专利名称：一种基于铝水解反应的便携式制氢发生器及控制方法
技术领域：
本发明属于氢气制备技术领域，特别是涉及一种适用于铝合金水解反应的氢气发 生器及其控制方法。
背景技术：
以氢气为燃料的质子交换膜电池具有能量转化效率高、环境友好、寿命长、比功率 高等突出优点，被认为是笔记本电脑、手机等移动工具的首选理想电源。小型的质子交换膜 电池除要求自身体积小、携带方便等要求外，还要求供氢系统产氢速度快、高效、安全及系 统设计简单等。常规的储氢方法，如高压储氢，合金化合物储氢难以满足上述要求。因此最 近几年国际上开发了以硼氢化物或金属为原料的制氢技术及相关装置，极大促进了小型质 子交换膜电池的推广应用。在众多的制氢_储氢材料中，金属铝具有资源丰富、价格低廉、 水解产氢量高(1245ml/lg A1)、反应在温和条件进行、产物可循环利用、无有毒气体等优 点，是解决氢气储存的理想途径之一。发明专利(CN，02104279. 9)开发了铝和氢氧化钠水溶液反应制氢技术及装置，该 方法简单，但制氢装置带有大量的附件，如压力控制、液位计、计量泵等，大大增加了系统结 构的复杂性和装置的制造成本。专利(CN，200710072342. 4)采用滴水加入法，简化了铝与 碱溶液水解制氢装置。通过设计3个滴液管、U型软管、弹性膜、挡板等，利用装置内铝与碱 反应产生的氢压，使弹性膜膨胀挤压U型软管，控制水的流量。本专利最大的改进在于借 助自身的氢气压力，控制铝与碱的反应。但是系统的设计依然复杂，依然带有大量的辅助部 件，导致制氢装置体积庞大。其次，铝与碱液反应是剧烈的放热反应，大量的热量若未有效 除去，可能导致水解产物急剧结块，影响反应的进行以及不安全因素等后果的产生。
发明内容
本发明旨在解决现有制氢技术中存在的问题，提供了一种适合小型质子交换膜燃 料电池的便携式氢气发生器及其控制方法。本发明包含注水管、热交换室、进水毛细管、存料室、圆柱进水管、储气室、移动式 分离膜、导气管。注水管弯曲垂直罐体水平面，并超出罐体水平面10-30cm的高度。注水管 表面有螺纹，可与管式水槽相连，或用螺帽拧紧，与外界隔绝。热交换室是罐体的内壁与外 壁之间、宽度为l-10mm的空心体。进水毛细管位于罐体内壁的侧上方，与进水圆柱管相连。 进水圆柱管是紧贴氢气发生器内壁的钢管，表面有分布均勻的直径为0. 01-lmm的小孔。移 动式分离膜为空心不锈钢圆环，上下表面分别黏贴的致密泡沫镍，圆环外径介于罐体内径 与圆柱管内径之间。进水圆柱体与分离膜固定连接。分离膜把罐体内部分为储料室和储气 室。导气管位于氢气发生器盖体正中央，罐体与盖体固定连接。工作原理本发明通过铝合金与水反应制造氢气，水由注水管加入到热交换室，然 后通过不锈钢毛细管进入制氢发生器内，通过进水圆柱管与合金接触反应2A1 (M) +6H20 — 2A100H+3H2
M为铋、镓、汞等其它金属产生的氢气透过分离膜，进入储气室，并通过出气管为燃料电池提供氢气，随反应 进行，当储气室的氢气压力大于外界注水管的压力时，毛细管的水滴被抑制，从而阻止制氢 反应的进行。当燃料电池逐渐将储气室内的氢气消耗，储气室的氢气压力大于外界注水管 的压力时，水继续通过毛细管进入存料室，反应将重复上述过程。与以往的技术相比，本发明的优点在于(1)本发明的制氢装置结构简单、易维护、成本低；(2)通过氢气发生器内部与外界的压力差，有效控制氢气产量；(3)本发明适用于锂铝等合金与水反应、铝与碱液反应等多种制氢材料；(4)本发明适用于多种燃料电池，产生的氢气含有一定量的水蒸汽，无需额外增加 加湿设备。综上所述，利用本发明提供的制氢装置及其控制方法可充分发挥铝合金水解制氢 技术的优越性，输出的氢气不仅带水蒸气、流量稳定，且能较好的控制反应进度，产氢速率 稳定、系统安全可靠、成本低。
图1为本发明制氢装置的结构示意图。图中，1-注水管，2-合金储存室，3-热交换室，4-进水圆柱管，5-罐体，6-分离膜， 7-氢气储存室，8-进水毛细管，9-盖体，10-固体螺母，11-出气阀，12-旋转螺母。
具体实施例方式为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹举以下实施例，并配合附图详 细说明如下请参阅附图1。实施例1一种制氢发生器，包括注水管，热交换室，进水圆柱管，罐体，分离膜，进水毛细管， 盖体，固体螺母，出气阀。水通过注水管加入，注水管带有螺纹，可由螺帽隔绝外界，也可与 其它水槽相连；水由注水管进入热交换室，热交换室设有梯形螺纹；进水毛细管连接热交 换室和圆柱管。分离膜连接合金储存室和氢气储存室。盖体上方有出气管道，输出端设有 调压阀和调流阀，可调节出口氢气的流量和压力，满足不同需求。氢气发生器设有氢气压力 调控装置，压力调控装置根据系统压力变化控制反应原料进入氢气发生器的流量。实施例21.实施例1制氢装置的制氢方法，其反应物水经注水管的加入，灌满热交换室，通 过毛细管，沿进水圆柱管进入合金储存室，并与储存室的合金反应制取氢气；氢气透过分离 膜进行固气分离，氢气进入氢气储存室。氢气净化后经出气管端口输出，出气管端口连有气 液分离膜。若氢气没及时输出，在氢气储存室形成压力，当该压力小于注水管端口与进水毛 细管之间的压力AP时，水会持续从毛细管进入；反之，当氢气储存室压力等于或大于注水 管端口与进水毛细管之间的压力差AP时，水会停止进入。通过旋转螺帽长度，调节水的进 入压力，进一步控制氢气发生器的进水量和进水速率。因此铝合金与水反应的产氢量和产氢速率由注水管端口与进水毛细管之间的压力差AP以及螺帽的旋转长度决定。AP取决 于注水管端口与进水毛细管之间的高度差Ah。
权利要求
一种基于铝合金水解反应的便携式制氢发生器，包括罐体和盖体；罐体是内壁空心的U型不锈钢罐，从底部往上分为热交换室、合金储存室(即反应区)、分离膜、氢气储存室。热交换室是罐体外壁与内壁之间的空心体；分离膜为空心圆环黏贴的致密泡沫镍，把罐体内部分为合金储存室和氢气储存室。在罐体内壁黏贴进水圆柱管，圆柱管表面有分布均匀的小孔，其顶端通过毛细管与热交换室相连。热交换室与注水管固定连接，注水管垂直罐体水平面，并与外界相连通，注水管带有螺纹，并通过螺帽旋转控制进水压力。
2.根据权利要求1所述的罐体，其特征是罐体内部体积为lO-lOOOcm3，内壁表层黏贴 的进水圆柱管表面分布均勻小孔，小孔直径为0. 01-lmm。
3.根据权利要求1所述的罐体，其特征是分离膜为空心不锈钢圆环，其上下表面分别 黏贴致密泡沫镍，圆环外径等于进水圆柱管的内径。
4.根据权利要求1所述的罐体，其特征是热交换室是罐体内壁与外壁之间的空心体， 宽度介于l-10mm之间。
5.根据权利要求1所述的罐体，其特征是毛细管置于罐体内壁侧上方，毛细管长度 l-10mm，直径 0. l-2mm。
6.根据权利要求1所述的所述的罐体，其特征是罐体底部连接注水管，注水管垂直罐 体水平面，并超出罐体水平面10-30cm的高度。注水管口与大气接触处带有螺纹，可与水 槽、螺帽相连。注水管内径l_50mm，螺纹长5-20cm。与注水管匹配的螺帽长5-20cm，内径与 注水管外径相同。在螺帽内部焊接一圆柱体，其外径与注水管内径相同，圆柱体高度与螺帽 高度相同。
7.根据权利要求1所述的便携式制氢发生器的控制方法，其特征是铝合金预先储存 在氢气发生器内，水通过水槽，进入注水管，通过重力作用流入热交换室，然后通过与热交 换层相连的毛细管进入氢气发生器，反应产生氢气，形成一定压力，当氢压过大，阻止水流 入。通过旋转螺帽长度，通过调节水的进入压力，控制氢气发生器的进水量和进水速率。
全文摘要
本发明涉及一种铝合金水解制氢的便携式制氢发生器与控制方法。本发明属于氢气制备技术领域，其特点是制氢发生器包括注水管、热交换区、毛细管、进水圆柱管、合金储存室(即反应区)、分离膜、氢气储存室。水通过注水管加入，经过热交换室、氢气储存室侧上方的毛细管、进水圆柱管与储存室合金反应。产生的氢气储存在氢气储存室或从出气管导出。合金水解产氢速率的控制取决于注水管和毛细管之间的势能差以及注水管螺帽的旋转深度。本发明具有装置简单、安全可靠、不用电、可控性好、输出氢压平稳等优点，可对氢气的产生速率和产量进行有效的控制，适用于多种燃料电池。
文档编号C01B3/08GK101973520SQ20101029360
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者柴文祥, 沈杭燕, 田光磊, 范美强, 陈达 申请人:中国计量学院