CN108059127A - 一种水解制氢铝合金反应供氢装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水解制氢铝合金反应供氢装置及其使用方法，装置包括壳体，壳体内部由隔板分隔为供水容器、过滤干燥容器和至少两个反应容器，壳体上开设有与反应容器连通的换料口，换料口与盖板可拆卸连接，反应容器用于放置水解制氢铝合金，供水容器内部设有供水单元，供水单元通过供水管分别与反应容器连通，反应容器的顶部通过氢气输出管与过滤干燥容器连通，过滤干燥容器用于盛装干燥过滤液，氢气输出管的末端位于液面以下，壳体上设有与过滤干燥容器连通的氢气输出口。使用方法为供水单元依次给反应容器供水。本发明可以实现随时随地制氢，实时用氢。

Description

一种水解制氢铝合金反应供氢装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及制氢设备技术领域，特别是涉及一种水解制氢铝合金反应供氢装置及其使用方法。

背景技术

历史上，人类社会的每一次进步都和能源的发展息息相关。钻木取火标志着第一次能源革命的开始。瓦特发明的蒸汽机把人类带入了工业社会，是第二次能源革命的标志。以核反应堆的发明为标志的第三次能源革命方兴未艾，遍及全世界各国。

现阶段，世界各国的能源构成仍以煤、石油、天然气等化石燃料为主体。长久以来，化石燃料的有效利用给人类的生产生活带来了极大的便利。但由于其不可再生以及使用过程中会释放出大量温室气体和有毒气体，使人类正面临着一场严重的能源危机和环境危机。面对如此严峻的形式，寻找一些清洁、无污染的新能源代替传统化石能源已经迫在眉睫。

近年来，以太阳能、风能、地热能、潮汐能、氢能为代表的新能源逐渐受到各国政府和学术界的关注。氢是已知元素中最小最轻的元素，同时也是宇宙中最丰富的元素。氢气燃烧生成水，生成物不仅无污染而且还可以释放出巨大的能量。

然而，氢能在应用过程中受到了制氢、储氢和运氢等三方面技术的限制。位化解上述问题，实现氢能的有效安全使用的途径之一就是实现实时制氢和用氢。即采用廉价可控的方式随时随地制氢，实时用氢，避免其在存储和运输过程中的难题。氢能用途广泛，其中质子交换膜燃料电池就是其中重要的应用之一。为此，我们根据质子交换膜燃料电池的特点，开发出了一种可随制随用的供氢装置，以为不同特点的质子交换膜燃料电池供氢。

发明内容

本发明的目的是提供一种水解制氢铝合金反应供氢装置及其使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，使其可以实现随时随地制氢，实时用氢。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种水解制氢铝合金反应供氢装置，包括壳体，所述壳体内部由隔板分隔为供水容器、过滤干燥容器和至少两个反应容器，所述壳体上开设有与所述反应容器连通的换料口，所述换料口与盖板可拆卸连接，所述反应容器用于放置水解制氢铝合金，所述供水容器内部设有供水单元，所述供水单元通过供水管分别与所述反应容器连通，所述供水单元能够依次给所述反应容器供水，所述反应容器的顶部通过氢气输出管与所述过滤干燥容器连通，所述过滤干燥容器用于盛装干燥过滤液，所述氢气输出管的末端位于液面以下，所述壳体上设有与所述过滤干燥容器连通的氢气输出口。

优选地，所述水解制氢铝合金通过透水透气的无纺布袋包裹起来后再放入所述反应容器中。

优选地，所述供水单元包括供水控制系统和与所述反应容器数量相等的水泵，所述水泵与所述反应容器一一对应，所述供水控制系统和所述水泵电连接，或，所述供水单元包括供水控制系统、水泵和与所述反应容器数量相等的电磁阀，所述电磁阀分别设置在一所述供水管上，所述电磁阀均与所述水泵连通，所述水泵和所述电磁阀均与所述供水控制系统电连接。

优选地，所述过滤干燥容器顶端的内壁上设有压力传感器，所述压力传感器与所述供水控制系统电连接。

优选地，所述氢气输出管上设有仅能够从所述反应容器向所述过滤干燥容器开启的单向阀。

优选地，所述氢气输出口连接有调压阀，所述壳体上设有与所述过滤干燥容器连通的安全阀和压力表。

优选地，所述调压阀连通有氢燃料电池。

优选地，所述氢燃料电池为质子交换膜燃料电池。

优选地，所述反应容器至少为三个，所述反应容器在所述壳体内围绕所述供水容器均匀布置。

本发明还提供了一种水解制氢铝合金反应供氢装置的使用方法，根据氢燃料电池的供氢流量和使用时间，将一定质量的水解制氢铝合金均分为与反应容器数相等的质量份分别装入无纺布袋中，然后将无纺布袋通过换料口放入到各个反应容器中后安装好盖板；

开启供水控制系统，压力传感器将过滤干燥容器中的实时压力传输给供水控制系统，供水控制系统需根据氢燃料电池的供氢压力和安全阀的开启压力预设一参比压力，且供氢压力≤参比压力＜开启压力；

供水控制系统将实施压力与参比压力进行比较，若实时压力＜参比压力，供水控制系统则为反应容器中的一个供水；若实时压力≥参比压力，供水控制系统则停止为当前反应容器供水；

根据燃料电池的供氢流量、使用时间和每个反应容器中水解制氢铝合金的质量计算获得每个反应容器的最大供水量；

根据氢燃料电池的使用要求，设供氢流量为Q，使用时间为t，使用过程中需要的氢气体积V：

V＝Qt

标况下，氢气的物质的量n：

根据氢气质量计算反应所需的水解制氢铝合金的质量：

根据化学计量数之比，产生n mol的氢气，需要2/3 n mol纯Al，换算成质量后，即得所需纯Al的质量为18n。设水解制氢铝合金中Al的质量百分比为ω％。则需要水解制氢铝合金的总质量为将质量为的水解制氢铝合金分别放入到a个反应容器中，则单个反应容器水解制氢铝合金质量为根据化学反应方程式计算单个反应容器的最大供水量：

由于反应是放热反应，反应过程中部分水会蒸发并随氢气进入到过滤干燥容器中，因此，最大供水量根据试验实测值取

若当前反应容器的供水量达到最大供水量时，则停止为当前反应容器供水，且需根据实时压力来控制是否为下一反应容器供水，若实时压力＜参比压力，则立即为下一反应容器供水，若实时压力≥参比压力，则暂不为下一反应容器供水，待到实时压力＜参比压力时，再为下一反应容器供水；

如此依次为所有反应容器供水，直到所有反应容器的供水量均达到最大供水量为止，及时回收无纺布袋中的反应产物；

反应容器中的水解制氢铝合金遇水反应生成氢气，氢气通过氢气输出管输送进入过滤干燥容器中，并经干燥过滤液去除掉杂质和水蒸气，净化后的氢气经氢气输出口和调压阀进入氢燃料电池中并发电，以供后续的负载设备使用。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过设置多个反应容器，使水解制氢铝合金可逐步分批次水解，克服了较多的水解制氢铝合金与水反应难于控制的技术问题。

本发明的供氢装置结构简单，均是集成在壳体中，体积小巧便于携带运输。且反应过程安全可控，通过控制供水的速度和时间就可调节氢气的产率，可以实现即时制氢并为氢燃料电池供氢，省去了储氢和运氢的环节。配备的调压阀可根据不同的氢燃料电池的使用要求而设定不同的氢气输出压力，增加了本发明的使用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明水解制氢铝合金反应供氢装置的俯视结构示意图；

图2为图1中A-A的剖面结构示意图；

其中：1-壳体，2-供水容器，3-过滤干燥容器，4-反应容器，5-盖板，6-供水管，7-氢气输出管，8-压力传感器，9-调压阀，10-安全阀，11-压力表。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种水解制氢铝合金反应供氢装置及其使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，使其可以实现随时随地制氢，实时用氢。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-2所示：本实施例提供了一种水解制氢铝合金反应供氢装置，包括壳体1，壳体1优选为长方体形，长宽均为20～40cm，高为10～30cm，壳体1内部由隔板分隔为供水容器2、过滤干燥容器3和至少两个反应容器4，反应容器4需在壳体1内围绕供水容器2均匀布置。反应容器4优选为四个，分别设置在壳体1的一个角，供水容器2设置在中部。反应容器4和供水容器2需比壳体1略低，以便于走管，且有助于增加过滤干燥容器3的储氢量。壳体1上开设有与反应容器4连通的换料口，换料口与盖板5可拆卸密封连接，换料口与盖板5也可采用便于开启且能够密封的门结构形式。反应容器4内部用于放置水解制氢铝合金，水解制氢铝合金优选通过透水透气的无纺布袋包裹起来后再放入反应容器4中，以便于反应产物的回收。

供水容器2内部设有供水单元，供水单元通过供水管6分别与反应容器4连通，供水管6优选为Ф8的橡胶管，供水单元能够实现依次给反应容器4供水的功能。具体地，供水单元可以包括供水控制系统和与反应容器4数量相等的水泵，水泵与反应容器4一一对应，供水控制系统和水泵电连接，供水控制系统可通过控制水泵的启闭以实现依次给反应容器4供水。供水单元也可为包括供水控制系统、水泵和与反应容器4数量相等的电磁阀，电磁阀分别设置在一供水管6上，电磁阀均与水泵连通，水泵和电磁阀均与供水控制系统电连接。供水控制系统可通过控制电磁阀的通断以控制水泵依次给反应容器4供水。

反应容器4的顶部通过氢气输出管7与过滤干燥容器3连通，氢气输出管7优选为Ф14的橡胶管，氢气输出管7上设有仅能够从反应容器4向过滤干燥容器3开启的单向阀，以防止水和氢气倒流。

过滤干燥容器3顶端的内壁上设有压力传感器8，压力传感器8与供水控制系统电连接，压力传感器8用于检测过滤干燥容器3的实时压力。过滤干燥容器3用于盛装干燥过滤液，干燥过滤液优选为纯净水，氢气输出管7的末端位于液面以下，液面高度优选不低于过滤干燥容器3整体高度的一半，以便于消除反应产生的杂质和水蒸气，且由于制氢反应是放热反应，过滤干燥容器3中的水对反应容器4还可以进行冷却。

壳体1上设有与过滤干燥容器3连通的氢气输出口，壳体1上还可设有与过滤干燥容器3连通的安全阀10和压力表11，安全阀10的开启压力需大于调压阀9的供氢压力，优选为1.5～2倍，当过滤干燥容器3中的压力超过安全阀10的开启压力后，安全阀自动开启泄压，以保证供氢装置安全。通过压力表11可以观测到过滤干燥容器3中的实时压力。其中，氢气输出口连接有调压阀9，调压阀9用于连通氢燃料电池，调压阀9与氢燃料电池之间优选用直径为Ф6的橡胶管连通。通过调整调压阀9的输出压力，可使本实施例的供氢装置适配不同规格的氢燃料电池。氢燃料电池优选为质子交换膜燃料电池。

本实施例还提供了一种水解制氢铝合金反应供氢装置的使用方法，具体为：根据氢燃料电池的供氢流量和使用时间，将一定质量的水解制氢铝合金均分为与反应容器4数相等的质量份分别装入无纺布袋中，然后将无纺布袋通过换料口放入到各个反应容器4中后安装好盖板5；

开启供水控制系统，压力传感器8将过滤干燥容器3中的实时压力传输给供水控制系统，供水控制系统需根据氢燃料电池的供氢压力和安全阀10的开启压力预设一参比压力，且供氢压力≤参比压力＜开启压力；参比压力优选为供氢压力的1～1.3倍，安全阀10的开启压力优选为供氢压力的1.5～2倍。

供水控制系统将实时压力与参比压力进行比较，若实时压力＜参比压力，供水控制系统则为反应容器4中的一个供水；若实时压力≥参比压力，供水控制系统则停止为当前反应容器4供水；

根据燃料电池的供氢流量、使用时间和每个反应容器4中水解制氢铝合金的质量计算获得每个反应容器4的最大供水量；最大供水量同样需预设到供水控制系统中；

若当前反应容器4的供水量达到最大供水量时，则停止为当前反应容器4供水，且需根据实时压力来控制是否为下一反应容器4供水，若实时压力＜参比压力，则立即为下一反应容器4供水，若实时压力≥参比压力，则暂不为下一反应容器4供水，待到实时压力＜参比压力时，再为下一反应容器4供水；

如此依次为所有反应容器4供水，直到所有反应容器4的供水量均达到最大供水量为止，及时回收无纺布袋中的反应产物；若需继续为氢燃料电池供电，需更换新的水解制氢铝合金；

反应容器4中的水解制氢铝合金遇水反应生成氢气，氢气通过氢气输出管7输送进入过滤干燥容器3中，并经干燥过滤液去除掉杂质和水蒸气，净化后的氢气经氢气输出口和调压阀9进入氢燃料电池中并发电，以供后续的负载设备使用。

其中，根据氢燃料电池的使用要求，设供氢流量为Q，使用时间为t，使用过程中需要的氢气体积V：

V＝Qt

标况下，氢气的物质的量n：

根据氢气质量计算反应所需的水解制氢铝合金的质量：

根据化学计量数之比，产生n mol的氢气，需要2/3n mol纯Al，换算成质量后，即得所需纯Al的质量为18n。设水解制氢铝合金中Al的质量百分比为ω％。则需要水解制氢铝合金的总质量为将质量为的水解制氢铝合金分别放入到a个反应容器中，则单个反应容器水解制氢铝合金质量为根据化学反应方程式计算单个反应容器的最大供水量：

由于反应是放热反应，反应过程中部分水会蒸发并随氢气进入到过滤干燥容器中，因此，最大供水量根据试验实测值取

本实施例通过设置多个反应容器4，使水解制氢铝合金可逐步分批次水解，克服了较多的水解制氢铝合金与水反应难于控制的技术问题。

本实施例的供氢装置结构简单，均是集成在壳体1中，体积小巧便于携带运输。且反应过程安全可控，通过控制供水的速度和时间就可调节氢气的产率，可以实现即时制氢并为氢燃料电池供氢，省去了储氢和运氢的环节。配备的调压阀9可根据不同功率的氢燃料电池的使用要求而设定不同的氢气输出压力，增加了本实施例的使用范围。

可以理解的是：本发明的水解制氢铝合金反应供氢装置不仅适用于氢燃料电池，也同样适用于其他用氢设备，具体给何种用氢设备供氢不应理解为对本发明的限制。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种水解制氢铝合金反应供氢装置，其特征在于：包括壳体，所述壳体内部由隔板分隔为供水容器、过滤干燥容器和至少两个反应容器，所述壳体上开设有与所述反应容器连通的换料口，所述换料口与盖板可拆卸连接，所述反应容器用于放置水解制氢铝合金，所述供水容器内部设有供水单元，所述供水单元通过供水管分别与所述反应容器连通，所述供水单元能够依次给所述反应容器供水，所述反应容器的顶部通过氢气输出管与所述过滤干燥容器连通，所述过滤干燥容器用于盛装干燥过滤液，所述氢气输出管的末端位于液面以下，所述壳体上设有与所述过滤干燥容器连通的氢气输出口。

2.根据权利要求1所述的水解制氢铝合金反应供氢装置，其特征在于：所述水解制氢铝合金通过透水透气的无纺布袋包裹起来后再放入所述反应容器中。

3.根据权利要求1所述的水解制氢铝合金反应供氢装置，其特征在于：所述供水单元包括供水控制系统和与所述反应容器数量相等的水泵，所述水泵与所述反应容器一一对应，所述供水控制系统和所述水泵电连接，或，所述供水单元包括供水控制系统、水泵和与所述反应容器数量相等的电磁阀，所述电磁阀分别设置在一所述供水管上，所述电磁阀均与所述水泵连通，所述水泵和所述电磁阀均与所述供水控制系统电连接。

4.根据权利要求3所述的水解制氢铝合金反应供氢装置，其特征在于：所述过滤干燥容器顶端的内壁上设有压力传感器，所述压力传感器与所述供水控制系统电连接。

5.根据权利要求1所述的水解制氢铝合金反应供氢装置，其特征在于：所述氢气输出管上设有仅能够从所述反应容器向所述过滤干燥容器开启的单向阀。

6.根据权利要求1所述的水解制氢铝合金反应供氢装置，其特征在于：所述氢气输出口连接有调压阀，所述壳体上设有与所述过滤干燥容器连通的安全阀和压力表。

7.根据权利要求6所述的水解制氢铝合金反应供氢装置，其特征在于：所述调压阀连通有氢燃料电池。

8.根据权利要求7所述的水解制氢铝合金反应供氢装置，其特征在于：所述氢燃料电池为质子交换膜燃料电池。

9.根据权利要求1所述的水解制氢铝合金反应供氢装置，其特征在于：所述反应容器至少为三个，所述反应容器在所述壳体内围绕所述供水容器均匀布置。

10.一种水解制氢铝合金反应供氢装置的使用方法，其特征在于：根据氢燃料电池的供氢流量和使用时间，将一定质量的水解制氢铝合金均分为与反应容器数相等的质量份分别装入无纺布袋中，然后将无纺布袋通过换料口放入到各个反应容器中后安装好盖板；

开启供水控制系统，压力传感器将过滤干燥容器中的实时压力传输给供水控制系统，供水控制系统需根据氢燃料电池的供氢压力和安全阀的开启压力预设一参比压力，且供氢压力≤参比压力＜开启压力；

供水控制系统将实时压力与参比压力进行比较，若实时压力＜参比压力，供水控制系统则为反应容器中的一个供水；若实时压力≥参比压力，供水控制系统则停止为当前反应容器供水；

根据氢燃料电池的供氢流量、使用时间和每个反应容器中水解制氢铝合金的质量计算获得每个反应容器的最大供水量；

根据氢燃料电池的使用要求，设供氢流量为Q，使用时间为t，使用过程中需要的氢气体积V：

V＝Qt

标况下，氢气的物质的量n：

<mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>V</mi> <mn>22.4</mn> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>Q</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mn>22.4</mn> </mfrac> <mi>m</mi> <mi>o</mi> <mi>l</mi> </mrow>

根据氢气质量计算反应所需的水解制氢铝合金的质量：

根据化学计量数之比，产生n mol的氢气，需要2/3n mol纯Al，换算成质量后，即得所需纯Al的质量为18n。设水解制氢铝合金中Al的质量百分比为ω％。则需要水解制氢铝合金的总质量为将质量为的水解制氢铝合金分别放入到a个反应容器中，则单个反应容器水解制氢铝合金质量为根据化学反应方程式计算单个反应容器的最大供水量：

<mrow> <mfrac> <mrow> <mn>18</mn> <mi>n</mi> </mrow> <mi>a</mi> </mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mrow> <msub> <mi>H</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>O</mi> </mrow> </msub> </mrow>

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由于反应是放热反应，反应过程中部分水会蒸发并随氢气进入到过滤干燥容器中，因此，最大供水量根据试验实测值取

若当前反应容器的供水量达到最大供水量时，则停止为当前反应容器供水，且需根据实时压力来控制是否为下一反应容器供水，若实时压力＜参比压力，则立即为下一反应容器供水，若实时压力≥参比压力，则暂不为下一反应容器供水，待到实时压力＜参比压力时，再为下一反应容器供水；

如此依次为所有反应容器供水，直到所有反应容器的供水量均达到最大供水量为止，及时回收无纺布袋中的反应产物；

反应容器中的水解制氢铝合金遇水反应生成氢气，氢气通过氢气输出管输送进入过滤干燥容器中，并经干燥过滤液去除掉杂质和水蒸气，净化后的氢气经氢气输出口和调压阀进入氢燃料电池中并发电，以供后续的负载设备使用。