燃料電池的NaBH₄水解制氫生產工藝及其設備的制作方法

專利名稱：燃料電池的NaBH₄水解制氫生產工藝及其設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池技術領域，更具體地說涉及燃料電池的NaBH4水解制氫生產 工藝及其設備。
背景技術：
目前，人們研究的為燃料電池供氫的方式主要有物理法和化學法兩大類。物理法 有高壓鋼瓶儲存供給法，低溫液化氫法，玻璃微球儲存，活性炭吸附儲存氧化鐵吸附儲存 等。化學法主要有金屬氫化物儲存，有機液態氫化物儲存，無機物儲存等。NaBH4水解發生氫氣的技術是一種安全，方便的新型催化發生氫氣的技術，也是目 前一種比較熱門的催化發生氫氣的技術，具有以下優點①硼氫化鈉儲氫燃料是一種環境 友好的物質，整個發生氫氣與使用過程不排放含碳和含氮的有害氣體，②與其它儲氫方式 相比，液態儲氫燃料的儲氫量高，可達到將近原材料的10wt%是金屬氫化物儲氫的10倍， ③儲存，使用安全，運載方便，④氫氣純度高，不會造成燃料電池電極催化劑的毒化，⑤能源 利用率高，反應過程中不需要外加能量就可以把NaBH4及一部分水中的氫釋放出來。如上所述，目前的供氫方式都存在這樣或那樣問題，尚無法完全適應燃料電池，尤 其是移動工具用燃料電池的應用要求。對于燃料電池游艇的應用來說，無機氫化物制氫是 比較合適的，相比其它供氫方式，它主要有以下優點無機氫化物制氫，它是目前世界上新發展的氫能源，是一種高安全的供氫技術。以硼氫化物為例，其水溶液在觸媒作用下，可將其他化合的氫全部釋放出來并同 時將水水介，釋出水中的氫，使釋氫量增加一倍，近年來在這方面國際上已有突破因而使 燃料電池在移動電源中優勢突出，燃料電池在硼氫化鈉新氫源配套條件下重量比能量可 達7100wh/kg，體積比能量可達7314WH/1M，固態貯氫新氫源系統裝量是非燃燒型，在空氣 中隋性，在劇烈碰撞情況下，沒有大量氫氣泄漏擴散引發爆炸，無機氫化物制氫技術國內 基本空白，NABH4是目前最成熟的無機氫化物，雖然其釋氫量較NH;3BH3低，但它不需要加 溫，在觸媒劑作用下水解釋氫可達21.2%，它操作方面容易控制，它釋出的氫純度高，可達 99. 99%，僅含少量水，所以用NABH4制氫作為燃料電池的燃料是十分合適的，NABH4是無機 氫化物中穩定性和溶解度最高的一種，在水中的溶解度為35%，在干燥空氣中可長期保存， 它本身及反應后的副屬品都無毒和無公害。添加穩定劑(NAOH)與抑止劑的硼氫化鈉的溶 液與選擇的觸媒配合，可構成高可靠和高安全的氫源。目前，國內使用硼化氫鈉(NaBH4)水解制氫使用的催化劑全都是一次性的，其不足 之處是1、催化劑用完后無法再使用，使得制氫成本高。2、制備過程中危害較大，易產生堿 性刺激的危害，嚴重影響人體的呼吸系統和皮膚；3、制造條件較高，操作起來十分不便。4、 當使用現有的催化劑制氫時，由于所使用的催化劑的原因，其生產工藝一般條件要求較高， 生產設備也相對較復雜，成本也較高。

發明內容
本發明的目的就是針對現有技術之不足，而提供一種燃料電池的NaBH4水解制氫 生產工藝及其設備，它生產的氫純度高，系統比能量高，安全性能好，使用壽命長，催化劑能 反復使用。本發明的技術解決措施如下燃料電池的NaBH4水解制氫生產工藝，a、加催化劑在反應罐中放置有催化劑，催 化劑為在泡沫鎳片上粘接固定有Co-B粉和紙漿沫的混合物，其中，按重量計Co-B粉紙漿 沫=2 0. 5 1. 5 ；b、加反應溶劑向反應罐中加入濃度為15 30%的NaBO4溶液，同時向反應罐 中加入NaBH4試劑，NaBH4試劑按重量計各組份為，NaBH4 NaOH 蒸餾水=15% 2 3% 75 85% ；在55 65°C的恒溫條件下反應，并在反應罐中產生氫氣和水蒸汽；C、氣液分離氫氣和水蒸汽的混合汽體經過熱交換后，水蒸汽冷凝成水回收利 用；d、凈化將氣液分離后的氫氣進一步凈化，除去含有的雜質、金屬、非金屬離子和 鹽達到工業純氫99. 99%標準后供氫燃料電池。燃料電池的NaBH4水解制氫生產設備，包括儲液罐、輸液泵、反應罐、凈化器和冷熱 交換器，儲液罐內儲存有濃度15 30%的NaBO4溶液，儲液罐內固定有冷熱交換器；輸液泵 通過管道泵NaBO4溶液至反應罐中，冷熱交換器的水冷管伸入反應罐中；反應罐內放置有催化劑架、加試劑口，催化劑上放置有催化劑架上，反應罐與冷熱 交換器蒸汽管道通連，冷熱交換器的出氣口管道通接凈化器，凈化器的出氣口通接燃料電 池進氣口。所述冷熱交換器與凈化器通接管道上安裝有一級冷凝分離器和二級冷凝分離器， 一級冷凝分離器的出氣口通接二級冷凝分離器的進氣口，二級冷凝分離器的出氣口通接凈 化器進氣口。本發明的有益效果在于1.生產的氫純度高(純度達99. 99% )，不含碳氫化合物，硫，碳。2.系統比能量高重量比能量可大于10%。3.在近常溫常壓下運作，可采用塑料合金或復合材料結構。4.硼氫化鈉溶液在常態環境條件下不會燃燒，不會爆炸，溶液與反應后生成物均 對環境無不良影響5.燃料溶液在PH值大于11的堿性溶液中，性能穩定不會釋氫，只有在特定觸媒劑 的作用下才會釋出氫，NABH4溶液通過加入穩定劑與抑制劑后呈隋性狀態，因此可高度保證 使用時的安全性和可靠性。6.利用NABH4溶液在觸媒作用下水解制氫，產生氫氣的速度取決于觸媒面積，作 用溫度和流量。觸媒劑是控制釋氫的關健，要求它反應速度快，不會中毒，性能穩定，壽命 長，并能反復使用。7、燃料電池的NaBH4水解制氫生產設備利用冷熱交換器預熱儲液罐中的NaBO4溶 液，確保進入反應罐時反應溫度控制在陽 65°C，同時冷熱交換器的水冷管伸入反應罐 中，控制反應罐中為恒溫。


圖1為本發明的催化劑的結構示意2為本發明NaBH4水解制氫生產設備的結構示意3為本發明的工藝流程方框圖
具體實施例方式實施例見圖1至3所示，燃料電池的NaBH4水解制氫生產工藝，a、加催化劑在 反應罐中放置有催化劑，催化劑為在泡沫鎳片101上粘接固定有C0-B粉和紙漿沫的混合物 102，其中，按重量計Co-B粉紙漿沫=2 0. 5 1. 5 ；b、加反應溶劑向反應罐中加入濃度為15 30%的NaBO4溶液，同時向反應罐 中加入NaBH4試劑，NaBH4試劑按重量計各組份為，NaBH4 NaOH 蒸餾水=15% 2 3% 75 85% ；在55 65°C的恒溫條件下反應，并在反應罐中產生氫氣和水蒸汽；C、氣液分離氫氣和水蒸汽的混合汽體經過熱交換后，水蒸汽冷凝成水回收利用；d、凈化將氣液分離后的氫氣進一步凈化，除去含有的雜質、金屬、非金屬離子和 鹽達到工業純氫99. 99%標準后供氫燃料電池。燃料電池的NaBH4水解制氫生產設備，包括儲液罐1、輸液泵2、反應罐3、凈化器4 和冷熱交換器5，儲液罐1內儲存有濃度15 30%的NaBO4溶液，儲液罐1內固定有冷熱交 換器5 ；輸液泵2通過管道泵NaBO4溶液至反應罐3中，冷熱交換器5的水冷管伸入反應罐 3中；反應罐3內放置有催化劑架31、加試劑口 32，催化劑上放置有催化劑架31上，反應罐 3與冷熱交換器5蒸汽管道通連，冷熱交換器5的出氣口管道通接凈化器4，凈化器4的出 氣口通接燃料電池8進氣口。所述冷熱交換器5與凈化器4通接管道上安裝有一級冷凝分離器6和二級冷凝分 離器7，一級冷凝分離器6的出氣口通接二級冷凝分離器7的進氣口，二級冷凝分離器7的 出氣口通接凈化器4進氣口。實際生產中，除正常運行啟動外，根據給定的供氫量和供氫壓力控制系統運行，用 傳感器將各個電磁閥，可變量泵，氫氣流量，壓力，溫度，濕度，液位等輸入和輸出點的數值 進行運算，并進行實時調節與協調控制，調整各受控點的狀態，保證系統工作在最佳狀態， 使系統運行在給定值范圍內，并對氫源系統進行故障自診斷和安全預警，及報警。或自動切 斷系統工作。立即停止切斷氫氣與燃料電池供氫管道。本氫源系統可按需用功率負荷設計一次性供料工作時間。一次工作時間結束可加 料再次循環工作。本系統中所有部件及反應罐其最高工作溫度< 110°C采用鈦合金，其余結構材料 采用聚碳酸脂和ABS型塑料合金等。各接口部件要用316不銹鋼材料。工作原理反應罐3中產生氫氣和水蒸汽進入冷熱交換器5進行熱交換后，再經 過一級冷凝分離器6和二級冷凝分離器7冷凝分離出水后，氫氣進入凈化器4，經凈化器 4將氣液分離后的氫氣進一步凈化，除去含有的雜質、金屬、非金屬離子和鹽達到工業純氫 99. 99%標準后供氫燃料電池8。反應時，反應罐3中生成氫氣時產生熱能，這個熱能被冷熱交換器5的水冷管吸 收，控制反應罐3中溫度為恒溫。儲液罐1被冷熱交換器5中熱能控制在恒溫。
權利要求
1.燃料電池的NaBH4水解制氫生產工藝，其特征在于a、加催化劑在反應罐中放置有催化劑，催化劑為在泡沫鎳片(101)上粘接固定有 Co-B粉和紙漿沫的混合物(102)，其中，按重量計Co-B粉紙漿沫=2 0. 5 1. 5 ；b、加反應溶劑向反應罐中加入濃度為15 30%的NaBO4溶液，同時向反應罐中加入 NaBH4試劑，NaBH4試劑按重量計各組份為，NaBH4 NaOH 蒸餾水=15% 2 3% 75 85% ；在55 65°C的恒溫條件下反應，并在反應罐中產生氫氣和水蒸汽；C、氣液分離氫氣和水蒸汽的混合汽體經過熱交換后，水蒸汽冷凝成水回收利用；d、凈化將氣液分離后的氫氣進一步凈化，除去含有的雜質、金屬、非金屬離子和鹽達 到工業純氫99. 99%標準后供氫燃料電池。
2.燃料電池的NaBH4水解制氫生產設備，包括儲液罐(1)、輸液泵O)、反應罐(3)、凈 化器(4)和冷熱交換器(5)，其特征在于儲液罐(1)內儲存有濃度15 30%的NaBO4溶液，儲液罐(1)內固定有冷熱交換器 (5)；輸液泵(2)通過管道泵NaBO4溶液至反應罐(3)中，冷熱交換器(5)的水冷管伸入反 應罐⑶中；反應罐(3)內放置有催化劑架(31)、加試劑口(32)，催化劑上放置有催化劑架(31) 上，反應罐C3)與冷熱交換器( 蒸汽管道通連，冷熱交換器( 的出氣口管道通接凈化器 G)，凈化器⑷的出氣口通接燃料電池⑶進氣口。
3.根據權利要求2所述的燃料電池的NaBH4水解制氫生產設備，其特征在于冷熱交換 器(5)與凈化器(4)通接管道上安裝有一級冷凝分離器(6)和二級冷凝分離器(7)，一級冷 凝分離器(6)的出氣口通接二級冷凝分離器(7)的進氣口，二級冷凝分離器(7)的出氣口 通接凈化器(4)進氣口。
全文摘要
燃料電池的NaBH4水解制氫生產工藝，a、加催化劑，b、加反應溶劑，c、氣液分離，d、凈化將氣液分離后的氫氣進一步凈化，除去含有的雜質、金屬、非金屬離子和鹽達到工業純氫99.99％標準后供氫燃料電池。燃料電池的NaBH4水解制氫生產設備，儲液罐～內儲存有濃度15～30％的NaBO4溶液，儲液罐內固定有冷熱交換器；輸液泵泵NaBO4溶液至反應罐中，冷熱交換器的水冷管伸入反應罐中；催化劑上放置有催化劑架上，反應罐與冷熱交換器蒸汽管道通連，冷熱交換器的出氣口管道通接凈化器，凈化器供氫燃料電池。它生產的氫純度高，系統比能量高，安全性能好，使用壽命長，催化劑能反復使用。
文檔編號C01B3/06GK102060265SQ20101053620
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者王兆生, 陳堯春 申請人:紹興縣永利新能源研究院有限公司