專利名稱：一種自啟動快速制氫的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及氫氣制備，特別是涉及一種斷電時自動啟動快速制氫的設(shè)備，具
體是一種金屬鋁粉在氫氧化鈉的存在下與水反應(yīng)制取氫氣的設(shè)備。
背景技術(shù)：
氫作為一種重要的化學(xué)物質(zhì)在化學(xué)工業(yè)，石油化工，食品和冶金工業(yè)中有廣泛的 應(yīng)用，氫能是一種很有應(yīng)用前景的載能體。氫經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，剌激了儲氫材料的研究，但 氫氣儲存成本很高，而且還存在著各種各樣的安全問題，因而開發(fā)出小型、廉價、可控、即開 即產(chǎn)、安全可靠、能與燃料電池匹配的制氫技術(shù)已有著十分迫切的需要。 目前氫氣的來源大致分為如下幾種電解水制氫，光化學(xué)制氫，化石燃料制氫，生 物質(zhì)制氫等等。電解水制氫工藝簡單，無污染，但消耗電量大；光化學(xué)制氫目前仍處于基礎(chǔ) 研究階段；化石資源制氫技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)性好，但化石資源畢竟有限，并且制氫過程中產(chǎn)生 大量副產(chǎn)物C02溫室氣體；生物質(zhì)制氫可以提供潔凈能源，而且也是生物質(zhì)能存儲和集中的 一種途徑，但傳統(tǒng)的生物制氫技術(shù)存在能耗高、設(shè)備工藝復(fù)雜、副產(chǎn)物多、氫氣的分離和凈 化難度大等缺點(diǎn)。另外，NaB仏水解制氫也是相對比較成熟的工藝，但NaBH4成本較高，回收 利用困難，很難廣泛應(yīng)用。 金屬鋁制氫具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，反應(yīng)過程中不產(chǎn)生含碳和含氮的有害物質(zhì)，產(chǎn)物 環(huán)境友好；金屬鋁的儲氫量高，是金屬氫化物儲氫量的10倍；所產(chǎn)生的氫氣純度高，不會造 成燃料電池電極催化劑的中毒；鋁在地球上儲量豐富，具有原料來源廣泛，價格低廉等特性。 專利號為CN02104279.9中國發(fā)明專利公開了一種氫氣的制備方法及其裝置，該方 法是用鋁粉與氫氧化鈉溶液發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。但實際上，氫氧化鈉在鋁粉制氫中只是起 催化作用，且產(chǎn)物是氫氧化鋁，在不與空氣接觸的情況下，氫氧化鈉的量并不減少。L. Sole 等在文獻(xiàn)中(L. ，Macanas J. ，Munoz M. ，Casado J. ， Hydrogen Generation from Aluminum in anon—consumable potassium hydroxide solution.Proceedings International Hydrogen EnergyCongress and Exhibition 2005.Istanbul. Turkey. 13_25 July 2005 ^ Soler L. Macanas J. MunozM.. Casado J.. Aluminum and aluminum alloys as sources of hydrogen for fuel cell applications. Journal of Power Sources,169(2007) 144-149)
也證明了這一點(diǎn)。目前鋁粉制氫的主要應(yīng)用場合是為作為備用電源的燃料電池裝置提供原 料氫氣。該裝置不具備斷電時自動啟動的功能，不能實現(xiàn)在在所監(jiān)控的電源斷電時自行啟
動；氫氧化鈉溶液需要現(xiàn)用現(xiàn)配，有可能被空氣中的C02所污染。 2003年，美國專利(US Pat No. 6， 638， 493 B2)公開了一種生產(chǎn)氫氣的方法，公開 了在一定的條件下氫氧化鈉的催化作用，但該方法不能實現(xiàn)自動開啟的功能，操作比較麻 煩，而且氫氣的純度不高。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種斷電時能立即生自動啟動
3產(chǎn)穩(wěn)定流量氫氣的設(shè)備，實現(xiàn)現(xiàn)場制氫和即時供氫。采用的原料來源廣泛，價格低廉，方法
簡單，效率高，成本低，裝置結(jié)構(gòu)簡單。 本實用新型的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn) —種自啟動快速制氫的設(shè)備，該設(shè)備的鋁粉容器依次通過第一電磁閥、第一流量
控制閥門和鋁粉分布器與反應(yīng)器連通，使鋁粉容器中的鋁粉進(jìn)入反應(yīng)器中；鋁粉的顆粒粒
徑在5nm-20mm ;反應(yīng)器為密封容器，下端盛有氫氧化鈉固體；水管依次與第二電磁閥、第二
流量控制閥門及噴頭連接，噴頭設(shè)置在反應(yīng)器上端，使水噴入反應(yīng)器中；反應(yīng)器上端設(shè)有鋁
粉過濾網(wǎng)，鋁粉過濾網(wǎng)經(jīng)過管道與第三電磁閥連接，第三電磁閥與第三流量控制閥門連接；
第三流量控制閥門與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)極連接；當(dāng)某場合的電力供應(yīng)中斷時，該系統(tǒng)
自動啟動，產(chǎn)生的氫氣供應(yīng)給燃料電池，燃料電池發(fā)出的電力替代中斷的電力供應(yīng)。 為進(jìn)一步實現(xiàn)本實用新型目的，所述反應(yīng)器上端還設(shè)有安全閥和壓力表。 所述鋁粉過濾網(wǎng)經(jīng)過管道還與放散閥連接；反應(yīng)器上端還設(shè)有氫氣充裝閥；氫氣
充裝閥與放散閥配合工作，通過如下步驟在系統(tǒng)未發(fā)生反應(yīng)前將容器中充滿氫氣 (1)氫氣充裝閥與惰性氣體氣源連接，打開氫氣充裝閥與放散閥，利用惰性氣體
(如氮?dú)?吹掃容器中的空氣，關(guān)閉充裝閥與放散閥； (2)將氫氣充裝閥與氫氣氣源連接，打開氫氣充裝閥與放散閥，利用氫氣吹掃容器 中的惰性氣體，使得容器中充滿氫氣并保持微正壓。 所述鋁粉分布器由一根直徑8-12毫米的不銹鋼管彎曲打孔而成；彎曲角度135 度，斜管部分長度為反應(yīng)器直徑的1倍，所鉆孔徑為2-5mm，相鄰孔中心距10-15mm。 所述噴頭為布滿圓孔的圓盤的水分布器；圓孔孔徑為l-3mm，相鄰孔中心距 4一6mm。 本實用新型所采用的制氫原理為 2A1+6H20 — 2A1(0H)3 I +3H2 t (催化劑NaOH) 本實用新型所采用的制氫方法對原料要求不高，一般市售的分析純產(chǎn)品即可。 由于本實用新型采用鋁粉為原料，比表面積比較大，反應(yīng)速率比較迅速，所以應(yīng)嚴(yán) 格控制鋁粉及水的流速，以便獲得穩(wěn)定的氫氣流量。 當(dāng)用電場所的電力供應(yīng)中斷時，控制鋁粉供應(yīng)管路、供水管路及氫氣輸送管路的 電磁閥自動開啟，使容器中的鋁粉與自來水流入盛放有氫氧化鈉的反應(yīng)器中，在氫氧化鈉 的催化作用下鋁粉與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氣。鋁粉、自來水及氫氣的流量可以通過其管路 上相應(yīng)的流量控制閥的開度來調(diào)節(jié)。 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益技術(shù)效果 1.由于鋁粉的高比表面積和活性，使得反應(yīng)比較劇烈，難以控制，通過流量控制閥 的開度來調(diào)節(jié)鋁粉及水的流量，通過控制鋁粉和水的接觸量，從而可以有效的控制反應(yīng)速 率，進(jìn)而獲得較穩(wěn)定氫氣流量。 2.氫氧化鈉放置在反應(yīng)器中，在氫氣氣氛的保護(hù)下，免于被空氣中的二氧化碳污 染，提高催化活性。 3.本實用新型實現(xiàn)了斷電時即時產(chǎn)氫的功能，為燃料電池提供較為穩(wěn)定流量和高 純度的氫氣以供其發(fā)電，與燃料電池合用，實現(xiàn)了備用電源的自動啟動功能。使用的電磁閥 可以實現(xiàn)在有電時閉合，斷電時自動開啟的功能，從而可以實現(xiàn)斷電后氫氣的現(xiàn)場制取和
4即時制取。 (4)保證氫氣的純度，在系統(tǒng)中未發(fā)生制氫反應(yīng)的時候，可以利用系統(tǒng)的氫氣充裝 閥及放散閥在系統(tǒng)中充裝氫氣，并保持反應(yīng)器內(nèi)的壓力為微正壓。 (5)在氫氣輸送管路中安裝了流量控制閥，反應(yīng)器中產(chǎn)生的氫氣通過流量控制閥 將其輸出到燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
(6)本實用新型所述的制氫方法，其產(chǎn)物為氫氧化鋁沉淀，可以回收利用.
圖1為本實用新型的鋁粉與氫氧化鈉反應(yīng)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為鋁粉分布器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為圖2中的A-A剖面圖； 圖4為圖2中的B-B剖面圖； 圖5為噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為圖5的C-C剖面圖； 圖7為圖6的D-D剖面圖。
具體實施方式以下通過實施例和附圖對本實用新型作進(jìn)一步說明，但需要說明的是具體實施方 式并不構(gòu)成對本實用新型要求保護(hù)范圍的限制。 如圖1所示，一種自啟動快速制氫的設(shè)備包括鋁粉容器1、鋁粉2、第一電磁閥3、第 二電磁閥5、第三電磁閥ll，第一流量控制閥門4、第二流量控制閥門6、第三流量控制閥門 12、噴頭7、反應(yīng)器8、氫氧化鈉固體9、鋁粉分布器10、放散閥13、壓力表14、鋁粉過濾網(wǎng)15、 安全閥16和氫氣充裝閥17。鋁粉2的顆粒粒徑在5nm-20mm ;鋁粉容器1依次通過第一電 磁閥3、第一流量控制閥門4和鋁粉分布器10與反應(yīng)器8連通，使得鋁粉容器1中的鋁粉2 在第一電磁閥3開啟時可以進(jìn)入反應(yīng)器8中；反應(yīng)器8為密封容器，下端盛有氫氧化鈉固體 9 ;水管依次與第二電磁閥5、第二流量控制閥門6及噴頭7連接，噴頭7設(shè)置在反應(yīng)器8上 端，使水在第二電磁閥5開啟時均勻噴入反應(yīng)器8中；反應(yīng)器8上端設(shè)有氫氣輸送管路，該 管路上依次設(shè)設(shè)有鋁粉過濾網(wǎng)15、第三電磁閥ll和第三流量控制閥門12。在鋁粉過濾網(wǎng) 與第三電磁閥ll之間連接管道上安裝有放散閥13。第三流量控制閥12可以控制流出的氫 氣流量，以供不同發(fā)電量的燃料電池使用。反應(yīng)器8上端還設(shè)有壓力表14、安全閥16和氫 氣充裝閥17。壓力表14用于顯示反應(yīng)器內(nèi)的壓強(qiáng)，安全閥16為了在系統(tǒng)在壓力過高的事 故狀況下將系統(tǒng)泄壓，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 氫氣充裝閥17與放散閥13可以配合工作，通過如下步驟在系統(tǒng)未發(fā)生反應(yīng)前將 容器8中充滿氫氣，保證系統(tǒng)啟動階段所產(chǎn)生的氫氣的純度 (1)氫氣充裝閥17與惰性氣體氣源(如瓶裝氮?dú)獾?連接，打開氫氣充裝閥17與 放散閥13，利用氮?dú)獯祾叽祾呷萜?中的空氣，關(guān)閉充裝閥17與放散閥13 ;氫氣充裝閥17 和放散閥13是二通球閥，型號為SS-72系列K7A.北京熊川閥門制造有限公司生產(chǎn)。 (2)將氫氣充裝閥17與氫氣氣源(如瓶裝氫氣等)連接，打開氫氣充裝閥17與放 散閥13，利用氫氣吹掃容器8中的氮?dú)?，使得容器中充滿氫氣并保持微正壓。[0040] 第一 電磁閥3、第二電磁閥5和第三電磁閥11為斷電自動開啟閥門，在有電時閉 合，斷電時自動打開。電磁閥是直動式電磁閥，GSR48型A4858，大連力迪流體控制技術(shù)有限 公司生產(chǎn)。第一流量控制閥門4、第二流量控制閥門6和第三流量控制閥門12為調(diào)節(jié)閥， 32M6F型，北京熊川閥門制造有限公司生產(chǎn)。 鋁粉分布器10結(jié)構(gòu)如圖2-圖4所示，該分布器由一根直徑8-12毫米的不銹鋼管 彎曲打孔而成。彎曲角度135度。斜管部分長度L為反應(yīng)器直徑的1倍，所鉆孔徑為2-5mm， 相鄰孔中心距10-15mm。 噴頭7結(jié)構(gòu)如圖5-7所示，主要結(jié)構(gòu)為一由圓盤打孔而成的水分布器，圓盤布滿圓 孔；圓孔孔徑為l-3mm，相鄰孔中心距4-6mm。?？讖綖閘-3mm，相鄰孔中心距4-6mm。 上述裝置產(chǎn)生的氫氣通過第三電磁閥11和第三流量控制閥門12與燃料電池發(fā)電 系統(tǒng)的負(fù)極連接，當(dāng)某場合的電力供應(yīng)中斷時，閉合的第一電磁閥3、第二電磁閥5和第三 電磁閥11自動開啟，鋁粉和水進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)器中儲存的氫氣及后續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣進(jìn) 入燃料電池發(fā)電。鋁粉在堿的存在下與水發(fā)生反應(yīng)，通過控制第一流量控制閥門4和第二 流量控制閥門6的開度可以控制自來水和鋁粉的流量，從而控制產(chǎn)氫速率，通過控制第三 流量控制閥門12的開度可以控制氫氣的流量，從而控制燃料電池的發(fā)電功率。針對不同產(chǎn) 率的制氫裝置，第一流量控制閥門4、第二流量控制閥門6和第三流量控制閥門12的開度可
以預(yù)先調(diào)整到合適的值。 實施例1 在鋁粉容器中加入368g的鋁粉，調(diào)節(jié)第一流量控制閥門4的開度控制鋁粉流量約 為6. 2g/min，第二流量控制閥門6的開度使水的流量約為12. 3ml/min，調(diào)節(jié)第三流量控制 閥門12的開度使氫氣的流量約為7. 6L/min。當(dāng)所監(jiān)控的電力系統(tǒng)斷電時，第一電磁閥3、第 二電磁閥5和第三電磁閥11由于所監(jiān)控的電力中斷而自動開啟，鋁粉和水進(jìn)入反應(yīng)器生產(chǎn) 氫氣。氫氣通過第三電磁閥11和第三流量控制閥門12流向燃料電池的負(fù)極，可以為500W 的燃料電池供應(yīng)氫氣約1小時。 實施例2 在鋁粉容器中加入740g的鋁粉，調(diào)節(jié)第一流量控制閥門4的開度控制鋁粉流量約 為12. 3g/min，調(diào)節(jié)第二流量控制閥門6的開度使水的流量約為24. 5ml/min，調(diào)節(jié)第三流量 控制閥門12的開度使氫氣的流量約為15. 2L/min。當(dāng)所監(jiān)控的電力系統(tǒng)斷電時，第一電磁 閥3、第二電磁閥5和第三電磁閥11由于所監(jiān)控的電力中斷而自動開啟，鋁粉和水進(jìn)入反應(yīng) 器生產(chǎn)氫氣。氫氣通過第三電磁閥ll和第三流量控制閥門12流向燃料電池的負(fù)極，可以 為1000W的燃料電池供應(yīng)氫氣約1小時。 實施例3 在鋁粉容器中加入1. lkg的鋁粉，調(diào)節(jié)第一流量控制閥門4的開度控制鋁粉流量 約為18. 3g/min調(diào)節(jié)第二流量控制閥門6的開度使水的流量約為36. 6ml/min，調(diào)節(jié)第三流 量控制閥門12的開度使氫氣的流量約為22. 8L/min。當(dāng)所監(jiān)控的電力系統(tǒng)斷電時，第一電 磁閥3、第二電磁閥5和第三電磁閥11由于所監(jiān)控的電力中斷而自動開啟，鋁粉和水進(jìn)入反 應(yīng)器生產(chǎn)氫氣。氫氣通過第三電磁閥ll和第三流量控制閥門12流向燃料電池的負(fù)極，可 以為1500W的燃料電池供應(yīng)氫氣約1小時。 實施例4
6[0051] 在鋁粉容器中加入1. 46kg的鋁粉，調(diào)節(jié)第一流量控制閥門4的開度控制鋁粉流量 約為12. 3g/min，調(diào)節(jié)第二流量控制閥門6的開度使水的流量約為24. 5ml/min，調(diào)節(jié)第三流 量控制閥門12的開度使氫氣的流量約為15. 2L/min。當(dāng)所監(jiān)控的電力系統(tǒng)斷電時，第一電 磁閥3、第二電磁閥5和第三電磁閥11由于所監(jiān)控的電力中斷而自動開啟，鋁粉和水進(jìn)入反 應(yīng)器生產(chǎn)氫氣。氫氣通過第三電磁閥11和第三流量控制閥門12流向燃料電池的負(fù)極， 可以為1000W的燃料電池供應(yīng)氫氣約2小時。 實施例5 在鋁粉容器中加入7. 40kg的鋁粉，調(diào)節(jié)第一流量控制閥門4的開度控制鋁粉流量 約為12. 3g/min，調(diào)節(jié)第二流量控制閥門6的開度使水的流量約為24. 5ml/min，調(diào)節(jié)第三流 量控制閥門12的開度使氫氣的流量約為15. 2L/min。當(dāng)所監(jiān)控的電力系統(tǒng)斷電時，第一電 磁閥3、第二電磁閥5和第三電磁閥11由于所監(jiān)控的電力中斷而自動開啟，鋁粉和水進(jìn)入反 應(yīng)器生產(chǎn)氫氣。氫氣通過第三電磁閥ll和第三流量控制閥門12流向燃料電池的負(fù)極，可 以為1000W的燃料電池供應(yīng)氫氣約10小時。 實施例6 在鋁粉容器中加入17. 6kg的鋁粉，調(diào)節(jié)第一流量控制閥門4的開度控制鋁粉流量 約為12. 3g/min，調(diào)節(jié)第二流量控制閥門6的開度使水的流量約為24. 5ml/min，調(diào)節(jié)第三流 量控制閥門12的開度使氫氣的流量約為15. 2L/min。當(dāng)所監(jiān)控的電力系統(tǒng)斷電時，第一電 磁閥3、第二電磁閥5和第三電磁閥11由于所監(jiān)控的電力中斷而自動開啟，鋁粉和水進(jìn)入反 應(yīng)器生產(chǎn)氫氣。氫氣通過第三電磁閥ll和第三流量控制閥門12流向燃料電池的負(fù)極，可 以為1000W的燃料電池供應(yīng)氫氣約24小時。
權(quán)利要求一種自啟動快速制氫的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備的鋁粉容器依次通過第一電磁閥、第一流量控制閥門和鋁粉分布器與反應(yīng)器連通，使鋁粉容器中的鋁粉進(jìn)入反應(yīng)器中；鋁粉的顆粒粒徑在5nm-20mm；反應(yīng)器為密封容器，下端盛有氫氧化鈉固體；水管依次與第二電磁閥、第二流量控制閥門及噴頭連接，噴頭設(shè)置在反應(yīng)器上端，使水噴入反應(yīng)器中；反應(yīng)器上端設(shè)有鋁粉過濾網(wǎng)，鋁粉過濾網(wǎng)經(jīng)過管道與第三電磁閥連接，第三電磁閥與第三流量控制閥門連接；第三流量控制閥門與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)極連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自啟動快速制氫的設(shè)備，其特征在于所述反應(yīng)器上端還設(shè) 有安全閥。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自啟動快速制氫的設(shè)備，其特征在于反應(yīng)器上端還設(shè)有壓力表。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自啟動快速制氫的設(shè)備，其特征在于所述鋁粉分布器由直 徑8-12毫米的不銹鋼管彎曲打孔而成；彎曲角度135度，斜管部分長度為反應(yīng)器直徑的1 倍，所鉆孔徑為2-5mm，相鄰孔中心距10-15mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自啟動快速制氫的設(shè)備，其特征在于所述噴頭為由布滿圓 孔的圓盤的水分布器；圓孔孔徑為l-3mm，相鄰孔中心距4-6mm。
專利摘要本實用新型公開了一種自啟動快速制氫的設(shè)備，其鋁粉容器依次通過第一電磁閥、第一流量控制閥門和鋁粉分布器與反應(yīng)器連通，使鋁粉容器中的鋁粉進(jìn)入反應(yīng)器中；鋁粉的顆粒粒徑在5nm-20mm；反應(yīng)器為密封容器，下端盛有氫氧化鈉固體；水管依次與第二電磁閥、第二流量控制閥門及噴頭連接，噴頭設(shè)置在反應(yīng)器上端，使水噴入反應(yīng)器中；反應(yīng)器上端設(shè)有鋁粉過濾網(wǎng)，鋁粉過濾網(wǎng)經(jīng)過管道與第三電磁閥連接，第三電磁閥與第三流量控制閥門連接；第三流量控制閥門與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)極連接。本實用新型具有原料廉價易得，反應(yīng)速度易控制，裝置簡單，產(chǎn)物對環(huán)境友好無污染，使用和運(yùn)輸安全輕便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C01B3/08GK201510868SQ200920058510
公開日2010年6月23日 申請日期2009年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月16日
發(fā)明者劉光明, 解東來 申請人:華南理工大學(xué)