一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及储氢和制氢技术，具体为一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置。制氢装置由设有换热器的催化反应室、气液分离器、燃料泵和控制单元等部分组成，制氢方法为控制燃料液与催化剂的接触与分离，实现即时按需制氢。本实用新型专利技术在催化反应室外围或内部增设换热器有效利用水解反应热，显著提高燃料液的初始温度，从而大幅度提高装置制氢速率、燃料转化率及系统能源效率；此外，本实用新型专利技术还采用新型控制单元设计，实现燃料液输送速率的连续自动调节，确保系统氢压稳定，在实时响应用氢终端供氢需求的同时，提高装置储氢密度。本实用新型专利技术所提供的即时按需制氢装置可为氢燃料电池车及多种军用、民用便携式电源提供移动氢源。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及储氢和制氢技术，具体为一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置。
技术介绍
发展高性能储氢系统为氢燃料电池车及各种军用、民用便携式电源提供移动氢源是氢能应用的关键环节。相比于高压氢容器和低温液氢，材料基固态储氢在操作安全性、能源效率及体积储氢密度方面具有显著优势，被公认为最具发展前景的储氢方式。但多年研究表明：已知可逆储氢材料均无法满足车载储氢系统在重量/体积储氢密度、操作温度、吸/放氢速率等方面的综合性能要求，发展非可逆储氢系统因而成为储氢材料领域新兴的研究方向。不同于可逆系统利用固气反应实现可逆充/放氢，非可逆储氢材料通过催化水解(或热解)反应制氢，通过化工过程完成氢化物再生，因而也称为化学氢化物，其构成的储氢方式称为化学储氢。由于化学储氢将放氢与充氢二个技术环节分离开来，其技术难度较可逆储氢方式显著降低，因此，在现阶段该技术更具备移动氢源的实用性。化学氢化物包括碱金属、碱土金属硼氢化物和氨基硼烷等，化学氢化物的碱性水溶液称为燃料。化学氢化物中硼氢化钠(NaBH4)最具代表性，NaBH4可在室温条件卜发生水解反应制得氢气，如式(1)。引入金属催化剂可显著加速水解反应，而添加少量碱液可有效抑制水解反应，实现NaBH4燃料液于近室温空气条件下的安全储存。         (1)与高压气瓶、低温液氢及可逆储氢材料等现有储氢方式相比，NaBH4催化水解制氢的优点在于：(1)高储氢效率，其理论重量储氢密度达10.8wt.％；(2)可在室温甚至更低温度下实现即时按需制氢；(3)制得的氢气可直接供质子交换膜-->燃料电池(PEMFC)使用，且含有的水蒸气有利于质子交换膜工作；(4)操作安全、无环境负面效应。上述技术优点决定了NaBH4催化水解制氢系统/技术在氢燃料电池车及多种移动式、便携式电源方面具有良好的应用前景。发展实用型化学氢化物水解制氢技术的核心研究内容在于研制高效催化水解制氢装置。目前报道的装置多为连续式，即连续提供燃料液实现连续制氢。装置工作原理大致为：通过监测系统压力变化来控制装置制氢过程。当系统压力低于预设压力下限值时，燃料泵开启，输送燃料液进入预置催化剂的反应室，燃料液与催化剂接触发生水解反应产生氢气和水解副产物。水解反应产物(包括：氢气、水蒸气、液态水和副产物)经气液分离器分离为气态物(氢气和水蒸气)与液态物(液态水和副产物)，液态物储存于副产物储罐，气态物流经热交换器和冷凝器去除部分水蒸气后储存于氢气缓冲罐，冷凝的水蒸气储存于收集器中。当系统压力达到预设上限值时，燃料泵停止输送燃料液，装置制氢过程逐渐停止。催化水解制氢装置的制氢速率、响应时间、燃料液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。根据专利、文献报道，目前的装置设计多集中于催化反应室这一核心单元，但对催化水解反应过程中释放的大量反应热能并未加以有效利用，在降低体系能源效率的同时，制约了装置制氢速率和燃料转化率的提高。在制氢过程控制方面，目前多采用压力控制燃料泵开启与关断设计，因燃料泵仅有两种工作状态，该控制/运行方式难以对用氢终端的供氢需求做出快速响应；同时，由于系统氢压波动幅度大，需通过增大氢气缓冲罐容积来提高系统供氢能力，由此导致系统重量/体积储氢密度降低。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置，它是一种新型化学氢化物催化水解制氢技术和装置，为氢燃料电池车及多种军用、民用便携式电源提供高效、安全的移动氢源。本技术的技术方案是：本技术提供了一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置，制氢装置包括燃料储罐、燃料泵、设换热器的催化反应室、催化剂、气液分离器、副产物储罐、热交换器、冷凝器、收集器、氢气缓冲罐和控制单元组成。燃料储罐与催化反应室相连通的管路上设有燃料泵，催化反应室内设催化剂，催化反应-->室的出口通过管路连至气液分离器，气液分离器的出口分两路，一路连至副产物储罐，另一路连至热交换器；热交换器的出口通过管路连至冷凝器，冷凝器的出口分两路，一路连至收集器，另一路连至氢气缓冲罐，氢气缓冲罐的出口通过管路连至用氢终端，在氢气缓冲罐与用氢终端连通的管路上设置控制阀。本技术制氢方法为：输送燃料液进入预置催化剂的催化反应室发生催化水解反应制取氢气，控制化学氢化物燃料液与催化剂的接触与分离，实现即时按需可控制氢。燃料液接触催化剂发生水解反应前流经换热器，利用催化水解反应放出的反应热，预热燃料液。本技术的设计机理是：制氢速率、燃料转化率、能源效率、响应时间等是衡量催化水解制氢装置的主要性能指标。因化学氢化物水解涉及复杂的固相溶解、液相传质及催化剂表面的催化反应，多项操作条件及装置设计均显著影响水解制氢装置的性能。前者主要包括：燃料液成分、燃料液流速、燃料液初始温度、催化剂的活性及数量等。后者主要包括：催化反应室设计、传热系统设计及反应过程控制等。在固定燃料液浓度、流速和催化剂用量等操作条件下，提高燃料液的起始温度是提高装置制氢性能的有效途径。本技术提供了新型催化反应室及传热系统设计，使燃料液在发生催化水解反应前流经催化反应室，充分利用水解制氢过程中放出的大量反应热预热燃料液。为确保传热效果，换热器采用夹套式和螺旋式结构，外置于催化反应室外围，反应室侧壁呈波纹管状，以增大传热面积；或采用内置式，将螺旋换热器内置于催化反应室内。采用上述催化反应室及换热器设计，可大幅度提高燃料液的起始温度，在显著提高装置制氢速率及燃料转化率的同时，提高系统能源效率。在固定燃料液浓度、燃料液初始温度、催化剂种类和用量等操作条件下，装置的制氢速率主要取决于燃料液流速。本技术采用新型自动控制单元，根据系统压力变化情况实时调节电机转速，控制燃料液流速，从而实现即时按需供氢。系统供氢时，控制器处理压力变送器采集的压力信号，根据设定压力与实测压力的差值，增加燃料泵电机的电压提高电机转速，从而增加燃料液流速以提高制氢速率；反之，若体系的压力大于设定压力，控制器将控制减小燃料泵电机电压，通过降低电机转速减小燃料液流速以降低制氢速率，如此，可根据用氢终端的供氢需求实时调节制氢速率。通过稳定系统氢压，可减小氢气缓冲罐的容积，提高-->装置的重量/体积储氢密度。本技术中，化学氢化物包括碱金属、碱土金属硼氢化物或氨基硼烷等。本技术中，输送化学氢化物燃料液进入预置催化剂的催化反应室发生催化水解反应制取氢气，通过控制燃料液与催化剂的接触与分离，实现水解制氢的可控性，通过实时精确控制燃料液流速来实时响应用氢终端的供氢需求，实现即时按需制氢。本技术中，催化水解制氢装置由设有换热器的催化反应室、燃料储罐、燃料泵、气液分离器、热交换器、副产物储罐、收集器、氢气缓冲罐、管路和阀及控制单元组成。本技术中，催化反应室的侧壁为波纹管状结构或直管结构，催化反应室可垂直或水平放置，其材质为金属材料，优选为钛材、镍材或不锈钢；催化反应室外围设有保温层，以防热量的散失，保温层材质为聚氨酯泡沫或石棉等。本技术中，催化反应室设有夹套式或螺旋式换热器，换热器外置于催化反应室外围，螺旋式换热器或采用内置式，将其内置于催化反应室内，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置，其特征在于：制氢装置包括燃料储罐、燃料泵、设换热器的催化反应室、催化剂、气液分离器、副产物储罐、热交换器、冷凝器、收集器、氢气缓冲罐和控制单元；燃料储罐与催化反应室相连通的管路上设有燃料泵，催化反应室内设催化剂，催化反应室的出口通过管路连至气液分离器，气液分离器的出口分两路，一路连至副产物储罐，另一路连至热交换器；热交换器的出口通过管路连至冷凝器，冷凝器的出口分两路，一路连至收集器，另一路连至氢气缓冲罐，氢气缓冲罐的出口通过管路连至用氢终端，在氢气缓冲罐与用氢终端连通的管路上设置控制阀。

【技术特征摘要】
1.一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置，其特征在于：制氢装置包括燃料储罐、燃料泵、设换热器的催化反应室、催化剂、气液分离器、副产物储罐、热交换器、冷凝器、收集器、氢气缓冲罐和控制单元；燃料储罐与催化反应室相连通的管路上设有燃料泵，催化反应室内设催化剂，催化反应室的出口通过管路连至气液分离器，气液分离器的出口分两路，一路连至副产物储罐，另一路连至热交换器；热交换器的出口通过管路连至冷凝器，冷凝器的出口分两路，一路连至收集器，另一路连至氢气缓冲罐，氢气缓冲罐的出口通过管路连至用氢终端，在氢气缓冲罐与用氢终端连通的管路上设置控制阀。2.按照权利要求1所述的制氢装置，其特征在于：化学氢化物包括碱金属、碱土金属硼氢化物或氨基硼烷。3.按照权利要求1所述的制氢装置，其特征在于：催化反应室的侧壁为波纹管状结构或直管结构，催化反应室垂直或水平放置，其材质为金属材料。4.按照权利要求1所述的制氢装置，其特征在于：催化反应室设有夹套式或螺旋式换热器；换热器外置于催化反...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，戴洪斌，梁艳，马来鹏，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：实用新型
国别省市：89[中国|沈阳]