本發(fā)明屬于燃料電池反應(yīng)裝置技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多床層反應(yīng)裝置，尤其涉及一種硼氫化鈉醇解制氫多床層反應(yīng)裝置。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是將燃料與氧化劑中化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能一種新型發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高，啟動(dòng)溫度低，安靜無(wú)噪音、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車、可移動(dòng)電子設(shè)備及通訊基站的優(yōu)選的動(dòng)力電源。

目前燃料電池車的性能已接近傳統(tǒng)汽油車的水平，世界各大汽車公司爭(zhēng)相推出商業(yè)化的燃料電池汽車，搶占電動(dòng)汽車的未來(lái)市場(chǎng)，至今世界上已有近千輛燃料電池車在世界各地示范運(yùn)行。在科技部與各級(jí)政府的支持下，我國(guó)自主研發(fā)的燃料電池轎車與客車也成功在2008年北京奧運(yùn)會(huì)與2010年上海世博會(huì)上運(yùn)行。氫氣是燃料汽車?yán)硐氲娜剂?，燃料電池汽車的普及?yīng)用不僅需要大量的鉑金等貴金屬催化劑，更需要眾多的加氫站和儲(chǔ)氫設(shè)施。但是氫氣是小分子氣體，常態(tài)下體積能量密度非常低，而且缺乏高效安全的供氫和儲(chǔ)氫技術(shù)及裝置，制約著燃料電池汽車的推廣。因此，采用富氫燃料現(xiàn)場(chǎng)制氫成為提供燃料電池汽車氫源的優(yōu)選技術(shù)方案。

硼氫化鈉的含氫質(zhì)量高達(dá)10.8wt.％，同催化劑接觸即可快速產(chǎn)生氫氣，反應(yīng)過(guò)程可控性好、反應(yīng)條件溫和，而且產(chǎn)生高純氫氣，不含其他污染性的雜質(zhì)。同時(shí)，由于甲醇的冰點(diǎn)低至-97℃，寒冷環(huán)境中硼氫化鈉的醇解制氫裝置可正常工作，這極大提高了燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，也拓寬了燃料電池汽車使用區(qū)域。因此，硼氫化鈉醇解制氫被認(rèn)為高效安全、實(shí)用性強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)制氫技術(shù)，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。從已有的研究報(bào)道和專利可知，硼氫化鈉水解制氫的反應(yīng)裝置相對(duì)較多，如CN103253631A、CN203741035U、CN203402923U、CN201268575Y、CN203238030U、CN1O1353155A、CN201305456Y、CN201305457Y、CN101330152A、CN1O2101645A、CN101049907B、CN103552982A等專利。專利CN203741035U設(shè)計(jì)的主反應(yīng)器有多個(gè)子反應(yīng)器構(gòu)成，通過(guò)開啟子反應(yīng)器的個(gè)數(shù)來(lái)控制氫氣產(chǎn)量；專利CN103253631A通過(guò)多個(gè)微小流化床反應(yīng)器的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)連續(xù)、可控產(chǎn)氫；專利CN103552982A設(shè)計(jì)了具有兩段催化劑床層的硼氫化鈉水解/醇解反應(yīng)器，很好地解決反應(yīng)后期溶液粘度增加致使傳質(zhì)阻力增加的問(wèn)題。其余的制氫裝置多采用單一固定床反應(yīng)器，存在產(chǎn)氫反應(yīng)不完全、液固分離難、產(chǎn)氫不連續(xù)的問(wèn)題。另外，硼氫化鈉水解(醇)制氫是放熱反應(yīng)，持續(xù)反應(yīng)所累積的大量熱量會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)溶液溫度升高或沸騰(甲醇沸點(diǎn)：64.7℃,水:100℃),增加了可控產(chǎn)氫的難度，而且隨之增加的容器內(nèi)壓力，嚴(yán)重影響設(shè)備及人身安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種硼氫化鈉醇解制氫多床層反應(yīng)裝置，可提高反應(yīng)物的利用率，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)氫量精確可控；擴(kuò)大了反應(yīng)物同催化劑的接觸，液固分離更徹底，消除了濃差梯度的影響；同時(shí)提高催化劑利用率，降低了貴金屬成本。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種硼氫化鈉醇解制氫多床層反應(yīng)裝置，所述反應(yīng)裝置包括：硼氫化鈉儲(chǔ)液罐、流量控制器、噴霧器、催化劑反應(yīng)床、熱交換器、產(chǎn)物回收槽；

所述硼氫化鈉儲(chǔ)液罐用來(lái)存儲(chǔ)堿性的硼氫化鈉甲醇溶液，氫氧化鈉溶液與硼氫化鈉甲醇溶液混合以抑制自醇解反應(yīng)；存儲(chǔ)裝置與外界環(huán)境絕熱性好，避免硼氫化鈉甲醇溶液因外界環(huán)境溫度的上升而發(fā)生自醇解產(chǎn)氫，致使儲(chǔ)液罐內(nèi)出現(xiàn)高氣壓；儲(chǔ)液罐配有耐堿腐蝕的進(jìn)料口和輸出口，便于硼氫化鈉甲醇溶液的加注和輸出；

所述流量控制器用以調(diào)節(jié)溶液的流速和流量，精確計(jì)量反應(yīng)過(guò)程中硼氫化鈉溶液的質(zhì)量，控制最佳流速，提高硼氫化鈉甲醇溶液的利用率和副產(chǎn)物脫離催化劑表面的速率，保持硼氫化鈉溶液和催化劑持續(xù)接觸，以及催化活性的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)制氫反應(yīng)連續(xù)性、產(chǎn)氫量的按需可控；

所述噴霧器為設(shè)置于制氫反應(yīng)罐頂端的一套耐堿腐蝕的霧化噴淋裝置，自上而下噴灑，噴霧量、噴霧速度、覆蓋范圍能調(diào)節(jié)，最大程度地提高反應(yīng)原料的利用率；

所述催化反應(yīng)床是硼氫化鈉甲醇溶液醇解制氫反應(yīng)的發(fā)生場(chǎng)所，由上、中、下三段催化劑反應(yīng)床層構(gòu)成，通過(guò)圓形支架固定在反應(yīng)罐中心的支撐桿；圓形支架和支撐桿為耐堿腐蝕的金屬或聚四氟乙烯材料，具有良好的熱傳導(dǎo)性能和機(jī)械強(qiáng)度，不吸附氫氣；上段催化劑床層為擔(dān)載或非擔(dān)載型的貴金屬催化劑，其余催化劑床層為擔(dān)載型或非擔(dān)載型的非貴金屬催化劑，或非金屬催化劑；反應(yīng)過(guò)程中催化劑能夠牢固地固定床層上，不發(fā)生脫落和流失；霧化的硼氫化鈉甲醇溶液自上而下噴灑在催化劑上，逐層下滲，逐段反應(yīng)，氫氣上浮，匯集于反應(yīng)罐頂端；反應(yīng)副產(chǎn)物快速順利地透過(guò)催化劑的孔道及固定床，匯集在反應(yīng)罐底部的副產(chǎn)物收集槽，保證硼氫化鈉甲醇溶液與催化劑的持續(xù)接觸面積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)醇解制氫過(guò)程中的氣、液兩相分離；

所述熱交換器用以調(diào)控反應(yīng)罐的溫度，防止溫度過(guò)高，保持催化劑的活性穩(wěn)定，并能收集熱量，輔助加熱低溫環(huán)境下的制氫系統(tǒng)，加快制氫系統(tǒng)的低溫啟動(dòng)；熱交換器的冷卻液為水或其他冷凍劑，循環(huán)流動(dòng)，確保制氫反應(yīng)體系的工作溫度正常；

所述產(chǎn)物回收槽置于反應(yīng)罐的底部，收集反應(yīng)產(chǎn)物四甲基硼化鈉，后續(xù)回收再利用。

一種硼氫化鈉醇解制氫多床層反應(yīng)裝置，所述反應(yīng)裝置包括：硼氫化鈉儲(chǔ)液罐、流量控制器、噴霧器、催化劑反應(yīng)床、熱交換器、產(chǎn)物回收槽；

所述硼氫化鈉儲(chǔ)液罐用來(lái)存儲(chǔ)堿性的硼氫化鈉甲醇溶液，氫氧化鈉溶液與硼氫化鈉甲醇溶液混合以抑制自醇解反應(yīng)；

所述流量控制器用以調(diào)節(jié)溶液的流速和流量，計(jì)量反應(yīng)過(guò)程中硼氫化鈉溶液的質(zhì)量，控制流速；

所述噴霧器設(shè)置于制氫反應(yīng)罐頂端；

所述催化反應(yīng)床是硼氫化鈉甲醇溶液醇解制氫反應(yīng)的發(fā)生場(chǎng)所，催化反應(yīng)床包括至少兩層催化劑反應(yīng)床層；霧化的硼氫化鈉甲醇溶液自上而下噴灑在催化劑上，逐層下滲，逐段反應(yīng)，氫氣上浮，匯集于反應(yīng)罐頂端；反應(yīng)副產(chǎn)物快速順利地透過(guò)催化劑的孔道及固定床，匯集在反應(yīng)罐底部的副產(chǎn)物收集槽，保證硼氫化鈉甲醇溶液與催化劑的持續(xù)接觸面積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)醇解制氫過(guò)程中的氣、液兩相分離；

所述熱交換器用以調(diào)控反應(yīng)罐的溫度，防止溫度過(guò)高，保持催化劑的活性穩(wěn)定，并能收集熱量，輔助加熱低溫環(huán)境下的制氫系統(tǒng)，加快制氫系統(tǒng)的低溫啟動(dòng)；

所述產(chǎn)物回收槽置于反應(yīng)罐的底部，收集反應(yīng)產(chǎn)物四甲基硼化鈉，后續(xù)回收再利用。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述硼氫化鈉儲(chǔ)液罐與外界環(huán)境絕熱性好，避免硼氫化鈉甲醇溶液因外界環(huán)境溫度的上升而發(fā)生自醇解產(chǎn)氫，致使儲(chǔ)液罐內(nèi)出現(xiàn)高氣壓；儲(chǔ)液罐配有耐堿腐蝕的進(jìn)料口和輸出口，便于硼氫化鈉甲醇溶液的加注和輸出。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述噴霧器為設(shè)置于制氫反應(yīng)罐頂端的一套耐堿腐蝕的霧化噴淋裝置，自上而下噴灑，噴霧量、噴霧速度、覆蓋范圍能調(diào)節(jié)，最大程度地提高反應(yīng)原料的利用率。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述催化反應(yīng)床由上、中、下三段催化劑反應(yīng)床層構(gòu)成，通過(guò)圓形支架固定在反應(yīng)罐中心的支撐桿；圓形支架和支撐桿為耐堿腐蝕的金屬或聚四氟乙烯材料，具有良好的熱傳導(dǎo)性能和機(jī)械強(qiáng)度，不吸附氫氣；上段催化劑床層為擔(dān)載或非擔(dān)載型的貴金屬催化劑，其余催化劑床層為擔(dān)載型或非擔(dān)載型的非貴金屬催化劑，或非金屬催化劑；反應(yīng)過(guò)程中催化劑能夠牢固地固定床層上，不發(fā)生脫落和流失。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述熱交換器的冷卻液為水，循環(huán)流動(dòng)，確保制氫反應(yīng)體系的工作溫度正常。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提出的硼氫化鈉醇解制氫多床層反應(yīng)裝置，采用流量控制器精確控制反應(yīng)物的質(zhì)量和流速，提高反應(yīng)物的利用率，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)氫量精確可控；采用噴霧式、自上而下的進(jìn)料方式，擴(kuò)大了反應(yīng)物同催化劑的接觸，液固分離更徹底，消除了濃差梯度的影響；多段催化劑床層增加催化劑與反應(yīng)物接觸面積，延長(zhǎng)了持續(xù)作用時(shí)間，反應(yīng)更加完全，提高了催化劑利用率，降低了貴金屬成本；熱交換器的使用確保了制氫系統(tǒng)的工作溫度正常，利于低溫環(huán)境下制氫系統(tǒng)的快速啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)所產(chǎn)熱量的有效利用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明硼氫化鈉醇解制氫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)注如下：

1.硼氫化鈉儲(chǔ)液罐 2.堿性硼氫化鈉甲醇溶液

3.存儲(chǔ)罐的進(jìn)料端 4.硼氫化鈉甲醇溶液輸送管

5.流量控制器 6.噴霧器

7.反應(yīng)床支撐桿 8.霧化后的硼氫化鈉溶液

9.第一層催化劑床 10.催化劑的固定床

11.第二層催化劑床 12.第三層催化劑床

13.反應(yīng)床的固定底端 14.副產(chǎn)物收集槽

15.冷卻液 16.冷卻系統(tǒng)的外殼

17.冷卻液的進(jìn)液端 18.冷卻液的出液端

19.氫氣的輸出管線 20.控制閥門

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。

實(shí)施例一

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明揭示了一種硼氫化鈉醇解制氫多床層反應(yīng)裝置，主要包括硼氫化鈉儲(chǔ)液罐(硼氫化鈉甲醇溶液儲(chǔ)液罐)1、流量控制器5、噴霧器(霧化器)6、多段催化劑反應(yīng)床、熱交換器、產(chǎn)物回收槽14。

硼氫化鈉儲(chǔ)液罐1用來(lái)存儲(chǔ)堿性的硼氫化鈉甲醇溶液(堿性硼氫化鈉甲醇溶液2)，氫氧化鈉溶液與硼氫化鈉甲醇溶液混合以抑制自醇解反應(yīng)。存儲(chǔ)裝置與外界環(huán)境絕熱性好，避免硼氫化鈉甲醇溶液因外界環(huán)境溫度的上升而發(fā)生自醇解產(chǎn)氫，致使儲(chǔ)液罐內(nèi)出現(xiàn)高氣壓。儲(chǔ)液罐配有耐堿腐蝕的進(jìn)料口(存儲(chǔ)罐的進(jìn)料端3)和輸出口(通過(guò)硼氫化鈉甲醇溶液輸送管4輸送)，便于硼氫化鈉甲醇溶液的加注和輸出。

流量控制器5可調(diào)節(jié)溶液的流速和流量，精確計(jì)量反應(yīng)過(guò)程中硼氫化鈉溶液的質(zhì)量，控制最佳流速，提高硼氫化鈉甲醇溶液的利用率和副產(chǎn)物脫離催化劑表面的速率，保持硼氫化鈉溶液和催化劑持續(xù)接觸，以及催化活性的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)制氫反應(yīng)連續(xù)性、產(chǎn)氫量的按需可控。

噴霧器6為設(shè)置在制氫反應(yīng)罐頂端的一套耐堿腐蝕的霧化噴淋裝置，自上而下噴灑，噴霧量、噴霧速度、覆蓋范圍等可以調(diào)節(jié)，最大程度地提高反應(yīng)原料的利用率。

催化反應(yīng)床是硼氫化鈉甲醇溶液醇解制氫反應(yīng)的發(fā)生場(chǎng)所，有上、中、下三段催化劑反應(yīng)床層構(gòu)成(分別為第一層催化劑床9、第二層催化劑床11、第三層催化劑床12)，通過(guò)圓形支架固定在反應(yīng)罐中心的反應(yīng)床支撐桿7。圓形支架和支撐桿為耐堿腐蝕的金屬或聚四氟乙烯材料，具有良好的熱傳導(dǎo)性能和機(jī)械強(qiáng)度，不吸附氫氣。上段催化劑床層為擔(dān)載或非擔(dān)載型的貴金屬催化劑，其余催化劑床層可為擔(dān)載型或非擔(dān)載型的非貴金屬催化劑，或非金屬催化劑。反應(yīng)過(guò)程中催化劑能夠牢固地固定床層(催化劑的固定床10)上，不發(fā)生脫落和流失。霧化的硼氫化鈉甲醇溶液8自上而下噴灑在催化劑上，逐層下滲，逐段反應(yīng)，氫氣上浮，匯集于反應(yīng)罐頂端。反應(yīng)副產(chǎn)物快速順利地透過(guò)催化劑的孔道及固定床，匯集在反應(yīng)罐底部(反應(yīng)床的固定底端13)的副產(chǎn)物收集槽14，保證硼氫化鈉甲醇溶液與催化劑的持續(xù)接觸面積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)醇解制氫過(guò)程中的氣、液兩相分離。

熱交換器可調(diào)控反應(yīng)罐的溫度，防止溫度過(guò)高，保持催化劑的活性穩(wěn)定，并能收集熱量，輔助加熱低溫環(huán)境下的制氫系統(tǒng)，加快制氫系統(tǒng)的低溫啟動(dòng)。熱交換器的冷卻液15可為水或其他冷凍劑，循環(huán)流動(dòng)，確保制氫反應(yīng)體系的工作溫度正常。冷卻系統(tǒng)的外殼16內(nèi)設(shè)有冷卻液的進(jìn)液端17、冷卻液的出液端18，冷卻液的出液端18設(shè)有控制閥門20；反應(yīng)罐的頂部設(shè)有氫氣輸出端口，氫氣輸出端口連接氫氣的輸出管線19。

副產(chǎn)物回收槽置14于反應(yīng)罐的底部，收集反應(yīng)產(chǎn)物四甲基硼化鈉，后續(xù)回收再利用。

實(shí)施例二

圖1所述的根據(jù)硼氫化鈉醇解制氫多床層反應(yīng)裝置，由硼氫化鈉儲(chǔ)液罐、流量控制器、噴霧器、多段催化劑反應(yīng)床、熱交換器、產(chǎn)物回收槽等部分組成。自上而下，第一層催化劑是泡沫鎳負(fù)載Ru催化劑，第二層和第三層均是碳布負(fù)載CoB催化劑，每層催化劑量為2g，采用含硼氫化鈉5wt.％和氫氧化鈉3wt.％的甲醇溶液為反應(yīng)物，在50℃條件下,達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)產(chǎn)氫流速為3.2L/min。

實(shí)施例三

圖1所述的根據(jù)硼氫化鈉醇解制氫多床層反應(yīng)裝置，由硼氫化鈉儲(chǔ)液罐、流量控制器、噴霧器、多段催化劑反應(yīng)床、熱交換器、產(chǎn)物回收槽等部分組成。自上而下，第一層催化劑是活性炭負(fù)載Pt催化劑，第二層是泡沫鎳負(fù)載Ru催化劑，第三層是碳布負(fù)載CoB催化劑，采用含硼氫化鈉5wt.％和氫氧化鈉3wt.％的甲醇溶液為反應(yīng)物，每層催化劑量為2g，在O℃條件下,達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)產(chǎn)氫流速為1.5L/min。

綜上所述，本發(fā)明提出的硼氫化鈉醇解制氫多床層反應(yīng)裝置，采用流量控制器精確控制反應(yīng)物的質(zhì)量和流速，提高反應(yīng)物的利用率，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)氫量精確可控；采用噴霧式、自上而下的進(jìn)料方式，擴(kuò)大了反應(yīng)物同催化劑的接觸，液固分離更徹底，消除了濃差梯度的影響；多段催化劑床層增加催化劑與反應(yīng)物接觸面積，延長(zhǎng)了持續(xù)作用時(shí)間，反應(yīng)更加完全，提高了催化劑利用率，降低了貴金屬成本；熱交換器的使用確保了制氫系統(tǒng)的工作溫度正常，利于低溫環(huán)境下制氫系統(tǒng)的快速啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)所產(chǎn)熱量的有效利用。

這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說(shuō)明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對(duì)這里所披露的實(shí)施例進(jìn)行其它變形和改變。