最新硼氢化钠制氢的反应装置的制造方法

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硼氢化钠制氢的反应装置的制造方法

[0001]本发明属于氢气制备技术领域,涉及一种制氢的反应装置,尤其涉及一种硼氢化钠制氢的反应装置。

[0002]近年来,能源问题一直受到世界各国广泛关注,世界能源组织调查显示,包括煤、石油、天然气等在内的矿物质能源将在未来的100?200年内耗尽,新的能源利用技术应运而生,并被不断的开发利用起来。
[0003]质子交换膜(PEM)燃料电池是将储存于氢气中的化学能直接转化为电能的装置,具有结构简单、高效清洁,启动温度低,安静无噪音等优点,是汽车、通信基站和可移动电子设备等动力电源的优先选择。在过去十几年中,燃料电池技术取得了重大突破,电池的体积和重量比功率密度得到了显著提高。但是,昂贵的储氢、加氢设施基础严重阻碍了燃料电池汽车的商业化进程。
[0004]氢气作为能源载体,通过化学、生物或者电解方式来制取。氢的运输可以通过氢气管道、压缩氢气罐车或液氢槽车。但氢气在常态下体积能量密度非常低,即使是高压气态储存、液化储氢、或者金属氢化物及化学氢化物储存,其能量密度仍低于汽油,运输和储存所需空间比其他常见能源要高很多,增添了氢气运输的难度和费用。硼氢化钠水解或醇解制氢是目前比较热门的现场制氢技术,具有很多优点,如:原料产物环境友好,不排放有害气体;储氢量高;储存、使用安全,运载方便;制备的氢气纯度高,不会造成燃料电池电极催化剂的毒化;能量利用率高,不需要外加能量就可以把NaBH4及一部分水中的氢释放出来。通过对已公开的专利号为 CN101353155A、CN102101645A、CN103552982A、CN201268575Y、CN201305456Y、CN203238030U等有关NaBH4水解或者醇解制氢反应器的研究,目前还没有任何一款装置提出针对制氢反应过程中存在的反应液浓度梯度、反应副产物在催化剂表面沉积使催化剂失去催化活性这两个问题的有效解决措施。因而,NaBH4溶液水解或者醇解制氢体系中依然存在反应原料NaBH4反应不充分,氢气释放量低、副产物难清除等一系列的问题,这些问题阻碍了硼氢化物现场制氢技术在便携式燃料电池电源设备和燃料电池汽车的应用。
[0005]有鉴于此,如今迫切需要设计一种新型制氢设备,以便克服现有制氢设备的上述缺陷。



[0006]本发明所要解决的技术问题是:提供一种硼氢化钠制氢的反应装置,可有效解决现有反应体系中反应溶液存在浓度梯度的问题,同时解决现有反应体系中的反应副产物覆盖在催化剂表面而致使催化剂失活的技术难题。
[0007]为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
[0008]—种硼氢化钠制氢的反应装置,所述反应装置包括:溶液储存机构、制氢反应机构、控制系统;
[0009]所述制氢反应机构设置于溶液储存机构中,控制系统连接制氢反应机构,控制制氢反应机构的动作;溶液储存机构设有氢气输出端口 ;
[0010]所述溶液储存机构包括聚四氟乙烯材料制成的上盖、反应槽,溶液储存机构的内部配有PVC塑胶垫,上盖与反应槽之间采用螺纹方式实现密封连接,防止氢气的泄露;
[0011]所述制氢反应机构包括反应床体、旋转驱动机构;旋转驱动机构与反应床体连接,驱动反应床体旋转;控制系统与旋转驱动机构连接,控制旋转驱动机构旋转;
[0012]所述旋转驱动机构为高速旋转电机,溶液储存机构的上盖的中间部位配有高速旋转电机;
[0013]所述控制系统由可显示反应系统温度、压强、反应床体转速的LCD显示屏及反应床体转速可控电路两部分集成,温度传感器及压强传感器装置于反应容器的上盖;根据所需的离心力大小、反应副产物与催化剂的分离效果,通过反应床体转速可控电路设置不同的转速,控制高速旋转电机的不同转速,为反应副产物从催化剂外表面和内部孔道中的脱离提供不同的动力支持;系统自带温度传感器(TS, Temperature Sensor)、压强传感器(PS, Pressure Sensor),通过可控电路装配的IXD显示屏实时显示系统内部的温度、压强情况,便于对反应系统的实施安全监测。
[0014]所述反应床体主要由连接杆和中间固定在连接杆上的三个支撑叶片,相邻的两个支撑叶片成120°角,每个支撑叶片的上边外角装配一只可活动的弧边扣钮,下边外角配有一固定卡槽;
[0015]反应所需制氢催化剂包裹在反应床体上,催化剂的下边镶嵌在卡槽中,催化剂的上边沿通过三个支撑叶片装配的弧边纽扣固定,以防止催化剂在反应床体转动过程中的松散脱落;
[0016]支撑叶片、连接杆、可动的弧边纽扣、固定卡槽在内的整个反应床,均选用具有良好的憎水性和机械强度、不与反应溶液发生化学反应、不吸附氢气、能够耐碱腐蚀的聚四氟乙稀材料制成;
[0017]制氢催化剂选用具有良好的憎水性能和机械强度、不吸附氢气、耐碱腐蚀,且孔径、孔隙率、比表面积大的非担载型的贵金属或非贵金属或非金属催化剂,所述催化剂为Pt、Ru、Fe、Co或其合金,或者选用以各种碳材料、多孔的金属网、塑料网为催化剂载体的担载型多孔催化剂,所述催化剂为泡沫镍载Ru或泡沫镍载Co或聚丙烯晴纤维载Ru ;
[0018]所述氢气输出端口设有一只耐碱耐腐蚀的气阀,气阀的一端螺纹嵌入溶液储存机构的上盖,气阀的另一端与一条用聚四氟乙烯材料制成的输气管相连接。
[0019]—种硼氢化钠制氢的反应装置,所述反应装置包括:溶液储存机构、制氢反应机构、控制系统;
[0020]所述制氢反应机构设有制氢催化剂,所述制氢反应机构设置于溶液储存机构中,控制系统连接制氢反应机构,控制制氢反应机构动作;溶液储存机构设有氢气输出端口。[0021 ] 作为本发明的一种优选方案,所述溶液储存机构包括聚四氟乙烯材料制成的上盖、反应槽,溶液储存机构的内部配有PVC塑胶垫,上盖与反应槽之间采用螺纹方式实现密封连接,防止氢气的泄露。
[0022]作为本发明的一种优选方案,所述制氢反应机构包括反应床体、旋转驱动机构;旋转驱动机构与反应床体连接,驱动反应床体旋转;控制系统与旋转驱动机构连接,控制旋转驱动机构旋转。
[0023]作为本发明的一种优选方案,所述旋转驱动机构为高速旋转电机,溶液储存机构的上盖的中间部位配有高速旋转电机。
[0024]作为本发明的一种优选方案,所述控制系统在反应系统的上盖装载有温度传感器、压力传感器,通过LCD实施显示的数据,对反应系统内部情况及实验安全进行实施监测;根据所需的离心力大小、反应副产物与催化剂的分离效果,通过控制系统的转速可控电路设置高速旋转电机的不同转速,为反应副产物从催化剂外表面和内部孔道中的脱离提供不同的动力支持。
[0025]作为本发明的一种优选方案,所述反应床体主要由连接杆和中间固定在连接杆上的三个支撑叶片,相邻的两个支撑叶片成120°角,每个支撑叶片的上边外角装配一只可活动的弧边扣钮,下边外角配有一固定卡槽;
[0026]反应所需催化剂包裹在反应床体上,催化剂的下边镶嵌在卡槽中,催化剂的上边沿通过三个支撑叶片装配的弧边纽扣固定,以防止催化剂在反应床体转动过程中的松散脱落;
[0027]支撑叶片、连接杆、可动的弧边纽扣、固定卡槽在内的整个反应床,均选用具有良好的憎水性和机械强度、不与反应溶液发生化学反应、不吸附氢气、能够耐碱腐蚀的聚四氟乙稀材料制成。
[0028]作为本发明的一种优选方案,制氢催化剂选用具有良好的憎水性能和机械强度、不吸附氢气、耐碱腐蚀,且孔径、孔隙率、比表面积大的非担载型的贵金属或非贵金属或非金属催化剂,所述催化剂为Pt、Ru、Fe、Co或其合金,或者选用以各种碳材料、多孔的金属网、塑料网为催化剂载体的担载型多孔催化剂,所述催化剂为泡沫镍载Ru或泡沫镍载Co或聚丙稀晴纤维载Ru。
[0029]作为本发明的一种优选方案,所述氢气输出端口设有一只耐碱耐腐蚀的气阀,气阀的一端螺纹嵌入溶液储存机构的上盖,气阀的另一端与一条用聚四氟乙烯材料制成的输气管相连接。
[0030]本发明的有益效果在于:本发明提出的硼氢化钠制氢的反应装置,可有效解决现有反应体系中反应溶液存在浓度梯度的问题,同时解决现有反应体系中的反应副产物覆盖在催化剂表面而致使催化剂失活的技术难题。
[0031]本发明通过在反应槽内嵌装旋转圆盘反应床,利用转速控制器控制圆盘反应床,进而控制固定在反应床上的催化剂按设定的速度旋转。旋转圆盘反应床可以最大程度地消除制氢反应过程中催化剂表面与其附近区域的反应液及其他区域反应液之间存在的浓度差异,确保整个反应体系中的均匀;另外,利用反应床体旋转引起的离心力、多孔状催化剂与反应液间的剪切作用,反应副产物可从催化剂表面和催化剂的孔道中快速、顺利、有效地分离,从而保证催化剂的反应活性面积恒定,并与反应物持续、充分地接触,最终实现NaBH4的完全反应和氢气释放量达到理论值。

[0032]图1为本发明硼氢化钠制氢的反应装置的组成示意图。
[0033]附图标注如下:
[0034]1.NaBH4水溶液或NaBH4醇溶液2.装配TS、PS的反应槽的上盖
[0035]3.反应槽的槽部4.1XD显示的高精度转速可控电路
[0036]5.实现旋转的电机6.连接杆
[0037]7.三叶支撑片构成的反应床8.可动的弧边纽扣
[0038]9.泡沫状的多孔催化剂10.下边角的固定卡槽
[0039]11.氢气的输出端口

[0040]下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
[0041]实施例一
[0042]请参阅图1,本发明揭示了一种硼氢化钠制氢的反应装置,所述反应装置包括:溶液储存机构、制氢反应机构、控制系统。
[0043]所述制氢反应机构设置于溶液储存机构中,控制系统连接制氢反应机构,控制制氢反应机构的动作;溶液储存机构设有氢气输出端口。
[0044]所述溶液储存机构包括聚四氟乙烯材料制成的上盖、反应槽,溶液储存机构的内部配有PVC塑胶垫,上盖与反应槽之间采用螺纹方式实现密封连接,防止氢气的泄露。
[0045]所述制氢反应机构包括反应床体、旋转驱动机构;旋转驱动机构与反应床体连接,驱动反应床体旋转;控制系统与旋转驱动机构连接,控制旋转驱动机构旋转。
[0046]所述旋转驱动机构为高速旋转电机,溶液储存机构的上盖的中间部位配有高速旋转电机。
[0047]所述控制系统根据所需的离心力大小、反应副产物与催化剂的分离效果和IXD(型号:C0G12864)显示的数据,通过转速可控电路对转速进行设置,控制高速旋转电机的不同转速,为反应副产物从催化剂外表面和内部孔道中的脱离提供不同的动力支持;利用嵌装在反应槽上盖下表面的温度传感器(型号:WZPF-130)、压强传感器(型号:PTJ501-1)实时监测反应系统内部的温度和压强,并通过LCD显示的数据,对反应系统实施有效安全监管。
[0048]所述反应床体主要由连接杆和中间固定在连接杆上的三个支撑叶片,相邻的两个支撑叶片成120°角,每个支撑叶片的上边外角装配一只可活动的弧边扣钮,下边外角配有一固定卡槽。
[0049]反应所需制氢催化剂包裹在反应床体上,催化剂的下边镶嵌在卡槽中,催化剂的上边沿通过三个支撑叶片装配的弧边纽扣固定,以防止催化剂在反应床体转动过程中的松散脱落。
[0050]支撑叶片、连接杆、可动的弧边纽扣、固定卡槽在内的整个反应床,均选用具有良好的憎水性和机械强度、不与反应液发生化学反应、不吸附氢气、能够耐碱腐蚀的聚四氟乙稀材料制成。
[0051]制氢催化剂选用具有良好的憎水性能和机械强度、不吸附氢气、耐碱腐蚀,且孔径、孔隙率、比表面积大的非担载型的贵金属或非贵金属或非金属催化剂,所述催化剂为Pt、Ru、Fe、Co或其合金,或者选用以各种碳材料、多孔的金属网、塑料网为催化剂载体的担载型多孔催化剂,所述催化剂为泡沫镍载Ru或泡沫镍载Co或聚丙烯晴纤维载Ru。
[0052]所述氢气输出端口设有一只耐碱耐腐蚀的气阀,气阀的一端螺纹嵌入溶液储存机构的上盖,气阀的另一端与一条用聚四氟乙烯材料制成的输气管相连接。
[0053]实施例二
[0054]本实施例与实施例一的区别在于,本实施例中,硼氢化钠制氢的反应装置包括:溶液储存槽(溶液储存机构)、旋转圆盘反应床(制氢反应机构)、控制系统;旋转圆盘反应床上设有制氢催化剂。各个结构具体说明如下:
[0055]NaBH4水溶液或醇溶液的储存槽:从中国试剂网上购得纯度为96wt.%的NaBH4 (产品编号:80115860,中国试剂网,沪试)固体颗粒,选择一个由聚四氟乙烯材料制成的圆筒状储存槽,存储槽的容积为2L,底面积为50cm2。根据研究的具体需要,往储存槽中装入适量体积(如1.5L)、一定浓度(如20wt.% )、适当碱度(如含3wt.% NaOH)的NaBH4水溶液或醇溶液,研究水解时所用的水为去离子水做溶剂,研究醇解时用无水甲醇(产品编号:80080418,中国试剂网,沪试)做溶剂。NaBH4S液的浓度可以根据研究具体要求和实际氢气需求量进行再调整;存储槽的上盖由聚四氟乙烯材料制成,内部配有PVC塑胶垫,上盖与槽部之间可采用螺纹式等方式实现密封连接,有效防止氢气的泄露。反应结束后,将上盖和反应槽槽部分开,倒出沉积在反应槽底部的反应副产物,回收再利用。
[0056]旋转圆盘反应床:反应槽上盖的中间部位配有高速旋转电机。根据研究中所需的离心力大小、反应副产物与催化剂的分离效果,通过转速控制电路设置不同的转速,控制反应床的不同转速,为反应副产物从催化剂外表面和内部孔道中的脱离提供不同的动力支持。反应床体主要由连接杆和中间固定在连接杆上的三叶支撑片组成,相邻的两叶支撑片成120°角,每个支撑叶片的上边外角装配一只可活动的弧边扣钮,下边外角配有一固定卡槽。催化剂包裹在反应床体上,催化剂的下边镶嵌在卡槽中,催化剂的上边沿通过三个支撑叶片装配的弧边纽扣固定,以防止催化剂在反应床体转动过程中的松散脱落。包括支撑叶片、连接杆、可动的弧边纽扣、固定卡槽在内的整个反应床,均选用具有良好的憎水性和机械强度、不与反应液发生化学反应、不吸附氢气、能够耐碱腐蚀的聚四氟乙烯材料制成。
[0057]制氢催化剂:选用具有良好的憎水性能和机械强度、不吸附氢气、耐碱腐蚀,且孔径、孔隙率、比表面积大的非担载型的贵金属、非贵金属、非金属催化剂,如Pt、Ru、Fe、Co或其合金等;也可选用以各种碳材料、多孔的金属网、塑料网为催化剂载体的担载型多孔催化剂,如泡沫镍载Ru、泡沫镍载Co、聚丙烯腈纤维负载Ru等。
[0058]控制系统:由温度传感器(型号:WZPF_130)、压强传感器(型号:PTJ501_1)IXD(型号:C0G12864)显示屏及对转速进行设置的控制电路构成。温度传感器和压强传感器嵌装在反应槽上盖下表面,实时监测反应系统内部的温度和压强,并通过LCD显示的数据,对反应系统实施有效安全监管;根据所需的离心力大小、反应副产物与催化剂的分离效果,通过转速可控电路控制高速旋转电机的不同转速,为反应副产物从催化剂外表面和内部孔道中的脱离提供不同的动力支持。
[0059]氢气的输出端:在反应槽上盖的右半部,安装一只耐碱耐腐蚀的气阀,气阀的一端螺纹嵌入反应槽的上盖,保持通气状态,连接处具有很好的气密性;气阀的另一端与一条用聚四氟乙烯材料制成的输气管相连接,输气管具有很好的气密性。
[0060]综上所述,本发明提出的硼氢化钠制氢的反应装置,可有效解决现有反应体系中反应液存在浓度梯度的问题,同时解决现有反应体系中的反应副产物覆盖在催化剂表面而致使催化剂失活的技术难题。
[0061]这里本发明的描述和应用是说明性的,并未将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的,对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是,在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下,本发明可以以其它形式、结构、布置、比例,以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下,可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

1.一种硼氢化钠制氢的反应装置,其特征在于,所述反应装置包括:溶液储存机构、制氢反应机构、控制系统; 所述制氢反应机构设置于溶液储存机构中,控制系统连接制氢反应机构,控制制氢反应机构的动作;溶液储存机构设有氢气输出端口 ; 所述溶液储存机构包括聚四氟乙烯材料制成的上盖、反应槽,溶液储存机构的内部配有PVC塑胶垫,上盖与反应槽之间采用螺纹方式实现密封连接,防止氢气的泄露; 所述制氢反应机构包括反应床体、旋转驱动机构;旋转驱动机构与反应床体连接,驱动反应床体旋转;控制系统与旋转驱动机构连接,控制旋转驱动机构旋转; 所述旋转驱动机构为高速旋转电机,溶液储存机构的上盖的中间部位配有高速旋转电机; 所述控制系统根据所需的离心力大小、反应副产物与催化剂的分离效果,依据LCD显示的数据设置不同的转速,控制高速旋转电机的不同转速,为反应副产物从催化剂外表面和内部孔道中的脱离提供不同的动力支持;系统自带温度传感器TS、压强传感器PS,通过可控电路装配的LCD显示屏实时显示系统内部的温度、压强情况,便于对反应系统的实施安全监测; 所述反应床体主要由连接杆和中间固定在连接杆上的三个支撑叶片,相邻的两个支撑叶片成120°角,每个支撑叶片的上边外角装配一只可活动的弧边扣钮,下边外角配有一固定卡槽; 反应所需制氢催化剂包裹在反应床体上,催化剂的下边镶嵌在卡槽中,催化剂的上边沿通过三个支撑叶片装配的弧边纽扣固定,以防止催化剂在反应床体转动过程中的松散脱落; 由上述的支撑叶片、连接杆、可动的弧边纽扣、固定卡槽构成的整个反应床,均选用具有良好的憎水性和机械强度、不与反应溶液发生化学反应、不吸附氢气、能够耐碱腐蚀的聚四氟乙稀材料制成; 制氢催化剂选用具有良好的憎水性能和机械强度、不吸附氢气、耐碱腐蚀,且孔径、孔隙率、比表面积大的非担载型的贵金属或非贵金属或非金属催化剂,所述催化剂为Pt、Ru、Fe、Co或其合金,或者选用以各种碳材料、多孔的金属网、塑料网为催化剂载体的担载型多孔催化剂,所述催化剂为泡沫镍载Ru或泡沫镍载Co或聚丙烯晴纤维载Ru ; 所述氢气输出端口设有一只耐碱耐腐蚀的气阀,气阀的一端螺纹嵌入溶液储存机构的上盖,气阀的另一端与一条用聚四氟乙烯材料制成的输气管相连接。2.一种硼氢化钠制氢的反应装置,其特征在于,所述反应装置包括:溶液储存机构、制氢反应机构、控制系统; 所述制氢反应机构设有制氢催化剂,所述制氢反应机构设置于溶液储存机构中,控制系统连接制氢反应机构,控制制氢反应机构动作;溶液储存机构设有氢气输出端口。3.根据权利要求2所述的硼氢化钠制氢的反应装置,其特征在于: 所述溶液储存机构包括聚四氟乙烯材料制成的上盖、反应槽,溶液储存机构的内部配有PVC塑胶垫,上盖与反应槽之间采用螺纹方式实现密封连接,防止氢气的泄露。4.根据权利要求2所述的硼氢化钠制氢的反应装置,其特征在于: 所述制氢反应机构包括反应床体、旋转驱动机构;旋转驱动机构与反应床体连接,驱动反应床体旋转;控制系统与旋转驱动机构连接,控制旋转驱动机构旋转。5.根据权利要求4所述的硼氢化钠制氢的反应装置,其特征在于: 所述旋转驱动机构为高速旋转电机,溶液储存机构的上盖的中间部位配有高速旋转电机。6.根据权利要求2所述的硼氢化钠制氢的反应装置,其特征在于: 所述控制系统根据所需的离心力大小、反应副产物与催化剂的分离效果,设置不同的转速,控制高速旋转电机的不同转速,为反应副产物从催化剂外表面和内部孔道中的脱离提供不同的动力支持。7.根据权利要求4所述的硼氢化钠制氢的反应装置,其特征在于: 所述反应床体主要由连接杆和中间固定在连接杆上的三个支撑叶片,相邻的两个支撑叶片成120°角,每个支撑叶片的上边外角装配一只可活动的弧边扣钮,下边外角配有一固定卡槽;反应所需催化剂包裹在反应床体上,催化剂的下边镶嵌在卡槽中,催化剂的上边沿通过三个支撑叶片装配的弧边纽扣固定,以防止催化剂在反应床体转动过程中的松散脱落;支撑叶片、连接杆、可动的弧边纽扣、固定卡槽在内的整个反应床,均选用具有良好的憎水性和机械强度、不与反应溶液发生化学反应、不吸附氢气、能够耐碱腐蚀的聚四氟乙烯材料制成。8.根据权利要求2所述的硼氢化钠制氢的反应装置,其特征在于: 制氢催化剂选用具有良好的憎水性能和机械强度、不吸附氢气、耐碱腐蚀,且孔径、孔隙率、比表面积大的非担载型的贵金属或非贵金属或非金属催化剂,所述催化剂为Pt、Ru、Fe、Co或其合金,或者选用以各种碳材料、多孔的金属网、塑料网为催化剂载体的担载型多孔催化剂,所述催化剂为泡沫镍载Ru或泡沫镍载Co或聚丙烯晴纤维载Ru。9.根据权利要求2所述的硼氢化钠制氢的反应装置,其特征在于: 所述氢气输出端口设有一只耐碱耐腐蚀的气阀,气阀的一端螺纹嵌入溶液储存机构的上盖,气阀的另一端与一条用聚四氟乙烯材料制成的输气管相连接。
本发明设计了一种硼氢化钠制氢的反应装置,包括溶液储存机构、制氢反应机构、控制系统;制氢反应机构设有制氢催化剂,制氢反应机构设置于溶液储存机构中,控制系统连接制氢反应机构,控制制氢反应机构动作,监测反应系统内部的温度和压强;溶液储存机构设有氢气输出端口。所述制氢反应机构包括反应床体、旋转驱动机构;旋转驱动机构与反应床体连接,驱动反应床体旋转;控制系统与旋转驱动机构连接,控制旋转驱动机构旋转,并实时监测反应系统的温度和压强。本发明提出的硼氢化钠制氢的反应装置,可有效解决现有反应体系中反应溶液之间存在的浓度梯度问题,同时解决现有反应体系中的反应副产物覆盖在催化剂表面而致使催化剂失活的技术难题。
C01B3/06
CN105016299
CN201510182760
徐金富, 赵新生, 魏永生
江苏师范大学
2015年11月4日
2015年4月16日

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