CN203820445U - 小型甲醇水制氢设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种小型甲醇水制氢设备，所述制氢设备包括液体储存容器、原料输送装置、制氢装置、膜分离装置、氢气输送管路；制氢装置制得的氢气通过膜分离装置分离，而后通过氢气输送管路输送；氢气输送管路设有机械安全阀，机械安全阀包括阀主体、弹性机构、弹起端；弹起端靠近原料输送装置的开关设置，在弹起端弹起时能断开原料输送装置或和制氢装置的开关。本实用新型提出的小型甲醇水制氢设备，在氢气输送管路设置机械安全阀，在气压达到设定值时机械安全阀打开，并能控制原料输送装置停止输送原料。从而可以提高设备运行的安全性，防止氢气泄露及爆炸。

Description

小型甲醇水制氢设备

技术领域

本实用新型属于小型制氢机技术领域，涉及一种小型制氢设备，尤其涉及一种小型甲醇水制氢设备；同时，本实用新型还涉及一种小型甲醇水制氢设备的制氢方法。

背景技术

在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。这是因为，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。

氢是一种无色的气体。燃烧一克氢能释放出142千焦尔的热量，是汽油发热量的3倍。氢的重量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻多了，因而携带、运送方便，是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。氢在氧气里能够燃烧，氢气火焰的温度可高达2500℃，因而人们常用氢气切割或者焊接钢铁材料。

在大自然中，氢的分布很广泛。水就是氢的大“仓库”，其中含有11％的氢。泥土里约有1.5％的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70％为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法从水中制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。

氢的用途很广，适用性强。它不仅能用作燃料，而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。例如，储氢金属具有吸氢放热和吸热放氢的本领，可将热量储存起来，作为房间内取暖和空调使用。

氢作为气体燃料，首先被应用在汽车上。1976年5月，美国研制出一种以氢作燃料的汽车；后来，日本也研制成功一种以液态氢为燃料的汽车；70年代末期，前联邦德国的奔驰汽车公司已对氢气进行了试验，他们仅用了五千克氢，就使汽车行驶了110公里。

用氢作为汽车燃料，不仅干净，在低温下容易发动，而且对发动机的腐蚀作用小，可延长发动机的使用寿命。由于氢气与空气能够均匀混合，完全可省去一般汽车上所用的汽化器，从而可简化现有汽车的构造。更令人感兴趣的是，只要在汽油中加入4％的氢气。用它作为汽车发动机燃料，就可节油40％，而且无需对汽油发动机作多大的改进。

氢气在一定压力和温度下很容易变成液体，因而将它用铁罐车、公路拖车或者轮船运输都很方便。液态的氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用作火箭、导弹的燃料。美国飞往月球的“阿波罗”号宇宙飞船和我国发射人造卫星的长征运载火箭，都是用液态氢作燃料的。

另外，使用氢—氢燃料电池还可以把氢能直接转化成电能，使氢能的利用更为方便。目前，这种燃料电池已在宇宙飞船和潜水艇上得到使用，效果不错。当然，由于成本较高，一时还难以普遍使用。

现在世界上氢的年产量约为3600万吨，其中绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取的，这就得消耗本来就很紧缺的矿物燃料；另有4％的氢是用电解水的方法制取的，但消耗的电能太多，很不划算，因此，人们正在积极探索研究制氢新方法。而用甲醇、水重整制氢可减少化工生产中的能耗和降低成本，有望替代被称为“电老虎”的“电解水制氢”的工艺，利用先进的甲醇蒸气重整──变压吸附技术制取纯氢和富含CO₂的混合气体，经过进一步的后处理，可同时得到氢气和二氧化碳气。

甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下：

CH₃OH→CO+2H₂       (1)

H₂O+CO→CO₂+H₂      (2)

CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂  (3)

重整反应生成的H₂和CO₂，再经过钯膜分离将H₂和CO₂分离，得到高纯氢气。变压吸附法的耗能高、设备大，且不适合小规模的氢气制备。

现有的小型制氢设备没有比较好的气压监控系统，如果输气管路发生堵塞，高压的氢气可能会破坏输气管路，从而引起氢气泄露；由于氢气是危险气体，泄露的氢气容易引发爆炸。若使用电子式的气压监控系统，价格则比较昂贵，通常每个小型制氢机便需要上千或几千元。如今还没有比较合适的方案，来解决上述问题。

此外，现有的制氢设备，冷启动通常需要很长时间，一般至少在5小时以上，有的设备甚至需要1天时间启动。而热启动需要耗费大量能源，使重整室（通常需要400℃以上）等设备处于高温状态。如何使制氢设备既实现快速冷启动、又能保证节约能源（还需要实用性强）是目前业界需要迫切解决的问题。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的小型甲醇水制氢设备，以便克服现有设备的上述缺陷。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种小型甲醇水制氢设备，可通过简单的结构变化确保设备安全，避免氢气泄露及爆炸的情况发生。

此外，本实用新型还提供一种小型甲醇水制氢设备的制氢方法，可通过简单的结构变化确保设备安全，避免氢气泄露及爆炸的情况发生。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种小型甲醇水制氢设备，所述制氢设备包括：液体储存容器、原料输送装置、制氢装置、膜分离装置、氢气输送管路；

所述液体储存容器与制氢装置连接；液体储存容器用于储制氢原料；

所述制氢装置制得的氢气通过膜分离装置分离，而后通过氢气输送管路输送；

所述氢气输送管路设有机械安全阀，机械安全阀包括阀主体、弹性机构、弹起端；

所述弹起端靠近原料输送装置的开关设置，在弹起端弹起时能断开原料输送装置或和制氢装置的开关；或者，所述制氢设备还包括弹起端弹起接收模块，用以在接收到弹起端弹起时，发送控制命令至制氢设备的控制中心，控制原料输送装置或/和制氢装置不工作。

作为本实用新型的一种优选方案，所述制氢设备还包括快速启动装置；

所述快速启动装置包括加热机构、气化管路，气化管路的内径为1～2mm，气化管路紧密地缠绕于加热机构上；所述气化管路的一端连接液体储存容器，将甲醇送入气化管路中；

气化管路的另一端输出被气化的甲醇，出口处设有点火机构；

所述重整室内壁设有加热管路，加热管路内放有催化剂；所述快速启动装置为所述加热管路加热。

作为本实用新型的一种优选方案，所述制氢装置包括换热器、气化室、重整室；膜分离装置设置于分离室内，分离室设置于重整室内的上部；

所述液体储存容器中的制氢原料甲醇和水能通过原料输送装置输送至换热器，换热器与气化室连接；

所述重整室与分离室通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室的上部；

所述分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气；所述膜分离装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的小型甲醇水制氢设备，在氢气输送管路设置机械安全阀，在气压达到设定值时机械安全阀打开，并能控制原料输送装置停止输送原料。从而可以提高设备运行的安全性，防止氢气泄露及爆炸。

同时，本实用新型制氢设备可快速启动，通常只需10分钟以内；同时，制氢设备仅需要通过电能使加热棒为甲醇气化，消耗能量很少，通常2节电池便足够（本制氢设备可用于移动制氢机）。因此本实用新型的实用性强，配合氢气发电机，可以供人们日常使用。

此外，通过提高原料输送装置的输送动力，使得制氢设备制得的氢气具有足够的压强，可提高制氢效率及制得氢气的纯度。

附图说明

图1为本实用新型小型甲醇水制氢设备的组成示意图。

图2为本实用新型小型甲醇水制氢设备的另一种状态下的示意图。

图3为本实用新型制氢设备的快速启动装置的结构示意图。

图4为制氢设备及其加热管路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

实施例一

请参阅图1、图2，本实用新型揭示了一种小型甲醇水制氢设备，所述制氢设备主要包括：液体储存容器10、原料输送装置50、制氢装置20、膜分离装置30、氢气输送管路60。

本实施例中，重点改进之处在于其氢气输送管路60。如图1、图2所示，所述氢气输送管路60设有弹簧安全阀61，弹簧安全阀61包括阀主体、弹簧机构、弹起端；所述原料输送装置50包括输送泵，弹起端靠近输送泵的开关设置（当然原料输送装置50也可以为其他动力装置），在弹起端弹起时能断开原料输送装置的开关。

具体地，本实施例中，所述输送泵的开关包括接触段62及三个端口，三个端口分别为第一端口63、第二端口64、第三端口65。所述接触段62的一端可旋转地设置于第一端口63，第一端口63连接输送泵；接触段62的另一端能接触第二端口64或第三端口65。

所述第二端口64连接电源，第一端口63连接第二端口64时，能控制输送泵工作。所述第三端口65连接报警发送装置，当第一端口连接第三端口65时，能控制输送泵不工作，同时报警发送装置发送报警信息（如通过短信的方式）至对应的服务器或客户端，可以通知相应人员。

以上介绍了本实用新型小型甲醇水制氢设备的组成，本实用新型在揭示上述设备的同时，还揭示一种上述小型甲醇水制氢设备的制氢方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、制备好的氢气通过氢气输送管路输送；

步骤二、当氢气输送管路中的压力过大时机械安全阀的弹起端弹起，从而断开原料输送装置或和制氢装置的开关。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述制氢设备包括：液体储存容器10、原料输送装置50、快速启动装置40、制氢装置20、膜分离装置30、氢气输送管路60。

如图3所示，所述快速启动装置40包括壳体41、加热机构42、气化管路43，气化管路43的内径为1～2mm，气化管路43缠绕于加热机构42上；所述加热机构可以为电加热棒，利用交流电或蓄电池、干电池即可。

所述气化管路43的一端连接液体储存容器10，将甲醇送入气化管路43中；气化管路43的另一端输出被气化的甲醇，而后通过点火机构点火燃烧；或者，气化管路43的另一端输出被气化的甲醇，且输出的甲醇温度达到自燃点，甲醇从气化管路43输出后直接自燃；所述快速启动装置40为制氢装置（或者说整个制氢设备）提供启动能源。

请参阅图4，为了提高制氢装置的加热速度，在所述制氢装置20的重整室内壁设有加热管路21，加热管路21内放有催化剂（如可以将加热温度控制在380℃～480℃）；所述快速启动装置40通过加热所述加热管路21为重整室加热，可以提高加热效率。

制氢装置20还可以设置第二启动装置，所述第二启动装置包括第二气化管路，第二气化管路的主体设置于重整室内，第二气化管路为重整室加热（还可以为制氢设备其他单元加热）。第一气化管路或/和第二气化管路输出的甲醇为重整室加热的同时加热第二气化管路，将第二气化管路中的甲醇气化。当第二启动装置可以持续制得气化的甲醇后设定时间，可以关闭上述快速启动装置，从而进一步减少对电能等外部能源的依靠。

除此之外，所述制氢装置20包括换热器、气化室、重整室；膜分离装置设置于分离室内，分离室设置于重整室内的上部。所述液体储存容器与制氢装置连接；液体储存容器中储存有液态的甲醇和水。

所述液体储存容器中的甲醇和水通过原料输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室下部及中部温度为300℃～420℃。所述重整室上部的温度为400℃～570℃；重整室与分离室通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室的上部，能通过重整室上部的高温继续加热从重整室输出的气体；所述连接管路作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近。所述分离室内的温度设定为350℃～570℃；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气。通过上述改进，可以分别保证重整室内催化剂的低温要求，以及分离室的高温要求，进而提高氢气制备效率；同时，本实用新型的预热方式（将分离室设置于重整室内的上部）非常便捷。

此外，所述原料输送装置提供动力，将液体储存容器中的原料输送至制氢装置；所述原料输送装置向原料提供0.15～5MPa的压强，使得制氢装置制得的氢气具有足够的压强。所述制氢装置制得的氢气输送至膜分离装置进行分离，用于分离氢气的膜分离装置的内外压强之差大于等于0.7M Pa。通过该改进，使得制氢装置制得的氢气具有足够的压强，可提高制氢效率及制得氢气的纯度。

所述制氢设备启动后，制氢设备通过制氢装置制得的氢气提供运行所需的能源；此时，可以关闭快速启动装置。由于制氢装置制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持制氢设备运行，从而可以减少对外部能源的依靠，自适应能力强。

所述膜分离装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%～78%，银占22%～25%。本实用新型利用该钯膜分离装置，氢气的纯度更高。

以上介绍了本实用新型甲醇水制氢设备的组成，本实用新型在揭示上述小型甲醇水制氢设备的同时，还揭示一种上述小型甲醇水制氢设备的制氢方法，所述方法包括如下步骤：

【步骤S1】快速启动步骤；所述制氢设备利用快速启动装置提供启动能源启动。具体包括：

加热机构通电设定时间，待加热机构达到设定温度后向气化管路通入甲醇；由于气化管路紧密地缠绕于加热机构上，甲醇温度逐步升高；气化管路输出被气化的甲醇，而后通过点火机构点火燃烧；或者，气化管路输出被气化的甲醇，且输出的甲醇温度达到自燃点，甲醇从气化管路输出后直接自燃；

气化的甲醇通过燃烧放热，为制氢装置提供启动能源；所述重整室内壁设有加热管路，加热管路内放有催化剂；所述快速启动装置通过加热所述加热管路为重整室加热。

【步骤S2】系统启动后，制氢设备通过制氢装置制得的氢气提供运行所需的能源；待制氢设备运行制得足够的氢气，关闭快速启动装置，由制氢装置制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持制氢装置运行。制氢过程具体包括：

所述液体储存容器中的甲醇和水通过原料输送装置输送至制氢装置的换热器换热，换热后进入气化室气化；气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室下部及中部温度为300℃～420℃。所述重整室上部的温度为400℃～570℃；重整室与分离室通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室的上部，能通过重整室上部的高温继续加热从重整室输出的气体；所述连接管路作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近。

所述分离室内的温度设定为350℃～570℃；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气；所述原料输送装置提供动力，将液体储存容器中的原料输送至制氢装置；所述原料输送装置向原料提供0.15～5MPa的压强，使得制氢装置制得的氢气具有足够的压强；所述制氢装置制得的氢气输送至膜分离装置进行分离，用于分离氢气的膜分离装置的内外压强之差大于等于0.7M Pa。所述膜分离装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%～78%，银占22%～25%。

【步骤S3】所述制氢装置启动制氢后，制氢装置制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持制氢装置运行。

【步骤S4】经过膜分离装置分离出的氢气进入氢气输送管路输送，氢气输送管路设有弹簧安全阀；在氢气输送管路内压力大于设定值时，弹簧安全阀的弹起端顶开输送泵的开关设置，断开原料输送装置的开关。

具体地，开始工作时，接触段62连接第一端口63、第二端口64，原料输送装置工作。当弹起端弹起时，可以顶开位于弹起端顶部的接触段62，由于接触段62的一端可旋转地固定在第一端口63上，因此，如图1、图2所示，接触段62以第一端口63为轴心逆时针旋转（图2为旋转后的结构）。此时，接触段62的另一端变为连接第三端口65，原料输送装置无法工作；同时，由于第一端口63通过接触段62连接第三端口65可驱动报警发送装置工作，发送报警信息（如通过短信的方式）至对应的服务器或客户端，可以通知相应人员。

实施例三

本实施例与实施例一、实施例二的区别在于，本实施例中，所述制氢设备还包括弹起端弹起接收模块，用以在接收到弹起端弹起时，发送控制命令至制氢设备的控制中心，控制原料输送装置或/和制氢装置不工作。

弹起端弹起接收模块可以为位置传感器（或位移传感器），通过位置感应的方式确定弹起端的位置，从而确定其状态。此外，弹起端弹起接收模块也可以为电流传感器，通过感应电路的电流获知原料输送装置或/和制氢装置是否工作。当然，也可以是本领域技术人员可以通过现有技术轻易联想到的其他方式。

本实施例中，本发小型甲醇水制氢设备的制氢方法包括如下步骤：

步骤一、制备好的氢气通过氢气输送管路输送；

步骤二、当氢气输送管路中的压力过大时机械安全阀的弹起端弹起，从而断开原料输送装置或和制氢装置的开关；或者，通过弹起端弹起接收模块接收弹起端弹起信息，接收到弹起信息后发送控制命令至制氢设备的控制中心，控制原料输送装置或/和制氢装置不工作。

步骤三、机械安全阀的弹起端弹起后，通过弹起端弹起接收模块接收弹起端弹起信息，接收到弹起信息后发送控制命令至制氢设备的控制中心，并由控制中心发送报警信息至对应的服务器或客户端。

综上所述，本实用新型提出的小型甲醇水制氢设备，在氢气输送管路设置机械安全阀，在气压达到设定值时机械安全阀打开，并能控制原料输送装置停止输送原料。从而可以提高设备运行的安全性，防止氢气泄露及爆炸。

同时，本实用新型制氢设备可快速启动，通常只需10分钟以内；同时，制氢设备仅需要通过电能使加热棒为甲醇气化，消耗能量很少，通常2节电池便足够（本制氢设备可用于移动制氢机）。因此本实用新型的实用性强，配合氢气发电机，可以供人们日常使用。

此外，通过提高原料输送装置的输送动力，使得制氢设备制得的氢气具有足够的压强，可提高制氢效率及制得氢气的纯度。

这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (3)

1.一种小型甲醇水制氢设备，其特征在于，所述制氢设备包括：液体储存容器、原料输送装置、制氢装置、膜分离装置、氢气输送管路；

所述液体储存容器与制氢装置连接；液体储存容器用于储制氢原料；

所述制氢装置制得的氢气通过膜分离装置分离，而后通过氢气输送管路输送；

所述氢气输送管路设有机械安全阀，机械安全阀包括阀主体、弹性机构、弹起端；

所述弹起端靠近原料输送装置的开关设置，在弹起端弹起时能断开原料输送装置或和制氢装置的开关；或者，所述制氢设备还包括弹起端弹起接收模块，用以在接收到弹起端弹起时，发送控制命令至制氢设备的控制中心，控制原料输送装置或/和制氢装置不工作。

2.根据权利要求1所述的小型甲醇水制氢设备，其特征在于：

所述制氢设备还包括快速启动装置；

所述快速启动装置包括加热机构、气化管路，气化管路的内径为1～2mm，气化管路紧密地缠绕于加热机构上；所述气化管路的一端连接液体储存容器，将甲醇送入气化管路中；

气化管路的另一端输出被气化的甲醇，出口处设有点火机构；

所述重整室内壁设有加热管路，加热管路内放有催化剂；所述快速启动装置为所述加热管路加热。

3.根据权利要求1所述的小型甲醇水制氢设备，其特征在于：

所述制氢装置包括换热器、气化室、重整室；膜分离装置设置于分离室内，分离室设置于重整室内的上部；

所述液体储存容器中的制氢原料甲醇和水能通过原料输送装置输送至换热器，换热器与气化室连接；

所述重整室与分离室通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室的上部；

所述分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气；所述膜分离装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金。