本實(shí)用新型涉及水解制氫技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種常壓制氫反應(yīng)裝置及氫燃料電池供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

氫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。然而氫氣存儲(chǔ)運(yùn)輸不便限制了燃料電池的應(yīng)用，特別是作為便攜式電源中的應(yīng)用。氫氣的便捷制取技術(shù)對(duì)于推進(jìn)便攜式燃料電池的應(yīng)用具有重要作用。

氫源的一個(gè)重要指標(biāo)就是其儲(chǔ)氫容量，目前商用的稀土和鐵鈦儲(chǔ)氫合金質(zhì)量?jī)?chǔ)氫容量一般在1.5～1.8%之間，其質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度太低導(dǎo)致其無(wú)法應(yīng)用于便攜式燃料電池的氫源。

利用活潑金屬或是氫化物與水的反應(yīng)可以方便地制取氫氣，理論上可以達(dá)到較高的產(chǎn)氫容量，但是這種方式尚未得到廣泛的實(shí)用化，其主要原因包括整體系統(tǒng)的實(shí)際產(chǎn)氫容量偏低，以及產(chǎn)氫的可控性和安全性尚未得到驗(yàn)證。

實(shí)際產(chǎn)氫量低的原因是在實(shí)際反應(yīng)中，除了作為化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)物的水，還需要部分水來(lái)浸潤(rùn)和分散反應(yīng)物，因此實(shí)際耗水量可能遠(yuǎn)高于理論值，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)氫容量大大降低。目前可控性和安全性方面的顧慮主要是金屬及氫化物的水解反應(yīng)非常劇烈，伴隨大量放熱，如果不加以控制，反應(yīng)很容易失控。上述問題在制氫量較大、制氫速率較快時(shí)會(huì)變得非常嚴(yán)重，極大限制了水解反應(yīng)原位制氫的應(yīng)用。

針對(duì)上述問題，特提出本實(shí)用新型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種耗能低、可控性好、安全性高、產(chǎn)氫量大的常壓制氫反應(yīng)裝置，以及基于該反應(yīng)裝置的氫燃料電池供電系統(tǒng)。

本實(shí)用新型提供的常壓制氫反應(yīng)裝置，包括反應(yīng)器、輸送泵和加熱器；

所述反應(yīng)器為密封容器，用于裝填水解制氫材料，設(shè)有進(jìn)水口和第一出氣口；

所述輸送泵一端連接水源，另一端連接進(jìn)水口，控制將水輸送至反應(yīng)器；

所述加熱器用于加熱水使進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的水呈氣化狀態(tài)。

傳統(tǒng)的水解制氫反應(yīng)往往強(qiáng)調(diào)接近室溫的反應(yīng)，而本實(shí)用新型中提高了水解反應(yīng)發(fā)生的溫度，使液態(tài)水氣化變成水蒸氣后與裝填在反應(yīng)器內(nèi)的水解制氫材料反應(yīng)，這一方案極大改進(jìn)了水與水解制氫材料接觸的均勻性，有利于水解制氫材料充分轉(zhuǎn)化。同時(shí)利用水解放氫反應(yīng)放熱的特點(diǎn)，只需前期加熱引發(fā)，后期通過反應(yīng)放熱即可將反應(yīng)溫度維持在較高的溫度，系統(tǒng)整體能耗很低。

水源可以為移動(dòng)水源或固定水源（例如直接與自來(lái)水管道連接），加熱器的位置可以設(shè)置在反應(yīng)器上，也可以設(shè)置在輸入泵與反應(yīng)器的進(jìn)水口之間，只要能夠保證反應(yīng)器內(nèi)有氣化狀態(tài)的水以進(jìn)行產(chǎn)氫反應(yīng)即可。

產(chǎn)生氫氣的速率與加入水的速率成正比。如加入的水中與水解制氫材料發(fā)生反應(yīng)的比例為α，則合適的進(jìn)水速率(H₂O)(單位：mL/min)由所需的氫氣產(chǎn)生速率(H₂)(單位：L/min)決定，如下式所示：

其中α為實(shí)際進(jìn)入反應(yīng)器的水與水解制氫材料發(fā)生反應(yīng)的比例，其具體數(shù)值由水解制氫材料的特性、反應(yīng)條件、反應(yīng)器形狀等因素綜合決定，對(duì)于一般的反應(yīng)條件，α通常在0.2～1.0之間。

因此，通過輸送泵來(lái)控制向反應(yīng)器中加水量和速率，控制輸水速率恒定且可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，便于根據(jù)實(shí)際燃料電池或其他設(shè)備對(duì)氫氣的需求，控制氫氣的產(chǎn)生速率。產(chǎn)生的氫氣隨時(shí)被燃料電池或其他需氫設(shè)備消耗，整個(gè)系統(tǒng)中沒有氫氣積累，因此無(wú)需高壓裝置，不僅提高了安全性，也便于實(shí)現(xiàn)輕量化。

所用的水可以是去離子水，也可以是自來(lái)水或來(lái)自于自然界的水(如河水、湖水、海水等)。

作為一種優(yōu)選方案，上述常壓制氫反應(yīng)裝置，還包括貯水器，用于儲(chǔ)存液態(tài)水作為水源，所述貯水器設(shè)有出水口與輸送泵連接。

當(dāng)需要可移動(dòng)的制氫裝置時(shí)，添加一個(gè)貯水器作為水源更為方便。

作為一種優(yōu)選方案，上述常壓制氫反應(yīng)裝置中，所述貯水器還設(shè)有進(jìn)氣口和第二出氣口，進(jìn)氣口與所述第一出氣口連接。

將反應(yīng)器中產(chǎn)生的氫氣首先通過進(jìn)氣口導(dǎo)入貯水器，貯水器同時(shí)作為冷凝器，其中大部分水氣重新冷凝變成液態(tài)水，剩余含有少量水蒸氣的氫氣再通過第二出氣口排出，不但實(shí)現(xiàn)了水的循環(huán)利用，可以有效減少反應(yīng)實(shí)際消耗的水量，提高整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫量，而且少量的水蒸氣對(duì)于燃料電池或其他需氫設(shè)備工作沒有影響。

作為一種優(yōu)選方案，上述常壓制氫反應(yīng)裝置，所述進(jìn)水口和第一出氣口的位置滿足進(jìn)入反應(yīng)器的水與水解制氫材料充分接觸。

反應(yīng)器的進(jìn)水口與第一出氣口的距離應(yīng)較遠(yuǎn)，使進(jìn)入反應(yīng)器的水在反應(yīng)器內(nèi)停留的時(shí)間內(nèi)能夠充分與固體反應(yīng)物接觸，因此反應(yīng)器形狀也可以為多種樣式，例如圓柱形，螺旋管形等等。放置方式可以是直立放置、傾斜放置、水平放置等。

作為一種優(yōu)選方案，上述常壓制氫反應(yīng)裝置，所述加熱器為電加熱套，套于反應(yīng)器的外周。相較于在水進(jìn)入反應(yīng)器前就加熱氣化的方式，將水送入反應(yīng)器后對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行加熱將更加具有優(yōu)勢(shì)，可以有效節(jié)約耗能。反應(yīng)器溫度保持在100℃以上，才使進(jìn)入反應(yīng)器的水氣化擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，與反應(yīng)器內(nèi)的水解制氫材料充分接觸。初始時(shí)送入的水升溫需要通過加熱反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)，對(duì)反應(yīng)器的加熱雖然會(huì)消耗部分電能，但是由于氫化物的水解放氫反應(yīng)是放熱的，因此當(dāng)反應(yīng)穩(wěn)定之后，加熱套并不需要繼續(xù)加熱，因此總體消耗的能量并不高。

作為一種優(yōu)選方案，上述常壓制氫反應(yīng)裝置，所述加熱器通過控溫裝置控制加熱溫度。控溫裝置可以使用可控硅繼電器等。

對(duì)于不同的水解制氫材料，其最合適的反應(yīng)溫度也不同，在實(shí)際操作過程中，通常將反應(yīng)器溫度設(shè)定在80～200℃。當(dāng)實(shí)際反應(yīng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，加熱器自動(dòng)停止加熱，反應(yīng)進(jìn)入自動(dòng)維持階段。若此時(shí)反應(yīng)器溫度低于安全值，也無(wú)需對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行冷卻，高溫有利于提高放氫反應(yīng)的速率。

應(yīng)用過程中反應(yīng)器溫度一般控制在300℃以下，實(shí)際應(yīng)用中不需要冷卻裝置，可以通過限制加水速率，控制水解反應(yīng)放熱的速率，使反應(yīng)器不至于過熱。

作為一種優(yōu)選方案，上述常壓制氫反應(yīng)裝置，所述水解制氫材料包括金屬氫化物、硼氫化物、活潑金屬和活潑金屬合金中的一種或者幾種的混合物。還可以包括為了促進(jìn)放氫反應(yīng)添加的各種催化劑等。

所述金屬氫化物如CaH₂、MgH₂、LiH等，硼氫化物如NaBH₄、LiBH₄等，活潑金屬及合金如Mg、Al、Li-Al合金等。

作為一種優(yōu)選方案，上述常壓制氫反應(yīng)裝置，所述反應(yīng)器的材質(zhì)在300℃以下具有化學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定性。制氫反應(yīng)時(shí)反應(yīng)器溫度通常在100～300℃之間，所以反應(yīng)器材質(zhì)的力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性需要滿足上述要求，材質(zhì)選擇范圍較廣，包括不銹鋼、玻璃、鋁、耐高溫塑料等。

作為一種優(yōu)選方案，所述常壓制氫反應(yīng)裝置中，所述輸送泵控制送入反應(yīng)器的水流動(dòng)速率為恒定值。由于產(chǎn)生氫氣的速率與加入水的速率成正比，所以裝置中最好能夠保證恒定的進(jìn)水速率，輸送泵可以選擇蠕動(dòng)泵、注射泵等裝置。

作為一種優(yōu)選方案，所述的常壓制氫反應(yīng)裝置，還包括貯水器，用于儲(chǔ)存液態(tài)水作為水源，所述貯水器設(shè)有出水口、進(jìn)氣口和第二出氣口，所述出水口與輸送泵連接供水；所述加熱器為電加熱套，套于反應(yīng)器的外周。結(jié)構(gòu)更加緊湊，便于攜帶。

本實(shí)用新型還提供了一種氫燃料電池供電系統(tǒng)，其包括以上任一所述的常壓制氫反應(yīng)裝置，鋰電池和氫燃料電池；其中鋰電池與輸送泵和/或加熱器連接供電，氫燃料電池與鋰電池電連接向鋰電池供電；所述氫燃料電池和鋰電池設(shè)有供電端口用于向外部用電設(shè)備供電。

通常燃料電池輸出功率很難快速變化，利用水解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣時(shí)，即使通過調(diào)節(jié)進(jìn)水速率，也很難使氫氣產(chǎn)生速率馬上達(dá)到所需的值，而通過鋰電池與燃料電池協(xié)同工作，能夠很好應(yīng)對(duì)負(fù)載功率的突然變化，極大的提高了系統(tǒng)整體的輸出穩(wěn)定性，同時(shí)有效避免了負(fù)載較小時(shí)氫能源的浪費(fèi)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有效果：

本實(shí)用新型提供的常壓制氫反應(yīng)裝置，通過加熱器加熱水至氣態(tài)，使水解制氫反應(yīng)在高溫下進(jìn)行，一方面提高產(chǎn)氫容量，節(jié)約水源，另一方面通過輸送泵控制進(jìn)水量和/或進(jìn)水速率調(diào)整反應(yīng)速率來(lái)控制反應(yīng)器不至過熱，制氫反應(yīng)在常壓下進(jìn)行，安全性好。

本實(shí)用新型通過將反應(yīng)器的氫氣出口與貯水器相通，使產(chǎn)生的含水氫氣導(dǎo)入貯水器中實(shí)現(xiàn)冷凝分離出大部分氣態(tài)水，無(wú)需再對(duì)氫氣進(jìn)行進(jìn)一步提純，安全性不受影響。

本實(shí)用新型提供的，具有如下突出的有益效果：

對(duì)于不同的固體反應(yīng)物，其最合適的反應(yīng)溫度也不同，在實(shí)際操作過程中，通常將反應(yīng)器溫度設(shè)定在80～200℃。當(dāng)實(shí)際反應(yīng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，加熱器自動(dòng)停止加熱，反應(yīng)進(jìn)入自動(dòng)維持階段。若此時(shí)反應(yīng)器溫度低于安全值，也無(wú)需對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行冷卻，高溫有利于提高放氫反應(yīng)的速率。

應(yīng)用過程中反應(yīng)器溫度一般控制在300℃以下，實(shí)際應(yīng)用中不需要冷卻裝置，可以通過限制加水速率，控制水解反應(yīng)放熱的速率，使反應(yīng)器不至于過熱。

將加熱器套在反應(yīng)器外，只在初始階段加熱反應(yīng)器即可，后續(xù)反應(yīng)持續(xù)放熱自行維持高溫環(huán)境，加熱器即可停止工作，進(jìn)一步節(jié)約了能源損耗。

氫燃料電池供電系統(tǒng)結(jié)合鋰電池和氫燃料電池，鋰電池可以為輸送泵和加熱器提供電能，另一方面當(dāng)氫燃料電池電力不足時(shí)還可以作為備選替代電池為用電設(shè)備供電。氫燃料電池工作時(shí)，從常壓制氫反應(yīng)裝置獲得氫氣，外界空氣作為氧氣源，反應(yīng)供電，供的電能一方面可以直接輸送給用電設(shè)備，另一方面還可以提供給鋰電池為其充電。系統(tǒng)整體輸出穩(wěn)定性提高，并且有效避免負(fù)載較小時(shí)氫能源的浪費(fèi)，還十分緊湊方便。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式所提供的一種氫燃料電池供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中虛線框內(nèi)為常壓制氫反應(yīng)裝置；

圖2為實(shí)施例1的氫燃料電池供電系統(tǒng)中常壓制氫反應(yīng)裝置氫氣釋放曲線；

圖3為實(shí)施例2的氫燃料電池供電系統(tǒng)中常壓制氫反應(yīng)裝置中通過改變進(jìn)水速率時(shí)產(chǎn)氫速率的改變曲線圖；

圖4為實(shí)施例2的氫燃料電池供電系統(tǒng)中常壓制氫反應(yīng)裝置氫氣產(chǎn)生速率與向反應(yīng)器中加水速率的關(guān)系曲線圖；

圖中：

1.反應(yīng)器，2.加熱套，3.水解制氫材料，4.蠕動(dòng)泵，5.貯水器，6.第一氫氣通路，7.第二氫氣通路。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本實(shí)用新型方案，下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

請(qǐng)參考圖1，作為一個(gè)優(yōu)選方案的常壓制氫反應(yīng)裝置，包括反應(yīng)器1，加熱套2，蠕動(dòng)泵4和貯水器5。其中反應(yīng)器1位密封容器，內(nèi)裝水解制氫材料3，水解制氫材料可以是固體氫化物或其他可以水解放氫的物質(zhì)。反應(yīng)器1頂部開有第一出氣口，底部開有進(jìn)水口。進(jìn)水口與蠕動(dòng)泵4的輸水管道出口端連接。貯水器5分別設(shè)有出水口、進(jìn)氣口和第二出氣口，出水口與蠕動(dòng)泵4的輸水管道進(jìn)口端連接，進(jìn)氣口與反應(yīng)器1的第一出氣口管道連接形成第一氫氣通路6。

基于上述結(jié)構(gòu)的常壓制氫反應(yīng)裝置，作為一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的氫燃料電池供電系統(tǒng)，還設(shè)有氫燃料電池（圖1中標(biāo)記為燃料電池，下同）和鋰電池。上述第二出氣口與氫燃料電池連接形成第二氫氣通路7。氫燃料電池與鋰電池電連接，鋰電池與蠕動(dòng)泵4和加熱套2電連接為二者提供電能。氫燃料電池和鋰電池均設(shè)有供電端口用于向外部用電設(shè)備供電。

實(shí)施例1

反應(yīng)器1為內(nèi)徑3cm，高20cm的圓柱體，材質(zhì)為玻璃，反應(yīng)器1豎直放置，反應(yīng)用水從反應(yīng)器1底部輸入。反應(yīng)器1外由5W的加熱套2加熱，利用可控硅繼電器控溫。水由功率為2W的蠕動(dòng)泵4輸運(yùn)，進(jìn)水速率可以根據(jù)蠕動(dòng)泵4的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0.1-3.0mL/min。加熱套2和蠕動(dòng)泵4都由兩節(jié)鋰電池供電，電池輸出電壓為8V，通過穩(wěn)壓裝置分別供給加熱套2和蠕動(dòng)泵4。貯水罐5為內(nèi)徑2cm，高20cm的圓柱體塑料容器。

氫燃料電池額定功率為30W，開路電壓為12V，最大輸出功率時(shí)電壓為8V，電流4A。將兩節(jié)2200mAh的鋰離子電池與氫燃料電池并聯(lián)構(gòu)成復(fù)合供電系統(tǒng)。

將NaBH₄粉末20g、納米Ni催化劑1.5g混合均勻，填入玻璃反應(yīng)器1中。向貯水罐5中加入自來(lái)水45mL。反應(yīng)器1溫度設(shè)定值為100℃。

外接40W的可變直流負(fù)載。將負(fù)載（圖1標(biāo)記為用電設(shè)備，下同）接入供電系統(tǒng)，并啟動(dòng)加熱套2加熱，并啟動(dòng)蠕動(dòng)泵4加入水，進(jìn)水速率為0.4mL/min。氫氣沒有產(chǎn)生時(shí)，氫氣隨即產(chǎn)生，同時(shí)在2min內(nèi)反應(yīng)器1溫度迅速上升至130℃，當(dāng)溫度穩(wěn)定后，產(chǎn)氫速率達(dá)到330mL/min。輸出的氫氣中攜帶有水蒸氣，水蒸氣冷凝重新進(jìn)入貯水罐5。在穩(wěn)態(tài)供氫過程中，反應(yīng)器1溫度在120～150℃之間波動(dòng)，加熱套并不工作。

以330mL/min左右的速率供氫90min后，反應(yīng)逐漸減慢，反應(yīng)器1溫度降至100℃左右，加熱套2恢復(fù)加熱，反應(yīng)器1溫度維持在100℃，氫氣產(chǎn)生速率逐漸降低。累計(jì)放出氫氣42L。放氫曲線如圖2所示。

穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，系統(tǒng)輸出電流4.4A，電壓8.2V，其中氫燃料電池輸出電流3.7A，鋰電池輸出電流0.7A；當(dāng)撤去負(fù)載后，氫燃料電池產(chǎn)生的電能充入鋰電池，充電電壓8.7V，充電電流2.2A；當(dāng)反應(yīng)后期產(chǎn)氫速率下降，燃料電池輸出功率降低時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓8.2V，電流4.4A，其中燃料電池輸出1.3A，鋰電池輸出3.1A。

實(shí)施例2

反應(yīng)器1為內(nèi)徑3cm，高20cm的圓柱體，反應(yīng)器1豎直放置，反應(yīng)用水從反應(yīng)器1底部輸入。反應(yīng)器1外由5W的加熱套2加熱，利用可控硅繼電器控溫。水由功率為2W的蠕動(dòng)泵4輸運(yùn)，進(jìn)水速率可以根據(jù)蠕動(dòng)泵4的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0.1～3.0mL/min。加熱套2和蠕動(dòng)泵4都由兩節(jié)鋰電池供電，電池輸出電壓為8V，通過穩(wěn)壓裝置分別供給加熱套2和蠕動(dòng)泵4。貯水罐5為內(nèi)徑2cm，高20cm的圓柱體塑料容器。

氫燃料電池額定功率為30W，開路電壓為12V，最大輸出功率時(shí)電壓為8V，電流4A。將兩節(jié)2200mAh的鋰離子電池與燃料電池并聯(lián)構(gòu)成復(fù)合供電系統(tǒng)。

將CaH₂粉末20g填入玻璃反應(yīng)容器中。向貯水罐5中加入自來(lái)水30mL。反應(yīng)器1溫度設(shè)定值為100℃。

啟動(dòng)加熱套2加熱，并啟動(dòng)蠕動(dòng)泵4加入水，進(jìn)水速率為0.4mL/min。氫氣隨即產(chǎn)生，同時(shí)在2min內(nèi)反應(yīng)器1溫度迅速上升至260℃，加熱套2停止加熱。氫氣產(chǎn)生速率為380mL/min。此時(shí)負(fù)載功率為35W，氫燃料電池輸出功率為30W，鋰電池僅輸出5W。

此后根據(jù)負(fù)載變化調(diào)整進(jìn)水速率。將負(fù)載撤去后停止進(jìn)水，氫氣流速在8分鐘內(nèi)從380mL/min降低到30mL/min，此時(shí)燃料電池產(chǎn)生的電能充入鋰離子電池中。重新加上30W負(fù)載并重新啟動(dòng)蠕動(dòng)泵4進(jìn)水，產(chǎn)氫速率和燃料電池輸出功率又恢復(fù)到相同的數(shù)值。

根據(jù)負(fù)載變化，改變?nèi)鋭?dòng)泵4轉(zhuǎn)速，改變進(jìn)水速率為0.1、0.2、0.3mL/min，產(chǎn)氫速率和燃料電池的輸出隨著進(jìn)水速率而改變，產(chǎn)氫速率與進(jìn)水速率之間存在良好的正比例關(guān)系。當(dāng)停止進(jìn)水后，大約8～20分鐘氫氣流量停止，此時(shí)燃料電池產(chǎn)生的電能充入鋰離子電池中。

整個(gè)過程中反應(yīng)器1溫度在200～260℃之間，無(wú)需加熱套2加熱。累計(jì)產(chǎn)生氫氣19.2L。

本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本實(shí)用新型的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本實(shí)用新型的核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。