CN109980254A - 稳压制氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳压制氢装置，包括连通器，所述连通器具有两个底部相互连通的腔体，其中一个腔体为制氢腔体，另外一个腔体为压力腔体，所述连通器内部装填制氢反应的反应溶液；所述制氢腔体的顶部开口通过带出气孔的密封盖封闭，所述制氢腔体内部设有承装制氢反应金属的载料网，所述出气孔通过导气管连接至氢燃料电池系统，并在导气管上设置有压力控制阀门；所述压力腔体的顶部开口通过沿压力腔体滑动的活塞封闭，所述活塞与施压机构连接，将压力腔体内的反应溶液推向制氢腔体。本发具有结构简单、反应速度可自控、氢气输出稳定、环境友好、能效高、安全性好、造价低等显著优点，能够持续稳定地向氢燃料电池供给氢气。

Description

稳压制氢装置

技术领域

本发明属新能源技术领域，特别涉及一种利用活性金属制取氢气的稳压制氢装置。

背景技术

当今世界能源短缺与环境污染是经济发展和社会进步面临的难题，高效、无污染的氢燃料电池的研发越来越受到各国政府和研究者的重视，氢燃料电池以氢气作为燃料，利用活性金属与水溶液反应制取氢气具有气体纯度高、产氢速度快、产氢量易于控制、产物无污染、产物可回收利用和成本低等优点，非常适于燃料电池用氢气的制取。申请号为201110049658的发明专利申请开发了一种便携式安全可控的水解制氢装置，申请号为200710072342的发明专利申请公开了一种小型的质子膜燃料电池用氢气制备装置，但以上制氢装置各有缺点与不足，或带有大量的传感器、泵体、电路等附件，系统结构复杂，或需要附带储氢罐导致安全隐患大，此外还存在制造成本高、制造困难的问题。

另外，申请号为2014104678678的中国专利申请还公开了一种基于铝合金与水反应的可控制氢装置，该装置通过将合金和水在密封的反应仓内进行制氢反应，利用反应仓内氢气产生的压力以及中间水仓来控制氢气发生反应中水和合金接触，用以调节产氢速率。这种制氢方式不需要配备氢气存储罐，能够自动调节制氢的速率，但是在实际使用过程中，反应仓与中间水仓直接连通，反应仓内的液位过于敏感，很容易受到制氢过程的压力波动，反过来进一步导致氢气的产生也会断断续续，即使在导气管上设置减压阀也会存在输出的氢气压力不够稳定的情况。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的制氢装置存在的氢气输出不稳定的问题提供一种稳压制氢装置。

本发明采用如下技术方案实现：

稳压制氢装置，包括连通器1，所述连通器1具有两个底部相互连通的腔体，其中一个腔体为制氢腔体，另外一个腔体为压力腔体，所述连通器1内部装填制氢反应的反应溶液；

所述制氢腔体的顶部开口通过带出气孔8的密封盖6封闭，所述制氢腔体内部设有承装制氢反应金属的载料网5，所述出气孔8通过导气管9连接至氢燃料电池系统，并在导气管9上设置有压力控制阀门11；

所述压力腔体的顶部开口通过沿压力腔体滑动的活塞2封闭，所述活塞2与施压机构连接，将压力腔体内的反应溶液推向制氢腔体。

作为本发明的一种优选方案，所述施压机构采用主动施压机构，包括加压器以及压力传感器，所述活塞的外端通过压力杆连接至加压器的压力端，所述加压器与活塞连接的压力传感器反馈连接。

作为本发明的又一种优选方案，所述施压机构采用被动施压机构，包括活塞的外端固定设置的压缩弹簧或者置于活塞外端的重物。

进一步的，所述连通器1的压力腔体与制氢腔体的截面积之比为1/10到1/2，根据静压传递原理，设计压力腔体和制氢腔体横截面积保持在该比例范围，可确保在压力腔体只需要施加较小压力给活塞的情况下，既能快速抬升制氢腔体液面又能保持连通器整体受压较小，保障安全性能。

进一步的，所述压力控制阀门11包括串联的单向阀和减压阀。

进一步的，所述连通器1的底部设置有废液阀门15，所述废液阀门15通过排液管14连接至废液回收系统13。

进一步的，所述载料网5在制氢腔体内部的固定高度位于制氢腔体总高度的1/2到3/4处，所述载料网5上布置直径为0.01-5mm的网孔。

进一步的，所述制氢反应金属为铝基、钙基、镁基合金及其改性复合材料，状态为粉末状、块状、颗粒状、碎屑状或片状中的一种或多种。

进一步的，所述导气管9上还设有氢气干燥器10，所述氢气干燥器10使用碱石灰、硅胶、无水氯化钙或分子筛作为干燥剂。

进一步的，所述密封盖6通过螺纹或卡扣与制氢腔体的顶部连接，所述密封盖6上设置有密封圈。

使用本发明的稳压制氢装置，打开密封盖倒入适量中性或碱性水溶液到连通器内部，保证此时液面不没过制氢腔体内的载料网，再放入加工处理过后的活性金属材料作为制氢反应物，以密封盖密封制氢腔体。打开压力控制阀门，然后通过施压机构往活塞施加压力，将连通器压力腔体内的反应溶液向制氢腔体内挤压，制氢腔体内液面上升至高于载料网时，载料网上的制氢反应物与水溶液接触并发生制氢反应，不断产生氢气使得制氢腔体内的压力逐渐增大，通过设定好的减压阀可以将氢气输出气压控制在一定范围内，实现氢气的稳定输出。当氢气产量超过燃料电池系统消耗所需时，制氢腔体内氢气增多，气压增大，当内部的压力超过施压机构推动水溶液的作用后，制氢腔体内的水溶液将会反过来推向压力腔体，使得压力腔体内部的活塞上升，将制氢腔体内部的液面逐渐下降至低于载料网，此时制氢反应中段，制氢腔体内气压停止增加。当制氢腔体内部的氢气再次被消耗后，其内部压力随之下降，压力腔体内部的施压机构再次将水溶液从压力腔体内推向制氢腔体，制氢腔体内部液面再次高于载料网时，制氢反应重新开始，可保证产氢速率在一定范围内输出，并且连通器内部的制氢过程由于施压机构的压力更加平稳，水溶液在连通器内部不至于发生较大波动。

综上所述，本发明的稳压制氢装置具有结构简单、反应速度可自控、氢气输出稳定、环境友好、能效高、安全性好、造价低等显著优点，能够持续稳定地向氢燃料电池供给氢气，特别适合于小型燃料电池的氢燃料供给。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的稳压制氢装置的结构示意图。

图中标号：1-连通器，2-活塞，3-压力杆，4-加压器，5-载料网，6-密封盖，7-反应金属，8-出气孔，9-导气管，10-氢气干燥器，11-压力控制阀门，12-氢燃料电池系统，13-废液回收系统，14-排液管，15-废液阀门，16-反应溶液。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的稳压制氢装置为本发明的优选实施方案，具体包括连通器1、活塞2、压力杆3、加压器4、载料网5、密封盖6、导气管9、氢气干燥器10、压力控制阀门11、废液回收系统13、排液管14和废液阀门15等部件。

其中连通器1为整个制氢装置的主体反应结构，为一个整体的U型槽连通器，包括左右两个槽体，槽体底部之间连通，连通器1右边槽体的内部腔体为制氢腔体，左边槽体的内部腔体为压力腔体，在连通器1内部填装制氢反应的反应溶液16，根据U型连通器的原理，两个槽体在不受外力的情况下保持平齐的液面。

在右边槽体的制氢腔体内部固定设置有载料网5，将制氢反应金属7放置在载料网5上，通过控制右边槽体内的反应溶液16液面变化，将反应溶液16透过载料网5与反应金属7接触实现制氢反应。右边槽体的制氢腔体顶部开口通过密封盖6封闭，密封盖6上设置有出气孔8，出气孔8通过导气管9连接至氢燃料电池系统12，氢燃料电池系统12消耗本实施例中制氢装置产生的氢气。

本实施例中的连通器1内部可以实现稳压控制，其采用的技术手段包括在导气管9上设置压力控制阀门11，压力控制阀门11采用串联的单向阀和减压阀，其中单向阀控制氢气从制氢装置通过导气管进入氢燃料电池系统12的单向流通，减压阀可以控制氢气的输出气压，保证氢气以稳定的压力输出到氢燃料电池系统12，根据燃料电池功率需要设定气流大小。由于制氢反应过程中产生的氢气并不是均匀匀速的，因此氢气产生的速率与消耗的速率不成线性关系，为了稳定连通器内部的压力，防止因为连通器内部压力的波动导致反应溶液发生过大波动，本实施例在连通器1左边槽体的压力腔体顶部开口通过活塞2封闭，活塞2与左边槽体的截面相同，活塞2的材质为丁腈橡胶、聚四氟乙烯或硅胶中的一种，保证活塞边缘与槽体紧密接触，反应水溶液不溢出，还可通过密封圈等密封装置滑动密封装配在左边槽体内，并且将活塞2的外侧与施压机构连接，产生类似注射器的作用，利用施压机构将压力腔体内的反应溶液推向制氢腔体，利用施压机构的压力和制氢反应过程中产生的氢气气压平衡，稳定反应溶液在连通器1内部的移动过程

在实际应用中，连通器1的两边槽体横截面可选择圆形或方形，优选将连通器1将右边槽体的制氢腔体横截面设置大于左边槽体的压力腔体横截面，具体得，压力腔体的横截面积为制氢腔体的横截面积的1/10到1/2，根据静压传递原理，设计压力腔体和制氢腔体横截面积保持在该比例范围，可确保在压力腔体只需要施加较小压力给活塞的情况下，既能快速抬升制氢腔体液面又能保持连通器整体受压较小，保障整个装置的安全性能。

在本实施例中，施压机构为主动施压机构，包括加压器4和压力杆3以及连接在活塞2上的压力传感器，活塞2的外端通过压力杆3连接到加压器4的压力端，加压器4采用液压加压设备或者气压加压设备，加压设备产生的压力通过压力杆3向活塞2施加恒定的外部下压力，在活塞2与压力杆3之间设置压力传感器，加压器4向活塞2下压的时候，活塞2只受到加压器的施压压力和内侧反应溶液的压力，当制氢腔体内部的制氢反应开始后，内部产生的氢气压力会加大反应溶液对活塞2内的压力，此时活塞2反馈到压力杆3之间的压力信号会增大，当制氢腔体内部的氢气压力增大到一定程度后，压力传感器检测到的压力信号反馈到加压器4的控制单元，控制加压器4逐步泄压，使得连通器内部反应溶液的压力作用下推动活塞2缓慢上移。在实际应用中，还可以采用压缩弹簧作为被动施压机构，将上部固定的弹簧压缩后压紧在活塞2上，利用弹簧的压缩弹力对活塞2施加下压力，制氢腔体内部的制氢反应产生的氢气压力超过该弹簧的压缩弹力后，推动活塞2向上进一步压缩弹簧，或者直接在活塞2上放置一定重量的砝码作为施压重物，对活塞2提供一定的预压力。

密封盖6通过螺纹或卡扣等可拆卸的连接结构与右边槽体的制氢腔体顶部连接，在反应溶液或者反应金属消耗完毕后，通过打开密封盖6向连通器内进行添加，密封盖6和槽体连接处应当设置有密封圈，以保证连接处的密封可靠性，防止氢气泄漏。

载料网5的材质为聚四氟乙烯或不锈钢，具有强耐腐蚀性能，其在制氢腔体内部的固定高度位于制氢腔体总高度的1/2到3/4处，载料网5上布置直径为0.01-5mm的网孔，反应金属7为铝基、钙基、镁基合金及其改性复合材料等多种可与水溶液反应产生氢气的金属基制氢材料，状态为粉末状、块状、颗粒状、碎屑状或片状中的一种或多种，反应金属7状态为粉末状与碎屑状时采用网孔小的载料网5防止材料下漏，反应金属7为块状、球状或片状时选取大孔径网即可。

连通器1的底部设置有废液阀门15，废液阀门15通过排液管14连接至废液回收系统13，制氢装置反应一段时间后，通过打开废液阀门15可排空连通器1内部反应过的反应溶液16。

导气管9上还设有氢气干燥器10，通过氢气干燥器10对输出的氢气进行干燥，干燥后的氢气经过压力控制阀门11进入氢燃料电池系统12，氢气干燥器10使用碱石灰、硅胶、无水氯化钙或分子筛作为干燥剂。

以下以本实施例的四个具体实验过程对稳压制氢装置的工作过程进行详细说明。

实验1：

使用图1中的稳压制氢装置，其中连通器的两边槽体横截面为圆形，左边槽体的压力腔体横截面积与右边槽体的制氢腔体横截面积之比为1/4，打开密封盖，向槽内倒入4mol/L的氢氧化钠水溶液1L，保证液面不没过聚四氟乙烯材质的载料网，在网孔平均直径为0.1mm的载料网上放入加工处理过后的锂铝合金碎屑50g，旋紧带螺纹的密封盖，通过加压器往活塞施加2MPa的恒定压力，右边制氢腔体的液面上升，当液面高于载料网时，锂铝合金与氢氧化钠水溶液接触并发生制氢反应，制氢腔体内压力逐渐增大，调节压力控制阀门的减压阀使氢气输出压力保持在0.1MPa，随反应持续进行产氢量变大，右边槽体制氢腔体上部气压过大，反应溶液被从制氢腔体向压力腔体反推，克服加压器的压力使左边槽体压力腔体内的活塞上升，制氢腔体内液面逐渐下降直至低于载料网，铝合金与溶液接触面积减小而产氢量降低，右边槽体制氢腔体内的气压开始变小，随着氢气压力与加压器的压力之间的平衡变化，制氢腔体内液面因活塞压力作用重新上升，当液面再次高于载料网时，反应重新开始，如此往复持续而稳定地向燃料电池供给氢气。加压器对活塞施加的压力保证了对反应溶液液面的平稳控制。

实验2

本实施例与实验1不同点在于，左边槽体压力腔体的横截面积与右边槽体制氢腔体的横截面积之比为1/6，其余条件步骤相同，往活塞施加1.5MPa的恒定压力，右边槽体制氢腔体的液面便能快速上升至高于载料网，锂铝合金与氢氧化钠水溶液接触并发生反应，制氢装置可稳定地向燃料电池供给氢气。

实验3

本实施例与实验1不同点在于，连通器的两边槽体横截面为圆形，密封盖通过锁紧卡扣密封，其余条件步骤相同。锂铝合金与氢氧化钠水溶液接触并发生反应，随反应持续进行产氢量变大，左边槽体压力腔体内活塞上升，右边槽体制氢腔体液面逐渐下降直至低于载料网，合金与溶液接触面积减小而产氢量降低，右边槽体制氢腔体内气压变小，液面因活塞压力作用重新上升，当液面再次高于载料网时，反应重新开始，如此往复持续而稳定地向燃料电池供给氢气。

实验4

本实施例与实验1不同点在于，载料网的网孔平均直径为0.01mm，使用的锂镁合金为粉末状，加入中性的水作为反应溶液，其余条件步骤相同。合金粉末与水接触并发生反应，随反应持续进行产氢量变大，左边槽体压力腔体活塞上升，右边槽体制氢腔体内液面逐渐下降直至低于载料网，合金与水接触面积减小而产氢量降低，右边槽体制氢腔体内气压变小，液面因活塞压力作用重新上升，当液面再次高于载料网时，反应重新开始，如此往复持续而稳定地向燃料电池供给氢气。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.稳压制氢装置，其特征在于：包括连通器(1)，所述连通器(1)具有两个底部相互连通的腔体，其中一个腔体为制氢腔体，另外一个腔体为压力腔体，所述连通器(1)内部装填制氢反应的反应溶液；

所述制氢腔体的顶部开口通过带出气孔(8)的密封盖(6)封闭，所述制氢腔体内部设有承装制氢反应金属的载料网(5)，所述出气孔(8)通过导气管(9)连接至氢燃料电池系统，并在导气管(9)上设置有压力控制阀门(11)；

所述压力腔体的顶部开口通过沿压力腔体滑动的活塞(2)封闭，所述活塞(2)与施压机构连接，将压力腔体内的反应溶液推向制氢腔体。

2.根据权利要求1所述的稳压制氢装置，所述施压机构采用主动施压机构，包括加压器以及压力传感器，所述活塞的外端通过压力杆连接至加压器的压力端，所述加压器与活塞连接的压力传感器反馈连接。

3.根据权利要求1所述的稳压制氢装置，所述施压机构采用被动施压机构，包括活塞的外端固定设置的压缩弹簧或者置于活塞外端的重物。

4.根据权利要求2或3所述的稳压制氢装置，所述连通器(1)的压力腔体与制氢腔体的截面积之比为1/10到1/2。

5.根据权利要求2或3所述的稳压制氢装置，所述压力控制阀门(11)包括串联的单向阀和减压阀。

6.根据权利要求2或3所述的稳压制氢装置，所述连通器(1)的底部设置有废液阀门(15)，所述废液阀门(15)通过排液管(14)连接至废液回收系统(13)。

7.根据权利要求2或3所述的稳压制氢装置，所述载料网(5)在制氢腔体内部的固定高度位于制氢腔体总高度的1/2到3/4处，所述载料网(5)上布置直径为0.01-5mm的网孔。

8.根据权利要求7所述的稳压制氢装置，所述制氢反应金属为铝基、钙基、镁基合金及其改性复合材料，状态为粉末状、块状、颗粒状、碎屑状或片状中的一种或多种。

9.根据权利要求2或3所述的稳压制氢装置，所述导气管(9)上还设有氢气干燥器(10)，所述氢气干燥器(10)使用碱石灰、硅胶、无水氯化钙或分子筛作为干燥剂。

10.根据权利要求2或3所述的稳压制氢装置，所述密封盖(6)通过螺纹或卡扣与制氢腔体的顶部连接，所述密封盖(6)上设置有密封圈。