本發明屬于燃料電池技術領域，特別是涉及一種用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器。
背景技術：
目前，質子交換膜燃料電池(PEMFC)質量輕，供電供熱可靠，無震動，噪聲小，并能生產飲用水，所有這些優點均是其它能源不可比擬的。而如何高密度地儲存和快速得到純凈氫氣是PEMFC技術普及應用的一個瓶頸。目前氫氣儲存方法主要是物理高壓儲氫和化學儲氫。高壓鋼瓶儲氫，即使在非常高的壓力下，氫氣本身質量不到系統質量的2％。氣瓶質量問題和氣體泄漏問題也是不可忽視的安全問題。化學儲氫主要有金屬氫化物儲氫和硼氫化物儲氫兩種方式。金屬氫化物必須裝在耐壓力的容器中才能使用，因此儲氫密度也比較低，大約為0.65％。而且每次用完后必須充高純氫氣，在不可抗拒的天災和人禍條件下充氫是不現實的。硼氫化鈉供氫系統則完全不同，只要儲存一定量的硼氫化鈉作為備用燃料，就可以連續長期供電。而且硼氫化鈉儲氫密度高，自身含氫量達到10.6％，約為常規金屬氫化物的5倍。硼氫化鈉在空氣中較穩定，溶于水形成液態儲氫材料，沒有自燃、爆炸的危險。通過催化水解反應硼氫化鈉能在常溫及低溫下迅速放出全部氫氣，啟動時間短，最低放氫溫度可達－40℃。與傳統化學氫化物的改質相比(甲烷、甲醇等)，硼氫化鈉產氫流程簡單，系統簡單，產氫速度可調，可采用裝卸燃料盒或更換溶液的方法，大大延長了燃料電池的工作時間。在野外，可以使用海水、河水、溪水、雪水等水源作為硼氫化鈉水解產氫的原料，在極端情況下甚至可以使用尿液作為水源。所以硼氫化鈉是一種特別適合于野外、極度惡劣的環境下為燃料電池供氫的理想儲氫介質。
利用NaBH4堿溶液來生產氫氣,必須要有足夠快的反應速度。為了加速反應,使用催化劑是最簡單易行的方法。在硼氫化鈉供氫系統中，硼氫化鈉水解制氫所采用的催化劑主要分為兩類：固定床催化劑和酸催化劑。固定床催化劑中，應用最為廣泛的催化劑是附著在多孔載體材料上的貴金屬催化劑。美國千年電池公司Amendola等對用離子交換樹脂負載的Ru催化劑進行了系統的研究，并將該催化劑應用于該公司的即時供氫裝置中。經過多種離子交換樹脂負載5％Ru后的活性比較，發現采用陰離子交換樹脂比陽離子交換樹脂效果更好。而日本豐田研發中心采用超臨界方法將Fe、Ni、Pd、Ru、Rh、Pt等負載在TiO2上作為硼氫化鈉水解制氫催化劑。
雖然從反應式來看，氫氣是硼氫化鈉水解反應所產生的唯一氣體。但在實際反應中，由于反應速度較快和很大的熱效應，溶液在與催化劑的接觸處溫度達60～80℃，甚至更高。氫氣從溶液中逸出過程中攜帶了大量水蒸氣和溶液的霧狀液滴。有5％～10％的溶液在反應過程中被氫氣攜帶出去。如果氫氣提供給質子交換膜燃料電池，雖然其中的水分是燃料電池所需要的，但其中含有的Na+、OH－、BH4－及B(OH)4－等堿性離子將會對PEMFC的性能產生影響。簡單來說，硼氫化鈉溶液帶有較強的堿性，因此所產氫氣由于夾帶了大量的液滴呈較強的堿性。而PEMFC是酸性環境，使用這樣的氫氣會嚴重影響PEMFC的性能及壽命。因此必須除去硼氫化鈉水解反應所產氣體中的霧狀液滴，進行良好的氣液分離，以消除雜質對燃料電池的影響。常見的液體NaBH4水解制氫裝置都具有2個主要容器，1個燃料罐和1個殘液罐，NaBH4水溶液作為燃料儲存于燃料罐中，工作時，燃料進入反應器，NaBH4發生水解發應，生成氫氣和NaBO2，NaBO2溶解于水中。反應產物和未反應的燃料形成氣液混合物直接進入殘液罐，經過氣液分離后，氫氣離開殘液罐，供燃料電池堆用。水力旋流分離器由于其效率高、處理量大、維護費用低等優點，已廣泛應用于煤礦、化工、食品加工及能源等各個領域，工業中常用的水力旋流器的結構特點是直徑小而圓錐部分長。這種雙腔結構的制氫系統應用比較廣泛。
這種結構的制氫系統，存在如下問題：第一，由于設置了床室催化室，結構不夠緊湊，很難小型化；第二，溶液催化室的管路阻力，會增加溶液的壓力損失，增加能耗；第三，采用固定床催化劑如固定床雷尼鎳等作為硼氫化鈉水解制氫催化劑時，硼氫化鈉溶液的濃度不能過高，否則會使得反應過程中生成的偏硼酸鈉在催化劑上面析出，覆蓋活性位，使得催化劑逐漸失活，這嚴重限制了硼氫化鈉的濃度提高，從而使得整個系統的儲氫率下降。
技術實現要素：
本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器。
本發明的目的是提供一種具有體積小、重量輕、所需流體動力小、催化效率高、散熱效果好等特點的用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器。
一種用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器，內壁涂有硼氫化鈉水解反應催化劑。
優選地，催化劑層為多孔層，以增大催化面積。
優選地，催化劑為Co、Fe、Ni。
優選地，分離器外壁設置有散熱裝置，來控制反應溫度。
本發明實現的原理是：NaBH4水溶液接觸特定催化劑的時候,硼氫化鈉可以迅速地發生水解反應,釋放出大量高純度的氫氣。在催化劑存在下,硼氫化鈉在堿性水溶液中可水解產生氫氣和水溶性亞硼酸鈉。反應式如下:
NaBH4+2H2O→4H2+NaBO2
硼氫化鈉溶液進入氣液分離器后，在側壁形成旋流，與催化劑充分接觸，在催化劑的作用下，硼氫化鈉水解生成氫氣。生成的氫氣從排氣口排出，殘液從排液口排出，反應生成的熱量主要集中在催化劑側壁的反應界面上，這些熱量通過側壁外側的散熱裝置直接散出。氫氣的生成速度可以通過硼氫化鈉溶液進入氣液分離器的速度來控制。
本發明用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器所采取的技術方案是：
一種用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器，其特征是：用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器設有原料液入口、氫氣排氣口和殘液排液口，分離器的內壁涂有硼氫化鈉水解反應催化劑層。
本發明用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器還可以采用如下技術方案：
所述的用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器，其特點是：硼氫化鈉水解反應催化劑層為多孔層結構。
所述的用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器，其特點是：硼氫化鈉水解反應催化劑層的催化劑為Co、Fe或Ni。
所述的用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器，其特點是：旋流式氣液分離器的分離器外側壁設置有散熱裝置，用于控制反應溫度。
本發明具有的優點和積極效果是：
用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器由于采用了本發明全新的技術方案，與現有技術相比，本發明具有以下明顯特點：
1.將催化室和氣液分離器結合，減輕了系統體積和重量，并減小了流體壓力損失，減低了能耗。
2.在高流速流體的作用下，產生的NaBO2更容易從側壁的催化劑表面脫離，提高催化效率。
3.利用分離器側壁直接換熱，冷卻介質直接作用在反應界面，換熱效率較高。
采用這種氣液分離器的硼氫化鈉制氫系統具有體積小、重量輕、所需流體動力小、催化效率高、散熱效果好等特點。
附圖說明
圖1是本發明用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器結構示意圖。
圖中，1為氣液分離器，2為原料液入口，3為氣體出口，4為排液口，5為催化劑層。
具體實施方式
為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：
參閱附圖1。
實施例1
一種用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器，設有原料液入口、氫氣排氣口和殘液排液口，分離器的內壁涂有硼氫化鈉水解反應催化劑層。硼氫化鈉水解反應催化劑層為多孔層結構。
本實施例的具體實施過程：
用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器，其材質為304不銹鋼，內壁采用將鎳粉、鋁粉和黏結劑混合涂敷經高溫焙燒，制備表面合金化的泡沫鎳，再經堿液活化，得到內壁催化劑層。硼氫化鈉溶液進入由原料液入口2進入氣液分離器1后，在側壁形成旋流，與催化劑5充分接觸，在催化劑5的作用下，硼氫化鈉水解生成氫氣。生成的氫氣從排氣口3排出，殘液從排液口4排出，反應生成的熱量主要集中在催化劑側壁的反應界面上，這些熱量可以通過側壁外側的散熱裝置直接散出。氫氣的生成速度可以通過硼氫化鈉溶液進入氣液分離器的速度來控制。采用該分離器進行硼氫化鈉制氫，在室溫的條件下,10％硼氫化鈉溶液以1.8m3/h通過分離器在室溫下的產氫速率約為200mL/(min·g cat)。
實施例2
一種用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器，設有原料液入口、氫氣排氣口和殘液排液口，分離器的內壁涂有硼氫化鈉水解反應催化劑層。硼氫化鈉水解反應催化劑層為多孔層結構。
本實施例的具體實施過程：
用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器，其材質為304不銹鋼，內壁采用將鈷粉、鋁粉和黏結劑混合涂敷經高溫焙燒，制備表面多孔鈷催化層，再經堿液活化，得到內壁催化劑層。硼氫化鈉溶液進入由原料液入口2進入氣液分離器1后，在側壁形成旋流，與催化劑5充分接觸，在催化劑5的作用下，硼氫化鈉水解生成氫氣。生成的氫氣從排氣口3排出，殘液從排液口4排出，反應生成的熱量主要集中在催化劑側壁的反應界面上，這些熱量可以通過側壁外側的散熱裝置直接散出。氫氣的生成速度可以通過硼氫化鈉溶液進入氣液分離器的速度來控制。采用該分離器進行硼氫化鈉制氫，在室溫的條件下,10％硼氫化鈉溶液以1.8m3/h通過分離器在室溫下的產氫速率約為250mL/(min·g cat)。
實施例3
一種用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器，設有原料液入口、氫氣排氣口和殘液排液口，分離器的內壁涂有硼氫化鈉水解反應催化劑層。硼氫化鈉水解反應催化劑層為多孔層結構。
本實施例的具體實施過程：
用于硼氫化鈉制氫的旋流式氣液分離器，其材質為304不銹鋼，內壁采用將鐵粉、鋁粉和黏結劑混合涂敷經高溫焙燒，制備表多孔鐵催化層，再經堿液活化，得到內壁催化劑層。硼氫化鈉溶液進入由原料液入口2進入氣液分離器1后，在側壁形成旋流，與催化劑層5充分接觸，在催化劑層5的作用下，硼氫化鈉水解生成氫氣。生成的氫氣從排氣口3排出，殘液從排液口4排出，反應生成的熱量主要集中在催化劑側壁的反應界面上，這些熱量可以通過側壁外側的散熱裝置直接散出。氫氣的生成速度可以通過硼氫化鈉溶液進入氣液分離器的速度來控制。采用該分離器進行硼氫化鈉制氫，在室溫的條件下,10％硼氫化鈉溶液以1.8m3/h通過分離器在室溫下的產氫速率約為130mL/(min·g cat)。
采用這種氣液分離器的硼氫化鈉制氫系統具有體積小、重量輕、所需流體動力小、催化效率高、散熱效果好等特點。可用于無人機等小型燃料電池供氫系統。除上述應用外，以硼氫化鈉水解制氫的燃料電池電源可應用于航天器、衛星、火箭、魚雷、便攜導彈發射器以及手機、手提電腦的電源、無繩電動工具、應急電源、單兵作戰電源等。該系統因其高容量、高性能顯示出強大的市場競爭力。除此之外，硼氫化鈉粉末易攜帶、易運輸，適合為特殊場合(高山、海上、水下、地下等)的燃料電池電源供給氫氣。因此，硼氫化鈉供氫的燃料電池電源不僅可代替現有的干電池和部分二次電池，還具備取代小型發電機電源的潛力。