專(zhuān)利名稱(chēng)：一種氫氣發(fā)生器安全制氫和氫氣凈化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種安全制備純凈氫氣的方法，具體地講是涉及一種為燃料電池供氫的氫氣發(fā)生器安全制氫并凈化生成氫氣的方法。
背景技術(shù)：
由于儲(chǔ)氫材料硼氫化鈉具有儲(chǔ)氫量高、存儲(chǔ)安全、使用方便、環(huán)境友好、產(chǎn)生的氫氣純度高等優(yōu)勢(shì)，近來(lái)，將硼氫化鈉作為儲(chǔ)氫載體用于供氫裝置已經(jīng)引起了人們的極大興趣和深入研究。
目前已有不少專(zhuān)利介紹氫氣發(fā)生器，例如中國(guó)專(zhuān)利CN1438169A是關(guān)于一種氫氣的制備方法及裝置；中國(guó)專(zhuān)利CN101049907A是關(guān)于一種化學(xué)硼氫化物水解制氫的即時(shí)自控供氫的方法及裝置；中國(guó)專(zhuān)利CN1951800A是關(guān)于金屬氫化合物水解制氫的氫氣發(fā)生裝置及制氫方法等，這些專(zhuān)利主要介紹氫氣發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，對(duì)附屬結(jié)構(gòu)提及較少，僅在中國(guó)專(zhuān)利CN1951800A中涉及到加除堿介質(zhì)除堿。
由于硼氫化鈉制氫為放熱反應(yīng)，生成lmol的H2放出75KJ的熱量，若使用不銹鋼反應(yīng)器，器壁溫度高達(dá)80 ，很容易導(dǎo)致操作人員燙傷及對(duì)相鄰設(shè)備產(chǎn)生影響等；由于反應(yīng)器出口H2的溫度高達(dá)76'C，且H2逸出過(guò)程中夾帶大量水蒸氣及堿霧，相對(duì)濕度接近100%，如果直接進(jìn)電堆，受電堆實(shí)際工作溫度的影響，夾帶大量水蒸氣的氫氣會(huì)在電堆內(nèi)部冷卻，產(chǎn)生大量冷凝水阻礙H2的擴(kuò)散，局部H2不足會(huì)導(dǎo)致燃料電池的反極，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)燃料電池的報(bào)廢，因此需要根據(jù)電堆的工作溫度對(duì)反應(yīng)器出口氣體進(jìn)行冷卻，使之低于電堆工作溫度，冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的冷凝水同樣會(huì)堵塞H2的進(jìn)氣通道，需要在進(jìn)電堆前預(yù)先去除，堿霧的存在會(huì)嚴(yán)重影響質(zhì)子交換膜燃料電池的性能及壽命，因此必須對(duì)硼氫化鈉水解產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行凈化，適度冷卻同時(shí)去除冷凝水和堿霧，以保證燃料電池的正常運(yùn)行。
中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN 2305409Y報(bào)道了水解制氫裝置中氫氣的凈化除堿問(wèn)題，選用洗滌除堿，水冷方式冷卻不適用于便攜式裝置；專(zhuān)利CN1951800A設(shè)置了蛇形管加除堿介質(zhì)除堿，沒(méi)有提及氫氣的溫度及冷凝水處理的問(wèn)題，而氫氣溫度和大量冷凝水都會(huì)對(duì)燃料電池產(chǎn)生影響。采用酸液洗滌產(chǎn)生的氫氣可以有效解決溫度及堿霧的問(wèn)題，但是凈化裝置不能倒置，否則引起酸液進(jìn)入燃料電池或氫氣發(fā)生器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種降低氫氣發(fā)生器外壁溫度、操作安全、簡(jiǎn)單并且有效去除氫氣冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的冷凝水和氫氣中夾帶的堿霧的方法。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的發(fā)明人在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的研究和創(chuàng)造性的勞動(dòng)，研制出了一種氫氣發(fā)生器安全制氫和氫氣凈化方法，所述的氫氣發(fā)生器外包覆隔熱膜或隔熱涂料，氫氣發(fā)生器中產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過(guò)冷卻，并通過(guò)吸水材料將冷凝水除去，氫氣中的堿霧通過(guò)除堿劑除去。
所述的吸水材料為高吸水性樹(shù)脂、吸水紙、脫脂棉、無(wú)塵紙、海綿、分子篩中的一種或幾種的混合物。而且，所述的吸水材料制成中空狀。
所述的除堿劑是固體超強(qiáng)酸或離子交換樹(shù)脂。
所述的固體超強(qiáng)酸為負(fù)載型固體超強(qiáng)酸、無(wú)機(jī)鹽復(fù)配而成的固體超強(qiáng)酸、硫酸根離子改性金屬氧化物、氟代磺酸化離子交換樹(shù)脂、雜多酸、強(qiáng)酸型分子篩、AlCl3與磺酸根離子交換樹(shù)脂形成的配合物中的一種或其中幾種的混合物。
所述的離子交換樹(shù)脂為強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂或弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。
所述的氫氣發(fā)生器外包覆隔熱膜或隔熱涂料，根據(jù)環(huán)境溫度及可接受的外壁溫度決定隔熱材料的厚度，這樣既可以防止操作人員燙傷，又可以防止器壁溫度過(guò)高，影響燃料電池電堆的散熱，提高氫氣發(fā)生器的安全性。由于硼氫化鈉制氫得到的氫氣溫度較高(76°C)，相對(duì)濕度接近100%，直接進(jìn)燃料電池電堆后可能產(chǎn)生大量冷凝水妨礙H2的擴(kuò)散，故需對(duì)反應(yīng)器出口的氣體進(jìn)行適度冷卻降低水汽含量以滿(mǎn)足電堆的工作要求，冷卻可采用空冷等簡(jiǎn)易便攜式方式，冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的冷凝水采用吸水材料吸收，吸水材料選用高吸水性樹(shù)脂、吸水紙、脫脂棉、無(wú)塵紙、海綿、分子篩等，吸水效果好，為避免吸水材料吸水后體積膨脹造成氣阻增加，影響H2的生成速率和燃料電池的正常運(yùn)行，故設(shè)置吸水材料時(shí)，中間留出中空的空隙，該中空部分作為體積膨脹的備用空間。這種中空狀吸水材料吸收冷凝水的方法可用于任何需要除去冷凝水同時(shí)避免氣阻的場(chǎng)合。氫氣中夾帶的堿霧一部分隨冷凝水冷凝下來(lái)，剩余堿霧通過(guò)固體超強(qiáng)酸或離子交換樹(shù)脂去除，除堿效果很好，凈化后的氫氣仍有較高的相對(duì)濕度，可直接使用，不需要加裝增濕系統(tǒng)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
圖l是本發(fā)明凈化裝置的剖視圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，氫氣發(fā)生器中產(chǎn)生的氫氣從氣體入口l進(jìn)入凈化裝置，通過(guò)吸水材料4將氣體冷卻后產(chǎn)生的冷凝水除去，中空部分3是為吸水材料吸水后膨脹預(yù)留的空間，然后氫氣經(jīng)過(guò)除堿劑5除去堿霧，然后從氣體出口2排出，可直接供給燃料電池使用。
除堿率的計(jì)算方法將凈化后的氫氣通入一定量的去離子水中，用pH計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)去離子水的pH值變化，每l-2分鐘記錄一次去離子水的pH值。溶液中的0H—濃度可用下式計(jì)算"OH一) ="， x為t min時(shí)去離子水中的pH值。pH值沒(méi)有變化說(shuō)明除堿率為100呢。
實(shí)施例中所用到的除堿劑和吸水材料均為市售商品。
實(shí)施例l
硼氫化鈉制氫采用不銹鋼反應(yīng)器，產(chǎn)氫速率2. 0L/min，采用5 mm厚隔熱膜包覆反應(yīng)器，包覆前后反應(yīng)器外壁溫度分別為8(TC和38'C，反應(yīng)器出口氣體溫度74'C，經(jīng)空冷至6(TC，采用l g熱合無(wú)塵紙吸收冷凝水，置于長(zhǎng)60mm，內(nèi)徑25mm的脫水管中，吸水后無(wú)塵紙向中空部分膨脹，中間部分仍有一定的空間故不會(huì)產(chǎn)生氣阻；然后再經(jīng)3g S0 7Zr02固體超強(qiáng)酸除堿，經(jīng)過(guò)60 min的測(cè)試，出口氣體中不夾帶液態(tài)冷凝水，除堿率為100%，完全可滿(mǎn)足燃料電池的要求。
實(shí)施例2
硼氫化鈉制氫采用聚甲醛反應(yīng)器，產(chǎn)氫速率1.6L/min，采用5 mm厚隔熱膜包覆反應(yīng)器，包覆前后反應(yīng)器外壁溫度分別為78'C和38'C，反應(yīng)器出口氣體溫度72'C，經(jīng)空冷至6(TC，采用5g高吸水性樹(shù)脂吸收冷凝水，置于長(zhǎng)60mm，內(nèi)徑25 mm的脫水管中，其中間設(shè)有中空部分;然后再經(jīng)10gNafion-H除堿，經(jīng)過(guò)200 min的測(cè)試，出口氣體中不夾帶液態(tài)冷凝水，除堿率為100%，完全可滿(mǎn)足燃料電池的要求。
實(shí)施例3
硼氫化鈉制氫采用不銹鋼反應(yīng)器，產(chǎn)氫速率1.6L/min，采用3 mm厚隔熱膜包覆反應(yīng)器，反應(yīng)器和隔熱膜的外壁溫度分別為76'C和45'C，反應(yīng)器出口氣體溫度7rC，經(jīng)空冷至6(TC，采用3g膠合無(wú)塵紙吸收冷凝水，置于長(zhǎng)100mm，內(nèi)徑25 mm的脫水管中，其中間設(shè)有中空部分;然后再經(jīng)7g001X7型離子交換樹(shù)脂除堿，經(jīng)過(guò)90 min的測(cè)試，出口氣體中不夾帶液態(tài)冷凝水，除堿率為100%，完全可滿(mǎn)足燃料電池的要求。
實(shí)施例4
硼氫化鈉制氫采用聚苯硫醚反應(yīng)器，產(chǎn)氫速率2. 0L/min，采用IO mm厚隔熱膜包覆反應(yīng)器，包覆前后反應(yīng)器外壁溫度分別為8(TC和36。C，反應(yīng)器出口氣體溫度75。C，經(jīng)空冷至6(TC，采用IO g吸水紙吸收冷凝水，置于長(zhǎng)200mm，內(nèi)徑25mm的脫水管中，其中間設(shè)有中空部分;然后再經(jīng)40gD001型離子交換樹(shù)脂除堿，經(jīng)過(guò)500 min的測(cè)試，出口氣體中不夾帶液態(tài)冷凝水，除堿率為100%，完全可滿(mǎn)足燃料電池的要求。實(shí)施例5
硼氫化鈉制氫采用不銹鋼反應(yīng)器，產(chǎn)氫速率1.6L/min，采用5 mm厚隔熱涂料涂覆反應(yīng)器，包覆前后反應(yīng)器外壁溫度分別為76'C和42'C，反應(yīng)器出口氣體溫度72'C，經(jīng)空冷至55'C，采用10 g分子篩和高吸水性樹(shù)脂的混合物吸收冷凝水，其中分子篩和高吸水性樹(shù)脂的質(zhì)量比為l: 2，置于長(zhǎng)IOO mm，內(nèi)徑25 mm的脫水管中，其中間設(shè)有中空部分；然后再經(jīng)15 gS04—/Zr02/MCM-41除堿，經(jīng)過(guò)300 min的測(cè)試，出口氣體中不夾帶液態(tài)冷凝水，除堿率為100%，完全可滿(mǎn)足燃料電池的要求。
實(shí)施例6
硼氫化鈉制氫采用ABS塑料反應(yīng)器，產(chǎn)氫速率2L/min，采用7 mm厚隔熱涂料涂覆反應(yīng)器，包覆前后反應(yīng)器外壁溫度分別為78。C和4(TC，反應(yīng)器出口氣體溫度73。C，經(jīng)空冷至6(TC，采用5 g含高吸水性樹(shù)脂的海綿吸收冷凝水，將高吸水性樹(shù)脂均勻填充到海綿中，高吸水性樹(shù)脂和海綿的質(zhì)量比為4:1，置于長(zhǎng)100mm，內(nèi)徑25mm的脫水管中，其中間設(shè)有中空部分；然后再經(jīng)10g AlCl3-CuCl2復(fù)配型固體超強(qiáng)酸和10g強(qiáng)酸型分子篩HZSM-5的混合物除堿，經(jīng)過(guò)180 min的測(cè)試，出口氣體中不夾帶液態(tài)冷凝水，除堿率為100%，完全可滿(mǎn)足燃料電池的要求。
實(shí)施例7
硼氫化鈉制氫采用不銹鋼反應(yīng)器，產(chǎn)氫速率1.6L/min，采用3 mm厚隔熱膜包覆反應(yīng)器，包覆前后反應(yīng)器外壁溫度分別為76'C和45'C，反應(yīng)器出口氣體溫度7rC，經(jīng)空冷至5(TC，采用3g熱合無(wú)塵紙吸收冷凝水，置于長(zhǎng)IOO mm，內(nèi)徑25mm的脫水管中，其中間設(shè)有中空部分；然后再經(jīng)40g IIO型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂除堿，經(jīng)過(guò)180min的測(cè)試，出口氣體中不夾帶液態(tài)冷凝水，除堿率為100%，完全可滿(mǎn)足燃料電池的要求。
實(shí)施例8
硼氫化鈉制氫采用不銹鋼反應(yīng)器，產(chǎn)氫速率2. 4L/min，采用5 mm厚隔熱膜包覆反應(yīng)器，包覆前后反應(yīng)器外壁溫度分別為8(TC和4(rC，反應(yīng)器出口氣體溫度約75。C，經(jīng)空冷至5(TC，采用1.5 g吸水紙吸收冷凝水，置于長(zhǎng)60mm，內(nèi)徑15mm的脫水管中，其中間設(shè)有中空部分；然后氫氣再經(jīng)10gl22型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂除堿，經(jīng)過(guò)60 min的測(cè)試，出口氣體中不夾帶液態(tài)冷凝水，除堿率為100%，完全可滿(mǎn)足燃料電池的要求。
實(shí)施例9
6硼氫化鈉制氫采用聚甲醛反應(yīng)器，產(chǎn)氫速率2. 4L/min，采用IO mm厚隔熱膜包覆反應(yīng)器 ，包覆前后反應(yīng)器外壁溫度分別為8(TC和36。C，，反應(yīng)器出口氣體溫度76。C，經(jīng)空冷至55r ，采用12g熱合無(wú)塵紙吸收冷凝水，置于長(zhǎng)50mm，內(nèi)徑25 mm的脫水管中，其中間設(shè)有中空部 分；然后再經(jīng)40g磷鎢酸除堿，經(jīng)過(guò)600 min的測(cè)試，出口氣體中不夾帶液態(tài)冷凝水，除堿率 為100%，完全可滿(mǎn)足燃料電池的要求。
權(quán)利要求
1.一種氫氣發(fā)生器安全制氫和氫氣凈化方法，其特征在于在所述的氫氣發(fā)生器外包覆隔熱膜或隔熱涂料，氫氣發(fā)生器中產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過(guò)冷卻，并通過(guò)吸水材料將冷凝水除去，氫氣中的堿霧通過(guò)除堿劑除去。
2 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氫氣發(fā)生器安全制氫和氫氣凈化方法，其特征在于所述的吸水材料為高吸水性樹(shù)脂、吸水紙、脫脂棉、無(wú)塵紙、海綿、分子篩中的一種或幾種的混合物。
3 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氫氣發(fā)生器安全制氫和氫氣凈化方法，其特征在于所述的吸水材料制成中空狀。
4 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氫氣發(fā)生器安全制氫和氫氣凈化方法，其特征在于所述的除堿劑是固體超強(qiáng)酸或離子交換樹(shù)脂。
5 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氫氣發(fā)生器安全制氫和氫氣凈化方法，其特征在于所述的固體超強(qiáng)酸為負(fù)載型固體超強(qiáng)酸、無(wú)機(jī)鹽復(fù)配而成的固體超強(qiáng)酸、硫酸根離子改性金屬氧化物、氟代磺酸化離子交換樹(shù)脂、雜多酸、強(qiáng)酸型分子篩、入^13與磺酸根離子交換樹(shù)脂形成的配合物中的一種或其中幾種的混合物。
6 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氫氣發(fā)生器安全制氫和氫氣凈化方法，其特征在于所述的離子交換樹(shù)脂為強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂或弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種氫氣發(fā)生器安全制氫和氫氣凈化方法，所述的氫氣發(fā)生器外包覆隔熱膜或隔熱涂料，氫氣發(fā)生器中產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過(guò)冷卻，并通過(guò)吸水材料將冷凝水除去，氫氣中的堿霧通過(guò)除堿劑除去。本發(fā)明具有降低氫氣發(fā)生器外壁溫度、操作安全、簡(jiǎn)單并且有效去除冷凝水和氫氣中夾帶的堿霧的優(yōu)點(diǎn)。屬于氫氣制備領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C01B3/02GK101565165SQ20081030128
公開(kāi)日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者侯曉峰, 王玉曉, 白永格, 鋼 肖 申請(qǐng)人:漢能科技有限公司