[發明專利]一種用鎂鹽或鋁鹽催化的高系統氫含量水解制氫系統及其使用方法

有效

• 申請號: 201410222733.X
• 申請日: 2014-05-23
• 公開（公告）號: CN103991843A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 鄭捷
• 申請（專利權）人: 北京北大明德科技發展有限公司
• 主分類號: C01B3/08
• 分類號: C01B3/08;H01M8/06;H01M8/04
• 代理公司: 北京同輝知識產權代理事務所(普通合伙) 11357
• 代理人: 趙慧

技術領域

本發明涉及氫氣制備領域。具體涉及一種高系統氫含量的制氫系統。

背景技術

氫氣是最為理想的燃料，其熱值高，燃燒產物清潔無污染。針對目前的燃料電池技術，氫氣是的最佳燃料，氫氣的氧化反應和產物比較簡單，同樣條件下可以獲得最高的電池轉化效率和功率密度，所需的貴金屬催化劑用量小，氧化產物對燃料電池組件幾乎無損害。然而氫氣不便于運輸和儲存，成為其在燃料電池應用中的技術瓶頸之一。因此可靠的氫氣供應方式是燃料電池的重要配套技術。

利用水解反應放出氫氣是一種重要的儲氫手段，由于金屬便于攜帶，在需要氫氣時利用金屬與水反應放出氫氣，非常適用于便攜式燃料電池的氫源。作為便攜式氫源，氫含量是其中最重要的指標之一。金屬中Mg和Al因為放氫量高、同時價格便宜，因此最具實用性，按照化學計量比，Mg和Al與水反應可以制得的氫氣質量相當于金屬質量的8.3％和11.1％，但在工業上常用的制氫方法中用金屬粉末水解制氫并不常見，此類方法常見于實驗室進行小規模的實驗，并且實際進行實驗室制氫的時候，系統氫含量都遠低于理論值，系統氫含量的定義為：產生氫氣的質量與要制備此氫氣的裝置的質量比，然而此問題并沒有得到大家的關注，更沒有人花精力對其進行原因探究，本申請人在查閱了大量資料并且進行了多次試驗后發現，導致系統氫含量都遠低于理論值的原因主要在于：

1)消耗型添加劑的存在。以Al與水反應體系為例，由于表面氫氧化物的生產，必須借助NaOH促進反應，而反應過程中NaOH也被消耗，引入NaOH后，最理想的情況下材料體系氫含量也將大幅降低至固體總質量的4.5wt％，遠低于Al的理論氫含量。因此為了提高系統氫含量，需要尋找不消耗的催化劑代替消耗型的添加劑。

2)過量水的存在。為使水解反應充分進行，除反應所需的水外，還需要額外的水作為分散、傳質的媒質，而這部分額外的水由于溶解有其他產物或者含有不溶的產物，使得這部分水的利用率降低，不能夠成分發揮作用，導致系統氫產量降低，同時影響了系統氫含量。因此實現水解體系中水的充分利用，是提高系統氫含量的另一關鍵問題。

發明內容

針對上述問題中存在的不足之處，本發明提供一種用鎂鹽或鋁鹽制備高系統氫含量的制氫系統，此系統主要適用于申請人最近的研究發現，納米級金屬粉末可被同種金屬離子催化，在不借助酸或堿的條件下較快的與水反應放出氫氣，其原理可通過下面的式子表示：

M₁(s)+nH₂O+M₂ⁿ⁺(aq)→M₂(OH)_n↓+H₂↑+M₁ⁿ⁺(aq)

其中M₁，M₂為同一種金屬M，其價態為n，但是來源不同，M₁來自于金屬(s)，而M₂存在于溶液中(aq)，n是金屬的價態?？梢妰舴磻墙饘倥c水反應生成氫氣與氫氧化物沉淀，整個過程中金屬離子Mⁿ⁺不消耗，即整個系統金屬鹽不會發生變化，這為實現高系統氫含量提供了可能。

為實現上述目的，本發明提供一種利用鎂鹽或鋁鹽催化金屬粉末水解的高系統氫含量的制氫系統，所述系統包括依次串聯連接的料倉、耐壓反應器、凈化裝置、增壓泵，以及與料倉并聯連接的穩壓閥，通過穩壓閥控制氫氣流量的大小，從而實現對燃料電池的穩定氫氣輸出，輸出壓力和流量可以根據燃料電池的需要進行調節；還包括沉淀分離與溶液回收裝置，所述沉淀分離與溶液回收裝置與耐壓反應器構成循環回路，所述沉淀分離與溶液回收裝置包括過濾網和循環泵；

耐壓反應器中預先裝入鎂鹽或鋁鹽的水溶液，納米金屬粉末通過與耐壓反應器連接的料倉引入反應系統，當納米金屬粉末與溶液接觸后即反應放氫，產生的氫氣通過凈化裝置除去雜質氣體，如CO、H₂S等對氫燃料電池催化劑有毒害的雜質氣體，最終得到高純度的氫氣；

所述凈化裝置可包含基于物理凈化和化學凈化的不同單元或不同單元的組合，包括但不限于冷凝器、冷阱、吸附柱、分離膜等凈化裝置；

沉淀分離和溶液回收裝置可包含不限于沉淀、過濾、加壓過濾等固液分離手段；

所述料倉與凈化裝置之間連接有增壓泵，一部分生成的氫氣引入料倉，排除料倉空間中的空氣，同時使料倉和反應器之間保持穩定的壓力差，可以利用高壓氣體將固體粉末吹入反應器，同時防止料倉的閥門開啟時耐壓反應器中水汽進入料倉；