CN111196595A - 一种水解产氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水解产氢装置，包括氢气发生器、储水箱、水泵、压力传感器、控制阀及控制器；氢气发生器包括外壳体以及放置于外壳体内的燃料盒，其中，外壳体的顶部开口处设置有氢气发生器盖板，储水箱的出口经水泵与氢气发生器的进水口相连通，外壳体上的出气口经控制阀与外界的用氢设备相连通，压力传感器用于检测氢气发生器内部的氢气压力，压力传感器的输出端与控制器的输入端相连接，控制器的输出端与水泵的控制端相连接，该装置具有燃料更换便捷、携带安全、反应速率易控制以及成本低的特点。

Description

一种水解产氢装置
技术领域
本发明属于氢气制备技术领域，涉及一种水解产氢装置。
背景技术
随着石油资源的日益枯竭和人们环保意识的提高，世界各国都在积极开发利用可持续性清洁能源，氢能作为一种洁净、高效、安全和可持续的二次能源由于具有热值高、无污染、资源丰富等特点被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，其在汽车、航空、航天、发电和燃料电池等领域的应用受到了人们越来越多的关注。质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术的迅速发展大大促进了对氢气的廉价制取研究，而如何高密度地储存和快速得到纯净氢气是PEMFC技术普及应用的一个瓶颈。作为能源载体的氢气，其制取方式众多，可通过化学、生物或者电解等方式来制取。氢的运输可以通过氢气管道、压缩氢气罐车或液氢槽车。但氢气在常态下体积能量密度非常低，即使是高压气态储存或液化储氢，运输和储存所需空间比其他常见能源要高很多，增添了氢气运输的难度和费用。碱性金属硼氢化合物和金属氢化物水解制氢具有很多优点，如：不排放有害气体，储氢密度高，运载、储存、使用安全方便，产氢流程简单，产氢速度可调，可采用装卸燃料盒或更换溶液的方法，可大大延长燃料电池的工作时间。在野外，可以使用海水、河水、溪水、雪水等水源作为金属硼氢化物或金属氢化物水解产氢的原料，在极端情况下甚至可以使用尿液作为水源，适合于野外、极度恶劣的环境下为燃料电池供氢的理想储氢介质。因此金属硼氢化物或金属氢化物水解制氢在移动式/便携式电源方面具有良好的应用潜力，其中，安全、高效、反应速率可控、便携的水解制氢装置是关键。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种水解产氢装置，该装置具有燃料更换便捷、携带安全、反应速率易控制以及成本低的特点。
为达到上述目的，本发明所述的水解产氢装置包括氢气发生器、储水箱、水泵、压力传感器、控制阀及控制器；
氢气发生器包括外壳体以及放置于外壳体内的燃料盒，其中，外壳体的顶部开口处设置有氢气发生器盖板，储水箱的出口经水泵与氢气发生器的进水口相连通，外壳体上的出气口经控制阀与外界的用氢设备相连通，压力传感器用于检测氢气发生器内部的氢气压力，压力传感器的输出端与控制器的输入端相连接，控制器的输出端与水泵的控制端相连接。
所述燃料盒包括上盖板、底层反应器及若干中层反应器，其中，上盖板、各中层反应器及底层反应器自上到下依次固定连接；
上盖板、底层反应器及各中层反应器包括底板、固定于底板上的环形侧壁板，底层反应器及各中层反应器中的环形侧壁板上均设置有若干出气孔，上盖板及各中层反应器内的环形侧壁板中设置有配水管；
所述配水管包括水平配水主流道、与水平配水主流道相连通的若干水平配水支流道以及与水平配水支流道相连通的若干垂直配水流道，其中，上盖板内的垂直配水流道穿过上盖板中的底板，中层反应器内的垂直配水流道穿过该中层反应器中的底板；
上盖板及各中层反应器的环形侧壁板均设置垂直进水通道，其中，上盖板中垂直进水通道的顶部封闭，上盖板中的垂直进水通道与各中层反应器中的垂直进水通道、低层反应器中的垂直进水通道依次相连通，底层反应器中的垂直进水通道与氢气发生器底部外壳上的进水口相连通，氢气发生器进水口经水泵与储水箱的出口相连通；
上盖板中的水平配水主流道与上盖板中的垂直进水通道相连通，中层反应器中的水平配水主流道与该中层反应器中的垂直进水通道相连通；
底层反应器及各中层反应器内的底板上均放置有固体燃料，环形侧壁板位于固体燃料的外周。
上盖板、底层反应器及各中层反应器的四个角度位置处均开设有紧固孔，且紧固螺栓穿过盖板、底层反应器及各中层反应器上的紧固孔将上盖板、底层反应器及各中层反应器相连成一体。
所述出气孔处设置有防水透气膜。
底层反应器及各中层反应器中侧壁板的上端面上设置有环形密封槽，上盖板及各中层反应器中底板的底部均为凸台结构，其中，上盖板中底板的底部凸台内嵌于最上层中层反应器中的凹槽反应腔内，上一层中层反应器中底板的底部凸台内嵌于下一层中层反应器中的凹槽反应腔内，最下层中层反应器中底板的底部凸台内嵌于底层反应器中的凹槽反应腔内。
环形密封槽内设置有环形密封圈。
水平配水主流道上设置有用于调节水平配水主流道水流量的流量调节丝杆。
氢气发生器盖板的底部设置有弹性部件，氢气发生器盖板闭合后，所述弹性部件发生变形对燃料盒施加压力。
水平配水主流道与其上的各水平配水支流道相垂直，水平配水支流道与其上的各垂直配水流道相垂直。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的水解产氢装置在具体操作时，控制器通过压力传感器实时检测氢气发生器内氢气的压力信息，并根据氢气发生器内氢气的压力信息调节水泵的流量，以控制氢气发生器中固体燃料的水解反应速率，避免氢气发生器内压力过高或者氢气发生器中固体燃料水解反应速率较低，以实现反应速率的可控，操作简单、方便，成本低，同时所述氢气反应器包括外壳体以及设置于外壳体内的燃料盒，燃料盒更换较为方便，并且携带方便，适合为氢燃料电池及各行业电源提供氢源。
进一步，本发明通过分层对固体燃料进行供水，使得水与固体燃料能够充分接触，同时燃料盒采用模块化设计，更换方便，当固体燃料消耗殆尽时，能够便捷更换新的固体燃料。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中燃料盒2的拆分图。
其中、1为氢气发生器盖板、2为燃料盒、3为进水口、4为水泵、5为储水箱、6为压力传感器、7为控制器、8为出气口、9为控制阀、10为用氢设备、11为外壳体、12为弹性部件、2A为上盖板、2B为中层反应器、2C为底层反应器、2D为出气孔、2E为流量调节丝杆、2F为紧固孔、2G为垂直进水通道、2H为水平配水主流道、2I为水平配水支流道、2J为垂直配水流道、2K为环形密封槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的水解产氢装置包括氢气发生器、储水箱5、水泵4、压力传感器6、控制阀9及控制器7；氢气发生器包括外壳体11以及放置于外壳体11内的燃料盒2，其中，外壳体11的顶部开口处设置有氢气发生器盖板1，储水箱5的出口经水泵4与氢气发生器的进水口3相连通，外壳体11上的出气口8经控制阀9与外界的用氢设备10相连通，压力传感器6用于检测氢气发生器内部的氢气压力，压力传感器6的信号输出端与控制器7的信号输入端相连接，控制器7的信号输出端与水泵4的信号控制端相连接，氢气发生器盖板1的内侧设置有弹性部件12，氢气发生器盖板1闭合后，所述弹性部件12发生变形对燃料盒2施加压力。
参考图2，所述燃料盒2包括上盖板2A、底层反应器2C及若干中层反应器2B，其中，上盖板2A、各中层反应器2B及底层反应器2C自上到下依次固定连接；底层反应器2C及各中层反应器2B包括底板、固定于底板上的环形侧壁板，底层反应器2C及各中层反应器2B中的环形侧壁板上均设置有若干出气孔2D，上盖板2A和各中层反应器2B的底板中设置有配水通道；所述配水通道包括水平配水主流道2H、与水平配水主流道2H相连通的若干水平配水支流道2I以及与水平配水支流道2I相连通的若干垂直配水流道2J，其中，上盖板2A内的垂直配水流道2J穿透上盖板2A中的底板，中层反应器2B内的垂直配水流道2J穿透该中层反应器2B中的底板；上盖板2A及各中层反应器2B的环形侧壁板均设置垂直进水通道2G，其中，上盖板2A中垂直进水通道2G的顶部封闭，上盖板2A中的垂直进水通道2G、各中层反应器2B中的垂直进水通道2G、底层反应器2C中的垂直进水通道2G依次相连通，最下层底层反应器2C中的垂直进水通道2G与氢气发生器底部外壳上的进水口3相连通，氢气发生器进水口3经水泵4与储水箱5的出口相连通；上盖板2A中的水平配水主流道2H与上盖板2A中的垂直进水通道2G相连通，中层反应器2B中的水平配水主流道2H与该中层反应器2B中的垂直进水通道2G相连通；底层反应器2C及各中层反应器2B内的底板上均放置有固体燃料，环形侧壁板位于固体燃料的外周。
其中，上盖板2A、底层反应器2C及各中层反应器2B的四个角位置处均开设有紧固孔2F，且紧固螺栓穿过上盖板2A、底层反应器2C及各中层反应器2B上的紧固孔2F将上盖板2A、底层反应器2C及各中层反应器2B相连成一体。另外，出气孔2D处设置有防水透气膜。
具体的，底层反应器2C及各中层反应器2B中侧壁板的上端面上设置有环形密封槽2K，上盖板2A及各中层反应器2B中底板的底部均为凸台结构，其中，上盖板2A中底板的底部凸台内嵌于最上层中层反应器2B的凹槽反应腔内，上一层中层反应器2B中底板的底部凸台内嵌于下一层中层反应器2B的凹槽反应腔内，最下层中层反应器2B中底板凸台内嵌于底层反应器2C中的凹槽反应腔内。
环形密封槽2K内设置有环形密封圈；水平配水主流道2H上设置有用于调节水平配水主流道2H水流量的流量调节丝杆2E；水平配水主流道2H与其上的各水平配水支流道2I相垂直，水平配水支流道2I与其上的各垂直配水流道2J相垂直。
外壳体11、燃料盒2及储水箱5的材质选用金属、塑料的一种或几种；固体燃料可与水发生化学反应生成氢气，如碱性金属硼氢化物或金属氢化物，包括硼氢化钠、硼氢化锂、硼氢化钾、氢化镁、氢化铝及氢化铝钠等。
流量调节丝杆2E上设有与水平配水主流道2H直径相等的流通孔，当流量调节丝杆2E旋转不同角度时，流量调节丝杆2E上的流通孔与水平配水主流道2H的流道夹角不同，从而调节流体经流量调节丝杆2E中流通孔的流量。
当系统启动时，水泵4抽取储水箱5中的水，水由氢气发生器的进水口3进入到燃料盒2中，水流经燃料盒2的中层反应器2B及上盖板2A中的垂直进水通道2G、水平配水主流道2H、水平配水支流道2I和垂直配水流道2J进入各层反应器的凹槽中，水与凹槽中的固态燃料接触并发生水解反应，生成氢气，氢气经出气孔2D流出进入外壳体11与燃料盒2之间的腔体内，再经出气口8及控制阀9供应给用氢设备10。
当压力传感器6检测到氢气发生器内的氢气压力高于预设压力时，控制器7降低水泵4的流量直到停止，减少进入到燃料盒2中的水量，燃料水解反应速率降低，直到停止。当压力传感器6检测到氢气发生器中的氢气压力低于预设压力时，控制器7增大水泵4的流量，以增大进入到燃料盒2中的水量，燃料水解反应速率增大。
当燃料盒2内部的固态燃料反应完时，可以打开氢气发生器盖板1，取出反应完成的燃料盒2并更换新的燃料盒2，关闭氢气发生器盖板1后重新启动系统。
反应结束后，将上盖板2A、一个或多个中层反应器2B及底层反应器2C分开，取出沉积的反应副产物，回收再利用。

Claims (9)

1.一种水解产氢装置，其特征在于，包括氢气发生器、储水箱(5)、水泵(4)、压力传感器(6)、控制阀(9)及控制器(7)；
氢气发生器包括外壳体(11)以及放置于外壳体(11)内的燃料盒(2)，其中，外壳体(11)的顶部开口处设置有氢气发生器盖板(1)，储水箱(5)的出口经水泵(4)与氢气发生器的进水口(3)相连通，外壳体(11)上的出气口(8)经控制阀(9)与外界的用氢设备(10)相连通，压力传感器(6)用于检测氢气发生器内部的氢气压力，压力传感器(6)的输出端与控制器(7)的输入端相连接，控制器(7)的输出端与水泵(4)的控制端相连接。
2.根据权利要求1所述的水解产氢装置，其特征在于，所述燃料盒(2)包括上盖板(2A)、底层反应器(2C)及若干中层反应器(2B)，其中，上盖板(2A)、各中层反应器(2B)及底层反应器(2C)自上到下依次固定连接；
上盖板(2A)、底层反应器(2C)及各中层反应器(2B)包括底板、固定于底板上的环形侧壁板，底层反应器(2C)及各中层反应器(2B)中的环形侧壁板上均设置有若干出气孔(2D)，上盖板(2A)及各中层反应器(2B)内的环形侧壁板中设置有配水管；
所述配水管包括水平配水主流道(2H)、与水平配水主流道(2H)相连通的若干水平配水支流道(2I)以及与水平配水支流道(2I)相连通的若干垂直配水流道(2J)，其中，上盖板(2A)内的垂直配水流道(2J)穿过上盖板(2A)中的底板，中层反应器(2B)内的垂直配水流道(2J)穿过该中层反应器(2B)中的底板；
上盖板(2A)及各中层反应器(2B)的环形侧壁板均设置垂直进水通道(2G)，其中，上盖板(2A)中垂直进水通道(2G)的顶部封闭，上盖板(2A)中的垂直进水通道(2G)与各中层反应器(2B)中的垂直进水通道(2G)、底层反应器(2C)中的垂直进水通道(2G)依次相连通，最下层底层反应器(2C)中的垂直进水通道(2G)经水泵(4)与储水箱(5)的出口相连通；
上盖板(2A)中的水平配水主流道(2H)与上盖板(2A)中的垂直进水通道(2G)相连通，中层反应器(2B)中的水平配水主流道(2H)与该中层反应器(2B)中的垂直进水通道(2G)相连通；
底层反应器(2C)及各中层反应器(2B)内的底板上均放置有固体燃料，环形侧壁板位于固体燃料的外周。
3.根据权利要求2所述的水解产氢装置，其特征在于，上盖板(2A)、底层反应器(2C)及各中层反应器(2B)的四个角度位置处均开设有紧固孔(2F)，且紧固螺栓穿过上盖板(2A)、底层反应器(2C)及各中层反应器(2B)上的紧固孔(2F)将上盖板(2A)、底层反应器(2C)及各中层反应器(2B)相连成一个整体。
4.根据权利要求2所述的水解产氢装置，其特征在于，所述出气孔(2D)处设置有防水透气膜。
5.根据权利要求2所述的水解产氢装置，其特征在于，底层反应器(2C)及各中层反应器(2B)中侧壁板的上端面上设置有环形密封槽(2K)，上盖板(2A)及各中层反应器(2B)中底板的底部均为凸台结构，其中，上盖板(2A)中底板的底部凸台内嵌于最上层中层反应器(2B)中的凹槽反应腔内，上一层中层反应器(2B)中底板的底部凸台内嵌于下一层中层反应器(2B)中的凹槽反应腔内，最下层中层反应器(2B)中底板的底部凸台内嵌于底层反应器(2C)中的凹槽反应腔内。
6.根据权利要求5所述的水解产氢装置，其特征在于，环形密封槽(2K)内设置有环形密封圈。
7.根据权利要求2所述的水解产氢装置，其特征在于，水平配水主流道(2H)上设置有用于调节水平配水主流道(2H)水流量的流量调节丝杆(2E)。
8.根据权利要求2所述的水解产氢装置，其特征在于，水平配水主流道(2H)与其上的各水平配水支流道(2I)相垂直，水平配水支流道(2I)与其上的各垂直配水流道(2J)相垂直。
9.根据权利要求1所述的水解产氢装置，其特征在于，氢气发生器盖板(1)的底部设置有弹性部件(12)，氢气发生器盖板(1)闭合后，所述弹性部件(12)发生变形对燃料盒(2)施加压力。
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