[发明专利]一种可移动快速自热制氢装置及应用

说明书

一种将无水肼燃料快速、自热分解为氮氢混合气的可移动现场制氢装置，适于给燃料电池提供氢气源或作为野外作业、金属加工中的氢源使用。本装置包括压力气瓶、压力调节阀、燃料储罐、电磁阀、催化反应器、催化剂床层、石英棉纤维保温层、氢气净化罐及连接管路等。该装置可以快速、高效地将无水肼燃料分解产生氢气，装置开启秒级时间内就有氢气输出，4～5分钟内达到设计流量稳定输出，无需外界热源，系统简单可靠。产物中氢气浓度65％左右，其余为氮气，无一氧化碳等电池催化剂毒物。产生氢气流量可以在29.4L/min‑94.8L/min(标准状态25℃，1atm)之间方便调节，满足给1‑5千瓦燃料电池供氢的要求以及其它野外作业用氢需求。

技术领域

本发明涉及一种可移动现场制氢装置，具体地说是一种将无水肼燃料快速、自热分解为氮、氢混合气的可移动现场制氢装置，适用于给燃料电池提供氢源或作为应急场合、野外作业、金属加工中的氢源使用。

背景技术

氢是一种高效洁净能源，广泛应用于化工行业、金属加工和野外作业等领域，燃料电池技术的发展和成熟使氢气大规模为普通民众利用提供了可能。但是，众所周知氢分子极小，渗透能力强，易泄漏，难液化，氢的贮存和输运是世界难题，这限制了大规模生产的氢气在远离制造场所的应用。据发明人所知，现在常用比较成熟的分散现场储氢供氢方式有三种：方式一是使用高压氢气贮罐，已经商业化应用的高压贮罐最高储氢压力达到69MPa，在用氢现场经多级减压至所需压力后输出使用，该种供氢方式效率较低，压缩罐装时能耗大，高压存放存泄漏风险，减压系统复杂，整体安全性不好；方式二是使用低温液态氢，储氢密度大，问题是需要超低温(-253℃)存放，储罐保温要求高，液氢渗漏损耗大，有安全隐患；方式三是使用贮氢材料储氢，储氢密度低(可用氢储量小于2％)，且使用时需要加热才能较好地释放出来，这限制了其使用范围。现在研究较多的供氢方式是将汽油、甲醇等液体燃料通过水蒸气重整现场制氢，汽油、甲醇等首先高温水蒸气重整为CO和H₂，然后CO进一步与H₂O变换为CO₂和H₂，残余的CO通过部分氧化转化消除，这种供氢方式使用液体燃料，解决了燃料输运难题，且燃料可以常压存放，避免了直接使用氢气时的安全隐患，能耗也较低，但同时也带来了一些新的问题亟待解决：1、供氢装置启动到达反应平衡，实现氢气稳定输出的时间长，即需要较长的启动时间；2、存在多个反应过程，反应体系对反应温度、压力等条件敏感，需要设计复杂的反应器及操作控制系统来实现输出合乎使用要求的氢气产物，不适合需要间歇用氢的场合使用；3、重整总包反应为吸热过程，因此需要外加热源或催化燃烧消耗一部分燃料加热反应器维持反应进行，需要消耗外部能源或者复杂的自热反应器；4、使用汽油、甲醇等碳氢化合物燃料重整制氢不可避免地会有CO产生，CO会使电催化剂中毒，导致燃料电池性能降低。

肼是一种富氢物质，氢含量高达12.5％(wt)，常温下肼是稳定的，但在Pt系、Ni系催化剂及铁锈等的作用下很容易分解得到N₂、H₂、NH₃混合气体，具体方式如下：

3N₂H₄(l)→N₂(g)+4NH₃(g)...............ΔH＝-112.23kJ/mol

2NH₃(g)→N₂(g)+3H₂(g)...................ΔH＝46.11kJ/mol

N₂H₄(l)→N₂(g)+2H₂(g)....................ΔH＝-50.63kJ/mol