CN108793075B - 一种水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，目的在于解决现有制氢方式存在效率低、成本高、燃料消耗大等缺点的问题。该系统包括储水单元、高压泵、动力单元、水压稳定单元、机匣、旋流发生器、供气系统、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组、发电机组、金属颗粒供给系统、冷却管、氢气收集装置，所述旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内。本发明采用旋流冲压，有效提高了涡轮机组前的温度和速度，使效率增加；采用水与金属反应，降低了燃料成本，且对生态环境无污染；采用本发明能够实现氢气的高效、可控收集。本发明实现了常温、常压条件下水和金属颗粒可控持续反应，成本低廉，效率高，设计合理，并能适应各种工况。

Description

一种水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统

技术领域

本发明涉及能源领域，尤其是氢气制备领域，具体为一种水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统。其是一种水反应金属燃料旋流冲压氢气制备系统，其具有反应可控，无污染的优点，具有较好的发展前景。

背景技术

我国现阶段拥有的制氢方式包括如下三种：电解、热解、光解。其中，采用电解制氢气时，每立方米氢气电耗为4.5-5.5KW，消耗电量大。因此，电解制氢气主要用于工业生产中纯度要求高，用氢量不多的企业。

而热解制氢是在水系统中，不同温度下，经历一系列化学反应，将水分解成氢气和氧气，不消耗制氢过程的添加元素或化合物，整个反应过程构成一封闭循环系统。在热源问题上，热解过程需要2000度以上的温度，只有太阳能与核能才能达到所需温度。在材料问题上，金属材料几乎不能胜任，只希望于非金属材料，比如碳材料、陶瓷材料等。上述反应条件，极大的限制了热解制氢的应用。

采用光解制氢具有效率高的优点，但光催化剂价格昂贵，制氢成本高。另外，光催化剂大多仅在紫外光区稳定有效。而能在可见光区使用的光催化剂则存在如下缺点：1）催化活性低；2）几乎所有的能在可见光使用的光催化剂都存在光腐蚀现象，需使用牺牲剂进行抑制；3）能量转化效率低。上述缺陷的存在，阻碍了光解水的实际应用。

基于上述现有技术所存在的缺点，迫切需要一种新的方法/或装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有制氢方式存在效率低、成本高、燃料消耗大等缺点的问题，提供一种水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统。本发明采用旋流冲压，有效提高了涡轮机组前的温度和速度，使效率增加；采用水与金属反应，降低了燃料成本，且对生态环境无污染；采用本发明能够实现氢气的高效、可控收集。本发明实现了常温、常压条件下水和金属颗粒可控持续反应，成本低廉，效率高。本发明构思巧妙，设计合理，并能适应各种工况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，包括储水单元、高压泵、动力单元、水压稳定单元、机匣、旋流发生器、供气系统、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组、发电机组、金属颗粒供给系统、冷却管、氢气收集装置，所述旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内，所述金属颗粒供给系统与燃烧室相连且金属颗粒供给系统能向燃烧室内提供金属颗粒以满足金属颗粒与水在燃烧室内反应的需要；

所述储水单元、高压泵、水压稳定单元、设置在机匣内的旋流发生器依次相连且储水单元内的水经高压泵加压、水压稳定单元稳压后能流入机匣的旋流发生器并产生高速水流，所述动力单元与高压泵相连且动力单元能够向高压泵输出动力进而带动高压泵高速旋转；

所述旋流发生器、冲压锥体、燃烧室沿机匣轴向依次设置且经旋流发生器流出的流体与空气的混合物依次经冲压锥体作用、燃烧室反应后产生高温高速蒸汽，所述供气系统与机匣相连且供气系统提供的气体与高速水流混合后再流经冲压锥体；

所述涡轮机组与燃烧室相连且燃烧室内产生的高温高速蒸汽能带动涡轮机组转动，所述涡轮机组与发电机组同轴相连且涡轮机组能带动发电机组转动进而发电；

所述氢气收集装置通过冷却管与涡轮机组相连且涡轮机组内的混合流体经冷却管冷却后能进入氢气收集装置进行收集。

所述氢气收集装置位于机匣的末端。

还包括与氢气收集装置相连的氢气提纯装置。

所述动力单元为柴油机或汽油机或电机中的一种或多种。

所述供气系统为若干个且供气系统均布于机匣上。

所述金属颗粒供给系统为铝粉颗粒供给系统，或镁粉颗粒供给系统，或镁铝混合颗粒供给系统。

所述水压稳定单元包括蓄能器、截止阀，所述储水单元、高压泵、蓄能器、旋流发生器依次相连，所述截止阀设置在蓄能器与旋流发生器之间的管道上且通过截止阀能调节单位时间内进入燃烧室的水流量。

所述高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向不在同一直线上。

所述高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向相垂直。

针对前述问题，本发明提供一种水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统。其包括储水单元、高压泵、动力单元、水压稳定单元、机匣、旋流发生器、供气系统、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组、发电机组、金属颗粒供给系统、冷却管、氢气收集装置，旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内。本发明中，储水单元可以为水池。

其中，储水单元、高压泵、水压稳定单元、设置在机匣内的旋流发生器依次相连，储水单元内的水先经高压泵加压，经高压泵输出的高压水流入水压稳定单元，再流入旋流发生器；动力单元与高压泵相连，其用于为高压泵输出动力，进而带动高压泵高速旋转；旋流发生器、冲压锥体、燃烧室沿机匣轴向依次设置在机匣内，旋流发生器、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组依次相连；旋流发生器流出的流体，依次流经冲压锥体、燃烧室。高压水流入旋流发生器后，会产生高速的流体；高压水流入旋流发生器，流出后的部分高速水流与管壁接触产生汽化，根据空化理论，在通入空气作用下，在管壁内高速流动；供气系统与机匣相连，供气系统会提供空气，在高速水流和机匣之间形成空泡，使高速水流与管壁隔离，使得流体在空化条件下在管壁内高速流动。之后，液态水、水蒸气、空气混合后的高速流体通过冲压锥体后温度、压力上升，进入燃烧室内，部分高温、高压、高速水蒸气与燃烧室内的金属颗粒进行反应，放出大量的热，使燃烧室内金属颗粒和水充分反应，部分液态水吸收金属颗粒与水反应放出的热量，转化为水蒸气。燃烧室产生大量的高温高速蒸汽进入涡轮机组中，并带动涡轮机组转动；同时，涡轮机组与发电机组同轴相连，涡轮机组转动时带动发电机组同步运行进而发电，所产生的电能提供给系统源动力以及保证其他装置的正常工作；而涡轮机组中的混合流体在通过冷却管冷却后，由氢气收集装置进行提纯收集。

进一步，本发明中动力单元可以为柴油机或汽油机或电机中的一种或多种。

作为优选，供气系统为若干个，并均匀分布在机匣上。作为优选，金属颗粒供给系统中的金属颗粒为铝粉或镁粉。

本发明还包括水压稳定单元。进一步，水压稳定单元包括蓄能器、截止阀，储水单元、高压泵、蓄能器、旋流发生器依次相连，截止阀设置在蓄能器与旋流发生器之间的管道上。

本申请中，高压泵、蓄能器与机匣里的旋流发生器相连，经高压泵输出的水流入蓄能器，再流入旋流发生器，截止阀在蓄能器与旋流发生器之间的管道上。旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内，供气系统与机匣相连，供气系统为若干个，并均匀分布在机匣上。旋流发生器、冲压锥体、燃烧室、喷管依次设置在机匣的轴线上。金属颗粒供给系统与燃烧室相连，金属颗粒供给系统会供给燃烧室铝粉或镁粉。供气系统会提供空气，形成空泡，使高速水流与管壁隔离，使得流体在空化条件下在管壁内高速流动，进而通过冲压锥体后能够与金属颗粒发生反应，产生氢气。进一步，高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向不在同一直线上；高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向相垂直。

水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统工作时，用动力单元带动高压水泵，经高压泵输出的水流入蓄能器，通过调节截止阀调节单位时间内进入燃烧室的水流量。高压水流入旋流发生器，流出后的部分高速水流与管壁接触产生汽化；根据空化理论，在通入空气作用下，流体出现空化，使得流体在空化条件下在管壁内高速流动。高速水流和部分气体的混合流体流经冲压锥体后，压力和温度迅速上升，部分液态水产生汽化。高温的液态水和水蒸气流经冲压体后，进入燃烧室，与金属颗粒进行反应，放出大量的热；此时，水是氧化剂，金属颗粒是燃料。部分液态水吸收金属颗粒与水反应放出的热量，转化为水蒸气，促使燃烧室产生大量的高温高速蒸汽。燃烧室产生大量的高温高速蒸汽，推动涡轮机组，涡轮机组与发电机组同轴相连，涡轮机组依靠蒸汽的膨胀力带动发电机进行发电，产生的电能提供给系统源动力以及保证其他装置的正常工作。涡轮机组中的混合流体通过冷却管冷却后，由氢气收集装置进行提纯收集。

综上所述，本发明提供一种水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，其利用人工通气空化和旋流冲压，实现了常温、常压条件下水和金属颗粒可控持续反应，且效率高，成本低，适应性强，有效克服了现有技术所存在的缺陷。本发明中，氢气制备系统工作时，用动力机械带动高压水泵，高压水经过旋流发生器，将在管壁内高速流动，根据空化理论，高速运动水流与管壁固体接触表面会产生汽化，同时，将压缩空气采用一定的方式注入管壁内，以保证产生超空化的条件，这样管壁内的流体能够维持高速流动；高速水流和部分汽体的混合流体流经冲压锥体后，压力和温度迅速上升，部分液态水产生汽化；液态水和水蒸气流经冲压体后，进入燃烧室，与固体金属颗粒进行反应，此时水是氧化剂，固体金属颗粒是燃料，燃烧室产生大量的高温高速蒸汽。蒸汽推动涡轮机组，涡轮机组依靠蒸汽的膨胀力带动发电机进行发电。而涡轮机组内的混合流体通过冷却管冷却后，由氢气收集装置进行提纯收集。本发明设计合理，具有很好的应用前景。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1）本发明制得的氢气纯度高，仅含少量水蒸气，不含对燃料电池有害的其他杂质，因此，不需纯化过程，可直接为使用质子交换膜燃料电池的各种军用﹑医用和民用等便携式应急电源提供移动氢源；

2）现有研究表明，燃烧室里可以用镁、铝等固体金属颗粒，与水反应产生大量的热，而且燃料价格低，化学稳定性和存储运输的安全性有可靠的保障；

3）本发明产生的电能可提供源动力以及保证各装置的正常运行，减少了能源的浪费；

4）本发明不受催化剂、应用环境等的影响，且不具腐蚀性，不会对反应设备造成影响，具有生产成本低，使用寿命长，易于维护等优点；

5）本发明利用旋流冲压，提高了燃烧室内的化学反应速率和制氢效率，克服了现有可控制氢气制备的缺点，本发明设计合理，具有很好的应用前景。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为实施例1中水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统的整体结构示意图。

图2为实施例1中水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统的工作过程示意图。

图中标记：1为储水单元，2为高压泵，3为动力单元，4为蓄能器，5为截止阀，6为机匣，7为旋流发生器，8为供气系统，9为冲压锥体，10为燃烧室，11为涡轮机组，12为发电机组，13为金属颗粒供给系统，14为冷却管，15为氢气收集装置。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图所示，本实施例的水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统包括储水容器、高压泵、动力单元、机匣、旋流发生器、供气系统、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组、发电机组、冷却管、氢气收集装置、金属颗粒供给系统，旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内。本实施例中，储水容器采用水池，或进水口，进水管。动力单元采用柴油机。

储水容器、高压泵、水压稳定单元、旋流发生器依次相连，储水容器内的水经高压泵加压后能流入机匣的旋流发生器，并产生高速水流。动力单元与高压泵相连，动力单元能够向高压泵输出动力进而带动高压泵高速旋转。旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣的轴线上，经旋流发生器流出的流体与空气的混合物依次经冲压锥体作用、燃烧室反应后产生高温高速蒸汽。供气系统与机匣相连，供气系统提供的气体与高速水流混合后再流经冲压锥体，其也是发生空化的必要条件。

同时，涡轮机组与燃烧室相连，燃烧室内产生的高温高速蒸汽带动涡轮机组转动；涡轮机组与发电机组同轴相连且相匹配，涡轮机组带动发电机组转动，进而发电。而涡轮机组内的混合流体通过冷却管冷却后，由氢气收集装置进行提纯收集。

进一步，本实施例中，供气系统为若干个且供气系统均布于机匣上。进一步，本实施例还包括金属颗粒供给系统，金属颗粒供给系统与燃烧室相连，金属颗粒供给系统主要用于向燃烧室内提供金属颗粒，以满足金属颗粒与水在燃烧室内反应的需要。本实施例中，金属颗粒供给系统可以为铝粉颗粒供给系统，或镁粉颗粒供给系统，或镁铝混合颗粒供给系统。

本实施例的水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统工作时，用动力机械带动高压泵，高压水经过旋流发生器，将在管壁内高速流动，高速运动水流与管壁固体接触表面会产生汽化；同时，根据空化理论，将压缩空气采用一定的方式注入管壁内，以保证产生超空化的条件，这样管壁内的流体能够维持高速流动；高速水流和部分汽体的混合流体流经冲压锥体后，压力和温度迅速上升，部分液态水产生汽化；液态水和水蒸气流经冲压锥体后，进入燃烧室，并与固体金属颗粒进行反应，此时，水是氧化剂，固体金属颗粒是燃料，燃烧室产生大量的高温高速蒸汽。高温高速蒸汽推动涡轮机组，涡轮机组依靠蒸汽的膨胀力带动发电机组进行发电，产生的电能提供给系统源动力以及保证其他装置的正常工作。然后，涡轮机组中的混合流体再通过冷却管进行冷却后，由氢气收集装置进行提纯收集。

该结构中，不需要采用光催化剂，反应效率高，成本低，运行稳定可靠，受外界环境干扰小，适应性强，能够制备出纯度较高的氢气，进而满足氢气电池等的需要。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，其特征在于，包括储水单元、高压泵、动力单元、水压稳定单元、机匣、旋流发生器、供气系统、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组、发电机组、金属颗粒供给系统、冷却管、氢气收集装置，所述旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内，所述金属颗粒供给系统与燃烧室相连且金属颗粒供给系统能向燃烧室内提供金属颗粒以满足金属颗粒与水在燃烧室内反应的需要；

所述储水单元、高压泵、水压稳定单元、设置在机匣内的旋流发生器依次相连且储水单元内的水经高压泵加压、水压稳定单元稳压后能流入机匣的旋流发生器并产生高速水流，所述动力单元与高压泵相连且动力单元能够向高压泵输出动力进而带动高压泵高速旋转；

所述旋流发生器、冲压锥体、燃烧室沿机匣轴向依次设置且经旋流发生器流出的流体与空气的混合物依次经冲压锥体作用、燃烧室反应后产生高温高速蒸汽，所述供气系统与机匣相连且供气系统提供的气体与高速水流混合后再流经冲压锥体；

所述涡轮机组与燃烧室相连且燃烧室内产生的高温高速蒸汽能带动涡轮机组转动，所述涡轮机组与发电机组同轴相连且涡轮机组能带动发电机组转动进而发电；

所述氢气收集装置通过冷却管与涡轮机组相连且涡轮机组内的混合流体经冷却管冷却后能进入氢气收集装置进行收集。

2.根据权利要求1所述水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，其特征在于，所述氢气收集装置位于机匣的末端。

3.根据权利要求1所述水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，其特征在于，还包括与氢气收集装置相连的氢气提纯装置。

4.根据权利要求1所述水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，其特征在于，所述供气系统为若干个且供气系统均布于机匣上。

5.根据权利要求1~4任一项所述水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，其特征在于，所述金属颗粒供给系统为铝粉颗粒供给系统，或镁粉颗粒供给系统，或镁铝混合颗粒供给系统。

6.根据权利要求1~4任一项所述水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，其特征在于，所述水压稳定单元包括蓄能器、截止阀，所述储水单元、高压泵、蓄能器、旋流发生器依次相连，所述截止阀设置在蓄能器与旋流发生器之间的管道上且通过截止阀能调节单位时间内进入燃烧室的水流量。

7.根据权利要求1所述水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，其特征在于，所述高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向不在同一直线上。

8.根据权利要求7所述水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，其特征在于，所述高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向相垂直。

9.根据权利要求5所述水反应金属燃料旋流冲压可控氢气制备系统，其特征在于，所述水压稳定单元包括蓄能器、截止阀，所述储水单元、高压泵、蓄能器、旋流发生器依次相连，所述截止阀设置在蓄能器与旋流发生器之间的管道上且通过截止阀能调节单位时间内进入燃烧室的水流量。

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