一種氫氣發生器安全制氫和氫氣淨化方法
2023-11-02 18:31:07 2
專利名稱：一種氫氣發生器安全制氫和氫氣淨化方法
技術領域：
本發明涉及一種安全製備純淨氫氣的方法，具體地講是涉及一種為燃料電池供氫的氫氣發生器安全制氫並淨化生成氫氣的方法。
背景技術：
由於儲氫材料硼氫化鈉具有儲氫量高、存儲安全、使用方便、環境友好、產生的氫氣純度高等優勢，近來，將硼氫化鈉作為儲氫載體用於供氫裝置已經引起了人們的極大興趣和深入研究。
目前已有不少專利介紹氫氣發生器，例如中國專利CN1438169A是關於一種氫氣的製備方法及裝置；中國專利CN101049907A是關於一種化學硼氫化物水解制氫的即時自控供氫的方法及裝置；中國專利CN1951800A是關於金屬氫化合物水解制氫的氫氣發生裝置及制氫方法等，這些專利主要介紹氫氣發生器的結構，對附屬結構提及較少，僅在中國專利CN1951800A中涉及到加除鹼介質除鹼。
由於硼氫化鈉制氫為放熱反應，生成lmol的H2放出75KJ的熱量，若使用不鏽鋼反應器，器壁溫度高達80 ，很容易導致操作人員燙傷及對相鄰設備產生影響等；由於反應器出口H2的溫度高達76'C，且H2逸出過程中夾帶大量水蒸氣及鹼霧，相對溼度接近100%，如果直接進電堆，受電堆實際工作溫度的影響，夾帶大量水蒸氣的氫氣會在電堆內部冷卻，產生大量冷凝水阻礙H2的擴散，局部H2不足會導致燃料電池的反極，嚴重時會導致整個燃料電池的報廢，因此需要根據電堆的工作溫度對反應器出口氣體進行冷卻，使之低於電堆工作溫度，冷卻過程中產生的冷凝水同樣會堵塞H2的進氣通道，需要在進電堆前預先去除，鹼霧的存在會嚴重影響質子交換膜燃料電池的性能及壽命，因此必須對硼氫化鈉水解產生的氫氣進行淨化，適度冷卻同時去除冷凝水和鹼霧，以保證燃料電池的正常運行。
中國專利公開號為CN 2305409Y報導了水解制氫裝置中氫氣的淨化除鹼問題，選用洗滌除鹼，水冷方式冷卻不適用於可攜式裝置；專利CN1951800A設置了蛇形管加除鹼介質除鹼，沒有提及氫氣的溫度及冷凝水處理的問題，而氫氣溫度和大量冷凝水都會對燃料電池產生影響。採用酸液洗滌產生的氫氣可以有效解決溫度及鹼霧的問題，但是淨化裝置不能倒置，否則引起酸液進入燃料電池或氫氣發生器。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種降低氫氣發生器外壁溫度、操作安全、簡單並且有效去除氫氣冷卻過程中產生的冷凝水和氫氣中夾帶的鹼霧的方法。
為解決上述技術問題，本發明的發明人在現有技術的基礎上進行了大量的研究和創造性的勞動，研製出了一種氫氣發生器安全制氫和氫氣淨化方法，所述的氫氣發生器外包覆隔熱膜或隔熱塗料，氫氣發生器中產生的氫氣經過冷卻，並通過吸水材料將冷凝水除去，氫氣中的鹼霧通過除鹼劑除去。
所述的吸水材料為高吸水性樹脂、吸水紙、脫脂棉、無塵紙、海綿、分子篩中的一種或幾種的混合物。而且，所述的吸水材料製成中空狀。
所述的除鹼劑是固體超強酸或離子交換樹脂。
所述的固體超強酸為負載型固體超強酸、無機鹽復配而成的固體超強酸、硫酸根離子改性金屬氧化物、氟代磺酸化離子交換樹脂、雜多酸、強酸型分子篩、AlCl3與磺酸根離子交換樹脂形成的配合物中的一種或其中幾種的混合物。
所述的離子交換樹脂為強酸性陽離子交換樹脂或弱酸性陽離子交換樹脂。
所述的氫氣發生器外包覆隔熱膜或隔熱塗料，根據環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高，影響燃料電池電堆的散熱，提高氫氣發生器的安全性。由於硼氫化鈉制氫得到的氫氣溫度較高(76°C)，相對溼度接近100%，直接進燃料電池電堆後可能產生大量冷凝水妨礙H2的擴散，故需對反應器出口的氣體進行適度冷卻降低水汽含量以滿足電堆的工作要求，冷卻可採用空冷等簡易可攜式方式，冷卻過程中產生的冷凝水採用吸水材料吸收，吸水材料選用高吸水性樹脂、吸水紙、脫脂棉、無塵紙、海綿、分子篩等，吸水效果好，為避免吸水材料吸水後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行，故設置吸水材料時，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於任何需要除去冷凝水同時避免氣阻的場合。氫氣中夾帶的鹼霧一部分隨冷凝水冷凝下來，剩餘鹼霧通過固體超強酸或離子交換樹脂去除，除鹼效果很好，淨化後的氫氣仍有較高的相對溼度，可直接使用，不需要加裝增溼系統。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。
圖l是本發明淨化裝置的剖視圖。
具體實施方式
如圖1所示，氫氣發生器中產生的氫氣從氣體入口l進入淨化裝置，通過吸水材料4將氣體冷卻後產生的冷凝水除去，中空部分3是為吸水材料吸水後膨脹預留的空間，然後氫氣經過除鹼劑5除去鹼霧，然後從氣體出口2排出，可直接供給燃料電池使用。
除鹼率的計算方法將淨化後的氫氣通入一定量的去離子水中，用pH計實時檢測去離子水的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—濃度可用下式計算"OH一) ="， x為t min時去離子水中的pH值。pH值沒有變化說明除鹼率為100呢。
實施例中所用到的除鹼劑和吸水材料均為市售商品。
實施例l
硼氫化鈉制氫採用不鏽鋼反應器，產氫速率2. 0L/min，採用5 mm厚隔熱膜包覆反應器，包覆前後反應器外壁溫度分別為8(TC和38'C，反應器出口氣體溫度74'C，經空冷至6(TC，採用l g熱合無塵紙吸收冷凝水，置於長60mm，內徑25mm的脫水管中，吸水後無塵紙向中空部分膨脹，中間部分仍有一定的空間故不會產生氣阻；然後再經3g S0 7Zr02固體超強酸除鹼，經過60 min的測試，出口氣體中不夾帶液態冷凝水，除鹼率為100%，完全可滿足燃料電池的要求。
實施例2
硼氫化鈉制氫採用聚甲醛反應器，產氫速率1.6L/min，採用5 mm厚隔熱膜包覆反應器，包覆前後反應器外壁溫度分別為78'C和38'C，反應器出口氣體溫度72'C，經空冷至6(TC，採用5g高吸水性樹脂吸收冷凝水，置於長60mm，內徑25 mm的脫水管中，其中間設有中空部分;然後再經10gNafion-H除鹼，經過200 min的測試，出口氣體中不夾帶液態冷凝水，除鹼率為100%，完全可滿足燃料電池的要求。
實施例3
硼氫化鈉制氫採用不鏽鋼反應器，產氫速率1.6L/min，採用3 mm厚隔熱膜包覆反應器，反應器和隔熱膜的外壁溫度分別為76'C和45'C，反應器出口氣體溫度7rC，經空冷至6(TC，採用3g膠合無塵紙吸收冷凝水，置於長100mm，內徑25 mm的脫水管中，其中間設有中空部分;然後再經7g001X7型離子交換樹脂除鹼，經過90 min的測試，出口氣體中不夾帶液態冷凝水，除鹼率為100%，完全可滿足燃料電池的要求。
實施例4
硼氫化鈉制氫採用聚苯硫醚反應器，產氫速率2. 0L/min，採用IO mm厚隔熱膜包覆反應器，包覆前後反應器外壁溫度分別為8(TC和36。C，反應器出口氣體溫度75。C，經空冷至6(TC，採用IO g吸水紙吸收冷凝水，置於長200mm，內徑25mm的脫水管中，其中間設有中空部分;然後再經40gD001型離子交換樹脂除鹼，經過500 min的測試，出口氣體中不夾帶液態冷凝水，除鹼率為100%，完全可滿足燃料電池的要求。實施例5
硼氫化鈉制氫採用不鏽鋼反應器，產氫速率1.6L/min，採用5 mm厚隔熱塗料塗覆反應器，包覆前後反應器外壁溫度分別為76'C和42'C，反應器出口氣體溫度72'C，經空冷至55'C，採用10 g分子篩和高吸水性樹脂的混合物吸收冷凝水，其中分子篩和高吸水性樹脂的質量比為l: 2，置於長IOO mm，內徑25 mm的脫水管中，其中間設有中空部分；然後再經15 gS04—/Zr02/MCM-41除鹼，經過300 min的測試，出口氣體中不夾帶液態冷凝水，除鹼率為100%，完全可滿足燃料電池的要求。
實施例6
硼氫化鈉制氫採用ABS塑料反應器，產氫速率2L/min，採用7 mm厚隔熱塗料塗覆反應器，包覆前後反應器外壁溫度分別為78。C和4(TC，反應器出口氣體溫度73。C，經空冷至6(TC，採用5 g含高吸水性樹脂的海綿吸收冷凝水，將高吸水性樹脂均勻填充到海綿中，高吸水性樹脂和海綿的質量比為4:1，置於長100mm，內徑25mm的脫水管中，其中間設有中空部分；然後再經10g AlCl3-CuCl2復配型固體超強酸和10g強酸型分子篩HZSM-5的混合物除鹼，經過180 min的測試，出口氣體中不夾帶液態冷凝水，除鹼率為100%，完全可滿足燃料電池的要求。
實施例7
硼氫化鈉制氫採用不鏽鋼反應器，產氫速率1.6L/min，採用3 mm厚隔熱膜包覆反應器，包覆前後反應器外壁溫度分別為76'C和45'C，反應器出口氣體溫度7rC，經空冷至5(TC，採用3g熱合無塵紙吸收冷凝水，置於長IOO mm，內徑25mm的脫水管中，其中間設有中空部分；然後再經40g IIO型陽離子交換樹脂除鹼，經過180min的測試，出口氣體中不夾帶液態冷凝水，除鹼率為100%，完全可滿足燃料電池的要求。
實施例8
硼氫化鈉制氫採用不鏽鋼反應器，產氫速率2. 4L/min，採用5 mm厚隔熱膜包覆反應器，包覆前後反應器外壁溫度分別為8(TC和4(rC，反應器出口氣體溫度約75。C，經空冷至5(TC，採用1.5 g吸水紙吸收冷凝水，置於長60mm，內徑15mm的脫水管中，其中間設有中空部分；然後氫氣再經10gl22型陽離子交換樹脂除鹼，經過60 min的測試，出口氣體中不夾帶液態冷凝水，除鹼率為100%，完全可滿足燃料電池的要求。
實施例9
6硼氫化鈉制氫採用聚甲醛反應器，產氫速率2. 4L/min，採用IO mm厚隔熱膜包覆反應器 ，包覆前後反應器外壁溫度分別為8(TC和36。C，，反應器出口氣體溫度76。C，經空冷至55r ，採用12g熱合無塵紙吸收冷凝水，置於長50mm，內徑25 mm的脫水管中，其中間設有中空部 分；然後再經40g磷鎢酸除鹼，經過600 min的測試，出口氣體中不夾帶液態冷凝水，除鹼率 為100%，完全可滿足燃料電池的要求。
權利要求
1.一種氫氣發生器安全制氫和氫氣淨化方法，其特徵在於在所述的氫氣發生器外包覆隔熱膜或隔熱塗料，氫氣發生器中產生的氫氣經過冷卻，並通過吸水材料將冷凝水除去，氫氣中的鹼霧通過除鹼劑除去。
2 根據權利要求l所述的氫氣發生器安全制氫和氫氣淨化方法，其特徵在於所述的吸水材料為高吸水性樹脂、吸水紙、脫脂棉、無塵紙、海綿、分子篩中的一種或幾種的混合物。
3 根據權利要求1或2所述的氫氣發生器安全制氫和氫氣淨化方法，其特徵在於所述的吸水材料製成中空狀。
4 根據權利要求l所述的氫氣發生器安全制氫和氫氣淨化方法，其特徵在於所述的除鹼劑是固體超強酸或離子交換樹脂。
5 根據權利要求4所述的氫氣發生器安全制氫和氫氣淨化方法，其特徵在於所述的固體超強酸為負載型固體超強酸、無機鹽復配而成的固體超強酸、硫酸根離子改性金屬氧化物、氟代磺酸化離子交換樹脂、雜多酸、強酸型分子篩、入^13與磺酸根離子交換樹脂形成的配合物中的一種或其中幾種的混合物。
6 根據權利要求4所述的氫氣發生器安全制氫和氫氣淨化方法，其特徵在於所述的離子交換樹脂為強酸性陽離子交換樹脂或弱酸性陽離子交換樹脂。
全文摘要
本發明公開了一種氫氣發生器安全制氫和氫氣淨化方法，所述的氫氣發生器外包覆隔熱膜或隔熱塗料，氫氣發生器中產生的氫氣經過冷卻，並通過吸水材料將冷凝水除去，氫氣中的鹼霧通過除鹼劑除去。本發明具有降低氫氣發生器外壁溫度、操作安全、簡單並且有效去除冷凝水和氫氣中夾帶的鹼霧的優點。屬於氫氣製備領域。
文檔編號C01B3/02GK101565165SQ20081030128
公開日2009年10月28日 申請日期2008年4月24日 優先權日2008年4月24日
發明者侯曉峰, 王玉曉, 白永格, 鋼 肖 申請人:漢能科技有限公司