連續(xù)可控的氫化鎂水解制氫裝置及利用該裝置制氫的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能源化學(xué)和電源化學(xué)產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種連續(xù)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(shù)】
[0002]質(zhì)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(yōu)點成為最具商業(yè)化應(yīng)用前景的新型移動電源之一。高效、穩(wěn)定、安全、響應(yīng)迅速的在線氫源技術(shù)是將氫燃料電池推向應(yīng)用的前提和關(guān)鍵。然而，常見的高壓儲氫、液態(tài)儲氫以及固態(tài)吸附儲氫等方法都難以滿足上述要求。因此，近年來國內(nèi)外開發(fā)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(shù)，極大地推動了氫燃料電池的應(yīng)用。
[0003]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(yīng)，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(dá)15.2wt.%，即1700mL/g(MgH2)(考慮水由氫燃料電池反應(yīng)生成，只記MgH2重量)。水解制氫副產(chǎn)物氫氧化鎂環(huán)境友好，是一種應(yīng)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(shù)受到國內(nèi)外同行的高度關(guān)注。
[0004]目前，基于氫化鎂水解的在線制氫技術(shù)，其制氫方式是將一定量的氫化鎂置于反應(yīng)器中，利用泵注入反應(yīng)水溶液，固液接觸啟動反應(yīng)，并利用啟普發(fā)生器原理實現(xiàn)制氫反應(yīng)的啟停。然而，由于大劑量固液反應(yīng)物集中反應(yīng)，制氫反應(yīng)過程的可調(diào)性不佳，且裝置的制氫速率不穩(wěn)定(反應(yīng)物定量，隨著反應(yīng)物的消耗及鈍化層的包覆，供氫速率下降)。此外，當(dāng)反應(yīng)物耗盡，須停止反應(yīng)，再加入反應(yīng)物，再次啟動反應(yīng)，操作繁瑣、復(fù)雜。因此，現(xiàn)有的氫化鎂水解制氫技術(shù)(制氫方法及制氫裝置)不能滿足面向應(yīng)用的在線氫源的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有氫化鎂水解制氫技術(shù)中存在的上述問題，提供了一種連續(xù)可控的氫化鎂水解制氫裝置及利用該裝置制氫的方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]一種連續(xù)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(yīng)器和固液分離器，制氫反應(yīng)器的第一進料口連接氫化鎂儲器的出口，制氫反應(yīng)器的第二進料口連接氯化鎂溶液儲器，制氫反應(yīng)器的第一導(dǎo)出口連接氫氣凈化器，制氫反應(yīng)器的第二導(dǎo)出口通過螺旋反應(yīng)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。
[0008]所述的螺旋式反應(yīng)管為縱向螺旋管。使用該螺旋式反應(yīng)管進行反應(yīng)，具有可連續(xù)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(xiàn)氫化鎂與氯化鎂溶液之間的流態(tài)化反應(yīng)，還可以規(guī)避反應(yīng)器內(nèi)正在進行的反應(yīng)對后續(xù)導(dǎo)入的固液原料發(fā)生制氫反應(yīng)的影響，尤其是對傳質(zhì)、傳熱等反應(yīng)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(jié)構(gòu)更緊湊的供氫反應(yīng)器。該縱向螺旋管優(yōu)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(cè)制成螺旋式反應(yīng)管。
[0009]氫化鎂儲器和制氫反應(yīng)器之間設(shè)置進料器；氯化鎂溶液儲器和制氫反應(yīng)器之間設(shè)置微型計量泵。該進料器與微型計量泵的設(shè)置，實現(xiàn)了固液反應(yīng)物的微劑量可控供給。
[0010]在氫氣凈化器之后通過管路連接負(fù)載。
[0011]制氫反應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)出口的高度低于第一進料口，高于二進料口。該導(dǎo)出口的作用是用于導(dǎo)出氫化鎂和氯化鎂溶液瞬間混合高速反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，從而規(guī)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。
[0012]固液分離器內(nèi)設(shè)有可拆卸的多層過濾裝置，用于分離固體副產(chǎn)物和反應(yīng)水溶液，以利于反應(yīng)水溶液循環(huán)使用。
[0013]上述利用權(quán)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:
[0014]I)氫化鎂活化預(yù)處理；
[0015]2)活化后的氫化鎂制成5mg <顆粒質(zhì)量< 50mg，大小均一的顆粒；優(yōu)選顆粒大小直徑為3-4mm，劑量為20_40mg/顆。
[0016]3)氫化鎂顆粒從反應(yīng)器的第一進料口導(dǎo)入，氯化鎂溶液從第二進料口導(dǎo)入，固液兩相反應(yīng)物在制氫反應(yīng)器入口處接觸快速反應(yīng)發(fā)生氫氣，氫氣從制氫反應(yīng)器的第一導(dǎo)出口導(dǎo)出，經(jīng)氫氣凈化器提供負(fù)載，固液反應(yīng)物經(jīng)第二導(dǎo)出口流態(tài)化進入螺旋式反應(yīng)管，產(chǎn)生的氫氣及廢液排至固液分離器，氣體經(jīng)氫氣凈化器提供負(fù)載。
[0017]上述方法中，步驟“I) ”所述的氫化鎂活化預(yù)處理方法為機械球磨或超聲活化；
[0018]如采用機械球磨活化時間為0.5h?5h，優(yōu)選機械球磨活化時間為3h?4h，轉(zhuǎn)速為10rpm?450rpm，球料比為10:1?40:1。無需球磨活性劑?；罨蟮臍浠V干粉造粒制成大小均一的顆粒。
[0019]步驟“3) ”所述的氯化鎂溶液先預(yù)熱至溫度為30°C?80°C，優(yōu)選溫度為60°C。
[0020]具體利用該氫化鎂水解制氫裝置的整個制氫過程如下:
[0021]氫化鎂顆粒從反應(yīng)器的第一進料口劑量化導(dǎo)入，氯化鎂溶液從連接件的第二進料口劑量化導(dǎo)入，固液兩相反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)接觸，快速反應(yīng)發(fā)生氫氣，并瞬間混合形成兩相流，氫氣從制氫反應(yīng)器的第一導(dǎo)出口導(dǎo)出，經(jīng)凈化器提供負(fù)載。固液反應(yīng)物經(jīng)第二導(dǎo)出口流態(tài)化進入螺旋式反應(yīng)管。后續(xù)產(chǎn)生的氫氣及廢液排至固液分離器，氣體經(jīng)凈化器提供負(fù)載。
[0022]使用者可控制氫化鎂與水溶液的劑量比、進料劑量和進料頻率，使氫化鎂與氯化鎂溶液反應(yīng)持續(xù)可控輸出氫氣。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果:提供了一種連續(xù)可控的氫化鎂水解制氫裝置及方法，本發(fā)明制氫反應(yīng)器的進料方式保證固液反應(yīng)物穩(wěn)定充分混合，反應(yīng)器的氫氣導(dǎo)出口的設(shè)計可及時卸除固液接觸瞬間產(chǎn)生的氫壓以確保穩(wěn)定的固液混合流。通過本發(fā)明裝置可以在長時間條件下實現(xiàn)固液反應(yīng)物流態(tài)化反應(yīng)，穩(wěn)定可控地輸出氫氣，滿足氫燃料電池用在線氫源的長期平穩(wěn)要求。本發(fā)明制氫裝置制氫效率高、可控性強、安全性高、易增放大，可根據(jù)負(fù)載需求在線控制氫氣的制氫速率及制氫量，適合于不同功率的氫燃料電池。
【附圖說明】
[0024]圖1.適用于固液微劑量化反應(yīng)的制氫裝置
[0025]圖中，1-氫化鎂儲器，2-進料器，3-微型計量泵，4-氯化鎂溶液儲器，5-制氫反應(yīng)器，6-螺旋反應(yīng)管，7-固液分離器，8-氫氣凈化器，9負(fù)載，10-多層過濾裝置
[0026]1、制氫反應(yīng)器的第一進料口，I1、制氫反應(yīng)器的第二進料口 、制氫反應(yīng)器的第一導(dǎo)出口，i1、制氫反應(yīng)器的第二導(dǎo)出口。
[0027]圖2.利用本發(fā)明實施例裝置氫化鎂與水溶液進行微劑量化反應(yīng)的制氫性能曲線。
[0028]圖3.對比例常規(guī)鎂基材料與水溶液反應(yīng)供氫性能曲線。
【具體實施方式】
[0029]下面通過實例進一步說明本發(fā)明，但不因此而限制本發(fā)明的內(nèi)容。
[0030]實施例1:如圖1所示，一種適合于氫化鎂-氯化鎂溶液體系微劑量化反應(yīng)的制氫裝置，該裝置包括氫化鎂儲器1、氯化鎂溶液儲器4、制氫反應(yīng)器5、固液分離器7、進料器2、氫氣凈化器8及負(fù)載9。