国外潜艇硼氢化钠水解制氢的研究与进展.pdf

第34春第7期
舰船科学技术
2012年7月
SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
nl..2012
国外潜艇硼氢化钠水解制氢的研究与进展
李宏伟,李大鵰,张晓东
(海军工程大学,湖北武汉430033)
摘要:叙述了国外潜艇AIP装置硼氢化钠水解制氢的研究与进展,介绍了明氢化钠溶液水解制氢方法
水解反应催化剂,描述了潜艇硼氢化钠水解制氢系统、管式和一体式碉氢化钠水解制氢反应器的组成与工作,分析
了制氢器反应区内的两相流动现象、反应区体积和换热一冷凝器传热面积要求,以及制氢器内液滴的分离、固体颗粒
的沉淀和悬浮物的过滤、制氢器的动态特性等问题。
关键词:潜艇;AIP;明氢化钠;水解制氢
中图分类号
文献标识码:A
文章编号:1672-7649(2012)07-0135-09doi:10.3404/j.1sn.1672-7649.2012.07.031
Research and development of foreign submarine sodium borohydride
hydrolysis hydrogen generation
LI Hong-wei, LI Da-peng, ZHANG Xiao-dong
Naval Engineering University, Wuhan 430033, China)
Abstract: Research and development of foreign submarine AIP sodium borohydride hydrolysis
hydrogen generation is stated in this paper Method and catalyzer of sodium borohydride hydrolysis hydrogem
generation are introduced. Submarine system of sodium borohydride hydrolysis hydrogen generation
constitution and working of tubular and integrative reactors of sodium borohydride hydrolysis hydrogem
generation are described. Two-phase flow phenomena, requirements of reactor volume and heat-transfer
surface of heat-exchanger-condenser, separation of liquid dribbles, precipitin of solid grains and filtration of
suspending particles in the hydrogen generator, as well as dynamic characteristic of hydrogen generator are
analyzed
Key words: submarine; AIP; sodium borohydride; hydrolysis hydrogen generation
已经非常成熟、可靠、安全且经济。制氢与储氢已
0引言
成为潜艇电化学发电机装置发展的“瓶颈”,关键问
基于燃料电池的电化学发电机装置是最具竞争题是制造简单、可靠和安全的储氢和制氢系统
力的潜艇AIP装置之一。其中最常用的是氢氧燃料
硼氢化钠( Sodium borohydride,NaBH,)水解制
电池。氢氧燃料电池能量转换效率高,惟一的反应氢具有以下优点:
产物为水,散热少,噪声低,维护保养方便,便于实
1)NaBH,溶液可在空气中稳定储存数月,只需
现集中控制和自动化,过载能力强,可根据潜艇内塑料容器储运;
部布置需要灵活配置,随输出功率变化特性好,不
2)仅在指定催化剂存在下オ会发生氢气产生現
足之处在于所使用燃料氢的危险性大,装置功率密象,甚至在0℃下也可进行;
度较小。潜艇电化学发电机装置性能的决定因素主
3)制得氢气纯度高,可直接供氢;
要在于氢的储存与制备,目前氧的储存与制备技术
4)制氢速率可控;
收稿日期:2011-06-20;修回日期:2011-12-30
作者简介:李宏伟(1974-),男,倾士,高级工程师,主要从事动力装置方面的科研与维修工作。
万方数据
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第34卷
5)生态安全性好;
相同情况下,硼氢化钠溶液水解过程的温度会提高,
6)单位体积和重量的氢容量很高,是一种高密使得氢气中含有更多的自硼氢化钠溶液蒸发的杂质
度氢源;
混合物,从而污染氢气。
7)制氢系统可实现自动化控制,氢气流量和压
力可调
2?氢化钠水解制氢催化剂
8)水解产物NaBO2可再生。
催化剂一般使用贵重金属,也可以使用Fe,Co,
1?氢化钠溶液水解制氢
Ni,Mn等非贵重金属离子或其混合物的水溶液作为
催化剂,其中Co对硼氢化钠水解反应的催化作用较
氢化钠溶液水解反应速率与溶液pH值、反应好。A.Lewy等?研究了Ni、Co及 Raney-Ni、 Raney
温度有关。当pH=8,即使在常温下,硼氢化钠溶液Co,发现它们对硼氢化钠水解反应具有良好的催化
也会很快水解。当温度为25℃,pH值为14,硼氢作用。 Brown等?在研究了一系列的金属盐催化剂
化钠溶液半衰期为430天,可满足储存和使用要后发现,Ru和Rh的金属盐类对硼氢化钠水解反应
求"1。催化剂、酸或升高温度都可以加速研氢化钠的催化作用最强。 Steven等?使用离子树脂负载
溶液的水解速度。
Ru催化剂的方法,通过一系列实验对催化剂制备、
硼氨化物溶液的水解可以通过添加NaOH,提高Ru覆着量、催化剂利用率、温度以及溶液pH值对
溶液pH值加以控制。当添加NaOH所占质量百分氢气生成速率的影响进行了研究,发现覆着在阴离
比在5.5%~14%时,在308K温度下和30个昼夜子交换树脂上的Ru催化剂比覆着在阳离子交换树
期间内,硼氢化钠溶液的水解转化率从10%减小到脂上的效率高。 Yoshitsugu等?研究了Pe- Licoo2催
3.5%。使用蒸馏水制成的硼氨化钠溶液实验表化剂的使用。在30g浓度为20%的硼氢化钠溶液
明,在293K温度下,硼氢化钠就可以水解产生氢(10%NaOH+20%NaBH4+70%H20)中,加人5mg
气。如果增大反应温度,反应速度将会更为强烈。的P催化剂,氢气生成速率可达9.7x10g/s(约
在366K温度下,整个硼氢化钠溶液体积内都会有10m/a),但氢气生成速率随时间增长而增大,这使
剧烈的氧气泡产生。
得控制氢气生成速率的难度增大。Dong等「"指出,
常温下硼氢化钠也会溶解于水,但常温下水解将NB真空高温处理后,可以提高催化性能。对
反应速度很慢,并且可以通过添加NaOH加以抑制。5%NaOH+10 g NABH,+18gH1O溶液研究发现,45
将硼氢化钠以水溶液形式储存,可以减少向制氢系℃温度下的产氢量达6.75%,室温下也可达4.0%
统中加注反应物的工作量和工作难度。潜艇使用条以上。同时还研究了不同NaOH浓度对溶液产氢量
件下硼氢化钠水解反应制氢的研究方向之一,是保的影响,发