[发明专利]一种用于硼氢化钠制氢的旋流式气液分离器

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种用于硼氢化钠制氢的旋流式气液分离器。

背景技术

目前，质子交换膜燃料电池(PEMFC)质量轻，供电供热可靠，无震动，噪声小，并能生产饮用水，所有这些优点均是其它能源不可比拟的。而如何高密度地储存和快速得到纯净氢气是PEMFC技术普及应用的一个瓶颈。目前氢气储存方法主要是物理高压储氢和化学储氢。高压钢瓶储氢，即使在非常高的压力下，氢气本身质量不到系统质量的2％。气瓶质量问题和气体泄漏问题也是不可忽视的安全问题。化学储氢主要有金属氢化物储氢和硼氢化物储氢两种方式。金属氢化物必须装在耐压力的容器中才能使用，因此储氢密度也比较低，大约为0.65％。而且每次用完后必须充高纯氢气，在不可抗拒的天灾和人祸条件下充氢是不现实的。硼氢化钠供氢系统则完全不同，只要储存一定量的硼氢化钠作为备用燃料，就可以连续长期供电。而且硼氢化钠储氢密度高，自身含氢量达到10.6％，约为常规金属氢化物的5倍。硼氢化钠在空气中较稳定，溶于水形成液态储氢材料，没有自燃、爆炸的危险。通过催化水解反应硼氢化钠能在常温及低温下迅速放出全部氢气，启动时间短，最低放氢温度可达－40℃。与传统化学氢化物的改质相比(甲烷、甲醇等)，硼氢化钠产氢流程简单，系统简单，产氢速度可调，可采用装卸燃料盒或更换溶液的方法，大大延长了燃料电池的工作时间。在野外，可以使用海水、河水、溪水、雪水等水源作为硼氢化钠水解产氢的原料，在极端情况下甚至可以使用尿液作为水源。所以硼氢化钠是一种特别适合于野外、极度恶劣的环境下为燃料电池供氢的理想储氢介质。

利用NaBH₄碱溶液来生产氢气,必须要有足够快的反应速度。为了加速反应,使用催化剂是最简单易行的方法。在硼氢化钠供氢系统中，硼氢化钠水解制氢所采用的催化剂主要分为两类：固定床催化剂和酸催化剂。固定床催化剂中，应用最为广泛的催化剂是附着在多孔载体材料上的贵金属催化剂。美国千年电池公司Amendola等对用离子交换树脂负载的Ru催化剂进行了系统的研究，并将该催化剂应用于该公司的即时供氢装置中。经过多种离子交换树脂负载5％Ru后的活性比较，发现采用阴离子交换树脂比阳离子交换树脂效果更好。而日本丰田研发中心采用超临界方法将Fe、Ni、Pd、Ru、Rh、Pt等负载在TiO₂上作为硼氢化钠水解制氢催化剂。

虽然从反应式来看，氢气是硼氢化钠水解反应所产生的唯一气体。但在实际反应中，由于反应速度较快和很大的热效应，溶液在与催化剂的接触处温度达60～80℃，甚至更高。氢气从溶液中逸出过程中携带了大量水蒸气和溶液的雾状液滴。有5％～10％的溶液在反应过程中被氢气携带出去。如果氢气提供给质子交换膜燃料电池，虽然其中的水分是燃料电池所需要的，但其中含有的Na⁺、OH^－、BH₄^－及B(OH)₄^－等碱性离子将会对PEMFC的性能产生影响。简单来说，硼氢化钠溶液带有较强的碱性，因此所产氢气由于夹带了大量的液滴呈较强的碱性。而PEMFC是酸性环境，使用这样的氢气会严重影响PEMFC的性能及寿命。因此必须除去硼氢化钠水解反应所产气体中的雾状液滴，进行良好的气液分离，以消除杂质对燃料电池的影响。常见的液体NaBH₄水解制氢装置都具有2个主要容器，1个燃料罐和1个残液罐，NaBH₄水溶液作为燃料储存于燃料罐中，工作时，燃料进入反应器，NaBH4发生水解发应，生成氢气和NaBO₂，NaBO₂溶解于水中。反应产物和未反应的燃料形成气液混合物直接进入残液罐，经过气液分离后，氢气离开残液罐，供燃料电池堆用。水力旋流分离器由于其效率高、处理量大、维护费用低等优点，已广泛应用于煤矿、化工、食品加工及能源等各个领域，工业中常用的水力旋流器的结构特点是直径小而圆锥部分长。这种双腔结构的制氢系统应用比较广泛。

这种结构的制氢系统，存在如下问题：第一，由于设置了床室催化室，结构不够紧凑，很难小型化；第二，溶液催化室的管路阻力，会增加溶液的压力损失，增加能耗；第三，采用固定床催化剂如固定床雷尼镍等作为硼氢化钠水解制氢催化剂时，硼氢化钠溶液的浓度不能过高，否则会使得反应过程中生成的偏硼酸钠在催化剂上面析出，覆盖活性位，使得催化剂逐渐失活，这严重限制了硼氢化钠的浓度提高，从而使得整个系统的储氢率下降。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于硼氢化钠制氢的旋流式气液分离器。