專利名稱：一種基于鋁水解反應(yīng)的便攜式制氫發(fā)生器及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氫氣制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于鋁合金水解反應(yīng)的氫氣發(fā) 生器及其控制方法。
背景技術(shù)：
以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、壽命長(zhǎng)、比功率 高等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是筆記本電腦、手機(jī)等移動(dòng)工具的首選理想電源。小型的質(zhì)子交換膜 電池除要求自身體積小、攜帶方便等要求外，還要求供氫系統(tǒng)產(chǎn)氫速度快、高效、安全及系 統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等。常規(guī)的儲(chǔ)氫方法，如高壓儲(chǔ)氫，合金化合物儲(chǔ)氫難以滿足上述要求。因此最 近幾年國(guó)際上開(kāi)發(fā)了以硼氫化物或金屬為原料的制氫技術(shù)及相關(guān)裝置，極大促進(jìn)了小型質(zhì) 子交換膜電池的推廣應(yīng)用。在眾多的制氫_儲(chǔ)氫材料中，金屬鋁具有資源豐富、價(jià)格低廉、 水解產(chǎn)氫量高(1245ml/lg A1)、反應(yīng)在溫和條件進(jìn)行、產(chǎn)物可循環(huán)利用、無(wú)有毒氣體等優(yōu) 點(diǎn)，是解決氫氣儲(chǔ)存的理想途徑之一。發(fā)明專利(CN，02104279. 9)開(kāi)發(fā)了鋁和氫氧化鈉水溶液反應(yīng)制氫技術(shù)及裝置，該 方法簡(jiǎn)單，但制氫裝置帶有大量的附件，如壓力控制、液位計(jì)、計(jì)量泵等，大大增加了系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)的復(fù)雜性和裝置的制造成本。專利(CN，200710072342. 4)采用滴水加入法，簡(jiǎn)化了鋁與 堿溶液水解制氫裝置。通過(guò)設(shè)計(jì)3個(gè)滴液管、U型軟管、彈性膜、擋板等，利用裝置內(nèi)鋁與堿 反應(yīng)產(chǎn)生的氫壓，使彈性膜膨脹擠壓U型軟管，控制水的流量。本專利最大的改進(jìn)在于借 助自身的氫氣壓力，控制鋁與堿的反應(yīng)。但是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依然復(fù)雜，依然帶有大量的輔助部 件，導(dǎo)致制氫裝置體積龐大。其次，鋁與堿液反應(yīng)是劇烈的放熱反應(yīng)，大量的熱量若未有效 除去，可能導(dǎo)致水解產(chǎn)物急劇結(jié)塊，影響反應(yīng)的進(jìn)行以及不安全因素等后果的產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有制氫技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供了一種適合小型質(zhì)子交換膜燃 料電池的便攜式氫氣發(fā)生器及其控制方法。本發(fā)明包含注水管、熱交換室、進(jìn)水毛細(xì)管、存料室、圓柱進(jìn)水管、儲(chǔ)氣室、移動(dòng)式 分離膜、導(dǎo)氣管。注水管彎曲垂直罐體水平面，并超出罐體水平面10-30cm的高度。注水管 表面有螺紋，可與管式水槽相連，或用螺帽擰緊，與外界隔絕。熱交換室是罐體的內(nèi)壁與外 壁之間、寬度為l-10mm的空心體。進(jìn)水毛細(xì)管位于罐體內(nèi)壁的側(cè)上方，與進(jìn)水圓柱管相連。 進(jìn)水圓柱管是緊貼氫氣發(fā)生器內(nèi)壁的鋼管，表面有分布均勻的直徑為0. 01-lmm的小孔。移 動(dòng)式分離膜為空心不銹鋼圓環(huán)，上下表面分別黏貼的致密泡沫鎳，圓環(huán)外徑介于罐體內(nèi)徑 與圓柱管內(nèi)徑之間。進(jìn)水圓柱體與分離膜固定連接。分離膜把罐體內(nèi)部分為儲(chǔ)料室和儲(chǔ)氣 室。導(dǎo)氣管位于氫氣發(fā)生器蓋體正中央，罐體與蓋體固定連接。工作原理本發(fā)明通過(guò)鋁合金與水反應(yīng)制造氫氣，水由注水管加入到熱交換室，然 后通過(guò)不銹鋼毛細(xì)管進(jìn)入制氫發(fā)生器內(nèi)，通過(guò)進(jìn)水圓柱管與合金接觸反應(yīng)2A1 (M) +6H20 — 2A100H+3H2
M為鉍、鎵、汞等其它金屬產(chǎn)生的氫氣透過(guò)分離膜，進(jìn)入儲(chǔ)氣室，并通過(guò)出氣管為燃料電池提供氫氣，隨反應(yīng) 進(jìn)行，當(dāng)儲(chǔ)氣室的氫氣壓力大于外界注水管的壓力時(shí)，毛細(xì)管的水滴被抑制，從而阻止制氫 反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)燃料電池逐漸將儲(chǔ)氣室內(nèi)的氫氣消耗，儲(chǔ)氣室的氫氣壓力大于外界注水管 的壓力時(shí)，水繼續(xù)通過(guò)毛細(xì)管進(jìn)入存料室，反應(yīng)將重復(fù)上述過(guò)程。與以往的技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明的制氫裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)、成本低；(2)通過(guò)氫氣發(fā)生器內(nèi)部與外界的壓力差，有效控制氫氣產(chǎn)量；(3)本發(fā)明適用于鋰鋁等合金與水反應(yīng)、鋁與堿液反應(yīng)等多種制氫材料；(4)本發(fā)明適用于多種燃料電池，產(chǎn)生的氫氣含有一定量的水蒸汽，無(wú)需額外增加 加濕設(shè)備。綜上所述，利用本發(fā)明提供的制氫裝置及其控制方法可充分發(fā)揮鋁合金水解制氫 技術(shù)的優(yōu)越性，輸出的氫氣不僅帶水蒸氣、流量穩(wěn)定，且能較好的控制反應(yīng)進(jìn)度，產(chǎn)氫速率 穩(wěn)定、系統(tǒng)安全可靠、成本低。


圖1為本發(fā)明制氫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1-注水管，2-合金儲(chǔ)存室，3-熱交換室，4-進(jìn)水圓柱管，5-罐體，6-分離膜， 7-氫氣儲(chǔ)存室，8-進(jìn)水毛細(xì)管，9-蓋體，10-固體螺母，11-出氣閥，12-旋轉(zhuǎn)螺母。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳 細(xì)說(shuō)明如下請(qǐng)參閱附圖1。實(shí)施例1一種制氫發(fā)生器，包括注水管，熱交換室，進(jìn)水圓柱管，罐體，分離膜，進(jìn)水毛細(xì)管， 蓋體，固體螺母，出氣閥。水通過(guò)注水管加入，注水管帶有螺紋，可由螺帽隔絕外界，也可與 其它水槽相連；水由注水管進(jìn)入熱交換室，熱交換室設(shè)有梯形螺紋；進(jìn)水毛細(xì)管連接熱交 換室和圓柱管。分離膜連接合金儲(chǔ)存室和氫氣儲(chǔ)存室。蓋體上方有出氣管道，輸出端設(shè)有 調(diào)壓閥和調(diào)流閥，可調(diào)節(jié)出口氫氣的流量和壓力，滿足不同需求。氫氣發(fā)生器設(shè)有氫氣壓力 調(diào)控裝置，壓力調(diào)控裝置根據(jù)系統(tǒng)壓力變化控制反應(yīng)原料進(jìn)入氫氣發(fā)生器的流量。實(shí)施例21.實(shí)施例1制氫裝置的制氫方法，其反應(yīng)物水經(jīng)注水管的加入，灌滿熱交換室，通 過(guò)毛細(xì)管，沿進(jìn)水圓柱管進(jìn)入合金儲(chǔ)存室，并與儲(chǔ)存室的合金反應(yīng)制取氫氣；氫氣透過(guò)分離 膜進(jìn)行固氣分離，氫氣進(jìn)入氫氣儲(chǔ)存室。氫氣凈化后經(jīng)出氣管端口輸出，出氣管端口連有氣 液分離膜。若氫氣沒(méi)及時(shí)輸出，在氫氣儲(chǔ)存室形成壓力，當(dāng)該壓力小于注水管端口與進(jìn)水毛 細(xì)管之間的壓力AP時(shí)，水會(huì)持續(xù)從毛細(xì)管進(jìn)入；反之，當(dāng)氫氣儲(chǔ)存室壓力等于或大于注水 管端口與進(jìn)水毛細(xì)管之間的壓力差A(yù)P時(shí)，水會(huì)停止進(jìn)入。通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺帽長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)水的進(jìn) 入壓力，進(jìn)一步控制氫氣發(fā)生器的進(jìn)水量和進(jìn)水速率。因此鋁合金與水反應(yīng)的產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率由注水管端口與進(jìn)水毛細(xì)管之間的壓力差A(yù)P以及螺帽的旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)度決定。AP取決 于注水管端口與進(jìn)水毛細(xì)管之間的高度差A(yù)h。
權(quán)利要求
一種基于鋁合金水解反應(yīng)的便攜式制氫發(fā)生器，包括罐體和蓋體；罐體是內(nèi)壁空心的U型不銹鋼罐，從底部往上分為熱交換室、合金儲(chǔ)存室(即反應(yīng)區(qū))、分離膜、氫氣儲(chǔ)存室。熱交換室是罐體外壁與內(nèi)壁之間的空心體；分離膜為空心圓環(huán)黏貼的致密泡沫鎳，把罐體內(nèi)部分為合金儲(chǔ)存室和氫氣儲(chǔ)存室。在罐體內(nèi)壁黏貼進(jìn)水圓柱管，圓柱管表面有分布均勻的小孔，其頂端通過(guò)毛細(xì)管與熱交換室相連。熱交換室與注水管固定連接，注水管垂直罐體水平面，并與外界相連通，注水管帶有螺紋，并通過(guò)螺帽旋轉(zhuǎn)控制進(jìn)水壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罐體，其特征是罐體內(nèi)部體積為lO-lOOOcm3，內(nèi)壁表層黏貼 的進(jìn)水圓柱管表面分布均勻小孔，小孔直徑為0. 01-lmm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罐體，其特征是分離膜為空心不銹鋼圓環(huán)，其上下表面分別 黏貼致密泡沫鎳，圓環(huán)外徑等于進(jìn)水圓柱管的內(nèi)徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罐體，其特征是熱交換室是罐體內(nèi)壁與外壁之間的空心體， 寬度介于l-10mm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罐體，其特征是毛細(xì)管置于罐體內(nèi)壁側(cè)上方，毛細(xì)管長(zhǎng)度 l-10mm，直徑 0. l-2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的罐體，其特征是罐體底部連接注水管，注水管垂直罐 體水平面，并超出罐體水平面10-30cm的高度。注水管口與大氣接觸處帶有螺紋，可與水 槽、螺帽相連。注水管內(nèi)徑l_50mm，螺紋長(zhǎng)5-20cm。與注水管匹配的螺帽長(zhǎng)5-20cm，內(nèi)徑與 注水管外徑相同。在螺帽內(nèi)部焊接一圓柱體，其外徑與注水管內(nèi)徑相同，圓柱體高度與螺帽 高度相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式制氫發(fā)生器的控制方法，其特征是鋁合金預(yù)先儲(chǔ)存 在氫氣發(fā)生器內(nèi)，水通過(guò)水槽，進(jìn)入注水管，通過(guò)重力作用流入熱交換室，然后通過(guò)與熱交 換層相連的毛細(xì)管進(jìn)入氫氣發(fā)生器，反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，形成一定壓力，當(dāng)氫壓過(guò)大，阻止水流 入。通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺帽長(zhǎng)度，通過(guò)調(diào)節(jié)水的進(jìn)入壓力，控制氫氣發(fā)生器的進(jìn)水量和進(jìn)水速率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁合金水解制氫的便攜式制氫發(fā)生器與控制方法。本發(fā)明屬于氫氣制備技術(shù)領(lǐng)域，其特點(diǎn)是制氫發(fā)生器包括注水管、熱交換區(qū)、毛細(xì)管、進(jìn)水圓柱管、合金儲(chǔ)存室(即反應(yīng)區(qū))、分離膜、氫氣儲(chǔ)存室。水通過(guò)注水管加入，經(jīng)過(guò)熱交換室、氫氣儲(chǔ)存室側(cè)上方的毛細(xì)管、進(jìn)水圓柱管與儲(chǔ)存室合金反應(yīng)。產(chǎn)生的氫氣儲(chǔ)存在氫氣儲(chǔ)存室或從出氣管導(dǎo)出。合金水解產(chǎn)氫速率的控制取決于注水管和毛細(xì)管之間的勢(shì)能差以及注水管螺帽的旋轉(zhuǎn)深度。本發(fā)明具有裝置簡(jiǎn)單、安全可靠、不用電、可控性好、輸出氫壓平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)氫氣的產(chǎn)生速率和產(chǎn)量進(jìn)行有效的控制，適用于多種燃料電池。
文檔編號(hào)C01B3/08GK101973520SQ20101029360
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者柴文祥, 沈杭燕, 田光磊, 范美強(qiáng), 陳達(dá) 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院