CN103253630A - 集成加料池于内部的分层导热干燥架构的水解制氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明集成加料池于内部的分层导热干燥架构的水解制氢装置，该装置由外壳、内胆、集成于圆柱形套筒上的顶部密封盖、加料池、分层导热干燥构架、气体干燥室、出气阀、循环水系统和气路系统构成。其中，分层导热干燥构架可解决装置内部的传热以及气体干燥问题，导热干燥托盘上的通气孔可增加气体和干燥剂的接触；密封盖和加料池以及分层导热干燥构架都集成于圆柱形套筒上，实现了一体化和快速装配功能。通过电控单向阀门精确控制投料量进而控制制氢速率。通过循环水系统提高装置内部热传质的功效，实现了对废热的充分利用。本发明安全可靠，工作范围宽，能适用不同的水解制氢材料，条件可调控，高度一体化，工作效率高，可配合不同需求的燃料电池使用。

Description

集成加料池于内部的分层导热干燥架构的水解制氢装置

技术领域

本发明属于制氢设备领域，尤其涉及一种水解制氢装置。

背景技术

对能源使用和环境保护的兼顾，引发了人们对氢能的关注。目前对氢能的研究主要分为制氢、储氢和氢应用三个方面，其中制氢一般分为电解制氢、生物制氢、水煤气制氢、天然气制氢和化学制氢等，而电解制氢消耗大量电能，能源转化效率低，生物制氢时间长，水煤气和天然气制氢需要消耗化石燃料，并且制氢装备笨重，价格昂贵。随着相关研究深入，化学制氢日益受到重视，特别是随着较多价格低廉的水解材料的出现，使得水解制氢实用化成为可能。对于化学水解制氢而言，除了水解制氢材料本身以及制氢装置外，如何控制制氢速率也是影响其特性的关键因素之一。如中国专利ZL201210287133.2，其装置包括粉末原料溶液罐、反应罐、水滤降温罐、干燥过滤器以及管路组成，该专利的结构设计虽然可以解决装置可靠性以及保证生成的氢气的干燥度和纯度问题，但是还存在装置复杂化，难以方便携带，并且难以有效地控制产氢速率以及废热回收利用等问题。中国专利ZL201110049658.8，其装置包括储存固体反应物料的反应器、储水罐和管路，并且连接有微型泵、压力传感器和冷凝干燥器等装置，虽然其制氢速率可控，响应时间短，固体反应利用率高，但是其结构不具备一体化特征，难以实现方便携带，并且该专利分散的结构设计无法实现热量的高效传输和废热的回收利用，降低了能源利用率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有一体化高效的用于粉体材料水解制氢、可以控制制氢速率的、同时可循环利用燃料电池产生的废热的水解制氢装置。

为了解决上述技术问题，本发明采取一种集成加料池于内部的分层导热干燥构架的水解制氢装置，由罐体外围放氢的气路系统、外壳、置于外壳里的内胆、外壳和内胆之间的循环水系统、加料导热干燥架构、置于分层空间内导热干燥托盘上的干燥剂、出气阀以及电控单向阀门构成。

内部的加料导热干燥构架包括焊接有导热干燥托盘和顶部密封盖的圆柱形套筒以及圆柱形套筒内部的加料池。导热干燥托盘采用高导热的金属片分层焊接在圆柱形套筒外中侧，顶部密封盖采用低导热的金属制作并焊接在圆柱形套筒的外上侧。而内部加料池采用低导热金属制作并且则接于圆柱形套筒的内侧，加料池的上侧与圆柱形套筒上侧完全焊接。当装置进行水解制氢的时候，水解材料从加料池下端的电控单向阀门定量地注入下方水中，并进行反应制氢，产生的氢气经过气体缓冲室缓冲之后穿过圆柱形套筒进入干燥室进行干燥，而反应产生的热量通过圆柱形套筒和导热托盘传递至内胆，内胆再传导至外部循环水系统进行热量散发，保证系统内部的温度，维持放氢速度的稳定；放氢时，燃料电池工作产生的废热可通过外壳和内胆之间的外部循环水系统反馈给制氢装置，通过装置内胆经过内部导热干燥构架传递至装置内部，从而完成装置内部高效传热，并影响水解材料的产氢速率。

出气口位于顶部密封盖内，它将导热干燥托盘上的通气孔以及圆柱形套管上的通气孔和各腔室连接起来，从而加强各腔室和进出气口的连接通道，增加进出气口处的气流通路，提升气体通过效率。该内部构架实现的分层功效可充分传热并使制备出的氢气通过导热干燥托盘上的通气孔传进行有效的干燥，从而提高氢气干燥度，解决了氢气水分过多影响外接负载工作的问题。

干燥剂放置于加料导热干燥托盘的容器，其中容器内的干燥剂可放入多种，进行合理搭配。

加料池位于圆柱形套筒内部，其下端小口是按照300目颗粒的大小设计的，所以如果水解材料不是粉体材料，则要机械粉碎至300目后才能使用，如果是粉体材料并且颗粒度在300目左右则可以直接使用。

本发明的有益效果：

1、由于该装置内部的加料池里可放入一种或者多种均匀混合的粉体水解材料，实现了配比多样化，可以降低水解材料的成本。并且位于加料管下端的电控单向阀门，可以通过预先编写好的电脑程序自动控制阀门的开关，定时定量地进行投料，这样就可实现对制氢速率的有效控制，保证水解反应的稳定持续进行。

2、加料导热干燥构架可将罐体内部空间和装置外部热交换系统结构连为一体，从而实现提高装置内部热传质的功效，实现了对废热的充分利用，极大地提高了能源的利用效率。

3、加料导热干燥构架上的双层干燥室可在极短的时间内实现对气体的快速干燥，从而输出负载可用的纯净干燥气体。

4、本装置具有高度一体化特性，所有的反应进程均在一个密封的罐体之中进行，不但降低了危险系数，而且装置极易方便携带，特别适合作为野外快速供氢来源。

附图说明

       图1是本发明的总体剖面图；

       图2是本发明外围放氢气路系统图；

       图3是本发明顶部密封盖的俯视图；

       图4是本发明内部分层导热干燥托盘俯视图；

       图5是本发明集成加料池于内部的分层导热干燥构架一体图；

       图6是本发明和其他装置连接的总示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施方案做进一步说明

实施例1

附图1是本实施例固态储氢装置的总体剖面图，包括外围放氢的气路系统1、顶部密封盖2、气体干燥室3、外壳4、至于外壳4里面的内胆5、外壳4和内胆5之间的外部循环水系统6、加料池8上的密封塞7、加料池8、出气阀9、密封垫圈的凹槽10、气体缓冲室11、合理布置于内胆5中导热干燥架构12、圆柱形套筒13、电控单向阀门14、圆柱形套筒13上的通孔15。

其中内部构架如附图5所示。包括圆柱形套筒、导热干燥托盘、顶部密封盖以及内部加料池，其中导热干燥托盘和顶部密封盖均直接焊接于圆柱形套筒的外侧，而加料池则置于圆柱形套筒的内侧并且而且顶部完全焊接。水解放氢时，如果要控制产氢速率，可以控制电控单向阀门14，减少水解原料的投入，同时接通外部水循环系统6并且切断外部负载的废热反馈，此时内部空间的热量通过圆柱形套筒和导热干燥托盘传递至内胆5，内胆5再将热量传导至外部循环水系统6进行热量散发；如果要加快产氢速率，可以控制电控单向阀门14，增加水解原料的投入，同时把外部负载工作产生的废热可通过外部循环水系统6反馈给内胆5，并经过内部导热干燥构架传递至装置内部，从而完成装置内部高效传热，促进水解反应速率加快进行。

顶部密封盖设计如图3所示，其与罐体通过4个螺纹加螺栓密封，至于密封垫圈凹槽10的气体密封垫圈保证装置的气密性。

装置内部主要分为3层，最底下第1层主要是制氢室，向上第2层和第3层依次为一级和二级干燥室，其中制氢室内加入一定量的水，加料池内可填充一种或者按比例填充多种粉体水解材料，并且粒度要控制在300目左右，一级和二级干燥室内放入装有不同干燥剂的容器，注意干燥剂并未填充过满，以应对其吸水时候体积膨胀，以支架辅以过滤网为载体，置于导热干燥托盘上，过滤网隔离干燥剂和气路通道。

图2是本发明外围放氢气路系统图。将图1和图2连接起来装置按附图6连接到制氢-燃料电池系统上。该系统工作时，制备出的氢气通过外部放氢管路供给燃料电池，通过调节放氢支路上集成的阀门1-2、流量控制器1-3、减压阀1-4、压力表1-5来得到燃料电池需要的氢源，燃料电池进行工作产生电能供给负载，如果需降低当前输氢速率，则要通过电控单向阀门减少投料量，并且打开时冷却水系统，关闭废热传输系统，进而通过装置内、外热传质机构给装置散热，控制制氢室内的温度，进而降低产氢速率；如果需要加快输氢速度，则通过电控单向阀门增加投料量，同时将废热收集系统和水循环系统连接，此时燃料电池产生的废热通过水循环系统进入装置内，提高制氢室内的温度，促进产氢速率。

实施例2

本实施例总体连接和实施例1相同，不同之处在于水解粉体材料含有多种不同成分，进而可以影响制氢速率和产氢量。

实施例3

本实施例总体链接和实施例1相同，不同之处在于该制氢装置增加多条放氢支路，可同时提供给多个燃料电池使用。

实施例4

本实施例总体链接和实施例1相同，不同之处在于该氢装置的一二级干燥室内的干燥剂的不同，进而可以制备不同纯度要求的氢气，适应不同型号的燃料电池工作。

实施例5

本实施例总体链接和实施例1相同，不同之处在于该氢装置的起始加入的水量的多少，进而控制反应时间和产氢量。

Claims (6)

1.集成加料池于内部的分层导热干燥构架的制氢装置，包括罐体外围放氢的气路系统（1）、顶部密封盖（2）、气体干燥室（3）、外壳（4）、置于外壳（4）里的内胆（5）、外壳（4）和内胆（5）之间的外部循环水系统（6）、加料池密封塞（7）、加料池（8）、顶部密封盖（2）上的出气阀（9）、位于外壳（4）上的气体密封圈凹槽（10）、加料池（8）和圆柱形套筒（13）之间的气体缓冲室（11）、位于圆柱形套筒（13）外侧的导热干燥托盘（12）、圆柱形套筒（13）、位于加料池（8）下端的电控单向阀门（14）、圆柱形套筒（13）上的通孔（15），其特征在于：所述的顶部密封盖（2）、加料池（8）、导热干燥托盘（12）以及圆柱形套筒（13）构成集成加料池于内部的分层导热干燥构架，顶部密封盖（2）和导热干燥托盘（12）都被焊接在圆柱形套筒（13）的外侧，加料池（8）则被焊接在圆柱形套筒（13）的内侧，该结构布置于装置内部。

2.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于：所述制氢装置的结构为密封的圆筒形式。

3.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于：所述气路系统（1）包括放氢支路，放氢支路上有压力表（1-1）、集成阀门（1-2）、减压阀（1-3）、流量控制器（1-4）和压力表（1-5）。

4.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于：所述内胆（5）分为3层，最下层为制氢室；上面两层为干燥室，放置装有干燥剂的容器。

5.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于：所述的导热干燥托盘（12），其外径大小与内胆（5）内径大小吻合，其上的通气孔（12-1）为8个。

6.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于：所述加料池（9）位于圆柱形套筒（13）内，电控单向阀门（14）位于加料池（9）的最下端端口。

Images