CN116177488B - 一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置，涉及氢气制备设备技术领域，包括供料机构、储料机构、传动机构、反应机构、收集机构和压力调节器，储料机构的上方连通有收集机构，储料机构的下方连通有供料机构，供料机构连通反应机构，反应机构上连通有压力调节器，储料机构、供料机构均与传动机构连接。本发明具有制氢速率可控、固体粉末燃料能量利用率高、制氢便捷、氢气纯度高、连续产氢、安全程度高、适用范围广以及能够与不同功率的氢燃料电池相适配的优点。
Description
技术领域
本发明涉及氢气制备设备技术领域，尤其涉及一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置。
背景技术
随着世界工业的蓬勃发展，各国在交通、电力和制冷等方面的能源需求急剧增长。氢气具有极高的能量密度（140MJ/kg），约为汽油和天然气的三倍。氢能是能源体系改革中不可缺少的关键一环。
在氢气的开发利用过程中，制氢是首要环节。目前的氢气制备技术中，利用化石燃料制氢是比较成熟的制氢方式，但是制氢过程中会伴随一氧化碳、二氧化碳或硫化物等气体的产生，不属于清洁能源。工业副产氢则十分依赖于与氢产业相关的工业规模，提升的空间不大。电解水制氢的成本高昂，而且对电解槽的要求很高，仍不能大规模应用。
水解制氢是一种集制/储氢于一体的实时供氢技术，与上述制氢技术相比，具有制取氢气纯度高，产物对环境无害等优势，但是需要一种安全可靠、制氢可控、可连续制氢的装置来使这一技术真正的得到应用。
公开号为CN102101645A的中国专利，公开了一种硼氢化钠水解制氢系统，结构包括：硼氢化钠催化反应器、硼氢化钠水溶液原料储罐、微型计量泵、气液分离器和氢气净化器；通过微型计量泵将原料储罐中的硼氢化钠水溶液注入到催化反应器中，通过憎水透气膜实现气液分离，通过氢气净化器净化后与氢气使用装置相连。该水解制氢系统虽然可以实现氢气的制取，但是由于微型计量泵的压头较小，难以得到满足要求的氢压，很难应用于燃料电池等用氢装置中。并且仅仅使用憎水透气膜来进行气液分离，分离后氢气的干燥度仍会较差，甚至可能造成氢气通路的堵塞。
公开号为CN102786031B的中国专利，公开了一种粉末水解制氢装置，结构包括：粉末原料溶液罐、反应罐；所述原料液为将制氢粉末溶解于水得到；反应罐当中装有催化剂；通过将粉末原料溶液罐中的溶液加入到反应罐中来制得氢气。虽然可以大大减小了装置的复杂性，但是将粉末配置成溶液会造成部分原料的损失，并且对于装置内部的氢压没有调控措施，存在安全隐患。
公开号为CN102167285A的中国专利，公开了一种便携式安全可控的水解制氢装置，结构包括：储存固体反应物料的反应器、微型泵、储水罐和管路；利用微型泵将储水罐中的水注入反应器中，将生成的氢气通过冷凝干燥器中；冷凝干燥器与氢气收集装置相连。该装置具有响应时间短，简单易操作等优点；但是将少量水加入到粉末当中，存在安全问题，并且制氢速率不容易控制。
公开号为CN101597023A的中国专利，公开了一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢装置和方法。结构包括：设有换热器的催化反应室、气液分离器、燃料泵和控制单元；该装置通过控制燃料液与催化剂的接触和分离来对制氢的过程进行调控，虽然能够做到即时按需制氢，但是使用贵金属作催化剂时成本较高，并且副产物可能会沉积催化剂表面，造成催化剂的使用寿命受限，所用的燃料液可能会发生自分解，造成反应物的损失。
因此，如何改变现有技术中，水解制氢装置在连续制备氢气的过程中，存在氢气纯度不高、转化率不足以及安全性不够的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置，解决背景技术中所列的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置，包括供料机构、储料机构、传动机构、反应机构、收集机构和压力调节器，所述储料机构的上方连通有所述收集机构，所述储料机构的下方连通有所述供料机构，所述供料机构连通所述反应机构，所述反应机构上连通有所述压力调节器，所述储料机构、所述供料机构均与所述传动机构连接；
所述供料机构包括螺旋送料杆、送料片和圆柱料筒，所述螺旋送料杆可旋转的布置在所述圆柱料筒内部，所述螺旋送料杆外表面沿轴向布置有多个所述送料片；所述圆柱料筒远离所述传动机构的一侧连通所述反应机构；
所述储料机构包括储料漏斗和搅拌螺旋轴，所述搅拌螺旋轴可旋转的布置在所述储料漏斗内部，所述储料漏斗的底部与所述圆柱料筒的内腔连通；所述搅拌螺旋轴的顶端与所述传动机构传动连接；
所述压力调节器的右端连通所述反应机构中的反应室，所述压力调节器内部布置有挡片和弹簧；所述弹簧一端连接在所述压力调节器左侧内壁，所述弹簧另一端连接在所述挡片上，所述压力调节器底部中间位置开有通孔，所述通孔通过管道连通所述收集机构，所述压力调节器与所述收集机构连通的所述管道上设置有单向阀；
所述收集机构包括氢气收集容器、固体酸块、氢气管道和电磁阀，所述氢气收集容器通过所述氢气管道与所述储料漏斗的上方连通，所述氢气管道靠近所述储料漏斗的一侧布置有所述固体酸块，所述氢气管道靠近所述氢气收集容器的一侧布置有所述电磁阀。
优选的，所述传动机构包括传动电机、第一传动轴、第二传动轴，所述传动电机的输出端设置有所述第一传动轴，所述第一传动轴通过联轴器与所述螺旋送料杆连接并带动所述螺旋送料杆旋转；所述第一传动轴上安装有主动链轮，所述第二传动轴上安装有从动链轮，所述主动链轮和从动链轮通过链条连接在一起，所述第二传动轴通过齿轮组与所述搅拌螺旋轴传动连接并驱动所述搅拌螺旋轴旋转。
优选的，所述传动电机采用交流变频电机。
优选的，所述反应机构还包括强磁体、出水阀和进水阀，所述反应室的顶部连通所述圆柱料筒，所述反应室的底部布置有所述强磁体，所述反应室的侧壁底部设置有出水管，所述出水管上安装有所述出水阀，且所述出水阀布置在所述强磁体上方；所述反应室右上角设置有进水管，所述进水管上安装有所述进水阀；所述反应室顶部通过氢气回流管道与所述储料漏斗相连通。
优选的，所述储料漏斗中储存的固体粉末反应物为LiBH4、NaBH4或NH3BH3中的一种或几种。
优选的，所述反应室中的反应溶液为CoCl2溶液。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
储料漏斗既可以储存固体粉末反应物，又可以吸收氢气中的水分，达到干燥氢气和固体粉末反应物预反应的目的；
搅拌螺旋轴可以对固体粉末反应物进行细化，保证固体粉末反应物的新鲜表面裸露在外，使得反应物可以顺利的进入螺旋送料杆中；
通过调节传动电机的频率，可以使送料速率满足不同的氢流量需要；
强磁体能够使生成的黑色固体与液体分离，达到气、液、固三相分离的目的；
生成的氢气通过固体酸块后进入收集容器中，通过控制电磁阀的输出流量，达到即时按需用氢的目的；
压力调节器可以保证整个装置中的压力处于安全可控的范围之内，提高水解制氢的安全性，同时也保证了用氢终端所需的氢流量和氢压稳定、可控。
总的来说，本发明具有制氢速率可控、固体粉末燃料能量利用率高、制氢便捷、氢气纯度高、连续产氢、安全程度高、适用范围广、能与不同功率的氢燃料电池相适配等优点。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置示意图；
图2为本发明A部放大示意图。
附图标记说明：1、传动电机；2、第一传动轴；3、螺旋送料杆；4、储料漏斗；5、搅拌螺旋轴；6、送料片；7、反应室；8、强磁体；9、出水阀；10、进水阀；11、氢气收集容器；12、固体酸块；13、氢气管道；14、电磁阀；15、压力调节器；16、第二传动轴；17、链条；18、圆柱料筒；19、单向阀。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示，一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置，包括供料机构、储料机构、传动机构、反应机构、收集机构和压力调节器15，所述储料机构的上方连通有所述收集机构，所述储料机构的下方连通有所述供料机构，所述供料机构连通所述反应机构，所述反应机构上连通有所述压力调节器15，所述储料机构、所述供料机构均与所述传动机构连接；
具体的，所述供料机构包括螺旋送料杆3、送料片6和圆柱料筒18，所述螺旋送料杆3可旋转的布置在所述圆柱料筒18内部，所述螺旋送料杆3外表面沿轴向布置有多个所述送料片6，送料片6之间的间距根据所需的氢流量确定；所述圆柱料筒18远离所述传动机构的一侧连通所述反应机构；
具体的，所述储料机构包括储料漏斗4和搅拌螺旋轴5，所述搅拌螺旋轴5可旋转的布置在所述储料漏斗4内部，所述储料漏斗4的底部与所述圆柱料筒18的内腔连通；所述搅拌螺旋轴5的顶端与所述传动机构传动连接；储料漏斗4中的固体粉末反应物与水反应后会结块，为了便于固体粉末反应物进入圆柱料筒18，搅拌螺旋轴5表面均匀分布多个圆环状刀片，有利于对固体粉末反应物进行细化，便于固体粉末反应物进入圆柱料筒18中，同时使得固体粉末反应物的新鲜表面暴露出来，增大与湿润氢气的接触面积，有利于对氢气进行干燥；
具体的，所述压力调节器15的右端连通所述反应机构中的反应室7，所述压力调节器15内部布置有挡片和弹簧；所述弹簧一端连接在所述压力调节器15左侧内壁，所述弹簧另一端连接在所述挡片上，所述压力调节器15底部中间位置开有通孔，所述通孔通过管道连通所述收集机构，所述压力调节器15与所述收集机构连通的管道上设置有单向阀19，氢气压力变大时，氢气推动挡片向左移动，此时弹簧被压缩，当氢气压力持续变大时，氢气推动挡片向左移动至压力调节器中部时，氢气经管道进入氢气收集容器11中，由于单向阀19的设置，使得氢气只能从压力调节器15向氢气收集容器11流动，保证了整个装置内部压力的稳定，实现了制备氢气时的可靠性和安全性；
具体的，所述收集机构包括氢气收集容器11、固体酸块12、氢气管道13和电磁阀14，所述氢气收集容器11通过所述氢气管道13与所述储料漏斗4的上方连通，所述氢气管道13靠近所述储料漏斗4的一侧布置有所述固体酸块12，所述氢气管道13靠近所述氢气收集容器11的一侧布置有所述电磁阀14；所述氢气管道13靠近所述储料漏斗4的一侧布置有所述固体酸块12，能够有效去除制备的氢气中可能存在的碱性物质，进一步提升氢气的纯度；所述氢气管道13靠近所述氢气收集容器11的一侧布置有所述电磁阀14，便于控制输出氢流量和氢压的稳定。
具体的，所述传动机构包括传动电机1、第一传动轴2、第二传动轴16，所述传动电机1的输出端设置有所述第一传动轴2，所述第一传动轴2通过联轴器与所述螺旋送料杆3连接并带动所述螺旋送料杆3旋转；所述第一传动轴2上安装有主动链轮，所述第二传动轴16上安装有从动链轮，所述主动链轮和从动链轮通过链条17连接在一起，所述第二传动轴16通过齿轮组与所述搅拌螺旋轴5传动连接并驱动所述搅拌螺旋轴5旋转。
具体的，所述传动电机1采用交流变频电机，通过调节传动电机1的频率，可以控制螺旋送料杆3的送料速率，从而与不同的用氢终端相适应。
具体的，所述反应机构还包括强磁体8、出水阀9和进水阀10，所述反应室7的顶部连通所述圆柱料筒18，所述反应室7的底部布置有所述强磁体8，所述反应室7的侧壁底部设置有出水管，所述出水管上安装有所述出水阀9，且所述出水阀9布置在所述强磁体8上方，有利于实现固液分离，便于废液排出；所述反应室7右上角设置有进水管，所述进水管上安装有所述进水阀10；所述反应室7顶部通过氢气回流管道与所述储料漏斗4相连通。
具体的，所述储料漏斗4中储存的固体粉末反应物为LiBH4、NaBH4或NH3BH3中的一种或几种，能够提高系统的储氢量，对制氢速率进行调控，最终使得氢流量和氢压满足用氢终端的需求，从而使氢能得以应用。
具体的，所述反应室7中的反应溶液为CoCl2溶液。
工作时，固体粉末反应物通过螺旋送料杆3进入到反应室7中，溶液通过进水阀10加入反应室7中，产生的氢气传输至储料罐4中进行干燥，随后通过固体酸块12进入到氢气收集容器11中，最后通过电磁阀14调控输出的氢流量和氢压。反应室7中残余的液体通过出水阀9排出。压力调节器15与反应室7相连通，保证了装置内的氢压始终处于安全稳定的范围内，提高制氢过程中的安全性，同时为用氢终端提供稳定、可靠的氢流量和氢压。
下面通过具体的实施例，对本发明的适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置，进行进一步的解释说明。
实施例一
如图1-2所示，一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置包括供料机构、储料机构、传动机构、反应机构、收集机构和压力调节器15；反应机构包括反应室7、强磁体8、出水阀9和进水阀10；收集机构包括氢气收集容器11、固体酸块12和电磁阀14，反应室7和氢气收集容器11之间通过氢气管道13相连通，氢气管道13设置有固体酸块12，通过电磁阀14来控制氢流量的输出；压力调节器15，能够保证装置内部的氢压始终处于稳定的状态，从而实现制氢安全、可控。所述反应室7与储料漏斗4通过氢气管道13相连通，既可以通过固体粉末反应物吸收氢气中的水蒸气，又可以促使反应物的预反应。
储料漏斗4内储存的固体粉末反应物为NaBH4固体粉末。在室温下，通过进水阀10向反应室中加入20mL0.5wt.%的CoCl2溶液，反应物从储料漏斗4进入圆柱料筒18，螺旋送料杆3以某一送料速率将固体粉末反应物送入反应室7中，产生的氢气向上流动经储料漏斗4和固体酸块12后进入氢气收集容器11中，并通过电磁阀14来调节输出的氢流量。制氢结束后的废液通过出水阀9排出，在整个产氢过程中，通过压力调节器来控制装置内的氢压，确保安全、稳定。压力调节过程没有说，需要补充上。
实施例二
储料漏斗4内储存的固体粉末反应物为LiBH4固体粉末。在室温下，通过进水阀10向反应室中加入20mL0.5wt.%的CoCl2溶液，反应物从储料漏斗4进入圆柱料筒18，螺旋送料杆3以某一送料速率进入反应室中，产生的氢气经储料漏斗4和固体酸块12进入收集容器中，并通过电磁阀14来调节输出的氢流量。制氢结束后的废液通过出水阀9排出，在整个产氢过程中，通过压力调节器来控制装置内的氢压，确保安全、稳定。
实施例三
装置同实施例一，储料漏斗4内储存的固体粉末反应物为LiBH4-5wt.%CoCl2固体粉末复合材料。在室温下，通过进水阀10向反应室中加入20mL去离子水，反应物从储料漏斗4进入圆柱料筒18，螺旋送料杆3以某一送料速率进入反应室中，产生的氢气经储料漏斗4和固体酸块12进入收集容器中，并通过电磁阀14来调节输出的氢流量。制氢结束后的废液通过出水阀9排出，在整个产氢过程中，通过压力调节器来控制装置内的氢压，确保安全、稳定。
实施例四
装置同实施例一，储料漏斗4内储存的固体粉末反应物为LiBH4-5wt.%CoCl2固体粉末复合材料。在-20°C的条件下，通过进水阀10向反应室中加入20mL无水甲醇，反应物从储料漏斗4进入圆柱料筒18，螺旋送料杆3以某一送料速率进入反应室中，产生的氢气经储料漏斗4和固体酸块12进入收集容器中，并通过电磁阀14来调节输出的氢流量。制氢结束后的废液通过出水阀9排出，在整个产氢过程中，通过压力调节器来控制装置内的氢压，确保安全、稳定。
实施例五
装置同实施例一，储料漏斗4内储存的固体粉末反应物为LiBH4-5wt.%CoCl2固体粉末复合材料。在室温下，通过进水阀10向反应室中加入20mL25%的无水甲醇和75%去离子水的混合溶液，反应物从储料漏斗4进入圆柱料筒18，螺旋送料杆3以某一送料速率进入反应室中，产生的氢气经储料漏斗4和固体酸块12进入收集容器中，并通过电磁阀14来调节输出的氢流量。制氢结束后的废液通过出水阀9排出，在整个产氢过程中，通过压力调节器来控制装置内的氢压，确保安全、稳定。
实施例六
装置同实施例一，储料漏斗4内储存的固体粉末反应物为NH3BH3固体粉末。在室温下，通过进水阀10向反应室中加入20mL0.5wt.%的CoCl2溶液，反应物从储料漏斗4进入圆柱料筒18，螺旋送料杆3以某一送料速率进入反应室中，产生的氢气经储料漏斗4和固体酸块12进入收集容器中，并通过电磁阀14来调节输出的氢流量。制氢结束后的废液通过出水阀9排出，在整个产氢过程中，通过压力调节器来控制装置内的氢压，确保安全、稳定。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
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 (6)
1.一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置，其特征在于：包括供料机构、储料机构、传动机构、反应机构、收集机构和压力调节器（15），所述储料机构的上方连通有所述收集机构，所述储料机构的下方连通有所述供料机构，所述供料机构连通所述反应机构，所述反应机构上连通有所述压力调节器（15），所述储料机构、所述供料机构均与所述传动机构连接；
所述供料机构包括螺旋送料杆（3）、送料片（6）和圆柱料筒（18），所述螺旋送料杆（3）可旋转的布置在所述圆柱料筒（18）内部，所述螺旋送料杆（3）外表面沿轴向布置有多个所述送料片（6）；所述圆柱料筒（18）远离所述传动机构的一侧连通所述反应机构；
所述储料机构包括储料漏斗（4）和搅拌螺旋轴（5），所述搅拌螺旋轴（5）可旋转的布置在所述储料漏斗（4）内部，所述储料漏斗（4）的底部与所述圆柱料筒（18）的内腔连通；所述搅拌螺旋轴（5）的顶端与所述传动机构传动连接；
所述压力调节器（15）的右端连通所述反应机构中的反应室（7），所述压力调节器（15）内部布置有挡片和弹簧；所述弹簧一端连接在所述压力调节器（15）左侧内壁，所述弹簧另一端连接在所述挡片上，所述压力调节器（15）底部中间位置开有通孔，所述通孔通过管道连通所述收集机构，所述压力调节器（15）与所述收集机构连通的所述管道上设置有单向阀（19）；
所述收集机构包括氢气收集容器（11）、固体酸块（12）、氢气管道（13）和电磁阀（14），所述氢气收集容器（11）通过所述氢气管道（13）与所述储料漏斗（4）的上方连通，所述氢气管道（13）靠近所述储料漏斗（4）的一侧布置有所述固体酸块（12），所述氢气管道（13）靠近所述氢气收集容器（11）的一侧布置有所述电磁阀（14）。
2.根据权利要求1所述的一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置，其特征在于：所述传动机构包括传动电机（1）、第一传动轴（2）、第二传动轴（16），所述传动电机（1）的输出端设置有所述第一传动轴（2），所述第一传动轴（2）通过联轴器与所述螺旋送料杆（3）连接并带动所述螺旋送料杆（3）旋转；所述第一传动轴（2）上安装有主动链轮，所述第二传动轴（16）上安装有从动链轮，所述主动链轮和从动链轮通过链条（17）连接在一起，所述第二传动轴（16）通过齿轮组与所述搅拌螺旋轴（5）传动连接并驱动所述搅拌螺旋轴（5）旋转。
3.根据权利要求2所述的一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置，其特征在于：所述传动电机（1）采用交流变频电机。
4.根据权利要求1所述的一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置，其特征在于：所述反应机构还包括强磁体（8）、出水阀（9）和进水阀（10），所述反应室（7）的顶部连通所述圆柱料筒（18），所述反应室（7）的底部布置有所述强磁体（8），所述反应室（7）的侧壁底部设置有出水管，所述出水管上安装有所述出水阀（9），且所述出水阀（9）布置在所述强磁体（8）上方；所述反应室（7）右上角设置有进水管，所述进水管上安装有所述进水阀（10）；所述反应室（7）顶部通过氢气回流管道与所述储料漏斗（4）相连通。
5.根据权利要求1所述的一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置，其特征在于：所述储料漏斗（4）中储存的固体粉末反应物为LiBH4、NaBH4或NH3BH3中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的一种适用于连续制备高纯氢的水解制氢装置，其特征在于：所述反应室（7）中的反应溶液为CoCl2溶液。
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2023
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