CN201510868U - 一种自启动快速制氢的设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种自启动快速制氢的设备，其铝粉容器依次通过第一电磁阀、第一流量控制阀门和铝粉分布器与反应器连通，使铝粉容器中的铝粉进入反应器中；铝粉的颗粒粒径在5nm-20mm；反应器为密封容器，下端盛有氢氧化钠固体；水管依次与第二电磁阀、第二流量控制阀门及喷头连接，喷头设置在反应器上端，使水喷入反应器中；反应器上端设有铝粉过滤网，铝粉过滤网经过管道与第三电磁阀连接，第三电磁阀与第三流量控制阀门连接；第三流量控制阀门与燃料电池发电系统的负极连接。本实用新型具有原料廉价易得，反应速度易控制，装置简单，产物对环境友好无污染，使用和运输安全轻便等优点。

Description

一种自启动快速制氢的设备
技术领域
本实用新型涉及氢气制备，特别是涉及一种断电时自动启动快速制氢的设备，具体是一种金属铝粉在氢氧化钠的存在下与水反应制取氢气的设备。
背景技术
氢作为一种重要的化学物质在化学工业，石油化工，食品和冶金工业中有广泛的应用，氢能是一种很有应用前景的载能体。氢经济的快速发展，刺激了储氢材料的研究，但氢气储存成本很高，而且还存在着各种各样的安全问题，因而开发出小型、廉价、可控、即开即产、安全可靠、能与燃料电池匹配的制氢技术已有着十分迫切的需要。
目前氢气的来源大致分为如下几种：电解水制氢，光化学制氢，化石燃料制氢，生物质制氢等等。电解水制氢工艺简单，无污染，但消耗电量大；光化学制氢目前仍处于基础研究阶段；化石资源制氢技术成熟，经济性好，但化石资源毕竟有限，并且制氢过程中产生大量副产物CO2温室气体；生物质制氢可以提供洁净能源，而且也是生物质能存储和集中的一种途径，但传统的生物制氢技术存在能耗高、设备工艺复杂、副产物多、氢气的分离和净化难度大等缺点。另外，NaBH4水解制氢也是相对比较成熟的工艺，但NaBH4成本较高，回收利用困难，很难广泛应用。
金属铝制氢具有一系列的优点，反应过程中不产生含碳和含氮的有害物质，产物环境友好；金属铝的储氢量高，是金属氢化物储氢量的10倍；所产生的氢气纯度高，不会造成燃料电池电极催化剂的中毒；铝在地球上储量丰富，具有原料来源广泛，价格低廉等特性。
专利号为CN02104279.9中国发明专利公开了一种氢气的制备方法及其装置，该方法是用铝粉与氢氧化钠溶液发生反应产生氢气。但实际上，氢氧化钠在铝粉制氢中只是起催化作用，且产物是氢氧化铝，在不与空气接触的情况下，氢氧化钠的量并不减少。L.Sole等在文献中(L.，Macanas J.，Munoz M.，Casado J.，Hydrogen Generation from Aluminum in anon-consumable potassium hydroxide solution.Proceedings International Hydrogen EnergyCongress and Exhibition 2005.Istanbul.Turkey.13-25 July 2005；Soler L..Macanas J.MunozM..Casado J..Aluminum and aluminum alloys as sources of hydrogen for fuel cell applications.Journal of Power Sources，169(2007)144-149)也证明了这一点。目前铝粉制氢的主要应用场合是为作为备用电源的燃料电池装置提供原料氢气。该装置不具备断电时自动启动的功能，不能实现在在所监控的电源断电时自行启动；氢氧化钠溶液需要现用现配，有可能被空气中的CO2所污染。
2003年，美国专利(US Pat No.6,638,493 B2)公开了一种生产氢气的方法，公开了在一定的条件下氢氧化钠的催化作用，但该方法不能实现自动开启的功能，操作比较麻烦，而且氢气的纯度不高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种断电时能立即生自动启动产稳定流量氢气的设备，实现现场制氢和即时供氢。采用的原料来源广泛，价格低廉，方法简单，效率高，成本低，装置结构简单。
本实用新型的目的通过如下技术方案实现：
一种自启动快速制氢的设备，该设备的铝粉容器依次通过第一电磁阀、第一流量控制阀门和铝粉分布器与反应器连通，使铝粉容器中的铝粉进入反应器中；铝粉的颗粒粒径在5nm-20mm；反应器为密封容器，下端盛有氢氧化钠固体；水管依次与第二电磁阀、第二流量控制阀门及喷头连接，喷头设置在反应器上端，使水喷入反应器中；反应器上端设有铝粉过滤网，铝粉过滤网经过管道与第三电磁阀连接，第三电磁阀与第三流量控制阀门连接；第三流量控制阀门与燃料电池发电系统的负极连接；当某场合的电力供应中断时，该系统自动启动，产生的氢气供应给燃料电池，燃料电池发出的电力替代中断的电力供应。
为进一步实现本实用新型目的，所述反应器上端还设有安全阀和压力表。
所述铝粉过滤网经过管道还与放散阀连接；反应器上端还设有氢气充装阀；氢气充装阀与放散阀配合工作，通过如下步骤在系统未发生反应前将容器中充满氢气：
(1)氢气充装阀与惰性气体气源连接，打开氢气充装阀与放散阀，利用惰性气体(如氮气)吹扫容器中的空气，关闭充装阀与放散阀；
(2)将氢气充装阀与氢气气源连接，打开氢气充装阀与放散阀，利用氢气吹扫容器中的惰性气体，使得容器中充满氢气并保持微正压。
所述铝粉分布器由一根直径8-12毫米的不锈钢管弯曲打孔而成；弯曲角度135度，斜管部分长度为反应器直径的1倍，所钻孔径为2-5mm，相邻孔中心距10-15mm。
所述喷头为布满圆孔的圆盘的水分布器；圆孔孔径为1-3mm，相邻孔中心距4-6mm。
本实用新型所采用的制氢原理为：
2Al+6H2O→2Al(OH)3↓+3H2↑(催化剂：NaOH)
本实用新型所采用的制氢方法对原料要求不高，一般市售的分析纯产品即可。
由于本实用新型采用铝粉为原料，比表面积比较大，反应速率比较迅速，所以应严格控制铝粉及水的流速，以便获得稳定的氢气流量。
当用电场所的电力供应中断时，控制铝粉供应管路、供水管路及氢气输送管路的电磁阀自动开启，使容器中的铝粉与自来水流入盛放有氢氧化钠的反应器中，在氢氧化钠的催化作用下铝粉与水发生反应生成氢气。  铝粉、自来水及氢气的流量可以通过其管路上相应的流量控制阀的开度来调节。
相对于现有技术，本实用新型具有如下优点和有益技术效果：
1.由于铝粉的高比表面积和活性，使得反应比较剧烈，难以控制，通过流量控制阀的开度来调节铝粉及水的流量，通过控制铝粉和水的接触量，从而可以有效的控制反应速率，进而获得较稳定氢气流量。
2.氢氧化钠放置在反应器中，在氢气气氛的保护下，免于被空气中的二氧化碳污染，提高催化活性。
3.本实用新型实现了断电时即时产氢的功能，为燃料电池提供较为稳定流量和高纯度的氢气以供其发电，与燃料电池合用，实现了备用电源的自动启动功能。使用的电磁阀可以实现在有电时闭合，断电时自动开启的功能，从而可以实现断电后氢气的现场制取和即时制取。
(4)保证氢气的纯度，在系统中未发生制氢反应的时候，可以利用系统的氢气充装阀及放散阀在系统中充装氢气，并保持反应器内的压力为微正压。
(5)在氢气输送管路中安装了流量控制阀，反应器中产生的氢气通过流量控制阀将其输出到燃料电池发电系统。
(6)本实用新型所述的制氢方法，其产物为氢氧化铝沉淀，可以回收利用.
附图说明
图1为本实用新型的铝粉与氢氧化钠反应的装置结构示意图；
图2为铝粉分布器的结构示意图；
图3为图2中的A-A剖面图；
图4为图2中的B-B剖面图；
图5为喷头的结构示意图；
图6为图5的C-C剖面图；
图7为图6的D-D剖面图。
具体实施方式
以下通过实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但需要说明的是具体实施方式并不构成对本实用新型要求保护范围的限制。
如图1所示，一种自启动快速制氢的设备包括铝粉容器1、铝粉2、第一电磁阀3、第二电磁阀5、第三电磁阀11，第一流量控制阀门4、第二流量控制阀门6、第三流量控制阀门12、喷头7、反应器8、氢氧化钠固体9、铝粉分布器10、放散阀13、压力表14、铝粉过滤网15、安全阀16和氢气充装阀17。铝粉2的颗粒粒径在5nm-20mm；铝粉容器1依次通过第一电磁阀3、第一流量控制阀门4和铝粉分布器10与反应器8连通，使得铝粉容器1中的铝粉2在第一电磁阀3开启时可以进入反应器8中；反应器8为密封容器，下端盛有氢氧化钠固体9；水管依次与第二电磁阀5、第二流量控制阀门6及喷头7连接，喷头7设置在反应器8上端，使水在第二电磁阀5开启时均匀喷入反应器8中；反应器8上端设有氢气输送管路，该管路上依次设设有铝粉过滤网15、第三电磁阀11和第三流量控制阀门12。在铝粉过滤网与第三电磁阀11之间连接管道上安装有放散阀13。第三流量控制阀12可以控制流出的氢气流量，以供不同发电量的燃料电池使用。反应器8上端还设有压力表14、安全阀16和氢气充装阀17。压力表14用于显示反应器内的压强，安全阀16为了在系统在压力过高的事故状况下将系统泄压，保障系统的安全运行。
氢气充装阀17与放散阀13可以配合工作，通过如下步骤在系统未发生反应前将容器8中充满氢气，保证系统启动阶段所产生的氢气的纯度：
(1)氢气充装阀17与惰性气体气源(如瓶装氮气等)连接，打开氢气充装阀17与放散阀13，利用氮气吹扫吹扫容器8中的空气，关闭充装阀17与放散阀13；氢气充装阀17和放散阀13是二通球阀，型号为SS-72系列K7A.北京熊川阀门制造有限公司生产。
(2)将氢气充装阀17与氢气气源(如瓶装氢气等)连接，打开氢气充装阀17与放散阀13，利用氢气吹扫容器8中的氮气，使得容器中充满氢气并保持微正压。
第一电磁阀3、第二电磁阀5和第三电磁阀11为断电自动开启阀门，在有电时闭合，断电时自动打开。电磁阀是直动式电磁阀，GSR48型A4858，大连力迪流体控制技术有限公司生产。第一流量控制阀门4、第二流量控制阀门6和第三流量控制阀门12为调节阀，32M6F型，北京熊川阀门制造有限公司生产。
铝粉分布器10结构如图2-图4所示，该分布器由一根直径8-12毫米的不锈钢管弯曲打孔而成。弯曲角度135度。斜管部分长度L为反应器直径的1倍，所钻孔径为2-5mm，相邻孔中心距10-15mm。
喷头7结构如图5-7所示，主要结构为一由圆盘打孔而成的水分布器，圆盘布满圆孔；圆孔孔径为1-3mm，相邻孔中心距4-6mm。。孔径为1-3mm，相邻孔中心距4-6mm。
上述装置产生的氢气通过第三电磁阀11和第三流量控制阀门12与燃料电池发电系统的负极连接，当某场合的电力供应中断时，闭合的第一电磁阀3、第二电磁阀5和第三电磁阀11自动开启，铝粉和水进入反应器，反应器中储存的氢气及后续反应产生的氢气进入燃料电池发电。铝粉在碱的存在下与水发生反应，通过控制第一流量控制阀门4和第二流量控制阀门6的开度可以控制自来水和铝粉的流量，从而控制产氢速率，通过控制第三流量控制阀门12的开度可以控制氢气的流量，从而控制燃料电池的发电功率。针对不同产率的制氢装置，第一流量控制阀门4、第二流量控制阀门6和第三流量控制阀门12的开度可以预先调整到合适的值。
实施例1
在铝粉容器中加入368g的铝粉，调节第一流量控制阀门4的开度控制铝粉流量约为6.2g/min，第二流量控制阀门6的开度使水的流量约为12.3ml/min，调节第三流量控制阀门12的开度使氢气的流量约为7.6L/min。当所监控的电力系统断电时，第一电磁阀3、第二电磁阀5和第三电磁阀11由于所监控的电力中断而自动开启，铝粉和水进入反应器生产氢气。氢气通过第三电磁阀11和第三流量控制阀门12流向燃料电池的负极，可以为500W的燃料电池供应氢气约1小时。
实施例2
在铝粉容器中加入740g的铝粉，调节第一流量控制阀门4的开度控制铝粉流量约为12.3g/min，调节第二流量控制阀门6的开度使水的流量约为24.5ml/min，调节第三流量控制阀门12的开度使氢气的流量约为15.2L/min。当所监控的电力系统断电时，第一电磁阀3、第二电磁阀5和第三电磁阀11由于所监控的电力中断而自动开启，铝粉和水进入反应器生产氢气。氢气通过第三电磁阀11和第三流量控制阀门12流向燃料电池的负极，可以为1000W的燃料电池供应氢气约1小时。
实施例3
在铝粉容器中加入1.1kg的铝粉，调节第一流量控制阀门4的开度控制铝粉流量约为18.3g/min调节第二流量控制阀门6的开度使水的流量约为36.6ml/min，调节第三流量控制阀门12的开度使氢气的流量约为22.8L/min。当所监控的电力系统断电时，第一电磁阀3、第二电磁阀5和第三电磁阀11由于所监控的电力中断而自动开启，铝粉和水进入反应器生产氢气。氢气通过第三电磁阀11和第三流量控制阀门12流向燃料电池的负极，可以为1500W的燃料电池供应氢气约1小时。
实施例4
在铝粉容器中加入1.46kg的铝粉，调节第一流量控制阀门4的开度控制铝粉流量约为12.3g/min，调节第二流量控制阀门6的开度使水的流量约为24.5ml/min，调节第三流量控制阀门12的开度使氢气的流量约为15.2L/min。当所监控的电力系统断电时，第一电磁阀3、第二电磁阀5和第三电磁阀11由于所监控的电力中断而自动开启，铝粉和水进入反应器生产氢气。  氢气通过第三电磁阀11和第三流量控制阀门12流向燃料电池的负极，可以为1000W的燃料电池供应氢气约2小时。
实施例5
在铝粉容器中加入7.40kg的铝粉，调节第一流量控制阀门4的开度控制铝粉流量约为12.3g/min，调节第二流量控制阀门6的开度使水的流量约为24.5ml/min，调节第三流量控制阀门12的开度使氢气的流量约为15.2L/min。当所监控的电力系统断电时，第一电磁阀3、第二电磁阀5和第三电磁阀11由于所监控的电力中断而自动开启，铝粉和水进入反应器生产氢气。氢气通过第三电磁阀11和第三流量控制阀门12流向燃料电池的负极，可以为1000W的燃料电池供应氢气约10小时。
实施例6
在铝粉容器中加入17.6kg的铝粉，调节第一流量控制阀门4的开度控制铝粉流量约为12.3g/min，调节第二流量控制阀门6的开度使水的流量约为24.5ml/min，调节第三流量控制阀门12的开度使氢气的流量约为15.2L/min。当所监控的电力系统断电时，第一电磁阀3、第二电磁阀5和第三电磁阀11由于所监控的电力中断而自动开启，铝粉和水进入反应器生产氢气。氢气通过第三电磁阀11和第三流量控制阀门12流向燃料电池的负极，可以为1000W的燃料电池供应氢气约24小时。

Claims (5)

1.一种自启动快速制氢的设备，其特征在于，该设备的铝粉容器依次通过第一电磁阀、第一流量控制阀门和铝粉分布器与反应器连通，使铝粉容器中的铝粉进入反应器中；铝粉的颗粒粒径在5nm-20mm；反应器为密封容器，下端盛有氢氧化钠固体；水管依次与第二电磁阀、第二流量控制阀门及喷头连接，喷头设置在反应器上端，使水喷入反应器中；反应器上端设有铝粉过滤网，铝粉过滤网经过管道与第三电磁阀连接，第三电磁阀与第三流量控制阀门连接；第三流量控制阀门与燃料电池发电系统的负极连接。
2.根据权利要求1所述的自启动快速制氢的设备，其特征在于：所述反应器上端还设有安全阀。
3.根据权利要求1所述的自启动快速制氢的设备，其特征在于反应器上端还设有压力表。
4.根据权利要求1所述的自启动快速制氢的设备，其特征在于：所述铝粉分布器由直径8-12毫米的不锈钢管弯曲打孔而成；弯曲角度135度，斜管部分长度为反应器直径的1倍，所钻孔径为2-5mm，相邻孔中心距10-15mm。
5.根据权利要求1所述的自启动快速制氢的设备，其特征在于：所述喷头为由布满圆孔的圆盘的水分布器；圆孔孔径为1-3mm，相邻孔中心距4-6mm。
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