[發明專利]連續可控的氫化鎂水解制氫裝置及利用該裝置制氫的方法

有效

• 申請號: 201510012793.3
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104555916A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 李李泉;李姝;朱云峰;劉虎
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: C01B3/06
• 分類號: C01B3/06
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤;尹慧晶

技術領域

本發明涉及能源化學和電源化學產品技術領域，具體涉及一種連續可控的氫化鎂水解制氫裝置及利用該裝置制氫的方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)因具有無污染、效率高、壽命長、可微型化等優點成為最具商業化應用前景的新型移動電源之一。高效、穩定、安全、響應迅速的在線氫源技術是將氫燃料電池推向應用的前提和關鍵。然而，常見的高壓儲氫、液態儲氫以及固態吸附儲氫等方法都難以滿足上述要求。因此，近年來國內外開發了基于活性金屬、硼氫化物及鎂基氫化物等制氫劑的水解在線氫源技術，極大地推動了氫燃料電池的應用。

在眾多的固體制氫劑中，氫化鎂(MgH₂)具有較高的理論儲氫量(7.6wt.％)，與水反應，在釋放每個氫原子的同時還可從水中提取另一個氫原子，使得體系的理論制氫量高達15.2wt.％，即1700mL/g(MgH₂)(考慮水由氫燃料電池反應生成，只記MgH₂重量)。水解制氫副產物氫氧化鎂環境友好，是一種應用廣泛的阻燃劑。近年來，面向移動式氫燃料電池在線氫源用的氫化鎂水解制氫技術受到國內外同行的高度關注。

目前，基于氫化鎂水解的在線制氫技術，其制氫方式是將一定量的氫化鎂置于反應器中，利用泵注入反應水溶液，固液接觸啟動反應，并利用啟普發生器原理實現制氫反應的啟停。然而，由于大劑量固液反應物集中反應，制氫反應過程的可調性不佳，且裝置的制氫速率不穩定(反應物定量，隨著反應物的消耗及鈍化層的包覆，供氫速率下降)。此外，當反應物耗盡，須停止反應，再加入反應物，再次啟動反應，操作繁瑣、復雜。因此，現有的氫化鎂水解制氫技術(制氫方法及制氫裝置)不能滿足面向應用的在線氫源的要求。

發明內容

本發明旨在解決現有氫化鎂水解制氫技術中存在的上述問題，提供了一種連續可控的氫化鎂水解制氫裝置及利用該裝置制氫的方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種連續可控的氫化鎂水解制氫裝置，該裝置包括氫化鎂儲器、氯化鎂溶液儲器、制氫反應器和固液分離器，制氫反應器的第一進料口連接氫化鎂儲器的出口，制氫反應器的第二進料口連接氯化鎂溶液儲器，制氫反應器的第一導出口連接氫氣凈化器，制氫反應器的第二導出口通過螺旋反應管連接固液分離器的入口，固液分離器的出口連接氫氣凈化器。

所述的螺旋式反應管為縱向螺旋管。使用該螺旋式反應管進行反應，具有可連續進行，溫度易控制及返混小的特點。同時，由于縱向螺旋管的重力引力作用便于實現氫化鎂與氯化鎂溶液之間的流態化反應，還可以規避反應器內正在進行的反應對后續導入的固液原料發生制氫反應的影響，尤其是對傳質、傳熱等反應過程的影響。此外，采用縱向的螺旋管還可以減少宏觀的尺寸，有利于形成結構更緊湊的供氫反應器。該縱向螺旋管優選采用聚氨酯管。使用時，可以將聚氨酯管盤繞在圓柱型筒的外側制成螺旋式反應管。

氫化鎂儲器和制氫反應器之間設置進料器；氯化鎂溶液儲器和制氫反應器之間設置微型計量泵。該進料器與微型計量泵的設置，實現了固液反應物的微劑量可控供給。

在氫氣凈化器之后通過管路連接負載。

制氫反應器的第一進料口的高度高于第二進料口。第二進料口高于第二導出口，這是由于液體從“高處”下落時具有的沖擊力可更易將固體燃料“帶走”，以便更好地形成固液混合流。第一導出口的高度低于第一進料口，高于二進料口。該導出口的作用是用于導出氫化鎂和氯化鎂溶液瞬間混合高速反應產生的氫氣，從而規避因氫氣在固液加料口富集形成瞬間高壓而影響原料的加入及固液混合物的流動等問題。

固液分離器內設有可拆卸的多層過濾裝置，用于分離固體副產物和反應水溶液，以利于反應水溶液循環使用。

上述利用權利要求1所述裝置的氫化鎂水解制氫的方法，該方法包括以下步驟：

1)氫化鎂活化預處理；

2)活化后的氫化鎂制成5mg≤顆粒質量≤50mg，大小均一的顆粒；優選顆粒大小直徑為3-4mm，劑量為20-40mg/顆。

3)氫化鎂顆粒從反應器的第一進料口導入，氯化鎂溶液從第二進料口導入，固液兩相反應物在制氫反應器入口處接觸快速反應發生氫氣，氫氣從制氫反應器的第一導出口導出，經氫氣凈化器提供負載，固液反應物經第二導出口流態化進入螺旋式反應管，產生的氫氣及廢液排至固液分離器，氣體經氫氣凈化器提供負載。

上述方法中，步驟“1)”所述的氫化鎂活化預處理方法為機械球磨或超聲活化；