CN114408861B - 一种使用固体粉末制氢剂的制氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用固体粉末制氢剂的制氢装置，包括用于将固体粉末制氢剂与液体反应产生氢气的制氢反应釜，分别设置于制氢反应釜上的加料口、加液口、气体出口和排液口，通过排氢管道与制氢反应釜的气体出口连接的用于稳定氢气输出流量的排氢调节阀，以及与排液口连接的排液回收处理装置。本发明针对固体粉末制氢的过程和技术难点进行针对性设计，在不改变反应釜结构的基础上巧妙设置了排氢调节阀来控制氢气输出的流量，从输出端解决了固体粉末制氢剂反应输出氢气不稳定的问题，保证了氢气持续稳定地输出，方便了氢气输出端可以直接对接用氢设备使用氢气，提高了氢气制备和使用效率，减少了氢气存储的安全隐患。

Description

一种使用固体粉末制氢剂的制氢装置

技术领域

本发明涉及固体粉末制氢技术领域，具体地讲，是涉及一种使用固体粉末制氢剂的制氢装置。

背景技术

氢气具有非常多元化的市场应用场景，目前作为一种常用的工业气体，2018年，我国氢气消费总量约为2100万吨(约合2360亿Nm³)，占全球总产量的比例超过30％，居世界第一。其中用于生产合成氨、甲醇的原料氢占比约65％，用于石油炼制加氢等的占比约33％，工业氢气占比约2％。目前，我国主要通过化石燃料制氢，煤制氢占62％、天然气占19％，电解水制氢仅占1％。而从全球平均水平看，氢气48％来自天然气、30％来自醇类重整、18％来自焦炉煤气。相比之下，我国氢气主要来自煤炭，制氢的碳足迹较大。

目前，国内燃料电池的氢气来源主要是煤制氢、天然气制氢和工业副产氢，由于生产工艺影响，产品中除氢气以外，还含有一氧化碳、甲烷、二氧化碳和氮气等杂质，其中二氧化碳与氢气发生逆水汽变换反应产生一氧化碳，一氧化碳会吸附在燃料电池的催化剂中导致电池性能严重下降。目前，氢气纯化不仅成本较高，而且即使纯度达到99.999％的标准，依然难以满足燃料氢气对于微量杂质的控制要求。还有水电解制氢技术产生氢气和氧气，可以达到完全不含有害杂质的效果，但是目前的电解水技术能耗过大，从能量转化的角度来说并不划算。近几年新发展起来的固体粉末制氢技术，主要是利用铝等活泼金属与水发生化学反应产生氢气和对应的氢氧化物，可以达到产生氢气不含有害杂质的效果，同时通过催化反应的方式可以大幅度降低制氢能耗，也是燃料电池的理想氢气来源，对改善燃料电池性能和延长电池寿命具有重要意义。目前固体粉末制氢的技术难点在于催化反应的速率较难控制，不能有效控制产生氢气的稳定输出。因此，亟需改进。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明提供一种使用固体粉末制氢剂的制氢装置，通过结构设计来进行氢气输出控制，使固体粉末制氢技术产生的氢气能够稳定输出。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种使用固体粉末制氢剂的制氢装置，包括用于将固体粉末制氢剂与液体反应产生氢气的制氢反应釜，分别设置于制氢反应釜上的加料口、加液口、气体出口和排液口，通过排氢管道与制氢反应釜的气体出口连接的用于稳定氢气输出流量的排氢调节阀，以及与排液口连接的排液回收处理装置。

具体地，所述排液回收处理装置包括与排液口连接的用于过滤出未反应的残余固体的浓缩过滤器，与浓缩过滤器连接的用于回收残余固体的余料回收器，与浓缩过滤器连接的用于处理制氢溶液的回收反应器，与回收反应器连接的用于处理回收反应器产生的反应沉淀的压滤机，与压滤机的液体出口连接的余水回收器，以及与压滤机的固体出口连接的压饼产物回收器，其中，所述回收反应器上设有添料口。

具体地，所述排氢调节阀包括用于连接排氢管道的阀体管体，两个穿设在阀体管体内部并呈相对设置的内衬流管，在内衬流管与阀体管体之间形成的缓冲腔，设置于阀体管体末端的调节组件，以及设置于缓冲腔内的加固组件，其中，所述调节组件包括转动连接于两个内衬流管之间的连接环形片，连接环形片的表面铰接有若干个呈环形阵列分布的闭合叶片，转动的闭合叶片对连接环形片形成开启和关闭，所述加固组件包括可朝向内衬流管表面移动的加固板，关闭的闭合叶片带动加固板同步向内衬流管移动。

进一步地，所述调节组件还包括固定设置于阀体管体内壁的限位连接杆，所述连接环形片的外部同轴转动有调节内环，调节内环与阀体管体的内壁转动连接，所述调节内环相对于限位连接杆的内部开设有调节槽，调节槽与限位连接杆相适配，所述调节内环与闭合叶片相应的内壁铰接有调节杆，所述调节杆的末端贯穿内衬流管并与闭合叶片相铰接，所述闭合叶片与连接环形片的表面铰接。

进一步地，所述调节内环的外表面固定连接有与阀体管体转动连接的连接外环，连接外环的外表覆盖设置有旋转环，旋转环的两侧延伸并覆盖于连接外环与阀体管体的连接处。

进一步地，所述加固组件包括固定于连接外环两侧连接内环，所述连接内环的末端延伸至缓冲腔的内部，所述连接内环靠近内衬流管的内侧设置有具有传动作用的传动部件，所述传动部件连动设置有延伸部件，转动的连接内环通过传动部件带动加固板沿着内衬流管的径向移动，所述传动部件包括固定于缓冲腔内壁的安装杆，安装杆的末端两侧均转动连接有从动齿轮，两个从动齿轮同轴转动；所述连接内环的内一侧表面固定连接有外圈齿轮环，所述外圈齿轮环与相靠近的一个从动齿轮啮合。

进一步地，所述延伸部件包括固定于缓冲腔内壁的固定柱，固定柱的外部滑动连接有外滑管，外滑管的外部固定设置有从动齿条，从动齿条与从动齿轮相啮合，加固板与外滑管的末端同步移动，所述外滑管的内部设置有缓冲部件，用于对加固板进行缓冲；所述缓冲部件包括设置于外滑管内部的缓冲弹簧，缓冲弹簧的末端固定有延伸杆，延伸杆的末端与加固板固定连接，所述延伸杆的外侧套接有限位挡环，外滑管相对于限位挡环的内壁开设有环形槽，环形槽与外滑管相适配。

更进一步地，所述排氢调节阀的出口还连接有储气罐，所述储气罐安置于防护机构内，所述防护机构包括固定安置的防护箱，设置于防护箱内底部的缓冲板，所述缓冲板的上端设有支撑板，所述储气罐位于支撑板的上方，所述支撑板的底部两侧均铰接有铰接杆，所述缓冲板内部开设有安装腔，所述铰接杆的下端伸入安装腔内部并连接有为其提供水平方向弹性的弹性机构，所述防护箱内部靠下两侧均设有缓冲滑槽，所述支撑板的两端分别在两组缓冲滑槽之间滑动，所述防护箱内部位于防护机构上方设有与其内壁之间固定连接的固定环，所述固定环的内侧设有用于接触储气罐的缓冲层。

具体地，所述弹性机构包括固定在安装腔内部的限位杆，所述限位杆的两端外部均套设有弹簧，两组所述弹簧相对的一端均设有套在限位杆外部的滑套，两组所述铰接杆的底部分别与两组滑套的上端铰接，所述安装腔上端开设有与外部连通的铰接滑槽，所述铰接杆穿过铰接滑槽伸入安装腔内，所述支撑板的底部与铰接杆连接处设有铰接座，所述铰接杆的底部与滑套连接处设有铰接座。

更进一步地，所述排氢管道上还设有缓冲罐。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对固体粉末制氢的过程和技术难点进行针对性设计，在不改变反应釜结构的基础上巧妙设置了排氢调节阀来控制氢气输出的流量，从输出端解决了固体粉末制氢剂反应输出氢气不稳定的问题，保证了氢气持续稳定地输出，方便了氢气输出端可以直接对接用氢设备使用氢气，提高了氢气制备和使用效率，减少了氢气存储的安全隐患。并且本发明结构设计巧妙，采用工艺过程的简单，使用方便，成本低廉，适于在固体粉末制氢中应用。

(2)本发明采用排氢调节阀的具体结构设计，通过闭合叶片的开启和闭合，从而调节连接环形片的内圈面积，能够调节氢气从内衬流管的内穿过的流量，从而形成流量调节的作用；通过闭合叶片从外侧逐渐向内侧闭合，能够使内衬流管的受压分布更加均匀，流体流速的变化也更加均匀，安全性更好。

(3)本发明通过对排氢调节阀上的调节组件和加固组件的配合设计，使加固板在传动部件的传动作用下，逐渐靠近并抵紧内衬流管的表面，能够对内衬流管起到加固和缓冲的作用，避免内衬流管的强度不够，导致内衬流管可能在压力增加的情况下产生变形，对内衬流管起到加固作用，并且即便是在内衬流管产变形后，延伸部件能够对内衬流管起到缓冲作用，提高了排氢调节阀的强度和抗爆能力。

(4)本发明还可以配备储气罐进行加氢存储作业，并通过防护机构对储气罐进行缓冲保护，防止其内部发生摇晃倾倒而发生事故，提高了装置的安全性。

附图说明

图1为本发明-实施例的一种结构框图图。

图2为本发明-实施例的另一种结构框图。

图3为本发明-实施例中排氢调节阀的剖视结构示意图。

图4为本发明-实施例中调节内环的剖视结构示意图。

图5为图3中A处的放大示意图。

图6为本发明-实施例中加固组件的剖视结构示意图。

图7为图6中B处的放大示意图。

图8为本发明-实施例中防护箱的内部结构示意图。

图9为本发明-实施例中支撑板与缓冲板之间连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至图9所示，该使用固体粉末制氢剂的制氢装置，包括用于将固体粉末制氢剂与液体反应产生氢气的制氢反应釜1，分别设置于制氢反应釜上的加料口1-1、加液口1-2、气体出口1-3和排液口1-4，通过排氢管道与制氢反应釜的气体出口连接的用于稳定氢气输出流量的排氢调节阀2，以及与排液口连接的排液回收处理装置；固体粉末制氢剂一般为金属粉末和催化剂的混合物，金属粉末优选为铝粉，成本较低，液体可以是清水，也可以是低浓度碱液。具体地，所述排液回收处理装置包括与排液口连接的用于过滤出未反应的残余固体的浓缩过滤器4，与浓缩过滤器4连接的用于回收残余固体的余料回收器5，与浓缩过滤器4连接的用于处理制氢溶液的回收反应器6，与回收反应器6连接的用于处理回收反应器产生的反应沉淀的压滤机7，与压滤机7的液体出口连接的余水回收器8，以及与压滤机7的固体出口连接的压饼产物回收器9，其中，所述回收反应器6上设有添料口，作为回收反应原料可以添加酸液来对制氢溶液进行中和，使其形成氧化物沉淀；余料回收器收集的余料主要。

具体地，所述排氢调节阀包括用于连接排氢管道的阀体管体20，两个穿设在阀体管体20内部并呈相对设置的内衬流管21，在内衬流管21与阀体管体20之间形成的缓冲腔22，设置于阀体管体20末端的调节组件30，以及设置于缓冲腔22内的加固组件40，其中，所述调节组件30包括转动连接于两个内衬流管21之间的连接环形片36，连接环形片36的表面铰接有若干个呈环形阵列分布的闭合叶片35，转动的闭合叶片35对连接环形片36形成开启和关闭，所述加固组件40包括可朝向内衬流管21表面移动的加固板41，关闭的闭合叶片35带动加固板41同步向内衬流管21移动。

在调节排氢流量时，通过闭合叶片35的开启和闭合，从而调节连接环形片36的内圈面积，能够调节氢气从内衬流管21的内穿过的流量，从而形成流量调节的作用；同时，由于径流面积减少，流速增加，内衬流管21内壁所受的压力增加，而加固板41在传动部件43的传动作用下，逐渐靠近并抵紧内衬流管21的表面，能够对内衬流管21起到加固和缓冲的作用，避免内衬流管21的强度不够，导致内衬流管21可能在压力增加的情况下产生变形，对内衬流管21起到加固作用，当内衬流管21产变形后，延伸部件44能够对内衬流管21起到缓冲作用，提高了阀体管体的强度和抗爆能力；而且，传统的调节方式都是从通道的一侧开始，逐渐将整个通道闭合，这种闭合方式下，内衬流管21两侧所承受的流体压强不同，压力分布不均匀，内衬流管21更容易产生形成相变，而通过闭合叶片35从外侧逐渐向内侧闭合，能够使内衬流管21的受压分布更加均匀，流体流速的变化也更加均匀，安全性更好。

如图3和图4所示，所述调节组件30还包括固定设置于阀体管体20内壁的限位连接杆32，所述连接环形片36的外部同轴转动有调节内环31，调节内环31与阀体管体20的内壁转动连接，所述调节内环31相对于限位连接杆32的内部开设有调节槽33，调节槽33与限位连接杆32相适配，所述调节内环31与闭合叶片35相应的内壁铰接有调节杆34，所述调节杆34的末端贯穿内衬流管21并与闭合叶片35相铰接，所述闭合叶片35与连接环形片36的表面铰接。

并且，所述调节内环31的外表面固定连接有与阀体管体20转动连接的连接外环37，连接外环37的外表覆盖设置有旋转环38，旋转环38的两侧延伸并覆盖于连接外环37与阀体管体20的连接处。通过在连接外环37的表面安装旋转环38，能够增加连接外环37的表面积，便于用户转动连接外环37以及调节内环31。

如图5和图6所示，所述加固组件40包括固定于连接外环37两侧连接内环42，所述连接内环42的末端延伸至缓冲腔22的内部，所述连接内环42靠近内衬流管21的内侧设置有具有传动作用的传动部件43，所述传动部件43连动设置有延伸部件44，转动的连接内环42通过传动部件43带动加固板41沿着内衬流管21的径向移动，所述传动部件43包括固定于缓冲腔22内壁的安装杆432，安装杆432的末端两侧均转动连接有从动齿轮433，两个从动齿轮433同轴转动；所述连接内环42的内一侧表面固定连接有外圈齿轮环431，所述外圈齿轮环431与相靠近的一个从动齿轮433啮合。

其中，所述延伸部件44包括固定于缓冲腔22内壁的固定柱441，固定柱441的外部滑动连接有外滑管442，外滑管442的外部固定设置有从动齿条443，从动齿条443与从动齿轮433相啮合，加固板41与外滑管442的末端同步移动，所述外滑管442的内部设置有缓冲部件45，用于对加固板41进行缓冲；所述缓冲部件45包括设置于外滑管442内部的缓冲弹簧454，缓冲弹簧454的末端固定有延伸杆451，延伸杆451的末端与加固板41固定连接，所述延伸杆451的外侧套接有限位挡环452，外滑管442相对于限位挡环452的内壁开设有环形槽453，环形槽453与外滑管442相适配。当加固板41向延伸杆451施加压力时，原本处于正常状态下的缓冲弹簧454受力收缩形变，对加固板41起到缓冲作用，并且限位挡环452能够对延伸杆451起到限位作用，从而使缓冲弹簧454只能在一定范围内收缩，避免缓冲弹簧454过度形变而产生疲劳。。

更进一步地如图8和图9所示，所述排氢调节阀的出口还连接有储气罐3，所述储气罐安置于防护机构内，所述防护机构包括固定安置的防护箱10，设置于防护箱10内底部的缓冲板12，所述缓冲板12的上端设有支撑板11，所述储气罐3位于支撑板11的上方，所述支撑板11的底部两侧均铰接有铰接杆18，所述缓冲板12内部开设有安装腔13，所述铰接杆18的下端伸入安装腔13内部并连接有为其提供水平方向弹性的弹性机构，所述防护箱10内部靠下两侧均设有缓冲滑槽101，所述支撑板11的两端分别在两组缓冲滑槽101之间滑动，所述防护箱10内部位于防护机构上方设有与其内壁之间固定连接的固定环102，所述固定环102的内侧设有用于接触储气罐的缓冲层103。由此可以从侧面环向和下方全面地保护储气罐不会因晃动而造成倾倒发生事故，提高了使用安全性。

具体地，所述弹性机构包括固定在安装腔13内部的限位杆14，所述限位杆14的两端外部均套设有弹簧15，两组所述弹簧15相对的一端均设有套在限位杆14外部的滑套16，两组所述铰接杆18的底部分别与两组滑套16的上端铰接，所述安装腔13上端开设有与外部连通的铰接滑槽17，所述铰接杆18穿过铰接滑槽17伸入安装腔13内，所述支撑板11的底部与铰接杆18连接处设有铰接座19，所述铰接杆18的底部与滑套16连接处设有铰接座19。使用时，铰接杆18受到力的作用时与其底部铰接的滑套16会随之在限位杆14上滑动，进而对弹簧15造成挤压使其发生形变，方便为铰接杆18的底部提供水平方向的弹性。

更进一步地，作为一种辅助防护手段，所述排氢管道上还设有缓冲罐，以便在反应釜内出现剧烈反应时可以辅助排氢调节阀进行流量控制，减轻排氢调节阀的输出压力。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种使用固体粉末制氢剂的制氢装置，其特征在于，包括用于将固体粉末制氢剂与液体反应产生氢气的制氢反应釜(1)，分别设置于制氢反应釜上的加料口、加液口、气体出口和排液口，通过排氢管道与制氢反应釜的气体出口连接的用于稳定氢气输出流量的排氢调节阀(2)，以及与排液口连接的排液回收处理装置；

所述排氢调节阀包括用于连接排氢管道的阀体管体(20)，两个穿设在阀体管体(20)内部并呈相对设置的内衬流管(21)，在内衬流管(21)与阀体管体(20)之间形成的缓冲腔(22)，设置于阀体管体(20)末端的调节组件(30)，以及设置于缓冲腔(22)内的加固组件(40)，其中，所述调节组件(30)包括转动连接于两个内衬流管(21)之间的连接环形片(36)，连接环形片(36)的表面铰接有若干个呈环形阵列分布的闭合叶片(35)，转动的闭合叶片(35)对连接环形片(36)形成开启和关闭，所述加固组件(40)包括可朝向内衬流管(21)表面移动的加固板(41)，关闭的闭合叶片(35)带动加固板(41)同步向内衬流管(21)移动；

所述调节组件(30)还包括固定设置于阀体管体(20)内壁的限位连接杆(32)，所述连接环形片(36)的外部同轴转动有调节内环(31)，调节内环(31)与阀体管体(20)的内壁转动连接，所述调节内环(31)相对于限位连接杆(32)的内部开设有调节槽(33)，调节槽(33)与限位连接杆(32)相适配，所述调节内环(31)与闭合叶片(35)相应的内壁铰接有调节杆(34)，所述调节杆(34)的末端贯穿内衬流管(21)并与闭合叶片(35)相铰接，所述闭合叶片(35)与连接环形片(36)的表面铰接；

所述调节内环(31)的外表面固定连接有与阀体管体(20)转动连接的连接外环(37)，连接外环(37)的外表覆盖设置有旋转环(38)，旋转环(38)的两侧延伸并覆盖于连接外环(37)与阀体管体(20)的连接处；

所述加固组件(40)包括固定于连接外环(37)两侧连接内环(42)，所述连接内环(42)的末端延伸至缓冲腔(22)的内部，所述连接内环(42)靠近内衬流管(21)的内侧设置有具有传动作用的传动部件(43)，所述传动部件(43)连动设置有延伸部件(44)，转动的连接内环(42)通过传动部件(43)带动加固板(41)沿着内衬流管(21)的径向移动，所述传动部件(43)包括固定于缓冲腔(22)内壁的安装杆(432)，安装杆(432)的末端两侧均转动连接有从动齿轮(433)，两个从动齿轮(433)同轴转动；所述连接内环(42)的内一侧表面固定连接有外圈齿轮环(431)，所述外圈齿轮环(431)与相靠近的一个从动齿轮(433)啮合。

2.根据权利要求1所述的使用固体粉末制氢剂的制氢装置，其特征在于，所述排液回收处理装置包括与排液口连接的用于过滤出未反应的残余固体的浓缩过滤器(4)，与浓缩过滤器(4)连接的用于回收残余固体的余料回收器(5)，与浓缩过滤器(4)连接的用于处理制氢溶液的回收反应器(6)，与回收反应器(6)连接的用于处理回收反应器产生的反应沉淀的压滤机(7)，与压滤机(7)的液体出口连接的余水回收器(8)，以及与压滤机(7)的固体出口连接的压饼产物回收器(9)，其中，所述回收反应器(6)上设有添料口。

3.根据权利要求2所述的使用固体粉末制氢剂的制氢装置，其特征在于，所述延伸部件(44)包括固定于缓冲腔(22)内壁的固定柱(441)，固定柱(441)的外部滑动连接有外滑管(442)，外滑管(442)的外部固定设置有从动齿条(443)，从动齿条(443)与从动齿轮(433)相啮合，加固板(41)与外滑管(442)的末端同步移动，所述外滑管(442)的内部设置有缓冲部件(45)，用于对加固板(41)进行缓冲；所述缓冲部件(45)包括设置于外滑管(442)内部的缓冲弹簧(454)，缓冲弹簧(454)的末端固定有延伸杆(451)，延伸杆(451)的末端与加固板(41)固定连接，所述延伸杆(451)的外侧套接有限位挡环(452)，外滑管(442)相对于限位挡环(452)的内壁开设有环形槽(453)，环形槽(453)与外滑管(442)相适配。

4.根据权利要求3所述的使用固体粉末制氢剂的制氢装置，其特征在于，所述排氢调节阀的出口还连接有储气罐(3)，所述储气罐安置于防护机构内，所述防护机构包括固定安置的防护箱(10)，设置于防护箱(10)内底部的缓冲板(12)，所述缓冲板(12)的上端设有支撑板(11)，所述储气罐(3)位于支撑板(11)的上方，所述支撑板(11)的底部两侧均铰接有铰接杆(18)，所述缓冲板(12)内部开设有安装腔(13)，所述铰接杆(18)的下端伸入安装腔(13)内部并连接有为其提供水平方向弹性的弹性机构，所述防护箱(10)内部靠下两侧均设有缓冲滑槽(101)，所述支撑板(11)的两端分别在两组缓冲滑槽(101)之间滑动，所述防护箱(10)内部位于防护机构上方设有与其内壁之间固定连接的固定环(102)，所述固定环(102)的内侧设有用于接触储气罐的缓冲层(103)。

5.根据权利要求4所述的使用固体粉末制氢剂的制氢装置，其特征在于，所述弹性机构包括固定在安装腔(13)内部的限位杆(14)，所述限位杆(14)的两端外部均套设有弹簧(15)，两组所述弹簧(15)相对的一端均设有套在限位杆(14)外部的滑套(16)，两组所述铰接杆(18)的底部分别与两组滑套(16)的上端铰接，所述安装腔(13)上端开设有与外部连通的铰接滑槽(17)，所述铰接杆(18)穿过铰接滑槽(17)伸入安装腔(13)内，所述支撑板(11)的底部与铰接杆(18)连接处设有铰接座(19)，所述铰接杆(18)的底部与滑套(16)连接处设有铰接座(19)。

6.根据权利要求5所述的使用固体粉末制氢剂的制氢装置，其特征在于，所述排氢管道上还设有缓冲罐。

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