CN118125375A - 固态储氢材料可控式水解、释氢反应器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态储氢材料可控式水解、释氢反应器及方法，固态储氢材料可控式水解、释氢反应器中，装料管连通反应腔体以提供固态水解储氢材料，反应接触帽设于反应腔体内其位于装料管下方，反应接触帽为格栅结构，以通过流体且阻挡大于预定尺寸的固态水解储氢材料，反应水入口设于反应腔体以可控地导入水流，水流与固态水解储氢材料在反应腔体内水解、释氢得到氢气体，冒口连通反应腔体且位于反应接触帽相反于反应水入口的一侧以导出生成的氢气体，反应水出口设于反应腔体以导出反应腔体中的流体。

Description

固态储氢材料可控式水解、释氢反应器及方法

技术领域

本发明涉及一种新能源及固态储氢释氢技术领域，尤其涉及到一种固态储氢材料可控式水解、释氢反应器及方法。

背景技术

采用固态储氢材料储氢能很好的解决传统储氢技术储氢密度低和安全系数差的问题，在氢燃料电池领域的也有着极大的应用前景，符合氢能市场发展发现的要求。固态水解储氢材料是以化合物的形式存储氢，在应用过程中材料与水反应产生氢气，其中除水汽外无有害杂质，得到的氢气可以作为氢燃料电池的氢源。固态水解储氢材料材料往往与水反应剧烈，具有产氢速率极快、发热量大、反应不可控、易分解等特点，在实际应用过程中具备一定的难度。固态水解储氢材料在移动领域应用核心是要解决反应控制和启停问题，一般情况材料与水接触会快速进行爆炸式反应，同时伴随着大量的热量散发，而且若采用一次性加过量水进行反应时，反应流量不可控，压力也不可控，且热量易集中，散热问题不好解决，反应腔体成为高温高压容器，同时也无法实现启停，不能满足实际的使用要求。采用恒定量固体投料方式理论上可以达到稳定的输出，然而投料方式及装置设计复杂，且需要考虑气体密封问题，最终发生装置会增加很大质量。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种固态储氢材料可控式水解、释氢反应器及方法，本发明利用多相流动解决了固态储氢材料水解、释氢过程固-液-气-热界面分离的难题，实现了稳定水解、释氢和可控启，为该类储氢材料的移动应用提供了解决方案。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种固态储氢材料可控式水解、释氢反应器包括，

反应腔体，

装料管，其连通所述反应腔体以提供固态水解储氢材料，

反应接触帽，其设于所述反应腔体内，位于所述装料管下方，所述反应接触帽为格栅结构，以通过流体且阻挡大于预定尺寸的固态水解储氢材料，

反应水入口，其设于所述反应腔体以可控地导入水流，所述水流与固态水解储氢材料在反应腔体内水解、释氢得到氢气体，

冒口，其连通反应腔体且位于反应接触帽相反于反应水入口的一侧以导出生成的氢气体，

反应水出口，其设于所述反应腔体以导出反应腔体中的流体。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器中，装料管连通所述反应腔体以间歇性提供固态水解储氢材料。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器中，所述装料管设有分料机构以间歇性提供固态水解储氢材料。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器中，所述装料管设于所述反应腔体上表面以基于重力作用提供固态水解储氢材料。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器中，所述装料管为锥桶形结构或直管形结构。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器中，扰流板设于所述反应腔体内且位于水流流经反应接触帽的流径上以将所述水流形成涡流，所述涡流与固态水解储氢材料在反应腔体内水解、释氢。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器中，所述格栅结构基于格栅孔的接触面积调节反应腔体内的压力。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器中，所述反应腔体为直方管结构，所述冒口自反应腔体的上表面倾斜地向上延伸。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器中，还包括，

密闭容器，其密闭地包围所述反应腔体、装料管和冒口，密闭容器的顶端设有用于导出来自冒口的氢气体的导气口，底端设有用于导出反应水出口的流体的导流口，

水箱，其经由可调泵连通所述反应水入口以在预定压力及预定流量下供水，

气体过滤器，其连通所述导气口以过滤所述氢气体，

干燥器，其连通所述过滤器以干燥所述氢气体，

冷却管，其连通所述导流口以冷却所述流体，

液体过滤器，其连通所述冷却管以过滤所述流体。

固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的反应方法包括以下步骤，

装料管连通所述反应腔体以提供间歇性提供固态水解储氢材料，

反应水入口可控地导入水流，所述水流与参与反应的固态水解储氢材料在反应腔体内水解、释氢得到氢气体，

冒口导出生成的氢气体，反应水出口导出反应腔体中的流体。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器适用于高活性、反应热量较大的活泼金属及氢化物等固态储氢材料的可控水解释氢；实现了流量可控，通过改变接触帽的尺寸容积可实现速率可调(如下段示例)，同时解决了反应过程中的热集聚现象，提高释氢过程中的安全性，为该类材料的固定式及移动式应用提供了更多的可设计性，有效地解决了高活性固态水解储氢材料的可控释氢；采用流动水反应的方式能够不断更新反应界面，反应产物及热量通过流动的水被带走，能够缓解材料放氢过程中的高热高温集中释放的问题，提高反应过程安全，降低了容器的耐热要求；同时也有效降低反应产物浓度对反应的影响。固定直径及高度的反应接触帽保证了反应水与水解固态储氢材料同一时间的接触面积相对受限，从而将反应的量控制在一定的范围，保证反应产生的氢气也在一定可控的流量范围内，通过用量反馈、水流通断调节，使得容器内压力可控制在低压或常压的状态；通过控制反应器内水的供应可以实现供氢的流量调节和启停，为连接燃料电池或其他用氢装置提供方便。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1A、图1B是本发明一个实施例中，固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的不同剖面示意图；

图2、图3是本发明一个实施例中，固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的立体结构为锥桶形式的示意图；

图4是本发明一个实施例中，固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的立体结构为直方管形式的示意图；

图5是根据发明一个实施例的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的结构示意图；

图6是根据发明一个实施例的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的结构示意图；

图7是根据发明一个实施例的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的流量变化示意图；

图8是根据发明另一个实施例的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的流量变化示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1A至图8更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1A至图6所示，本发明所揭示的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器包括：

反应腔体7，进一步为密闭结构，

装料管1，其连通所述反应腔体7以提供固态水解储氢材料，

反应接触帽3，其设于所述反应腔体7内其位于所述装料管1下方，所述反应接触帽3为通过流体且阻挡大于预定尺寸的固态水解储氢材料的格栅结构，

反应水入口4，其设于所述反应腔体7以可控地导入水流，所述水流与参与反应的固态水解储氢材料在反应腔体7内水解、释氢得到氢气体，

冒口2，其连通反应腔体7且位于反应接触帽3相反于反应水入口4的一侧以导出生成的氢气体，

反应水出口6，其设于所述反应腔体7以导出反应腔体7中的流体。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的优选实施例中，装料管1连通所述反应腔体7以间歇性提供固态水解储氢材料。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的优选实施例中，所述装料管1设有分料机构以间歇性提供固态水解储氢材料。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的优选实施例中，所述装料管1设于所述反应腔体7上表面以基于重力作用提供固态水解储氢材料。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的优选实施例中，所述装料管1为锥桶形结构或直管形结构。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的优选实施例中，扰流板5设于所述反应腔体7内且位于水流流经反应接触帽3的流径上以将所述水流形成涡流，所述涡流与固态水解储氢材料在反应腔体7内水解、释氢。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的优选实施例中，所述格栅结构基于格栅孔的接触面积调节反应腔体7内的压力。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的优选实施例中，所述反应腔体7为直方管结构，所述冒口2自反应腔体7的上表面倾斜地向上延伸。

所述的固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的优选实施例中，还包括，

密闭容器10，其密闭地包围所述反应腔体7、装料管1和冒口2，密闭容器10的顶端设有用于导出来自冒口2的氢气体的导气口8，底端设有用于导出反应水出口6的流体的导流口9，

水箱，其经由可调泵连通所述反应水入口4以在预定压力及预定流量下供水，

气体过滤器，其连通所述导气口8以过滤所述氢气体，

干燥器，其连通所述过滤器以干燥所述氢气体，

冷却管，其连通所述导流口9以冷却所述流体，

液体过滤器，其连通所述冷却管以过滤所述流体。

在一个实施例中，所述反应接触帽3为滤筒结构，其基于滤孔的接触面积调节反应腔体7内的压力。

在一个实施例中，装料管1中设有用于送料的弹性施力机构或重块。

在一个实施例中，固态水解储氢材料暂存在装料管1中，反应启动后管中的料随着反应不断下落，形成消耗，装料管1上部设置重物或弹簧给予材料向下的力，使得下料更顺畅。固态水解储氢材料与水反应直接产生的气体可以通过冒口2喷出，冒口2设置在水料接触的后方，方便气体及时排出。反应接触帽3为格栅结构，为散热较好的金属材质，保证水流可以通过带出反应产生的浆料而较大料片不被带出，同时具备良好的散热性能。由可调式泵加压的水流进入反应水入口4，水进入后在反应接触帽3处发生反应及通过。扰流板5能够使得装置内的水流形成涡流，提高反应的充分性。反应水及浆料同时通过反应水出口6流到下部管道及密闭容器10中。反应腔体7为核心的反应空间。控制水流使得材料与水反应产生氢气，停止供水时，反应空间内的水通过反应水出口6排出，反应停止。

在一个实施例中，容器设有氢气的导气口8，反应气体产生后存于容器，并通过容器的氢气出口输出。释氢装置反应水入口4穿过容器的外壁与水泵出口连接，容器设有导流口9以方便反应的悬浊液排出。通过可调式水泵将水箱中的水供应至可控式水解、释氢反应器中，反应腔体7中按需要产生氢气，产生的氢气通过反应容器上部的管道输出至气体过滤器、干燥器，之后进入燃料电池的电堆进行供电；反应产生的热量随着悬浊液在容器底部的导流口9排出到冷却管、液体过滤器，水净化后排出或重新泵入反应水箱。

在一个实施例中，固态水解储氢材料为金属或碱金属氢化物。进一步地，固态水解、释氢材料包括LiH、NaHH、LiAlH4、CaH2、NaAlH4或NaBH4。或者，固态水解储氢材料为其他可适用于本发明所述的反应器的固态水解储氢材料。

在一个实施例中，一组装置的接触帽内径为20mm，高度为15mm，格栅间隙1mm，与反应腔底部距离1mm时，采用氢化铝锂基片球状固态储氢材料，直径10mm，将水流引入反应腔进行反应后流量稳定在0.9L/min左右，而另一组将接触帽直径换为30mm，其他参数不变的情况下，水流引入反应后流量稳定在1.4L/min左右，如图7、图8所示。

固态储氢材料可控式水解、释氢反应器的反应方法包括以下步骤，

装料管1连通所述反应腔体7以提供固态水解储氢材料，固态水解储氢材料随着反应不断消耗持续下降进入位于反应腔体7中的接触帽3内，经由装料管而进入的固态水解储氢材料能够被反应接触帽阻挡住。

反应水入口4可控地导入水流，所述水流与反应接触帽3内的固态水解储氢材料接触，并在整个反应腔体7内发生水解、释氢得到氢气体，

冒口2导出生成的氢气体，反应水出口6导出反应腔体7中的流体。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种固态储氢材料可控式水解、释氢反应器，其特征在于，其包括，

反应腔体，

装料管，其连通所述反应腔体以提供固态水解储氢材料，

反应接触帽，其设于所述反应腔体内，所述反应接触帽用于通过流体且阻挡大于预定尺寸的固态水解储氢材料，

反应水入口，其设于所述反应腔体以可控地导入水流，所述水流与参与反应的固态水解储氢材料在反应腔体内水解、释氢得到氢气体，

冒口，其连通反应腔体且位于反应接触帽相反于反应水入口的一侧以导出生成的氢气体，

反应水出口，其设于所述反应腔体以导出反应腔体中的流体。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，优选的，装料管连通所述反应腔体以间歇性提供固态水解储氢材料。

3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述装料管设有分料机构以间歇性提供固态水解储氢材料。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述装料管设于所述反应腔体上表面以基于重力作用提供固态水解储氢材料。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述装料管为锥桶形结构或直管形结构。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器还包括扰流板。

7.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应接触帽基于接触面积调节反应腔体内的压力。

8.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述冒口自反应腔体的上表面倾斜地向上延伸。

9.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，还包括，

密闭容器，其密闭地包围所述反应腔体、装料管和冒口，密闭容器的顶端设有用于导出来自冒口的氢气体的导气口，底端设有用于导出反应水出口的流体的导流口。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的反应器的反应方法，其特征在于，其包括以下步骤，

装料管连通所述反应腔体以提供间歇性提供固态水解储氢材料，

反应水入口可控地导入水流，所述水流与参与反应的固态水解储氢材料在反应腔体内水解、释氢得到氢气体，

冒口导出生成的氢气体，反应水出口导出反应腔体中的流体。