CN112624043B - 一种基于排水法的自持式制氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于排水法的自持式制氢装置，包括储液罐、反应罐及氢气缓冲罐；储液罐用于存储制氢反应所需的液体，储液罐上设置有进气口和排液口，氢气缓冲罐通过进气管道与储液罐的进气口相连通，进气管道上安装有阀门；反应罐上开设有进液口和出气口，反应罐的进液口与储液罐的排液口通过连接管道连通，反应罐的出气口通过出气管道与氢气缓冲罐连通，出气管道上安装有阀门，反应罐内填装有能够分段与液体反应的制氢材料。本发明所示制氢装置通过内部压力自动维持液体与合金接触、反应的位置基本稳定，使得产氢量和外部耗氢量达到动态平衡。本发明所采用的制氢工艺具有流程简单、成本低、氢气输出稳定、不需要额外的能量驱动等优点。

Description

一种基于排水法的自持式制氢装置

技术领域

本发明涉及氢气制备技术领域，特别是涉及一种基于排水法的自持式制氢装置。

背景技术

能源问题一直是人类社会关注的重要议题。氢，因其来源广泛、能量密度高、可循环利用等诸多优点，因此以氢作为能源载体引起了政府和科研人员的极大兴趣。然而，由于氢自身的本征特性限制，方便的存储使用仍存在一些问题，尤其将其和燃料电池相互搭配作为便携式供电模块仍有很多值得研究的地方。

氢燃料电池以氢气为能源来源，氢气的存储密度及释放难易程度是其应用的重要指标，目前广泛应用的液态氢含氢量约为71kg/m³，商用的储氢合金质量分数不到2wt％，这些储氢方式要么使用条件相对苛刻，要么能量密度较低，很难将其作为便携式氢燃料电池的氢气供应介质。相比于液态氢及储氢合金，液态水的含氢量约为111kg/m³，其氢气存储密度较高，且价格低廉，来源较多。那么将水作为氢气载体和一些较为活泼的制氢或其氢化物反应，置换出水中的氢气并和氢燃料电池进行耦合作为便携式电源如军用电源设备，具有较高的应用前景。

制氢材料与液体反应产生氢气供燃料电池使用中，需要稳定的氢源。如果将氢源以高压的形态储存在钢瓶中，造成设备笨重，不利于便携式电源的整体性能和品质水平的提高，同时，钢瓶储氢容量有限，不便补充，尤其是作为现代野战部队军用电源设备，因此为了提高便携式电源的供氢容量，有必要开发出一种稳定的供氢装置。

然而，在制氢装置和氢燃料电池进行耦合作为便携式电源的过程中，当制氢材料与液体接触时，会在较短时间内释放大量的热量，造成容器温度极速升高，而随着温度的升高，反应速度急剧加速，如果没有及时将水与制氢分离，持续产生大量的氢气及发热会造成反应容器及短时间内承受高压和高温，若不及时控制会发生爆炸的危险。这些问题的出现，给便携式电源的应用蒙上了一层阴影，极大的影响了以燃料电池为供电设备的广泛推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于排水法的自持式制氢装置，以解决上述现有技术存在的问题。本发明的特点有：消耗的能量较低、无需外接电源、较高安全性以及可控性、一次加料可供较长时间使用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于排水法的自持式制氢装置，包括储液罐、反应罐及氢气缓冲罐；

所述储液罐用于存储制氢反应所需的液体，所述储液罐上设置有进气口和排液口，所述氢气缓冲罐通过进气管道与所述储液罐的进气口相连通，所述进气管道上安装有阀门；

所述反应罐上开设有进液口和出气口，所述反应罐的进液口与所述储液罐的排液口通过连接管道连通，所述反应罐的出气口通过出气管道与所述氢气缓冲罐连通，所述出气管道上安装有阀门，所述反应罐内填装有能够分段与液体反应的制氢材料。

氢气缓冲罐存储有数bar的高纯氢气用于反应初始将储液罐内的液体压入反应罐。

本发明是在室温条件下水解制氢反应就能发生的装置，所采用的原料是一些在室温条件下就能反应的制氢材料及液体，当液体和制氢材料接触后就能发生反应产生氢气，这种方案能够使液体和制氢材料充分接触并反应，提高材料的利用率；当制氢材料与液面接触反应产生的氢气排出反应罐后，反应罐内整体压力下降，储液罐内的液体在压力作用下，液体会进入反应罐并与其内的制氢材料接触继续发生反应，在此条件下，系统整体的压力可以自己调节在一定的范围内，从而达到一种动态平衡，使系统整体的能耗降低。

本发明所使用的液体可以是水、人体尿液以及其它特定的溶液(如氯化镍和柠檬酸)，包括但不限于上述液体，只要能装入液体罐、能和材料反应并能通过固液分离膜均可以使用本装置。

本发明所使用的制氢材料可以是铝合金、镁合金以及其它特定的材料，包括但不限于上述材料，只要能和填入的液体反应产生氢气均可以使用本装置。

优选的，还包括氢气纯化器，所述氢气纯化器用于纯化水解反应制得的氢气，所述氢气纯化器通过出气管道与所述反应罐的出气口连通，所述氢气纯化器进气侧和出气侧的出气管道上分别安装有安全阀和减压阀。

优选的，所述氢气纯化器内填充有纯化材料，所述氢气纯化器外侧安装有保护件，所述保护件上开设有可视窗口。

利用氢气纯化器对氢气中的水蒸汽进行过滤，能够保证氢气纯度满足燃料电池正常运转。氢气纯化器内部所用的材料可以是分子筛、变色吸水硅胶、两者混合使用或者其他类型的高效纯化材料，当纯化材料失效可以自行打开更换，方便多次利用。

优选的，所述反应罐内设置有固体填装容器，制氢材料盛装在所述固体填装容器内；所述固体填装容器与所述反应罐之间设置有夹层，所述储液罐内的液体通过夹层进入到所述反应罐中。

液体和制氢材料反应属于放热反应，因此在产生氢气的过程中，会伴随着大量的热量产生，当反应剧烈发生时，温度可达到100℃以上，有些溶液具有一定的腐蚀性如柠檬酸属弱酸、氯盐具有很强的电化学腐蚀性、同时当制氢或氢化物与液体接触时会瞬间产生大量的氢气导致装置内压力增强，因此，基于这些影响因素的考虑下，装置所用的反应罐分为双层，里面为固体填装容器，固体填装容器外是往反应罐通液体的夹层，确保液体不会从制氢材料上方淋入，液体从夹层的管道内缓慢进入并和材料接触，从而使制氢过程保持良好的稳定性。

优选的，所述固体填装容器底部设置有隔板，所述隔板上安装有亲水膜，所述亲水膜与制氢材料相接触；所述制氢材料呈立式或分层放置在所述固体填装容器内。

制氢反应过程中，液体与制氢材料反应时的剧烈程度与两者的接触面积密切相关，当反应材料完全接触时，会快速产生大量的氢气，即使用排水法该过程也异常迅猛，为了保证装置的安全性会将高于设定压力的气体放排出，此举无疑会造成氢气的浪费，因此为了便于控制制氢量，本发明将固态制氢原料立式或者分层放置于反应罐内，当储液罐内液体在外部压力作用下，进入反应罐的液体材料即便稍多也只是与浸没部分的固体材料充分反应，既能保证装置快速启动将压力升至数bar，带动燃料电池正常工作，又能防止过多的原材料发生反应产生过多的氢气从而造成能耗的增高。另一方面，燃料电池消耗氢气会导致反应罐内的压力降低，为了达到压力平衡，储液罐内的液体会被继续压至反应罐内从而使液面升高，将固态材料立式或分层放置，减少了反应物之间的接触，相比于将固体材料全部平铺式放置，该方法方便易控，能够减少氢气的浪费以及控制反应的剧烈程度。固态材料的立式或分层放置可为用无纺布包裹成条状形式、制作不锈钢支架将原材料用无纺布包裹后放入支架内、或者将反应罐设置成螺旋管型等其它方式。

优选的，所述反应罐外侧安装有安全罩。

优选的，所述连接管道两端均安装有固液分离膜。

储液罐的出液管及反应罐的进液管均位于容器的底端，且均用固液分离膜封口，保证固态反应粉末滞留在反应罐内不会随着压力变化进入储液罐内从而影响储液罐内压力。制氢材料与相应的液体材料反应会形成难溶于液体的沉淀物，如氯化镍与MgH₂反应会形成绿色沉淀物质，该物质在压力作用下可能会通过连接管道进入储液罐内，从而造成管道堵塞，在连接储液罐和反应罐之间的进/出液管口位置用固液分离膜封口，可有效防止管道阻塞，且更换较为方便。

优选的，所述反应罐外侧安装有冷却装置，保证制氢装置的温度不会过高。

与现有的同类技术相比，本发明具有以下效果：

1、本发明在常压下填装原材料，将反应罐和液体罐密封之后，用氢气缓冲罐里的高压氢气作为初始动力将液体压入反应罐，由于反应罐采用的是不锈钢材质，能耐高温高压，且外壁有保护套保护，反应过程中无须担心液体与材料的反应剧烈程度，且通过内部产生的氢气，调节系统的压力，一方面能够充分利用产生的氢气减少气源的浪费提高能源利用率，另一方面能够根据氢气的消耗速率控制液体进入反应罐内，保持以一定的速率稳定的供给；此外，本发明没有采用外接电源如锂电池，降低了设备的复杂程度，降低操作者的使用门槛，能够结合自身情况很快的完成系统组装以及在此基础上的改进。由于装置在封闭空间内发生反应，安全性能良好。

2、本发明通过固体材料与液体材料的反应制备氢气，没有易耗损部件除氢燃料电池外，无需额外考虑反应液体对设备的影响。本发明适用的材料广泛，液体材料可以是酸性液体如柠檬酸、碱性液体、以及氯盐等，而固体材料的可选择性更多，如MgH₂、Al和镁铝合金等。

3、本发明中储液罐和反应罐之间的管道均连接到底部，有固液分离膜封闭，能有效避免反应沉淀物溢出，保证系统安全性及氢气的利用效率。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式所提出的一种利用排水法的自持式制氢装置；

图2为装置内MgH₂反应粉末与柠檬酸溶液产生氢气以100ml/min排放时压力随时间变化曲线；

图3为装置内MgH₂反应粉末与柠檬酸溶液产生氢气以100ml/min排放时流速随时间变化曲线图；

其中，1-储液罐，2-反应罐，3-固体填装容器，4-氢气缓冲罐，5-氢气纯化器，6-氢燃料电池，7-连接管道，8-阀门，9-阀门，10-阀门，11-安全阀，12-减压阀，13-阀门。

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。

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。

本发明提供一种基于排水法的自持式制氢装置，包括储液罐1、反应罐2及氢气缓冲罐4；所述储液罐1用于存储制氢反应所需的液体，所述储液罐1上设置有进气口和排液口，所述氢气缓冲罐4通过进气管道与所述储液罐1的进气口相连通，所述进气管道上安装有阀门；所述反应罐2上开设有进液口和出气口，所述反应罐2的进液口与所述储液罐1的排液口通过连接管道7连通，所述反应罐2的出气口通过出气管道与所述氢气缓冲罐4连通，所述出气管道上安装有阀门，所述反应罐2内填装有能够分段与液体反应的制氢材料。

实施例一

反应罐2内的固体填装容器3为内径3cm，高约22cm左右的圆柱体3，材质可以是有机玻璃，储液罐1的尺寸与固体填装容器3相同。储液罐1和反应罐2通过连接管道7连接，连接管道7的出液口和进液口均由固液分离膜分开。反应阶段，整个系统均竖直放置，保证液体不被浪费。

氢燃料电池6的额定功率大约10W，消耗氢气的量为100ml/min，额定电压为6V，额定电流为1.48A。

准备大约6g的MgH₂反应粉末，将其以立式或分层向固体填装容器3中填入，之后将其安装至反应罐2内，在将整体安装至设备。

准备大约100ml 3mol/l的待反应柠檬酸溶液，将其向储液罐1中填充，之后将其安装至设备。

通过阀门8和阀门9向氢气缓冲罐4内填充大约2bar的氢气，关闭阀门8和阀门9。

打开阀门9和阀门13，将缓冲罐中的气体通入储液罐1中，储液罐1中气体压力升高，而反应罐2中压力不变，储液罐1中的液体会依靠气体压力而压入反应罐2中，并与固体填装容器3中的制氢材料接触，因此柠檬酸溶液会与MgH₂粉末反应产生氢气，气体经过氢气纯化器5和减压阀12后流入氢燃料电池6，从而产生电量。

反应过程中，反应罐2内产生的气体在减压阀12前段的压力保持大约2bar，确保尾端供气量充足，经过减压阀12减压保持供应氢燃料电池6的压力为0.3bar-0.6bar以100ml/min左右的速率，当MgH₂粉末与柠檬酸溶液接触过多反应速度过快，氢气的产生量过多，反应罐2与减压阀12间的压力瞬间增高至2bar左右，在反应罐2的压力下，溶液会重新压回至储液罐1中，减少MgH₂粉末与柠檬酸溶液的接触量，使得产氢量与耗氢量达到平衡。

当氢燃料电池6耗氢较快时，反应罐2中气体压力逐渐降低，储液罐1中的压力高于反应罐2，储液罐1中的柠檬酸会通过压力将其压入反应罐2中，增加MgH₂与柠檬酸溶液的接触量，此时氢气的产生速度增加，从而使得产氢量和耗氢量达到平衡。在反应开始初始平衡时，关闭阀门9和阀门13，打开阀门10，反应罐2整体压力降低，MgH₂与柠檬酸溶液的接触量增多，产生氢气量增大，使氢气缓冲罐4中的气体得到补充。补充完成之后关闭阀门10。整个制氢系统就这样在一个动态平衡中稳定供氢，直至反应结束。

当系统以100ml/min左右的速率供氢30min后，反应逐渐减慢。

实施例二

反应罐2内的固体填装容器3为内径3cm，高约22cm左右的圆柱体3，材质可以是有机玻璃，储液罐1的尺寸与固体填装容器3相同。储液罐1和反应罐2通过连接管道7连接，连接管道7的出液口和进液口均由固液分离膜分开。反应阶段，整个系统均竖直放置，保证液体不被浪费。

准备大约6g特殊制成的Al反应碎片，用无纺布包裹将其以立式或分层向固体填装容器3中填入，之后将其安装至反应罐2内，在将整体安装至设备。

准备大约100ml的待反应水溶液，将溶液填充至储液罐1中，之后将其安装至设备。

通过阀门8和阀门9向氢气缓冲罐4内填充大约2bar的氢气，关闭阀门8和阀门9。

打开阀门9和阀门13，将缓冲罐中的气体通入储液罐1中，储液罐1中气体压力升高，而反应罐2中压力不变，储液罐1中的液体会依靠气体压力而压入反应罐2中，并与固体填装容器3中的制氢材料接触，因此水溶液会与特殊制成的Al反应碎片反应产生氢气，气体经过氢气纯化器5和减压阀12后流入氢燃料电池6，从而产生电量。

反应过程中，保持压力0.3bar-0.6bar以100ml/min左右的速率供氢，当Al与水溶液接触过多反应速度过快，氢气的产生量过多，气体压力升高，会将溶液重新压回至储液罐1中，减少Al与水溶液的接触量，使得产氢量与耗氢量达到平衡。

当燃料电池耗氢较快时，反应罐2中气体压力逐渐降低，储液罐1中的溶液将会通过压力将溶液压入反应罐2中，增加Al与水溶液的接触量，使氢气的产生速度增加，从而使产氢量和耗氢量达到平衡。在反应开始初始平衡时，关闭阀门9，打开阀门10，使氢气缓冲罐4中的气体得到补充。之后关闭阀门10。整个制氢系统就这样在一个动态平衡中稳定供氢，直至反应结束。

本发明提供的基于排水法的自持式制氢装置，设备的反应启动时间短能够有效减少等待时间，在实际的操作中，只需往储液罐1内充入气体将液体压入反应罐2，液体与制氢材料接触便可快速反应产生大量氢气，氢燃料电池6很快便能进入工作状态，相应地此时外接氢气缓冲罐4便可处于关闭状态，整体的制氢系统可根据消耗的氢气量进入动态平衡阶段。

反应阶段产生的热量，可随着液体在储液罐1和反应罐2之间流动，将热量带走并扩散出去，使反应罐2的温度不会过高，因此在本装置中也不需要额外添加冷却装置，减少设备负重，达到设备轻量化的设计目的。

整体制氢装置采用外接气源提供初始反应动力，无需其它如锂电一样的供电设施，进一步降低了外部设施的依赖性，进一步节约了能源的消耗，扩大了设备的应用范围。

本发明所采用的制氢工艺，能够较好地控制生产成本，氢气产生速度快，利用率高，对环境友好且可方便携带尤其是有长时间连续的用电需求。具有结构简单、安全可靠、操作方便、可控性好、适用范围广，不耗电、污染小等积极效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于排水法的自持式制氢装置，其特征在于，包括储液罐(1)、反应罐(2)及氢气缓冲罐(4)；

所述储液罐(1)用于存储制氢反应所需的液体，所述储液罐(1)上设置有进气口和排液口，所述氢气缓冲罐(4)通过进气管道与所述储液罐(1)的进气口相连通，所述进气管道上安装有阀门；

所述反应罐(2)上开设有进液口和出气口，所述反应罐(2)的进液口与所述储液罐(1)的排液口通过连接管道(7)连通，所述反应罐(2)的出气口通过出气管道与所述氢气缓冲罐(4)连通，所述出气管道上安装有阀门，所述反应罐(2)内填装有能够分段与液体反应的制氢材料；

所述反应罐(2)内设置有固体填装容器(3)，制氢材料盛装在所述固体填装容器(3)内；所述固体填装容器(3)与所述反应罐(2)之间设置有夹层，所述储液罐(1)内的液体通过夹层进入到所述反应罐(2)中；

所述固体填装容器(3)底部设置有隔板，所述隔板上安装有亲水膜，所述亲水膜与制氢材料相接触；所述制氢材料呈立式或分层放置在所述固体填装容器(3)内；

所述连接管道(7)两端均安装有固液分离膜。

2.根据权利要求1所述的基于排水法的自持式制氢装置，其特征在于：还包括氢气纯化器(5)，所述氢气纯化器(5)用于纯化水解反应制得的氢气，所述氢气纯化器(5)通过出气管道与所述反应罐(2)的出气口连通，所述氢气纯化器(5)进气侧和出气侧的出气管道上分别安装有安全阀(11)和减压阀(12)。

3.根据权利要求2所述的基于排水法的自持式制氢装置，其特征在于：所述氢气纯化器(5)内填充有纯化材料，所述氢气纯化器(5)外侧安装有保护件，所述保护件上开设有可视窗口。

4.根据权利要求1所述的基于排水法的自持式制氢装置，其特征在于：所述反应罐(2)外侧安装有安全罩。

5.根据权利要求1所述的基于排水法的自持式制氢装置，其特征在于：所述反应罐(2)外侧安装有冷却装置。

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