产生氢的系统技术方案

本发明专利技术涉及用于产生氢的固体燃料、系统和方法。所述固体燃料包含硼氢化钠、装载有催化剂的纤维和粘合剂，其中，装载有催化剂的纤维和粘合剂形成内部放置硼氢化钠的支架结构。所述系统包含燃料盒，所述燃料盒含有用于产生氢气的本发明专利技术的固体燃料、用于容纳燃料盒而配置的反应器、用于储水的箱、泵和液体导管以及用于调节水流的控制器，所述泵和液体导管用于将水从箱运输至容纳于反应器中的燃料盒，以引起包含于燃料盒中的固体燃料的水解反应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及用于产生氢气的固体燃料、系统和方法。更具体而言，本专利技术涉及具有支架结构的固体燃料、用于产生氢气的系统以及用于产生氢气的方法。专利技术背景与重型且以大体积方式存储的氢来源相比，例如与压缩氢气瓶、低温液态氢罐和金属氢化物储氢罐相比，现场产生氢的即时氢气产生器(hydrogen-on-demand generator)作为可靠的氢来源呈现如下优势：高氢含量、高便携性和灵活性。在用于现场制氢的不同技术(例如重整器和电解槽)中，金属或化学储氢材料的水解更具吸引力，原因在于，在制氢过程中通常不需要大量的电力输入或热输入。例如，硼氢化钠的水解被广泛研究，原因在于，与各种存储的氢源的1.6-5重量％的低氢含量相比，硼氢化钠具有高的理论氢含量(10.8重量％)。硼氢化钠是热稳定且吸湿的白色结晶固体，其通过下述水解反应在催化剂的协助下释放氢：NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2基于该原理，已经开发了各种氢产生系统用于从水性硼氢化钠溶液中制备氢气。这种系统通常包含用于储存硼氢化钠溶液的燃料箱、用于储存副产物(由该工艺产生的偏硼酸钠(NaBO2)溶液)的存储箱、泵、反应器和分离器。但是，这些均具有显著的缺点。首先，非均相催化剂的受限的耐久性导致氢产生器的成本更高。其次，作为水解副产物的偏硼酸钠在水中具有相对较小的溶解度，在25℃时仅为28g/100g水。已报道硼氢化钠在起始溶液中的最佳浓度约为15重量％(25℃时硼氢化钠在水中的溶解度约为35重量％)，否则偏硼酸钠将会从溶液中沉淀，从而阻碍催化剂与反应物的反应并阻塞反应器和管道。结果，氢产生量通常限制在3.2重量％，考虑到理论值为10.8重量％，认为该值相当不充分。研究者作出了更多的尝试以探寻使用高浓度硼氢化钠作为起始溶液的方法；关于直接将固体硼氢化钠用于水解反应，作出的尝试相对更少。尽管直接使用固体硼氢化钠似乎在氢产生量上更具优越性，但是主要的障碍在于副产物偏硼酸钠的结晶，其具有粘性且粘性增强，从而堵塞催化剂和未反应燃料的表面。这反而减少反应物之间的接触，堵塞管道和反应器。该现象中断连续的氢产生。因此，需要设计固体硼氢化钠燃料和相关的氢产生器，它们能将副产物偏硼酸钠限制在某一区域内，从而确保流畅且连续的操作，同时确保反应器的整个空间中的均匀反应。与使用水性硼氢化钠燃料的系统相比，氢产生量应当显著提高。因此，需要提供用于产生氢气的替代性燃料、系统和方法，其力求解决以上所述的各种问题的至少一部分，或至少提供替代性方案。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，本专利技术提供了一种用于产生氢的固体燃料。所述固体燃料包含硼氢化钠、装载有催化剂的纤维和粘合剂，其中，装载有催化剂的纤维和粘合剂形成内部放置硼氢化钠的支架结构。根据本专利技术的一个实施方式，装载有催化剂的纤维包含碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或其任意组合。根据本专利技术的第二方面，本专利技术提供了一种制备用于产生氢的固体燃料的工艺。该工艺包括预混催化剂和纤维以得到装载有催化剂的纤维，混合装载有催化剂的纤维和硼氢化钠以得到第一混合物，研磨第一混合物，向第一混合物中添加粘合剂以得到第二混合物，加热第二混合物，以及冷却所述加热的混合物以得到具有支架结构的固体燃料。根据本专利技术的一个实施方式，通过将纤维浸入含有催化剂的溶液中来预混催化剂和纤维。然后在纤维从溶液分离之前，以预定的时长回流含有纤维的溶液。干燥所述纤维以得到装载有催化剂的纤维。根据本专利技术的第三方面，本专利技术提供了一种产生氢的系统。所述系统包含燃料盒，所述燃料盒含有用于产生氢气的固体燃料，用于容纳燃料盒而配置的反应器，用于储水的箱，泵和液体导管，以及用于调节水流的控制器，所述泵和液体导管用于将水从箱运输至容纳于反应器中的燃料盒以引起包含于燃料盒中的固体燃料的水解反应，其中，所述固体燃料包含硼氢化钠、装载有催化剂的纤维和粘合剂，装载有催化剂的纤维和粘合剂形成内部放置硼氢化钠的支架结构。根据本专利技术的一个实施方式，所述反应器具有用于在氢气从反应器释放前收集和缓冲氢气的腔室，所述氢气产生自燃料盒。根据本专利技术的一个实施方式，所述反应器包括：用于接收燃料盒的具有开放末端和封闭末端的箱，用于紧固在箱的开放末端的盖体，以及位于盖体中心的倒勾接头。根据本专利技术的一个实施方式，所述燃料盒包括：用于容纳固体燃料的主体，安装在主体的一端的第一盖和安装在主体的另一端的第二盖，安装在主体内部的具有多个孔的配水器，以及用于将配水器与安装在主体一端的第一盖连接的连接器。根据本专利技术的一个方面，所述燃料盒包含包裹在燃料盒的外周表面的疏水性半渗透材料，其中配置所述半渗透材料以使氢气穿过材料的同时防止水或固体材料穿过所述材料。根据本专利技术的另一个实施方式，所述燃料盒的主体由具有多个微孔的疏水性材料制成。根据本专利技术的一个实施方式，当反应器的盖体紧固在箱的开放末端时，所述反应器的倒勾接头与燃料盒和配水器的连接器衔接，以形成完整的水流通道。根据本专利技术的第四方面，本专利技术提供了一种氢燃料盒。所述氢燃料盒包括：容纳用于产生氢的固体燃料的主体，安装在主体的一端的第一盖和安装在主体的另一端的第二盖，安装在主体内部的具有多个孔的配水器，以及用于将配水器与安装在主体一端的第一盖连接的连接器，其中，所述固体燃料包含硼氢化钠、装载有催化剂的纤维和粘合剂，装载有催化剂的纤维和粘合剂形成内部放置硼氢化钠的支架结构。根据本专利技术的一个实施方式，所述配水器与位于第一盖中心的连接器连接。根据本专利技术的第五方面，本专利技术提供了一种产生氢的方法。所述方法包括：在氢气产生器中装载含有固体燃料的燃料盒；向容纳于氢产生器中的水箱供水；将水从水箱运输至安装于燃料盒内的配水器，藉此通过配水器上的多个孔分配水，使其与固体燃料反应以产生氢气；在释放氢气以使用之前将氢气收集在反应器中，其中，所述固体燃料包含硼氢化钠、装载有催化剂的纤维和粘合剂，装载有催化剂的纤维和粘合剂形成内部放置硼氢化钠的支架结构。附图说明现将参照附图仅以示例的方式描述本专利技术的实施方式，附图中：图1是根据本专利技术的一个实施方式的具有支架结构的固体燃料的示意图。图2是根据本专利技术的一个实施方式的固体燃料的微结构的图像。图3A是根据本专利技术的一个实施方式的燃料盒的侧视图。图3B是包裹有半渗透材料的完整的燃料盒的侧视图。图4A是根据本专利技术的一个实施方式的开放配置的反应器的侧视图。图4B是根据本专利技术的一个实施方式的闭合配置的反应器的侧视图。图5是根据本专利技术的一个实施方式的具有电子控制器的氢产生器的示意图。图6是本专利技术的一个实施方式的随时间的氢气流速的图。专利技术详述以下给出的详细描述结合附图作为本专利技术当前的优选实施方式的描述，而不表示本专利技术仅能通过以下方式实施。应理解，意在包含在本专利技术范围内的不同实施方式可实现相同或等同的功能。本专利技术提供用于产生氢的固体燃料。所述固体燃料包含硼氢化钠、装载有催化剂的纤维和粘合剂。固体燃料的基本特征是硼氢化钠粒子，所述粒子设置在由装载有催化剂的纤维和粘合剂形成的支架结构中。术语“装载有催化剂的纤维”是指预先装载了催化剂的纤维。可使用的合适的纤维包括但不限于，碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或其任意组合。在本专利技术的优选实施方式中，使用碳纤维。可使用的催化剂的示例包括但不限于，氯化钴(II)，氯化镍，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生氢的固体燃料，所述固体燃料包含：硼氢化钠、装载有催化剂的纤维和粘合剂，其中，装载有催化剂的纤维和粘合剂形成内部放置硼氢化钠的支架结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.29 SG 201308060-11.一种用于产生氢的固体燃料，所述固体燃料包含：硼氢化钠、装载有催化剂的纤维和粘合剂，其中，装载有催化剂的纤维和粘合剂形成内部放置硼氢化钠的支架结构。2.如权利要求1所述的固体燃料，其特征在于，所述装载有催化剂的纤维包含碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或其任意组合。3.如权利要求2所述的固体燃料，其特征在于，所述装载有催化剂的纤维包含碳纤维。4.如权利要求2所述的固体燃料，其特征在于，所述装载有催化剂的纤维包含玻璃纤维。5.如权利要求2所述的固体燃料，其特征在于，所述装载有催化剂的纤维包含陶瓷纤维。6.如权利要求3所述的固体燃料，其特征在于，每根碳纤维的直径为1-20微米。7.如权利要求3或6所述的固体燃料，其特征在于，每根碳纤维的长度为20-200微米。8.如权利要求1或2所述的固体燃料，其特征在于，所述装载有催化剂的纤维包含催化剂，所述催化剂是选自氯化钴和氯化镍的盐，或者是选自铂、铱和钌的贵金属的粉末。9.如权利要求1所述的固体燃料，其特征在于，所述粘合剂选自共聚酰胺、聚酯树脂、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚乙烯醇缩乙醛、聚乙烯醇缩丙醛、聚乙烯醇缩丁醛、苯氧基树脂、环氧树脂、氨基甲酸酯树脂、纤维素酯和纤维素醚。10.如权利要求9所述的固体燃料，其特征在于，所述粘合剂是共聚酰胺聚合物。11.如权利要求1所述的固体燃料，其特征在于，混合物中粘合剂的含量以固体燃料的总重量计为1-10重量％。12.一种制备用于产生氢的固体燃料的工艺，所述工艺包括：预混催化剂和纤维以得到装载有催化剂的纤维；混合硼氢化钠和装载有催化剂的纤维以得到第一混合物；研磨所述第一混合物；向所述第一混合物添加粘合剂以得到第二混合物；加热所述第二混合物；以及冷却所述加热的混合物以得到具有支架结构的固体燃料。13.如权利要求12所述的工艺，其中，所述催化剂与纤维的预混包括：将纤维浸入含有催化剂的溶液；以预定的时长回流含有纤维的溶液；从溶液中分离纤维；以及干燥所述纤维以得到装载有催化剂的纤维。14.如权利要求12所述的工艺，其特征在于，所述催化剂与选自碳、玻璃、陶瓷及其组合的纤维进行预混。15.如权利要求14所述的工艺，其中，所述催化剂与碳纤维预混。16.如权利要求12或14所述的工艺，其特征在于，所述催化剂是选自氯化钴和氯化镍的盐，或者是选自铂、铱和钌的贵金属的粉末。17.如权利要求12所述的工艺，其特征在于，所述粘合剂选自共聚酰胺、聚酯树脂、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚乙烯醇缩乙醛、聚乙烯醇缩丙醛、聚乙烯醇缩丁醛、苯氧基树脂、环氧树脂、氨基甲酸酯树脂、纤维素酯和纤维素醚。18.如权利要求17所述的工艺，其特征在于，所述粘合剂是共聚酰胺聚合物。19.一种产生氢的系统，所述系统包括：用于产生氢气的含有固体燃料的燃料盒；用于容纳燃料盒而配置的反应器；用于储水的箱；泵和液体导管，它们用于将水从箱运输至容纳于反应器中的燃料盒，以引起包含于燃料盒中的固体燃料的水解反应；以及用于调节水流的控制器；其中，所述固体燃料包含硼氢化钠、装载有催化剂的纤维和粘合剂，装载有催化剂的纤维和粘合剂形成内部放置硼氢化钠的支架结构。20.如权利要求19所述的系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，韩明，陈云中，陈毅豪，
申请(专利权)人：淡马锡理工学院，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG