一種鋰水反應製備氫氣的方法
2023-06-10 20:27:31 1
專利名稱：一種鋰水反應製備氫氣的方法
技術領域：
本發明屬於制氫技術領域，特別是涉及一種鋰水反應製備氫氣的方法。
背景技術：
在眾多的新能源中，氫能是二十一世紀最理想的能源，但是氫能源的發展由於製造氫氣的價格昂貴而受到制約，氫氣生產的方法主要有裂化石油氣、水煤氣分離、電解水等，但其成本比礦物燃料要貴2 3倍。此外氫燃料電池已經有了長足的發展，作為燃料的氫氣的儲存也一直是個難題。氫氣的儲存技術主要有高壓氫氣、液態氫氣、氫氣吸收合金、 納米碳管儲氫，有機氫氣化合物等技術正在被開發中，但每種儲氫技術都有其各自的優缺點。市場中的氫氣發生器往往結構複雜，而且體積較為龐大，不適合行動裝置使用，大部分還需要外部電源，且不適合配套小型燃料電池攜帶使用。經過檢索發現申請號為200810153976. 7，公開號為CN101748419A，專利名稱為 「一種鋰錠電化學製備氫氣的方法」的發明專利，採用帶有電極引線、帶有厚度為lMffl-500Mffl 鋰離子導電膜保護的鋰錠陽極；再選用帶有電極引線的導電石墨作為析氫陰極；在陰極上方設置有一個氫氣存儲器；在陽極電極引線和陰極電極引線之間串聯一個電阻和一個開關；將LiCl水溶液作為電解液倒入制氫電解槽，制氫電解槽上面蓋上密封蓋；閉合開關，陰極上有氫氣析出。上述技術由於在電解槽中通過LiCl水溶液電解液進行電解制氫，結構相對複雜、不便於攜帶。
發明內容
本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種攜帶方便，成本低廉，操作簡單，安全性好，氫氣產量高，使用壽命長的鋰水反應製備氫氣的方法。本發明為解決公知技術中存在的技術問題所採取的技術方案是 一種鋰水反應製備氫氣的方法，其特點是包括以下製備步驟
(1)製備制氫裝置零件
先製備出圓形片狀微晶陶瓷膜；根據微晶陶瓷膜的尺寸分別製作出底部帶有反應孔的反應室；靠近底部的側壁有排水口的殼體；帶有液氣孔的隔板和頂部有注水口、出氫口的上蓋；
⑵裝配製氫裝置
在乾燥環境中，用防水耐鹼密封膠將微晶陶瓷膜靠近外徑的端面粘接在反應室腔體的底面上，檢漏無洩漏後，自下至上放置鋰錠、彈簧；反應室密封固裝於隔板密下面；隔板密封置於殼體和上蓋形成的腔體之間，使腔體構成上腔室和下腔室； ⑶制氫
制氫時，用排水堵堵住排水口，出氫口連接在用氫設備上，在注水口中封閉注入純淨水，純淨水從步驟⑵中的上腔室經隔板上的液氣孔流入下腔室，當下腔室的水位高於反應室底部且低於隔板時，用注水堵堵住注水口，氫氣經隔板的液氣孔排至上腔室後經出氫口流向用氫設備；當停止制氫時，打開排水堵，放淨裝置內部的純淨水，停止產氫。本發明還可以採用如下技術方案
所述微晶陶瓷膜與鋰錠之間置有電解質膜，所述電解質膜為0. 2mm Imm的膠體膜或磁控濺射在微晶陶瓷膜表面厚度為0. 5 μ m 2 μ m的LIPON膜。所述鋰錠與彈簧之間置有不鏽鋼板推板。所述隔板一端面上有固裝反應室的裙邊，裙邊內底部置有與底部尺寸相同的耐鹼膠片作為反應室密封墊片，所述液氣孔位於裙邊外隔板的端面上；所述隔板上還置有尺寸大於隔板的耐鹼膠片作為隔板密封墊片。所述殼體、反應室、推板、隔板、上蓋均為不鏽鋼材料。所述彈簧為不鏽鋼彈簧。所述殼體的內徑上制有內徑與隔板外徑尺寸相同的凹槽、所述上蓋內徑上有壓制隔板的擋臺。所述隔板與反應室為螺紋連接；所述殼體與上蓋為螺紋連接。所述防水耐鹼密封膠為矽膠。所述完成制氫後，在排水口上蓋好排水堵、在注水口上蓋好注水堵、在出氫口蓋好出氫堵。本發明具有的優點和積極效果是
1、本發明由於採用了純鋰作為鋰錠，由微晶陶瓷隔膜與水隔離反應獲得高純度氫氣， 結構簡單、攜帶和操作方便，成本低廉，安全性好，氫氣產量高，適於配套於小型燃料電池的使用。2、本發明採用了彈簧經推板推動鋰錠，保持制氫消耗中的鋰錠始終與電解質膜持續接觸，保證制氫過程中鋰錠能夠完全消耗，減少了鋰錠的浪費，降低了制氫的成本，提高了氫氣的產量；
3、本發明在微晶陶瓷膜和鋰錠之間加設了電解質膜，降低了鋰錠與微晶陶瓷膜的界面阻抗，加速了鋰錠與水的反應，進一步提高了氫氣的生成速率。4、本發明採用了不鏽鋼材料製作推板、隔板、反應室、殼體和推板，耐微鹼腐蝕，並能反覆使用，延長了裝置的使用壽命。5、本發明採用螺紋連接，當鋰錠完全消耗後，裝填新的鋰錠後繼續投入使用，裝置可長期使用，降低了制氫成本。
圖1為本發明鋰水反應製備氫氣的裝置剖視示意圖； 圖2為圖1中殼體的主視示意圖3為圖2的俯視示意圖4為圖1中上蓋的主視示意圖5為圖4的俯視示意圖6為圖1中隔板的主視示意圖7為圖6的仰視示意圖8為圖1中反應室的主視示意圖；圖9為圖8的俯視示意圖。圖中1-排水堵；2-排水口 ；3-密封膠；4-微晶陶瓷膜；5-電解質膜；6_鋰錠； 7-推板；8-彈簧；9-反應室；10-殼體；11-反應室密封墊片；12-隔板；13-隔板密封墊片； 14-上蓋；15-注水口 ；16-出氫口 ；17-注水堵；18-出氫堵；19-液氣孔；20-裙邊；21-反應孔；22-凹槽；23-上腔室；24-下腔室。
具體實施例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，並配合附圖 1-9詳細說明如下
實施例1 鋰水反應製備氫氣的方法，包括以下製備步驟 製備裝置零件
(1)先製備厚度約0. Imm 0. 3mm的緻密防水的微晶陶瓷膜4，經精密機械加工裁得直徑為5cm的樣品；微晶陶瓷膜是一種對鋰離子導電對電子絕緣的圓片型硬質膜，且不能通過水分子；根據微晶陶瓷膜的尺寸分別製作出反應室、隔板、殼體、上蓋；
⑵如圖8-9所示，用不鏽鋼製作一個反應室9，反應室為圓桶狀，反應室的內徑與微晶陶瓷膜外徑相同，微晶陶瓷膜能夠放入反應室中；反應室底部邊緣的中心處有不限數量的孔作為反應孔21，目的是使用時讓水與微晶陶瓷膜充分接觸，使金屬鋰與水只發生電化學反應，無其他副反應發生；底部邊緣部分沒有開孔，以便於微晶陶瓷膜與底部的粘結在一起，防止水進入反應室內部對金屬鋰造成腐蝕，並且金屬鋰與水只發生電化學反應，無其他副反應發生；反應室的上端加工有外螺紋；
⑶如圖6-7所示，用不鏽鋼材料製作一隔板12，使裝置形成上下兩個腔體，隔板一端帶有裙邊20、另一端為平面狀，裙邊的內徑上制有與反應室外螺紋連接的內螺紋，所述裙邊外部隔板的端面上制有不限數量的孔作為液氣孔19，液氣孔作為注入水以及生成的氫氣的通道；
(4)如圖2-3所示，用不鏽鋼製作一殼體10，殼體為圓桶狀，殼體壁上靠近桶底部有一個排水口 2，外殼上部有直徑與隔板直徑相同的凹槽，隔板與反應室組裝完成後可直接放置在此凹槽部分；殼體上部外壁制有外螺紋；
(5)如圖4-5所示，用不鏽鋼製作一體的上蓋14，上蓋的頂部為弧狀、下部為圓柱桶狀， 上蓋的頂部制有一個注水口 15和一個出氫口 16，上蓋的下端內壁加工有連接殼體的內螺紋和壓住隔板的擋臺；
反應室的裝配
(6)如圖1所示，在乾燥間中用矽膠3將步驟⑴中的微晶陶瓷膜粘結在步驟⑵製備的反應室底面上的最大圓周處，並進行檢漏，有洩漏的地方重新粘結；在微晶陶瓷膜上自下至上依次裝填厚度0. 2mm Imm的電解質膜5、鋰錠6、推板7和彈簧8 ；所述膠質電解質膜為與微晶陶瓷膜尺寸相同的吸附IM LiPF6 EC/DEC電解液的PVDF-HFD基聚合物電解質，作為過渡層降低金屬鋰與微晶陶瓷膜的界面阻抗，加速金屬鋰與水的反應，提高氫氣的生成速率； 鋰錠為兩端平整的圓柱形純鋰，其截面面積與微晶陶瓷膜有效面積相等，微晶陶瓷膜的有效面積是其實際面積減去與反應室底部粘結在一起部分的面積，以提高微晶陶瓷膜面積的利用率；推板為直徑與反應室內徑相同的不鏽鋼片，作用是使彈簧的推動力均勻分布在鋰錠表面，保證鋰錠與電解質膜、電解質膜與微晶陶瓷膜的接觸面阻抗均勻，鋰錠反應面均勻反應；彈簧為長度大於反應室高度的不鏽鋼彈簧，其作用是隨著鋰錠的消耗推動鋰錠與電解質膜持續接觸，防止鋰錠與電解質膜脫離，導致反應終止；隔板裙邊內底部放置與填滿矽膠片作為反應室墊片11後，隔板與反應室螺紋密封固裝成一體，完成反應室的裝配； 整體裝置的裝配
將隔板放置在殼體的凹槽22上；隔板上放置一層與殼體外徑相同的矽膠片作為隔板密封墊片13，將上蓋螺紋密封固裝於殼體上，隔板將整體裝置內部分隔成上腔室23和下腔室24，為防止雜質和粉塵的進入裝置內部，用排水堵1堵塞排水口、用注水堵17堵塞注水口、用出氫堵18堵塞出氫口，即組裝出製備鋰水反應用裝置； 鋰水反應制氫
(7)制氫時，將步驟(6)組裝完成後鋰水反應用裝置的注水堵和出氫堵取下，在注水口封閉注入純淨水，純淨水從上腔室經隔板上的液氣孔流入到下腔室，下腔室的水位高於反應室底部且低於隔板為標準，水通過反應室底部的反應孔到達微晶陶瓷膜，由於微晶陶瓷膜是對鋰離子導電對電子絕緣，且不能通過水分子，反應室內部鋰錠發生反應Li-e — Li+， Li+通過電解質膜和微晶陶瓷膜到達反應室外部，外壁與水接觸的部分生成氫氣，從氫氣經隔板的液氣孔流向上腔體，經連接到用氫設備上的出氫口放出氫氣；如出氫口直接與燃料電池氫氣入口相連，作為一體使用；使用結束後，放淨鋰水反應用裝置內部的水，停止產氫； 再用排水堵、注水堵、出氫堵分別將排水口、注水口和出氫口密封螺紋連接堵阻塞管路，以防止雜質和粉塵的進入。長時間使用時，由於反應室內部彈簧推板的作用，鋰錠消耗一部分後反應面還一直與電解質接觸，保證鋰錠可以完全反應；當內部鋰錠消耗完全後，可以拆解本氫氣發生器，更換電解質膜，裝填鋰錠後重新組裝，之後可以繼續投入使用；更換的過程需在乾燥氣氛中進行。實施例2
取消實施例1中裝填的膠體電解質膜，在微晶陶瓷膜表面磁控濺射一層厚度在 0. 5 μ m 2 μ m的LIPON膜作為過渡電解質膜，將濺射有LIPON膜的微晶陶瓷膜使用矽膠粘接在反應室底部，LIPON膜層朝上，之後進行檢漏，有洩漏的情況需重新粘接；其餘與實施例1相同。本發明的工作原理微晶陶瓷膜是一種對鋰離子導電對電子絕緣的圓片型硬質膜，且不能通過水分子，注入的水位高於反應室的底部、低於隔板的高度，反應室內部鋰錠發生反應Li-e — Li+，Li+通過電解質膜和微晶陶瓷膜到達反應室外部，同時因為反應室內部的鋰錠、推板、彈簧、隔板以及反應室殼體都為導電性能良好的金屬作為導體，電子通過反應室內部金屬迴路到達反應室殼體，與注入的純淨水中的氫離子發生反應2H++e —H2 ；當水排空後，因反應室外部沒有H+參與反應，整個反應過程終止。以上所述僅為本發明的優選實施方式。應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干變形和改進，這也應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種鋰水反應製備氫氣的方法，其特徵在於包括以下製備步驟(1)製備制氫裝置零件先製備出圓形片狀微晶陶瓷膜；根據微晶陶瓷膜的尺寸分別製作出底部帶有反應孔的反應室；靠近底部的側壁有排水口的殼體；帶有液氣孔的隔板和頂部有注水口、出氫口的上蓋；⑵裝配製氫裝置在乾燥環境中，用防水耐鹼密封膠將微晶陶瓷膜靠近外徑的端面粘接在反應室腔體的底面上，檢漏無洩漏後，自下至上放置鋰錠、彈簧；反應室密封固裝於隔板密下面；隔板密封置於殼體和上蓋形成的腔體之間，使腔體構成上腔室和下腔室；⑶制氫制氫時，用排水堵堵住排水口，出氫口連接在用氫設備上，在注水口中封閉注入純淨水，純淨水從步驟⑵中的上腔室經隔板上的液氣孔流入下腔室，當下腔室的水位高於反應室底部且低於隔板時，用注水堵堵住注水口，氫氣經隔板的液氣孔排至上腔室後經出氫口流向用氫設備；當停止制氫時，打開排水堵，放淨裝置內部的純淨水，停止產氫。
2.根據權利要求1所述的鋰水反應製備氫氣的方法，其特徵在於所述微晶陶瓷膜與鋰錠之間置有電解質膜，所述電解質膜為0. 2mm Imm的膠體膜或磁控濺射在微晶陶瓷膜表面厚度為0. 5μπι 2μπι的LIPON膜。
3.根據權利要求1所述的鋰水反應製備氫氣的方法，其特徵在於所述鋰錠與彈簧之間置有不鏽鋼板推板。
4.根據權利要求1所述的鋰水反應製備氫氣的方法，其特徵在於所述隔板一端面上有固裝反應室的裙邊，裙邊內底部置有與底部尺寸相同的耐鹼膠片作為反應室密封墊片， 所述液氣孔位於裙邊外隔板的端面上；所述隔板上還置有尺寸大於隔板的耐鹼膠片作為隔板密封墊片。
5.根據權利要求1所述的鋰水反應製備氫氣的方法，其特徵在於所述殼體、反應室、 推板、隔板、上蓋均為不鏽鋼材料。
6.根據權利要求1所述的鋰水反應製備氫氣的方法，其特徵在於所述彈簧為不鏽鋼彈簧。
7.根據權利要求1所述的鋰水反應製備氫氣的方法，其特徵在於所述殼體的內徑上制有內徑與隔板外徑尺寸相同的凹槽、所述上蓋內徑上有壓制隔板的擋臺。
8.根據權利要求1所述的鋰水反應製備氫氣的方法，其特徵在於所述隔板與反應室為螺紋連接；所述殼體與上蓋為螺紋連接。
9.根據權利要求1所述的鋰水反應製備氫氣的方法，其特徵在於所述防水耐鹼密封膠為矽膠。
10.根據權利要求1所述的鋰水反應製備氫氣的方法，其特徵在於所述完成制氫後， 在排水口上蓋好排水堵、在注水口上蓋好注水堵、在出氫口蓋好出氫堵。
全文摘要
本發明涉及一種鋰水反應製備氫氣的方法，其特點是包括堵住裝置底部的排水口，裝置頂部的出氫口連接在用氫設備上，頂部的注水口中注入純淨水，純淨水經裝置中微晶陶瓷隔膜與鋰錠反應產生氫氣。本發明由於採用了鋰，由微晶陶瓷隔膜與水隔離反應獲得高純度氫氣，方法簡單、裝置攜帶和操作方便，成本低廉，安全性好，氫氣產量高，適於配套於小型燃料電池的使用。
文檔編號C01B3/08GK102491266SQ20111041567
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者丁飛, 劉興江, 張晶, 徐志彬, 桑林 申請人:中國電子科技集團公司第十八研究所