[发明专利]适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及储氢和制氢技术，具体为一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置和方法。

背景技术

发展高性能储氢系统为氢燃料电池车及各种军用、民用便携式电源提供移动氢源是氢能应用的关键环节。相比于高压氢容器和低温液氢，材料基固态储氢在操作安全性、能源效率及体积储氢密度方面具有显著优势，被公认为最具发展前景的储氢方式。但多年研究表明：已知可逆储氢材料均无法满足车载储氢系统在重量/体积储氢密度、操作温度、吸/放氢速率等方面的综合性能要求，发展非可逆储氢系统因而成为储氢材料领域新兴的研究方向。

不同于可逆系统利用固气反应实现可逆充/放氢，非可逆储氢材料通过催化水解(或热解)反应制氢，通过化工过程完成氢化物再生，因而也称为化学氢化物，其构成的储氢方式称为化学储氢。由于化学储氢将放氢与充氢二个技术环节分离开来，其技术难度较可逆储氢方式显著降低，因此，在现阶段该技术更具备移动氢源的实用性。

化学氢化物包括碱金属、碱土金属硼氢化物和氨基硼烷等，化学氢化物的碱性水溶液称为燃料。化学氢化物中硼氢化钠(NaBH₄)最具代表性，NaBH₄可在室温条件下发生水解反应制得氢气，如式(1)。引入金属催化剂可显著加速水解反应，而添加少量碱液可有效抑制水解反应，实现NaBH₄燃料液于近室温空气条件下的安全储存。

与高压气瓶、低温液氢及可逆储氢材料等现有储氢方式相比，NaBH₄催化水解制氢的优点在于：(1)高储氢效率，其理论重量储氢密度达10.8wt.％；(2)可在室温甚至更低温度下实现即时按需制氢；(3)制得的氢气可直接供质子交换膜燃料电池(PEMFC)使用，且含有的水蒸气有利于质子交换膜工作；(4)操作安全、无环境负面效应。上述技术优点决定了NaBH₄催化水解制氢系统/技术在氢燃料电池车及多种移动式、便携式电源方面具有良好的应用前景。

发展实用型化学氢化物水解制氢技术的核心研究内容在于研制高效催化水解制氢装置。目前报道的装置多为连续式，即连续提供燃料液实现连续制氢。装置工作原理大致为：通过监测系统压力变化来控制装置制氢过程。当系统压力低于预设压力下限值时，燃料泵开启，输送燃料液进入预置催化剂的反应室，燃料液与催化剂接触发生水解反应产生氢气和水解副产物。水解反应产物(包括：氢气、水蒸气、液态水和副产物)经气液分离器分离为气态物(氢气和水蒸气)与液态物(液态水和副产物)，液态物储存于副产物储罐，气态物流经热交换器和冷凝器去除部分水蒸气后储存于氢气缓冲罐，冷凝的水蒸气储存于收集器中。当系统压力达到预设上限值时，燃料泵停止输送燃料液，装置制氢过程逐渐停止。

催化水解制氢装置的制氢速率、响应时间、燃料液转化率及体系能源效率等性能指标除与系统操作条件密切相关外，还在很大程度上取决于装置设计。根据专利、文献报道，目前的装置设计多集中于催化反应室这一核心单元，但对催化水解反应过程中释放的大量反应热能并未加以有效利用，在降低体系能源效率的同时，制约了装置制氢速率和燃料转化率的提高。在制氢过程控制方面，目前多采用压力控制燃料泵开启与关断设计，因燃料泵仅有两种工作状态，该控制/运行方式难以对用氢终端的供氢需求做出快速响应；同时，由于系统氢压波动幅度大，需通过增大氢气缓冲罐容积来提高系统供氢能力，由此导致系统重量/体积储氢密度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置和方法，它是一种新型化学氢化物催化水解制氢技术和装置，为氢燃料电池车及多种军用、民用便携式电源提供高效、安全的移动氢源。

本发明的技术方案是：

本发明提供了一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置，制氢装置包括燃料储罐、燃料泵、设换热器的催化反应室、催化剂、气液分离器、副产物储罐、热交换器、冷凝器、收集器、氢气缓冲罐和控制单元组成。燃料储罐与催化反应室相连通的管路上设有燃料泵，催化反应室内设催化剂，催化反应室的出口通过管路连至气液分离器，气液分离器的出口分两路，一路连至副产物储罐，另一路连至热交换器；热交换器的出口通过管路连至冷凝器，冷凝器的出口分两路，一路连至收集器，另一路连至氢气缓冲罐，氢气缓冲罐的出口通过管路连至用氢终端，在氢气缓冲罐与用氢终端连通的管路上设置控制阀。