是其中最重要的指標之一。金屬中Mg和A1因為放氫量高、同時價格便宜，因此最具實 用性，按照化學計量比，Mg和A1與水反應可以制得的氫氣質量相當于金屬質量的8. 3%和 11. 1 %，但在工業上常用的制氫方法中用金屬粉末水解制氫并不常見，此類方法常見于實 驗室進行小規模的實驗，并且實際進行實驗室制氫的時候，系統氫含量都遠低于理論值，系 統氫含量的定義為：產生氫氣的質量與要制備此氫氣的裝置的質量比，然而此問題并沒有 得到大家的關注，更沒有人花精力對其進行原因探究，本 申請人:在查閱了大量資料并且進 行了多次試驗后發現，導致系統氫含量都遠低于理論值的原因主要在于：
[0004] 1)消耗型添加劑的存在。以A1與水反應體系為例，由于表面氫氧化物的生產，必 須借助NaOH促進反應，而反應過程中NaOH也被消耗，引入NaOH后，最理想的情況下材料體 系氫含量也將大幅降低至固體總質量的4. 5wt%，遠低于A1的理論氫含量。因此為了提高 系統氫含量，需要尋找不消耗的催化劑代替消耗型的添加劑。
[0005] 2)過量水的存在。為使水解反應充分進行，除反應所需的水外，還需要額外的水 作為分散、傳質的媒質，而這部分額外的水由于溶解有其他產物或者含有不溶的產物，使得 這部分水的利用率降低，不能夠成分發揮作用，導致系統氫產量降低，同時影響了系統氫含 量。因此實現水解體系中水的充分利用，是提高系統氫含量的另一關鍵問題。 實用新型內容
[0006] 針對上述問題中存在的不足之處，本實用新型提供一種用鎂鹽或鋁鹽制備高系統 氫含量的制氫系統，此系統主要適用于 申請人:最近的研究發現，納米級金屬粉末可被同種 金屬離子催化，在不借助酸或堿的條件下較快的與水反應放出氫氣，其原理可通過下面的 式子表示：
[0007] Mj (s)+nH20+M2n+(aq) ^·Μ2(0Η)η I +H2+M1n+(aq)
[0008] 其中Mp M2為同一種金屬M，其價態為n，但是來源不同，來自于金屬（s)，而M2 存在于溶液中（aq)，η是金屬的價態。可見凈反應是金屬與水反應生成氫氣與氫氧化物沉 淀，整個過程中金屬離子Μη+不消耗，即整個系統金屬鹽不會發生變化，這為實現高系統氫 含量提供了可能。
[0009] 為實現上述目的，本實用新型提供一種用鎂鹽或鋁鹽制備高系統氫含量的制氫系 統，所述系統包括依次串聯連接的料倉、耐壓反應器、凈化裝置、增壓泵，以及連接在增壓 泵和凈化裝置之間的穩壓閥，通過穩壓閥控制氫氣流量的大小，從而實現對燃料電池的穩 定氫氣輸出，輸出壓力和流量可以根據燃料電池的需要進行調節；還包括沉淀分離與溶液 回收裝置，所述沉淀分離與溶液回收裝置與耐壓反應器構成循環回路，所述沉淀分離與溶 液回收裝置包括過濾網和循環泵；
[0010] 反應物（納米金屬粉末和水）可以通過與耐壓反應器連接的料倉引入反應系統， 當納米金屬粉末與溶液接觸后即反應放氫，產生的氫氣通過凈化裝置除去雜質氣體，如C0、 H2S等對氫燃料電池催化劑有毒害的雜質氣體，最終得到高純度的氫氣；
[0011] 所述凈化裝置可包含基于物理凈化和化學凈化的不同單元或不同單元的組合，包 括但不限于冷凝器、冷阱、吸附柱、分離膜等凈化裝置；沉淀分離和溶液回收裝置可包含不 限于沉淀、過濾、加壓過濾等固液分離手段；
[0012] 所述料倉與凈化裝置之間連接有增壓泵，一部分生成的氫氣引入料倉，排除料倉 空間中的空氣，同時使料倉和反應器之間保持穩定的壓力差，可以利用高壓氣體將固體粉 末吹入反應器，同時防止料倉的閥門開啟時耐壓反應器中水汽進入料倉；
[0013] 進一步的，所述耐壓反應器上還連接有壓力傳感器a和溫度傳感器，壓力傳感器a 用于監測耐壓反應器中的氣體壓力大小，溫度傳感器監測耐壓反應器中溶液的溫度，使所 述耐壓反應器的壓力和溫度在安全范圍內；
[0014] 進一步的，所述增壓泵與料倉之間還連接有壓力傳感器b，用于監測料倉中的氣體 壓力大小。正常工作狀況下，壓力傳感器b的讀數應高于壓力傳感器a的讀數，典型數值為 0. 05-lbar ；
[0015] 進一步的，所述穩壓閥與燃料電池之間還連接有壓力傳感器c，用于監測輸送給燃 料電池的氫氣壓力大小，壓力大小可以根據燃料電池的需求通過穩壓閥調節，典型的壓力 傳感器c的讀數在l-10bar ;
[0016] 進一步的，所述傳感器以及沉淀分離與溶液回收裝置都與控制系統連接，上述傳 感器的信號可以通過人為監測，也可以反饋給控制系統，通過控制系統進一步控制料倉、增 壓泵、耐壓反應器、穩壓閥的工作狀態；而沉淀分離和溶液回收裝置的運行模式可以是連續 的也可以是間斷的，其運行模式、每次運行時間和運行間隔可以通過控制系統進行控制，控 制系統根據對固體累積進料量的分析，控制沉淀分離和溶液回收裝置的運行時間，對部分 反應產生的氫氧化物沉淀進行分離，同時補充適量的水；
[0017] 所述耐壓反應器、凈化裝置、增壓泵、料倉構成一個循環回路；耐壓反應器、凈化裝 置、穩壓閥、燃料電池構成了氫氣的利用途徑；耐壓反應器、沉淀分離與溶液回收裝置構成 另一個回路，此回路是用來實現對反應物的循環利用的，耐壓反應器中的溶液以一定的速 率通過沉淀分離與溶液回收裝置，除去產生的氫氧化物沉淀，分離出的金屬鹽溶液通過沉 淀分離與溶液回收裝置重新注入耐壓反應器中，除去產生的氫氧化物沉淀，使整個體系的 組成保持恒定，反應消耗掉的水也通過沉淀分離與溶液回收裝置進行補充。
[0018] 進一步的，所述料倉上可以安裝閥門，通過閥門控制料倉與耐壓反應器的聯通與 隔斷，可以通過閥門開啟時間、開啟大小控制原料進入耐壓反應器的量，料倉中固體原料的 引入包括但不限于以下方式：利用固體粉末自重落入反應器；通過擠壓將固體粉末引入反 應器；利用高壓氣體將固體粉末吹入反應器，此時就需要有增壓泵，使料倉中的壓力略大 于耐壓反應器中的壓力；將粉末預先制成球狀或片狀顆粒，再利用自重、擠壓或氣體吹掃引 入反應器。
[0019] 進一步的，凈化裝置上可以安裝閥門，用以控制凈化裝置與耐壓反應器的連通與 隔斷。
[0020] 進一步的，耐壓反應器上還可以安裝有攪拌裝置。
[0021] 進一步的，在耐壓反應器上還可以安裝有加熱控溫裝置。
[0022] 本實用新型的有益效果為：本實用新型充分利用金屬鹽催化金屬水解放氫體系組 成恒定的特點，將制氫系統與物料循環系統相結合，將反應的溶液進行循環回收后充分利 用反應體系中的水，加同樣量的水最大程度的提高了水的利用率，從而提高了系統氫含量。 本實用新型將極大的促進了新型高容量的質子交換膜燃料電池（PEMFC)便攜式氫源的發 展，對于推廣質子交換膜燃料電池（PEMFC)作為移動電源的應用具有重大的意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0024] 圖中：1 :耐壓反應器，2 :料倉，3 :凈化裝置，4 :壓力傳感器a，5 :溫度傳感器，6 :沉 淀分離和溶液回收裝置，7 :壓力傳感器b，8 :壓力傳感器c，9 :穩壓閥，10 :增壓泵。
【具體實施方式】
[0025] 以下結合附圖1和具體實施例對本發明作進一步解釋。
[0026] 實施例1 :
[0027] 本實用新型實施例所述的一種用鎂鹽或鋁鹽制備高系統氫含量的制氫系統，如圖 1所示，所述系統包括依次串聯連接的料倉2、耐壓反應器1、凈化裝置3、增壓泵10,以及連 接在增壓泵10和凈化裝置3之間的穩壓閥9,通過穩壓閥9控制氫氣流量的大小，從而實 現對燃料電池的穩定氫氣輸出，穩壓閥9輸出壓力可以穩定在l-5bar ;另外，還包括沉淀分 離與溶液回收裝置6,所述沉淀分離與溶液回收裝置6與耐壓反應器1構成循環回路，所述 沉淀分離與溶液回收裝置6包括過濾網和循環泵；
[0028] 反應物（納米金屬粉末和水）可以通過與耐壓反應器1連接的料倉2引入反應系 統，當納米金屬粉末與溶液接觸后即反應放氫，產生的氫氣通過凈化裝置3除去雜質氣體， 如CO、H2S等對氫燃料電池催化劑有毒害的雜質氣體，最終得到高純度的氫氣；
[0029] 所述凈化裝置3可包含基于物理凈化和化學凈化的不同單元或不同單元的組合， 包括但不限于冷凝器、冷阱、吸附柱、分離膜等凈化裝置；沉淀分離和溶液回收裝置6可包 含不限于沉淀、過濾、加壓過濾等固液分離手段；
[0030] 所述料倉2與凈化裝置3之間連接有增壓泵10, 一部分生成的氫氣引入料倉，排除 料倉空間中的空氣，同時使料倉2和耐壓反應器1之間保持穩定的壓力差，可以利用高壓氣 體將固體粉末吹入反應器，同時防止料倉2的閥門開啟時耐壓反應器1中水汽進入料倉2 ;
[0031] 進一步的，所述耐壓反應器1上還連接有壓力傳感器a4和溫度傳感器5,壓力傳 感器a4用于監測耐壓反應器中的氣體壓力大小，使的壓力傳感器a4的讀數在1-10個大氣 壓，溫度傳感器5監測耐壓反應器中溶液的溫度，所述耐壓反應器1中溶液的溫度范圍在 10-80C 之間；
[0032] 進一步的，所述增壓泵10與料倉2之間還連接有壓力傳感器b7,用于監測料倉2 中的氣體壓力大小，壓力傳感器b7的讀數比壓力傳感器a4的讀數大0· 05-lbar ;
[0033] 進一步的，所述穩壓閥9與燃料電池之間還連接有壓力傳感器c8,用于監測輸送 給燃料電池的氫氣壓力大小，壓力傳感器c8的讀數在1-5個大氣壓；
[0034] 進一步的，所述傳感器以及沉淀分離與溶液回收裝置6都與控制系統連接，上述 傳感器的信號可以通過人為監測，也可以反饋給控制系統，通過控制系統進一步控制料倉 2、增壓泵10、耐壓反應器1、穩壓閥9的工作狀態；而沉淀分離和溶液回收裝置6的運行模 式可以是連續的也可以是間斷的，其運行模式、每次運行時間和運行間隔可以通過控制系 統進行控制，控制系統根據對固體累積進料量的分析，控制沉淀分離和溶液回收裝置6的 運行時間，對部分反應產生的氫氧化物沉淀進行分離，同時補充適量的水；
[0035] 所述耐壓反應器1、凈化裝置3、增壓泵10、料倉2構成一個循環回路；耐壓反應器 1、凈化裝置3、穩壓閥9、燃料電池構成了氫氣的利用途徑；耐壓反應器1、沉淀分離與溶液 回收裝置6構成另一個回路，此回路是用來實現對反應物的循環利用的，耐壓反應器1中的 溶液以一定的速率通過沉淀分離與溶液回收裝置6,除去產生的氫氧化物沉淀，分離出的金 屬鹽溶液通過沉淀分離與溶液回收裝置6重新注入耐壓反應器中，除去產生的氫氧化物沉 淀，使整個體系的組成保持恒定，反應消耗掉的水也通過沉淀分離與溶液回收裝置進行補 充。
[0036] 進一步的，所述料倉2上可以安裝閥門，通過閥門控制料倉2與耐壓反應器1的 聯通與隔斷，可以通過閥門開啟時間、開啟大小控制原料進入耐壓反應器1的量，料倉2中 固體原料的引入包括但不限于以下方式：利用固體粉末自重落入反應器；通過擠壓將固體 粉末引入反應器；利用高壓氣體將固體粉末吹入反應器，使料倉2中的壓力略大于耐壓反 應器1中的壓力；將粉末預先制成球狀或片狀顆粒，再利用自重、擠壓或氣體吹掃引入反應 器。
[0037] 進一步的，凈化裝置3上可以安裝閥門，用以控制凈化裝置與耐壓反應器的連通 與隔斷。
[0038] 進一步的，耐壓反應器1上還安裝有攪拌裝置。
[0039] 進一步的，在耐壓反應器1上還安裝有加熱控溫裝置。
[0040] 所述制氫系統的使用方法，包括如下步驟：
[0041] 1)向耐壓反應器1中注入鎂鹽或鋁鹽溶液；
[0042] 2)通過料倉2向耐壓反應器加入與步驟1)中鹽溶液對應的納米金屬粉末，打開穩 壓閥8用產生的氫氣將系統中的空氣驅逐凈，耐壓反應器工作壓力為1-10大氣壓，耐壓反 應器中溶液溫度為10_80°C ;
[0043] 3)調節穩壓閥，使出口壓力為1-5個大氣壓，為燃料電池供氫，流量為 100-1000mL/min ；
[0044] 4)啟動增壓泵，使料倉中壓力大于耐壓反應器中壓力。
[0045] 5)啟動沉淀分離和溶液回收裝置，通過循環泵使耐壓反應器內含有沉淀的溶液通 過濾網，流速為100-300mL/min，濾網將沉淀截留，濾過的溶液重新注入耐壓反應器，重新參 加反應；
[0046] 6)累積運行120min中后，打開沉淀分離和溶液回收裝置的沉淀清理口，取出沉 淀，同時補充水，所述制氫系統繼續穩定工作。
[0047] 惟以上所述者，僅為本實用新型的較佳實施例而已，舉凡熟悉此項技藝的專業人 士。在了解本實用新型的技術手段之后，自然能依據實際的需要，在本實用新型的教導下加 以變化。因此凡依本實用新型申請專利范圍所作的同等變化與修飾，皆應仍屬本實用新型 專利涵蓋的范圍內。
【權利要求】
1. 一種用鎂鹽或鋁鹽催化的高系統氫含量水解制氫系統，包括依次串聯連接的料倉、 耐壓反應器、凈化裝置、增壓閥，以及連接在增壓泵和凈化裝置之間的穩壓閥，其特征在于 ： 還包括沉淀分離與溶液回收裝置，所述沉淀分離與溶液回收裝置與耐壓反應器構成循環回 路，所述沉淀分離與溶液回收裝置包括過濾網和循環泵。
2. 如權利要求1所述的制氫系統，其特征在于：所述增壓泵與料倉之間還連接有壓力 傳感器b。
3. 如權利要求1所述的制氫系統，其特征在于：所述穩壓閥與燃料電池之間還連接有 壓力傳感器c。
4. 如權利要求1所述的制氫系統，其特征在于：所述耐壓反應器上還連接有壓力傳感 器a和溫度傳感器。
5. 如權利要求2-4任一項所述的制氫系統，其特征在于：所述傳感器以及沉淀分離與 溶液回收裝置都與控制系統連接。
6. 如權利要求1所述的制氫系統，其特征在于：所述料倉上設有閥門，控制料倉與反應 器的聯通與隔斷。
7. 如權利要求1所述的制氫系統，其特征在于：所述凈化裝置上設有閥門，用于控制凈 化裝置與耐壓反應器的聯通與隔斷。
8. 如權利要求1所述的制氫系統，其特征在于：在耐壓反應器上還包括攪拌裝置。
9. 如權利要求1所述的制氫系統，其特征在于：在耐壓反應器上還安裝有加熱控溫裝 置。
【文檔編號】C01B3/08GK203890051SQ201420269381
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年5月23日 優先權日:2014年5月23日
【發明者】鄭捷 申請人:北京北大明德科技發展有限公司