一种可控的化学制氢反应装置的制作方法

本实用新型属于燃料电池技术领域，特别涉及一种可控的化学制氢反应装置。

背景技术：

燃料电池系统作为能量转换输出源，需要供氢系统为其发电提供稳定、可靠的氢气供给，这同时决定了燃料电池发电的效果。以硼氢化物为原料的化学制氢供氢方式，既可以消除氢气储存和运输方面的不便，又能够实现化学制氢中的环境友好，此外该方式具有产氢纯度高、反应启动快、产氢速率可控、产物清洁可回收等优点，由此被认为是一种安全、高效和实用性很强的制氢储氢技术。纯硼氢化物在单独水解反应中动力学性能较差，需要添加催化剂、添加酸或者升温等促进其水解。其中，采用高效催化剂是实现反应快速启动和有效控制产氢速率的最有效方法，以硼氢化钠为例，反应如下：

通过催化水解硼氢化钠能在常温及低温下迅速放出全部氢气，与传统化学氢化物的改质相比（甲烷、甲醇等），硼氢化钠产氢流程简单，效率高，是广泛应用的制氢方法。

催化水解制氢的产气速率、响应时间、燃料转化率及体系能源效率等性能指标除与系统操作条件密切相关外，还在很大程度上取决于装置设计。现有的硼氢化物产氢装置大多由储料罐、残液罐、反应器和冷凝装置组成，硼氢化物溶液输送至反应器与催化剂反应，通过检测系统压力变化调整进料的启停或快慢来控制制氢过程，产物经气液分离后液态物存于残液罐，气体冷凝后供燃料电池使用。这种设计不仅要考虑反应过程原料的利用率，还要做好产物的分离以及控制罐内压力防止过高，实际应用中操作复杂，运输、携带不便且能耗高，此外硼氢化物配制成水溶液的方式降低了整体的储氢密度，也使得整个系统冗杂。

申请号为20111049658.8的中国发明专利，公开了一种便携式安全可控的水解制氢装置，将固体反应物料直接置于反应器中，通过输送水到反应器使反应物料发生水解反应产生氢气，根据反应器内压力变化情况调节进水量来控制反应速率。该发明所述水解制氢装置采用直接向固体反应物料加水制氢的方式，与硼氢化物配制成水溶液相比，提高了储氢密度，因副产物水溶液渗入固体反应物可继续制氢避免了双罐结构（储料罐与残液罐），简化了构造，且操作简单；但未涉及催化剂所以可能影响效率，且产生的气体会带有杂质影响纯度，会对电池造成损害，长期如此输送气体的管道可能会发生堵塞，此外通过压力变化调节进水量，使得反应速率受压力变化影响大，降低效率。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供一种可控的化学制氢反应装置，具有结构简单、操作方便、安全可控、产气纯度高、原料利用率和反应效率高的特点。

为达到上述目的，本实用新型采用的具体技术方案如下：

一种可控的化学制氢反应装置，包括储水罐、反应器、冷凝器和过滤器，所述反应器上连接有第一进水管和第一氢气输出管，所述第一进水管设有输液泵以将所述储水罐储存的水经第一进水管输送至反应器，所述第一氢气输出管用于将所述反应器产生的气体经冷凝器输送至所述储水罐，所述过滤器通过第二氢气输出管与所述储水罐连接，所述过滤器设有第三氢气输出管；所述反应器内部设有包裹固体制氢药剂的初滤装置，所述第一进水管与反应器相连端伸入所述初滤装置。

本实用新型所述化学制氢反应装置中反应器集储料制氢为一体，将固体制氢药剂预先倒入反应器中的初滤装置，通过由储水罐向反应器进水发生反应，固体制氢药剂遇水后产生的氢气可透过初滤装置，而将制氢反应过程中产生的碱液及泡沫截留在初滤装置内，不必考虑副产物的去除回收，不仅省去双罐结构，而且气体产物滤去大量杂质有效防止出气管道发生堵塞，简化结构的同时提高了安全性。初滤过的氢气再经冷凝器冷却后随冷凝水回流至储水罐中，再经过滤器处理后供电池使用。该装置所制氢气经初滤、冷却洗涤和过滤干燥后纯度高，有效避免碱液对电池的损害；储水罐一罐多用，起到供水、冷却洗涤氢气和回收冷凝水的作用。

制氢药剂包括制氢剂和催化剂，制氢剂为硼氢化钠、硼氢化钾、硼氢化锂中的一种或多种，催化剂为贵金属盐、过渡金属盐、固体酸中的一种或多种。现有的固体硼氢化钠制氢方法，均是将催化剂溶液加入固体硼氢化钠中，这种方法存在的问题是随着反应的进行，可在硼氢化钠芯上堆积一层偏硼酸钠结晶层，以后的反应取决于有效渗透偏硼酸钠结晶层到达硼氢化钠芯的水量，硼氢化钠利用率低。而本实用新型将制氢剂和催化剂混合均匀后倒入初滤装置，使两者之间始终具有较大的接触面积，再通过进水发生制氢反应，即使产生偏硼酸钠结晶，所含的结晶水也会供给周围的氢剂和催化剂继续发生反应，有效提高原料利用率。

优选的，所述储水罐和反应器之间还连有第二进水管，用于输送储水罐因储水受氢气压力产生的出水，所述第二进水管设有流量泵。现有技术中当气体压力过大时，通常是通过减少进水量或暂停进水使反应速度减慢，待气体输送后压力降低再恢复进水，反应速率受压力影响大。针对该问题，本实用新型设置第二进水管疏导气体压力，当储水罐内部压力过大时，储水进入第二进水管，达到一定流量时流量阀开启，水进入反应器发生制氢反应，因此反应速率不受气体压力影响且能有效利用气体压力。

优选的，所述第二氢气输出管设有调压阀，所述调压阀在检测到进气压力值高于设定值时自动开启，将进口压力减至某一恒定值后进行后续输送。

优选的，所述第一进水管通过并联的方式连接多个反应器，各个反应器产生的气体经第一氢气输出管上设置的多通阀汇合后导出。采用反应器并联的设计实现不同的制氢要求，可以通过增加或减少反应器数量及大小满足不同需求，操作简单。

优选的，所述储水罐设有检测内部气压的压力表，实时监测，了解反应情况。

优选的，所述初滤装置为无纺布袋，通过绑扎将所述进水管固定在无纺布袋上部。无纺布具有良好的透气性，氢气由无纺布透过而将杂质截留在袋内，达到良好的初滤效果，将进水管固定在无纺布袋上部防止其管口脱离无纺布袋而涌入大量氢气影响进水。

优选的，所述冷凝器由散热器和风扇组成。

优选的，所述过滤器包含有除去气体杂质的离子交换树脂及吸收多余水蒸气的分子筛、吸水树脂等。

本实用新型具有以下有益效果：

通过在反应器设置包裹固体制氢药剂的初滤装置，以直接向固体制氢药剂加水制氢的方式制氢，避免双罐结构，减少氢气杂质，防止管路堵塞，也使得制氢反应过程中产生的碱液及泡沫得到有效控制，从而避免反应操作过程中存在的安全隐患，结构简单，安全性高。所制氢气经初滤、冷却洗涤和过滤干燥后，纯度高，对电池的损害小。将过大的氢气压力用于进水，使得制氢反应不受气体压力影响，提高反应速率，安全可控。此外，可依据产氢量及相应的体积、质量要求自由调节反应器数量及大小，实现不同的制氢要求，操作简单，适用性好。

制氢药剂为制氢剂和催化剂的固体均匀混合物，与现有技术将催化剂溶液加入固体制氢剂中相比，运行方式简单，有效减少结晶抑制，提高原料利用率，保证制氢过程持续进行。

附图说明

图1：本实用新型的结构示意图。

图中：1-储水罐，2-输液泵，3-反应器，4-初滤装置，5-冷凝器，6-过滤器，7-多通阀，8-第一进水管，9-第一氢气输出管，10-第二氢气输出管，11-第三氢气输出管，12-第二进水管，13-流量阀，14-压力表，15-调压阀。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种可控的化学制氢反应装置，包括储水罐1、反应器3、冷凝器5和过滤器6，所述反应器3上连接有第一进水管8和第一氢气输出管9，所述第一进水管8设有输液泵2以将所述储水罐1储存的水经第一进水管8输送至反应器3，所述第一氢气输出管9用于将所述反应器3产生的气体经冷凝器5输送至所述储水罐1，所述过滤器6通过第二氢气输出管10与所述储水罐1连接，所述过滤器6设有第三氢气输出管11；所述反应器（3）内部设有包裹固体制氢药剂的初滤装置4，所述第一进水管8与反应器3相连端伸入所述初滤装置4。

所述第一进水管8通过并联的方式连接两个反应器3，各个反应器3产生的气体经第一氢气输出管9上设置的三通阀7汇合后导出。所述储水罐1设有检测内部气压的压力表14。所述储水罐1和反应器3之间还连有第二进水管12，用于输送储水罐1因储水受氢气压力产生的出水，所述第二进水管12设有流量阀13。所述第二氢气输出管10设有调压阀15，所述调压阀15在检测到进气压力值高于设定值时自动开启。所述初滤装置4为无纺布袋，通过绑扎将所述进水管8固定在无纺布袋上部。所述冷凝器5由散热器和风扇组成。所述过滤器6包含有除去气体杂质的离子交换树脂及吸收多余水蒸气的分子筛、吸水树脂等。

本实用新型的工作原理为：制氢操作时，首先将无纺布袋4放进反应器3中，随后制氢剂和催化剂混合均匀倒入无纺布袋4中，利用扎带将进水管8固定在布袋上部，密封反应器3，两个反应器重复以上操作。然后接通电源利用并联的两个输液泵2将储水罐1中的水泵入各个反应器3，启动制氢反应。当水与制氢药剂接触发生化学反应生成氢气，两个反应器3产生的氢气经第一氢气输出管9到达三通阀7，经汇合后通过冷凝器5冷凝，冷凝过后的气体及冷凝水回流至储水罐1，进一步冷凝及除杂。待储水罐1液面上方压力达到一定值时，关闭输液泵2，开启两个流量阀13，水由第二进水管12输送至两个反应器3继续反应，进水流量由流量阀13控制，第二进水管12出水减少时再开启输液泵2，如此往复操作使制氢反应平稳快速进行。所述调压阀15在检测到进气压力值高于设定值时自动开启，将进口压力减至某一恒定值后由第二氢气输出管通10向过滤器6，经过滤干燥后经第三氢气输出管11供给燃料电池。

实施例2

基本构造同实施例1，区别在于所述化学制氢反应装置包括三个并联的反应器3，各个反应器3产生的气体经第一氢气输出管9上设置的四通阀汇合后导出。

实施例3

装置构造同实施例1，区别在于所述制氢剂为硼氢化钠和硼氢化钾的混合物，所述催化剂为固体酸。

实施例4

装置构造同实施例1，区别在于所述制氢剂为硼氢化钠和硼氢化钾的混合物，所述催化剂为贵金属盐和过渡金属盐的混合物。

本具体实施方式仅仅是对本实用新型的解释，并不是对本实用新型的限制。本领域技术人员在阅读了本实用新型的说明书之后所做的任何改变，只要在权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。