CN115663234A - 一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置 - Google Patents

Abstract

一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，包括制氢模块、燃料电池发电模块、热回收模块和控制模块，所述的制氢模块包括反应器、水箱、水泵和冷却系统，水箱的出口通过管道与水泵的进口连接，水泵的出口通过第一多通道阀组、若干个进水管与反应器连接，任意一个进水管均各自进入反应器中并延伸至反应器的底部，进水管的侧壁中沿轴向和周向设置有若干个通孔，通孔的周围设置有氢化镁固体燃料和温度传感器。本发明将水按需按量精确控制泵入到含有氢化镁固态燃料的反应器里，根据产氢量需求精准控制进水量，从而控制产氢量。本发明通过冷却系统控制温度，并通过热回收装置回收水解反应时产生的热，可以进一步提高系统的能量利用效率。

Description

一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置

技术领域

本发明涉及化学领域，尤其涉及制氢装置，特别是一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种把氢气和空气中的氧气的化学能直接转化为电能的装置，具有转换效率高，无污染，噪音低，安全可靠等优点，在各个领域均得到了广泛的应用。固态储氢作为一种可以安全长期储存氢气的方式，且具有较高的储氢密度，在便携式电源、应急电源和备用电源等应用场景具备一定的优势。镁是地球上储量最丰富的轻合金之一，我国的镁储量十分丰富，居世界第二位。镁氢化后生成的氢化镁具有很高的储氢密度（7.6 wt%），一直得到广泛的关注。氢化镁放氢有如下两种方式：热分解和水解两种方式，加热分解释放氢气是吸热反应，具有较高的焓变，需要在400℃以上才能分解释放氢气；而水解反应自身是放热反应，在室温下就能进行，释放氢量为固体氢化镁质量的15.2%，是热分解的两倍，因此氢化镁水解产氢这一技术路线引起了人们广泛的研究兴趣。

MgH₂ ——> Mg+H₂ ΔH=74.5kJ/mol

MgH₂+2H₂O ——> Mg(OH)₂+2H₂ ΔH=-277 kJ/mol

但是由于氢化镁水解反应速率比较难以控制，目前的氢化镁水解制氢发电装置大都以1kW功率以下，且氢化镁水解产品水解反应温度都比较高，在300-500℃之间。据研究表明，MgH₂在350℃以上高温时水解反应主要产物为氧化镁，而在300℃以下低温时水解反应产物主要为氢氧化镁。高温下水解反应产物为氧化镁时所需氢化镁和水的摩尔比为1：1，用水量较少，比较适合对系统重量有严格要求的应用场景，如无人机和单兵电源系统等；而反应产物为氢氧化镁时，氢化镁和水的摩尔比例为1：2，用水量较多，比较适合对系统重量要求不严格的应用场景，如固定电源等。反应温度较高需要一系列的保温隔热措施，来避免操作人员的烫伤等风险。当反应温度至400℃以上时，还会发生氢化镁自分解反应，导致系统整体产氢量的下降，因此有必要研究开发在较温和温度下（200℃以下）的氢化镁水解制氢系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，所述的这种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置要解现有技术中氢化镁水解制氢反应温度过高的技术问题。

本发明的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，包括制氢模块、燃料电池发电模块、热回收模块和控制模块，所述的制氢模块包括反应器、水箱、水泵和冷却系统，水箱的出口通过管道与水泵的进口连接，水泵的出口通过第一多通道阀组、若干个进水管与反应器连接，任意一个进水管均各自进入反应器中并延伸至反应器的底部，进水管的侧壁中沿轴向和周向设置有若干个通孔，任意一个通孔的周围均设置有氢化镁固体燃料和温度传感器，反应器中设置有若干个第一压力传感器、集气管和氢气出口，集气管与氢气出口连接，氢气出口通过管道与燃料电池发电模块的氢气入口连接；

所述的冷却系统包括冷却液容器、冷却泵，冷却液容器的出口通过管道与冷却泵的入口连接，冷却泵的出口通过第二多通道阀组、若干个冷却管道与反应器连接，任意一个冷却管道的一端均各自进入反应器的氢化镁固体燃料中并环绕在进水管和温度传感器的周围，然后冷却管道离开反应器，再与冷却液容器的入口连接，热回收模块设置在反应器与冷却液容器之间的冷却管道上；

所述的水泵的控制端、第一多通道阀组的控制端、温度传感器的输出端、第一压力传感器的输出端、燃料电池发电模块的控制端、冷却泵的控制端、第二多通道阀组的控制端分别与控制模块连接。

进一步的，所述的反应器的顶部设置有安全泄压阀和电子排气阀。

进一步的，所述的燃料电池发电模块包括电堆，反应器与电堆之间的管道上依次设置有第二压力传感器、电磁阀、气液分离器、过滤器和减压器，电磁阀连接有排气阀，电堆连接有空气提供装置。

进一步的，所述的空气提供装置为开放式阴极结构的风机或者闭合式阴极结构的空气压缩机或者空气泵。

进一步的，所述的温度传感器为热电偶或者或耐高温铂热电阻。

进一步的，所述的热回收模块包括冷水箱和冷水供应装置，反应器与冷却液容器之间的冷却管道构成平板式散热结构并浸在冷水箱中，冷水供应装置的出口通过管道、控制调节阀与冷水箱的入口连接，冷水箱的出口连接有热水输出端。

进一步的，所述的热回收模块采用平板式散热器结构。

进一步的，任意一个冷却管道均沿横向和纵向流经整个反应器，或者分区域流经反应器，所述的区域包括上部区域、中部区域和下部区域，或者包括左部区域、中部区域和右部区域。

进一步的，所述的第一多通道阀组和第二多通道阀组各自由多个电磁阀集成组合构成，或者由各个电磁阀分散构成，或者由第一多通道泵组和第二多通道泵组结构组成，或者由多泵组和多阀组构成。

本发明与现有技术相比，其效果是积极和明显的。本发明将水按需按量精确控制泵入到含有氢化镁固态燃料的反应器里，根据产氢量需求精准控制进水量，从而控制产氢量。水解反应为放热反应，本发明通过冷却系统控制温度，并通过热回收装置回收水解反应时产生的热，可以进一步提高系统的能量利用效率。

附图说明

图1为本发明的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置的各模块示意图。

图2为本发明的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置的具体结构示意图。

图3为本发明的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置中的反应器内部示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明并不限制于本实施例，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。本发明中的上、下、前、后、左、右等方向的使用仅为了描述方便，并非对本发明的技术方案的限制。

如图1-图3所示，本发明的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，包括制氢模块、燃料电池发电模块、热回收模块和控制模块，所述的制氢模块包括反应器1、水箱2、水泵3和冷却系统，水箱2的出口通过管道与水泵3的进口连接，水泵3的出口通过第一多通道阀组4、若干个进水管5与反应器1连接，任意一个进水管5均各自进入反应器1中并延伸至反应器1的底部，进水管5的侧壁中沿轴向和周向设置有若干个通孔，任意一个通孔的周围均设置有氢化镁固体燃料和温度传感器6，反应器1中设置有若干个第一压力传感器、集气管7和氢气出口，集气管7与氢气出口连接，氢气出口通过管道与燃料电池发电模块的氢气入口连接；

所述的冷却系统包括冷却液容器8、冷却泵9，冷却液容器8的出口通过管道与冷却泵9的入口连接，冷却泵9的出口通过第二多通道阀组10、若干个冷却管道11与反应器1连接，任意一个冷却管道11的一端均各自进入反应器1的氢化镁固体燃料中并环绕在进水管5和温度传感器6的周围，然后冷却管道11离开反应器1，再与冷却液容器8的入口连接，热回收模块设置在反应器1与冷却液容器8回液口之间的冷却管道11上；

所述的水泵3的控制端、第一多通道阀组4的控制端、温度传感器6的输出端、第一压力传感器的输出端、燃料电池发电模块的控制端、冷却泵9的控制端、第二多通道阀组10的控制端分别与控制模块连接。

进一步的，所述的反应器1的顶部设置有安全泄压阀25和电子排气阀。

进一步的，所述的燃料电池发电模块包括电堆12，反应器1与电堆12之间的管道上依次设置有第二压力传感器13、电磁阀14、气液分离器15、过滤器16和减压器17，电磁阀14连接有排气阀18，电堆12连接有空气提供装置19。

进一步的，所述的空气提供装置19为开放式阴极结构的风机或者闭合式阴极结构的空气压缩机或者空气泵。

进一步的，所述的温度传感器6为热电偶或者或耐高温铂热电阻。

进一步的，所述的热回收模块包括冷水箱20和冷水供应装置21，反应器1与冷却液容器8之间的冷却管道11构成平板式散热结构22并浸在冷水箱20中，冷水供应装置21的出口通过管道、控制调节阀23与冷水箱20的入口连接，冷水箱20的出口连接有热水输出端24。

进一步的，所述的热回收模块采用平板式散热器结构。

进一步的，任意一个冷却管道11均沿横向和纵向流经整个反应器，或者分区域流经反应器，所述的区域包括上部区域、中部区域和下部区域，或者包括左部区域、中部区域和右部区域。

进一步的，所述的第一多通道阀组4和第二多通道阀组10各自由多个电磁阀集成组合构成，或者由各个电磁阀分散构成，或者由第一多通道泵组和第二多通道泵组结构组成，或者由多泵组和多阀组构成。

具体的，本实施例中的反应器1、水泵3、第一多通道阀组4、温度传感器6、压力传感器、冷却泵9、第二多通道阀组10、热回收模块、安全泄压阀25、电子排气阀、电堆12、电磁阀14、气液分离器15、过滤器16、减压器17、排气阀18、空气提供装置19、开放式阴极结构的风机、闭合式阴极结构的空气压缩机、空气泵、热电偶、平板式散热结构22、冷水供应装置21、控制调节阀23、平板式散热器结构等均采用现有技术中的公知方案，本领域技术人员均已了解，在此不再赘述。

本实施例的工作原理如下：

一、制氢模块包括反应器1、水箱2及辅助器件（包括水泵3、过滤器16、减压器17和各类阀组）等。采用氢化镁水解反应器1和水箱2分离设计，控制模块根据第一压力传感器和温度传感器6反馈的反应器1内温度和压力，控制泵水和冷却液的流速以及第一多通道阀组4和第二多通道阀组10的的开合，控制打水量来控制产氢量；水箱2里的水经过水泵3和第一多通道阀组4按需进入反应器1，反应器1内的氢化镁固体燃料与泵进去的水发生水解反应产生氢气，产生的氢气经过气液分离器15去除水汽，过滤器16去除杂质以及减压器17降压后，供给电堆12使用，电堆12内部进行电化学反应，将燃料的化学能转化为电能供外部负载26使用。

反应器1采用不锈钢或其他耐高温高压的材质，反应器1通过电加热将进水预热成为水蒸气，水蒸气通过进水管5的多个通孔进入反应器1，实现反应器1内水与氢化镁颗粒的充分均匀接触。氢化镁颗粒为微米级颗粒，在3-100微米范围内，也可以是微米级颗粒再加工成块或者其他所需形状。

燃料电池发电模块是一个阴极为空气或氧气、阳极为氢气的质子交换膜燃料电池系统，其中氢气来自制氢模块，空气或氧气来自高压气罐、风机、气泵或者空气压缩机等辅助设备，通过电化学反应实现化学能转换成电能。

燃料电池电堆12采用开放式阴极结构的风机等方式吸入或者吹进空气，或者采用闭合式阴极结构的空气压缩机或者空气泵来吸入空气，或者采用氧气罐、空气罐等方式提供空气，均属于本发明的保护范围。

二、由于氢化镁水解反应为放热反应，为了维持水解反应的温度在设定范围内，水解反应产生的废热需要及时快速地从反应器1排出。反应器1内部温度通过控制模块控制冷却系统进行调节，水解反应产生的废热由冷却系统散热。当温度传感器6监测到该处温度高于目标温度时，控制模块控制第二多通道阀组10打开该处对应的冷却管道11给反应器1内部降温，反应器1内部目标温度为100-200℃范围内。通过反应器1后的冷却液与冷水箱20里的冷水经过热交换，重新流回反应器1。控制模块根据冷水箱20内的温度控制冷水供应装置21的开闭，热水输出端24用于供外部使用热水。

根据反应器1尺寸，可选择冷却管道11沿高度方向流经整个反应器1内腔，或者分区域流经反应器1，比如上部区域、中部区域和下部区域或者左部区域、中部区域和右部区域。冷却液可以为乙二醇、去离子水、甘油、硅油或者上述的混合液及其他导热液体。

冷却管采用不锈钢金属管或者其他可以耐高温金属材料，反应器1外部的冷却管集中排列成板式或者簇状或波浪状等易于散热形状。

三、热回收模块回收制氢模块转移出的热量，为外部提供热水或者用热系统使用。热回收模块也可以是板式等易散热结构，采用外界空气自然冷却或风扇吹的散热片形式给室内供暖。

四、通过第一多通道阀组4来控制各个进水管的开合频率，通过第二多通道阀组10来控制冷却液的开合频率。第一多通道阀组4和第二多通道阀组10可以由多个电磁阀14集成组合在一起，或者各电磁阀14分散放置、单独控制；第一多通道阀组4和第二多通道阀组10也可以由第一多通道多泵组和第二多通道泵组结构替代，或者由使用多泵组和多阀组构成，均属于本发明的保护范围内。

五、控制模块可以为一个主控制板统一控制各个模块，也可以每个模块建立自己的子控制模块，然后通过主控制板来根据读取的参数分别控制各子模块。控制模块时时读取分析其他模块的参数并且按照外部负载26和外部用热系统的需求控制其他模块内各组件的运转。

六、可根据实际输出功率的需求和反应器1的大小，来决定温度传感器6、进水管5的数量和冷却管的数量和分布。反应器1内的多个集气管7和氢气出口用于确保产生的氢气可以安全快速的从反应器1运输出来。根据反应器1内压力反馈来决定进水速度，从而将反应器1内压力控制在2bar以下。此外，超过目标压力后安全泄压阀25开启降压，确保反应器1内压力在设定工作压力内。

需要注意的是，图2所示为示意图，不代表实际排序，各部件排列先后顺序可以根据实际需要做出调整。

下面用两个实施例对本发明进行说明。

实施例1：

本发明的一个具体实施例中，反应器1内装满3-50微米级颗粒的氢化镁，采用2-4根多孔不锈钢管进水，采用类似弹簧形状的冷却管道11环绕进水管5，进水管5上中下位置处均布有热电偶检测，冷却管道11分区域布置在反应器1上部区域、中部区域和下部区域。采用多孔不锈钢管收集氢气，然后经过气液分离器15、过滤器16和减压器17进入燃料电池电堆12，电堆12阴极采用空气压缩机提供空气，氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆12中发生电化学反应产生电能和水。系统的控制模块时时监测反应器1内热电偶温度、反应器1内第一压力传感器读数、各部件温度以及燃料电池电堆12电压电流等模块参数，以及控制水泵3、冷却泵9、第一多通道阀组4和第二多通道阀组10里各阀组的开合。冷却液采用乙二醇，反应器1内部目标温度为150℃。反应器1外部冷却管采用平板式结构浸入冷水箱20内，根据需求为外界提供热水。

实施例2：

本发明的另一个具体实施例中，反应器1内装满3-50微米级颗粒的氢化镁，采用2-4根多孔不锈钢管进水，采用类似弹簧形状冷却管环绕进水管5，进水管5上下位置处均布有热电偶检测，冷却管分区域布置在反应器1上部区域和下部区域。采用多孔不锈钢管收集氢气，然后经过气液分离器15、过滤器16和减压器17进入燃料电池电堆12，电堆12阴极采用风机提供空气，氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆12中发生电化学反应产生电能和水。系统的控制模块时时监测反应器1内热电偶温度、反应器1内第一压力传感器读数、各部件温度以及燃料电池电堆12电压电流等模块参数，以及控制水泵3、冷却泵9、第一多通道阀组4和第二多通道阀组10中各阀组的开合。冷却液采用乙二醇，反应器1内部目标温度为150℃。反应器1外部冷却管采用平板式散热器结构自然散热，可在冬季低温时使用。

要实现氢化镁水解反应的可控性，必须保证两种反应产物处于隔离状态并且可以精确控制参与制氢反应的反应物的量，并且可以随时按需求增减或停止反应物的供给。对于氢化镁和水这两种反应物，水作为流动性较好的液态比较容易精确控制，所以本发明将水按需按量精确控制泵入到含有氢化镁固态燃料的反应器1里，根据产氢量需求精准控制进水量，从而控制产氢量。水解反应为放热反应，本发明通过冷却系统控制温度，并通过热回收装置回收水解反应时产生的热，可以进一步提高系统的能量利用效率。

Claims (9)

1.一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，其特征在于：包括制氢模块、燃料电池发电模块、热回收模块和控制模块，所述的制氢模块包括反应器（1）、水箱（2）、水泵（3）和冷却系统，水箱（2）的出口通过管道与水泵（3）的进口连接，水泵（3）的出口通过第一多通道阀组（4）、若干个进水管（5）与反应器（1）连接，任意一个进水管（5）均各自进入反应器（1）中并延伸至反应器（1）的底部，进水管（5）的侧壁中沿轴向和周向设置有若干个通孔，任意一个通孔的周围均设置有氢化镁固体燃料和温度传感器（6），反应器（1）中设置有若干个第一压力传感器、集气管（7）和氢气出口，集气管（7）与氢气出口连接，氢气出口通过管道与燃料电池发电模块的氢气入口连接；

所述的冷却系统包括冷却液容器（8）、冷却泵（9），冷却液容器（8）的出口通过管道与冷却泵（9）的入口连接，冷却泵（9）的出口通过第二多通道阀组（10）、若干个冷却管道（11）与反应器（1）连接，任意一个冷却管道（11）的一端均各自进入反应器（1）的氢化镁固体燃料中并环绕在进水管（5）和温度传感器（6）的周围，然后冷却管道（11）离开反应器（1），再与冷却液容器（8）的入口连接，热回收模块设置在反应器（1）与冷却液容器（8）之间的冷却管道（11）上；

所述的水泵（3）的控制端、第一多通道阀组（4）的控制端、温度传感器（6）的输出端、第一压力传感器的输出端、燃料电池发电模块的控制端、冷却泵（9）的控制端、第二多通道阀组（10）的控制端分别与控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，其特征在于：所述的反应器（1）的顶部设置有安全泄压阀（25）和电子排气阀。

3.根据权利要求1所述的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，其特征在于：所述的燃料电池发电模块包括电堆（12），反应器（1）与电堆（12）之间的管道上依次设置有第二压力传感器（13）、电磁阀（14）、气液分离器（15）、过滤器（16）和减压器（17），电磁阀（14）连接有排气阀（18），电堆（12）连接有空气提供装置（19）。

4.根据权利要求1所述的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，其特征在于：所述的空气提供装置（19）为开放式阴极结构的风机或者闭合式阴极结构的空气压缩机或者空气泵。

5.根据权利要求1所述的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，其特征在于：所述的温度传感器（6）为热电偶或者或耐高温铂热电阻。

6.根据权利要求1所述的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，其特征在于：所述的热回收模块包括冷水箱（20）和冷水供应装置（21），反应器（1）与冷却液容器（8）之间的冷却管道（11）构成平板式散热结构（22）并浸在冷水箱（20）中，冷水供应装置（21）的出口通过管道、控制调节阀（23）与冷水箱（20）的入口连接，冷水箱（20）的出口连接有热水输出端（24）。

7.根据权利要求1所述的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，其特征在于：所述的热回收模块采用平板式散热器结构。

8.根据权利要求1所述的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，其特征在于：任意一个冷却管道（11）均沿横向和纵向流经整个反应器，或者分区域流经反应器，所述的区域包括上部区域、中部区域和下部区域，或者包括左部区域、中部区域和右部区域。

9.根据权利要求1所述的一种温和可控的氢化镁水解制氢热电联合装置，其特征在于：所述的第一多通道阀组（4）和第二多通道阀组（10）各自由多个电磁阀集成组合构成，或者由各个电磁阀分散构成，或者由第一多通道泵组和第二多通道泵组结构组成，或者由多泵组和多阀组构成。

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