專利名稱：一種氫氣制備方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氫氣制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種金屬鋁與氫氧化鈉反應(yīng)制取氫氣的方法及其供氫裝置。
目前為燃料電池提供氫源的方式大致有五種1)高壓氫氣瓶法；2)低溫液化氫法；3)甲醇或汽油重整法；4)金屬氫化物固態(tài)儲(chǔ)氫法；5)各種無機(jī)氫化物儲(chǔ)氫法。高壓氫氣瓶法和低溫液化氫法都存在使用和運(yùn)輸過程中成本大、安全性差等缺點(diǎn)的；甲醇或汽油重整法雖然使用較為方便，能把制氫與儲(chǔ)氫溶為一體，但缺點(diǎn)是要求有較高的重整溫度，能量轉(zhuǎn)化率低，故成本高，而且無法達(dá)到有害氣體零排放。金屬氫化物固態(tài)儲(chǔ)氫法是較安全的儲(chǔ)氫方法，但缺點(diǎn)是儲(chǔ)氫容量較低，無法應(yīng)用到大功率燃料電池中，而且低溫放氫性能較差。無機(jī)氫化物儲(chǔ)氫法是利用如硼氫化鈉，氫化鈉，氫化鋰，氫化鈣等無機(jī)氫化物與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的原理來制取氫氣，這種方法的特點(diǎn)是產(chǎn)氫速度快，可低溫產(chǎn)氫，缺點(diǎn)是氫化物原材料成本高，回收再利用困難，很難廣泛應(yīng)用。
本發(fā)明的目的之一是提供一種氫氣制備方法，即利用金屬鋁粉與氫氧化鈉水溶液反應(yīng)來制取氫氣。
其反應(yīng)原理為
本發(fā)明使用的金屬鋁粉可以通過還原法制備，也可以通過氣體霧化等其它冶金工藝制備，對(duì)鋁粉純度要求也不高，一般大于92％即可。
本發(fā)明使用的金屬鋁粉平均粒度可以在10mm-10nm之間，其中平均粒度在1mm-20μm之間的粉體最為合適，粒度太大，反應(yīng)速度太慢，不能滿足實(shí)際使用要求，粒度太小，反應(yīng)速度太快，容易產(chǎn)生泡沫，不利于反應(yīng)速度的控制。
本發(fā)明使用的氫氧化鈉為一般的工業(yè)原料，對(duì)氫氧化鈉純度要求不高，一般大于92％即可。
本發(fā)明使用的氫氧化鈉水溶液濃度在0.1wt％-30wt％之間，其中濃度在1wt％mm-10wt％之間的氫氧化鈉水溶液最為合適，濃度太小，利用率低，反應(yīng)速度太慢，不能滿足實(shí)際使用要求，濃度太大，反應(yīng)速度太快，容易產(chǎn)生泡沫，不利于反應(yīng)速度的控制。
本發(fā)明所述的制氫方法，關(guān)鍵是要控制好反應(yīng)速度，反應(yīng)速度主要由金屬鋁粉顆粒度，氫氧化鈉水溶液濃度和反應(yīng)溫度控制。因此可以根據(jù)不同場(chǎng)合的氫氣需求選擇合理的鋁粉顆粒度與氫氧化鈉水溶液濃度的搭配。
本發(fā)明所述的制氫方法，其副產(chǎn)物偏鋁酸鈉，可以回收利用，如可以用在陶瓷工業(yè)和其它行業(yè)。
本發(fā)明氫氣制備方法采用如下技術(shù)方案氫氣制備方法是由金屬鋁粉和氫氧化鈉水溶液在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)制得氫氣，金屬鋁粉的平均粒度為10mm-10nm，氫氧化鈉水溶液的重量百分比濃度為0.1％-30％。
本發(fā)明氫氣制備方法還可以采用如下技術(shù)措施上述的氫氣制備方法，其特點(diǎn)是金屬鋁粉平均粒度為1mm-20μm。
上述的氫氣制備方法，其特點(diǎn)是氫氧化鈉水溶液的重量百分比濃度為1％-10％。
本發(fā)明的目的之二是提供一種氫氣制備裝置，該裝置運(yùn)行安全穩(wěn)定，供氫速度快且易控制。
本發(fā)明氫氣制備裝置采用如下技術(shù)方案氫氣制備裝置的構(gòu)造和連接方式為液體儲(chǔ)料容器通過管道與反應(yīng)器相連接，鋁粉容器通過管道、閥門與反應(yīng)器相連接，反應(yīng)器內(nèi)有鋁粉隔層，反應(yīng)器通過管道與氫氣儲(chǔ)罐相連接，反應(yīng)器與裝有排液控制器件的排液管道相連接。
本發(fā)明氫氣制備裝置還可以采用如下技術(shù)措施上述的氫氣制備裝置，其特點(diǎn)是液體儲(chǔ)料容器通過管道及液體控制器件與反應(yīng)器相連接；鋁粉容器通過管道、閥門及氣體接插閥門與反應(yīng)器相連接。
上述的氫氣制備裝置，其特點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)鋁粉隔層為帶孔擋板或耐高溫編織布如玻璃纖維布。鋁粉隔層的作用是可以讓氫氧化鈉水溶液通過并與金屬鋁接觸，同時(shí)可以防止反應(yīng)產(chǎn)物氫氣把金屬鋁粉料漿帶出堵塞管道。
上述的氫氣制備裝置，其特點(diǎn)是反應(yīng)器與氫氣管道連接處裝有過濾片，氫氣管道裝有冷卻器，可達(dá)到冷動(dòng)氫氣的目的。
上述的氫氣制備裝置，其特點(diǎn)是反應(yīng)器與裝有排液控制器件的排液管道相連接處有過濾片，排液管道與廢液容器相連接；廢液容器有管道與氫氣管道連通，可保證廢液池中剩余的少量反應(yīng)物繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣通過回路送至儲(chǔ)氣罐。
上述的氫氣制備裝置，其特點(diǎn)是氫氣儲(chǔ)罐裝有壓力傳感器，壓力傳感器與控制器相連，控制器與管道液體控制器件液體計(jì)量泵相連接，在反應(yīng)器內(nèi)管道口裝有噴嘴。其功能是當(dāng)氫氣儲(chǔ)罐內(nèi)壓力低于某設(shè)定值時(shí)，控制器啟動(dòng)液體計(jì)量泵，噴射一定量的液體反應(yīng)物至反應(yīng)器，反應(yīng)開始，制得的氫氣補(bǔ)充至儲(chǔ)罐，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器關(guān)閉液體泵。
上述的氫氣制備裝置，其反應(yīng)器內(nèi)鋁粉隔層上裝有液位傳感器，傳感器與控制器相連接，控制器與排液控制器件液體泵相連。當(dāng)反應(yīng)副產(chǎn)物液位超過擋板時(shí)，控制器啟動(dòng)液體泵，把廢液排放。
氫氣制備裝置的反應(yīng)器，擋板，過濾片，噴嘴，固體燃料儲(chǔ)罐，廢液池及其管道是不銹鋼或其它耐堿腐蝕，耐高溫，耐一定壓力的材料制造的。
氫氣發(fā)生裝置使用時(shí)，裝滿鋁粉的儲(chǔ)料罐使用前必須抽真空或注入氫氣，防止空氣帶入整個(gè)供氫系統(tǒng)。
氫氣發(fā)生裝置的氫氣儲(chǔ)罐的作用是可以給燃料電池冷啟動(dòng)提供氫氣，同時(shí)由于反應(yīng)滯后所產(chǎn)生的氫氣也可以在儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存。
氫氣發(fā)生裝置所用控制器是可編程的程序控制器，可以根據(jù)需要設(shè)置儲(chǔ)氣罐的壓力范圍，可以根據(jù)氫氧化鈉水溶液的濃度計(jì)算并控制加入量。
本發(fā)明所述的制氫和輸氫過程如下金屬鋁粉通過儲(chǔ)料罐加入到反應(yīng)器中，并一次加滿至擋板附近，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力低于設(shè)定值時(shí)，通過控制器啟動(dòng)液體泵，噴射一定量的氫氧化鈉水溶液至反應(yīng)器中，氫氧化鈉水溶液通過鋁粉隔層與金屬鋁粉接觸并反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，氫氣通過過濾片和冷卻裝置補(bǔ)充到儲(chǔ)氣罐，使儲(chǔ)氣罐的壓力回到正常范圍。當(dāng)反應(yīng)副產(chǎn)物偏鋁酸鈉水溶液的液位超過檔板時(shí)，液位傳感器啟動(dòng)液體泵把反應(yīng)副產(chǎn)物偏鋁酸鈉水溶液抽至廢液池。當(dāng)反應(yīng)器中的鋁粉全部反應(yīng)完以后，把鋁粉從儲(chǔ)料罐中再添加到反應(yīng)器，氫氧化鈉水溶液用完以后再從外部補(bǔ)充。鋁粉儲(chǔ)料罐中的鋁粉用完后可重新?lián)Q一個(gè)。儲(chǔ)氣罐中的氫氣可直接儲(chǔ)送給燃料電池或其它需要?dú)錃獾膱?chǎng)合。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果1)金屬鋁與氫氧化鈉加水反應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物是一種環(huán)境友好的物質(zhì)，整個(gè)發(fā)氫與使用過程不排放含碳和含氮的有害氣體；2)與其它儲(chǔ)氫方式相比，金屬鋁的儲(chǔ)氫量高，可達(dá)到每公斤原材料的11％，是金屬氫化物儲(chǔ)氫量的10倍；3)儲(chǔ)存，使用安全，運(yùn)載方便；4)氫氣純度高，不會(huì)造成燃料電池電極催化劑的毒化；5)價(jià)格低廉，使用成本與市售氫氣成本相當(dāng)；6)能源利用率高，反應(yīng)過程中不需要外加能量就可以把很大一部分氫從水中電離出來；7)利用金屬鋁作為儲(chǔ)氫燃料能最大限度利用現(xiàn)有加油站的使用模式，只不過把將汽油改成金屬鋁與氫氧化鈉水溶液；8)供氫速度快，能低溫產(chǎn)氫，而且不需要催化劑；9) 反應(yīng)副產(chǎn)物偏鋁酸鈉是水溶性物質(zhì)，容易排除，不會(huì)堵塞管路。10)回收再利用方便，也可將生成的副產(chǎn)物直接作為其它方面的應(yīng)用，11)鋁在地球上儲(chǔ)量豐富，原料來源廣泛。
綜上所述，本發(fā)明具有反應(yīng)速度易控制，氫氣輸出穩(wěn)定，環(huán)境友好無污染、使用和運(yùn)輸安全、輕便、造價(jià)低等顯著優(yōu)點(diǎn)，特別適合于移動(dòng)工具用燃料電池的氫燃料供給，使大規(guī)模應(yīng)用該供氫系統(tǒng)成為可能。
權(quán)利要求
1.一種氫氣制備方法，其特征在于金屬鋁粉與氫氧化鈉水溶液反應(yīng)制備氫氣，金屬鋁粉的平均粒度為10mm-10nm，氫氧化鈉水溶液的重量百分比濃度為0.1％-30％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣制備方法，其特征在于金屬鋁粉平均粒度為1mm-20μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣制備方法，其特征在于氫氧化鈉水溶液的重量百分比濃度為1％-10％。
4.一種氫氣制備裝置，其特征在于液體儲(chǔ)料容器通過管道與反應(yīng)器相連接，鋁粉容器通過管道、閥門與反應(yīng)器相連接，反應(yīng)器內(nèi)有鋁粉隔層，反應(yīng)器通過管道與氫氣儲(chǔ)罐相連接，反應(yīng)器與裝有排液控制器件的排液管道相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氫氣制備裝置，其特征在于液體儲(chǔ)料容器通過管道及液體控制器件與反應(yīng)器相連接；鋁粉容器通過管道、閥門及氣體接插閥門與反應(yīng)器相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氫氣制備裝置，其特征在于反應(yīng)器內(nèi)鋁粉隔層為帶孔擋板或編織布。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氫氣制備裝置，其特征在于反應(yīng)器與氫氣管道連接處裝有過濾片，氫氣管道裝有冷卻器。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氫氣制備裝置，其特征在于反應(yīng)器與裝有排液控制器件的排液管道相連接處有過濾片，排液管道與廢液容器相連接；廢液容器有管道與氫氣管道連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求4-8所述的氫氣制備裝置，其特征在于氫氣儲(chǔ)罐裝有壓力傳感器，壓力傳感器與控制器相連，控制器與管道液體控制器件液體計(jì)量泵相連接，在反應(yīng)器內(nèi)管道口裝有噴嘴。
10.根據(jù)權(quán)利要求4-8所述的氫氣制備裝置，其特征在于反應(yīng)器內(nèi)鋁粉隔層上裝有液位傳感器，傳感器與控制器相連接，控制器與排液控制器件液體泵相連。
全文摘要
一種氫氣制備方法及其裝置屬于氫氣制造技術(shù)領(lǐng)域。氫氣制備方法是通過金屬鋁粉和氫氧化鈉水溶液在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)制得氫氣,金屬鋁粉的平均粒度為10mm－10nm,氫氧化鈉水溶液的重量百分比濃度為0.1%－30%;氫氣制備裝置的構(gòu)造和連接方式為液體儲(chǔ)料容器通過管道與反應(yīng)器相連接,鋁粉容器通過管道、閥門與反應(yīng)器相連接,反應(yīng)器內(nèi)有鋁粉隔層,反應(yīng)器通過管道與氫氣儲(chǔ)罐相連接,反應(yīng)器與裝有排液控制器件的排液管道相連接。本發(fā)明具有原料價(jià)廉易得,反應(yīng)速度易控制,氫氣輸出穩(wěn)定,環(huán)境好無污染、使用和運(yùn)輸安全、輕便等顯著優(yōu)點(diǎn),特別適合于移動(dòng)工具用燃料電池的氫燃料供給,使大規(guī)模應(yīng)用該供氫系統(tǒng)成為可能。
文檔編號(hào)C01B3/08GK1384044SQ02104279
公開日2002年12月11日 申請(qǐng)日期2002年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月4日
發(fā)明者孫元明, 黃岳祥 申請(qǐng)人:孫元明, 黃岳祥