CN210778814U - 金属燃料氢气发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及氢电技术领域，尤其涉及一种金属燃料氢气发电装置。包括电极板、电极插件、转轴、反应池；所述电极板包括金属层、水膜层、碳素层、镍层依次以高分子聚合物电池的形式一体化连接；电池插件为具有若干插槽的圆筒，插槽与电极板可拆卸连接；电池插件的中心为转轴，转轴通过线路与控制器、马达、变压器相连；电池插件的下方为反应池。本装置通过利用金属氧化还原过程产生的电位差进行发电，并在此过程中收集氢气供给燃料电池、涡轮发动机、内燃发动机或压力动力装置，实现水解过程中能源的最大收集和利用。
Description
技术领域
本实用新型涉及氢电技术领域，尤其涉及一种金属燃料氢气发电装置。
背景技术
氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油、天然气可以直接开采，今下几乎完全依靠化石燃料制取得到，如果能回收利用工程废氢，每年大约可以回收到大约1亿立方米，这个数字相当可观。
时至今日，氢能的利用已有长足进步。自从1965年美国开始研制液氢发动机以来，相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。美国的航天飞机已成功使用液氢做燃料。我国长征2号、3号也使用液氢做燃料。利用液氢代替柴油，用于铁路机车或一般汽车的研制也十分活跃。氢汽车靠氢燃料、氢燃料电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段。
现有氢能实用化、商业化技术的最大缺点是能源效率问题和减少氢生产、保管、运输等危险性，因此有研究进行水解制氢，如中国专利CN201810062022.9《一种应用于燃料电池的水解制氢装置》，其公开了一种集制氢、储氢和用氢于一体的水解装置；或中国专利CN201910117543.4《一种水解制氢铝合金及其制备方法和应用》，公开了一种能够降低制氢成本的铝合金。上述水解制氢的专利重点都在于利用水解的方法制备氢气，从而利用氢气进一步的反应而获得能量，都忽视了在水解过程中所产生的电能，这部分电能往往被浪费掉了，没有得到充分的利用，是对水解制氢方法获取能源的一大浪费。因此，需要一种更加经济、便利的新型氢能发电技术。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是现有的水解制氢的技术重点都在于利用水解的方法制备氢气，再通过氢气进一步的反应而获得能量，都忽视了在水解过程中所产生的电能，这部分电能往往被浪费掉了，没有得到充分的利用，是对水解制氢方法获取能源的一大浪费。
为解决上述问题，我们提出了一种金属燃料氢气发电装置，通过利用金属氧化还原过程产生的电位差进行发电，并在此过程中收集氢气供给燃料电池、涡轮发动机、内燃发动机或压力动力装置，实现水解过程中能源的最大收集和利用。
为达到上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：一种金属燃料氢气发电装置，主要是收集金属合金与碱性溶液反应生成氢气过程中产生的氧化还原电能用于发电的装置，同时可以收集产生的氢气，通过燃料电池、涡轮发动机、内燃发动机或压力动力装置等再次利用。其中，几种金属在与碱性溶液(溶剂可以是水、盐水、海水)在同等条件下反应时产生的电压如下(以平均产生0.04A电流计)：
Li≥3.04V，Mg＝2.37V，Al≥1.66V，Zn≥0.76V，Fe≥0.44V，H≥0V，Hg≥-0.24V，Cu≥0.34V，Ag≥1.69V。
从上述数据中可以看出，从产生的电压大小、成本方面考虑，Mg或者Al合金是理想的金属燃料。其反应方程式如下：
Mg+2H2O—>Mg(OH)2+H2↑
Al+3H2O—>Al(OH)3+3/2H2↑
而具体的电压和电流值可通过调节电极板金属的大小、数量、碱性溶液浓度、接触面的面积、接触周期进行调整。
其结构包括电极板、电极插件、转轴、反应池；所述电极板包括金属层、水膜层、碳素层、镍层依次以高分子聚合物电池(即各层依次重叠组合)的形式一体化连接，便于组合发电和进行错漏更替；电池插件为具有若干插槽的圆筒，插槽与电极板可拆卸连接；电池插件的中心为转轴，转轴通过线路与开关、马达、变压器相连；电池插件的下方为反应池。
进一步的，电极板的尺寸如下：长5cm×宽10cm；各层厚度：金属0.2cm、水膜0.4cm、碳素0.3cm、镍1cm。
进一步的，金属层由镁、镁合金或铝、铝合金制成。
进一步的，金属层由镁合金制成，其中各成分的比例为Mg:Al:Li:Ni＝99～61:0.1～34:0～3.8:0～0.7。
进一步的，电池插件上均匀设有1008个插槽。该个数的插件能够保证本发电装置具有较强的续航能力，又不至于因电量过大、氢气产能过多而造成浪费。
进一步的，转轴与提升机构相连，将整个电池插件提升至与反应池内液体分离的高度，终止反应；提升机构例如但不限于液压杆、三脚架等。
进一步的，反应池分别与进水管和出水管相接，出水管与水泵相连，用水泵将反应池内混合反应物的废水抽出，由进水管向反应池内补充新的反应液，实现连续发电；同时抽出的废水可与过滤装置相连，将反应产物过滤出，用于防火材料等。
进一步的，反应池上方设有外罩，电极板、电极插件、转轴都密封于外罩内，外罩上接有安全阀门和出气管道，出气管道与燃料电池、氢发动机和/或氢锅炉相连。可以将化学反应产生的氢气收集、利用，进行二次发电。
进一步的，外罩上设有喷雾口，喷雾口通过管道与水泵、反应液储存罐相连，向电极插件上的电池板喷射反应液进行反应，多余的反应液和反应产物进入反应池。
进一步的，所述发电装置还设有控制器，控制器与设置于发电装置内的传感器、各部件开关相连，控制整个装置的运行。传感器例如但不限于压力传感器、pH计、电流表、电压表等，各部件开关指转轴的开关、提升机构的开关、安全阀开关、进水、出水管道阀门、水泵开关等。
进一步的，所述电机设于框架上，通过皮带驱动转轴转动，同时反应池下方设有若干超声发生器，在系统运行一段时间后开启超声发生器，对电极板进行超声清洗，清除表面产生的氢氧化物和垃圾，漏出内部的金属板，以保证反应的继续进行，从而可以实现持续发电。每次清洗约30s，清洗的同时其他电极板仍旧在发电，不会影响使用。
本实用新型的有益效果在于：
(1)利用氧化还原反应产氢的电位差离子化的过程中产生的电能，因此无需补充输入电源，在没有电能的地区中也可以使用，适用范围广。
(2)反应的同时得到电和氢气，成本低、效率高。
(3)反应产生的反应产物可以通过一定的处理再作为防火材料、香皂、清洁剂、洗涤剂等再次利用。
(4)在氢生产过程中，可吸收二氧化碳净化空气，改善大气环境。
(5)在产氢过程中，通过超声清洗，清除表面产生的氢氧化物和垃圾，可以保证反应的持续、连续进行，实现连续发电。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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。
图1是本实用新型的电极板结构示意图；
图2是本实用新型的整体结构示意图；
图3是本实用新型实施例7的内部结构示意图；
图中，电极板1、金属层11、水膜层12、碳素层13、镍层14、电极插件2、转轴3、反应池4、进水管41、出水管42、水泵43、外罩5、安全阀门51、出气管道52、控制器6、超声发生器7。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1：
一种金属燃料氢气发电装置，包括电极板1、电极插件2、转轴3、反应池4；所述电极板1包括金属层11、水膜层12、碳素层13、镍层14依次以高分子聚合物电池(即各层依次重叠组合)的形式一体化连接，便于组合发电和进行错漏更替；其中，金属层作为负极，用于提供反应的金属材料，水膜层由吸水材料制成，用于提供反应的碱性溶液，碳素层作为正极，可以减小电极板的尺寸，提高发电效率，镍层可以使产生的电有效传导；电池插件2为具有若干插槽的圆筒，插槽与电极板可拆卸连接，可以随时更换反应掉的个别电极板，而不会影响整个装置的运行；电池插件的中心为转轴3，转轴3通过线路与开关、马达、变压器相连；转轴可以控制电极插件旋转，以控制单位时间内与反应液接触的电极板数量，从而可以控制发电量，另外，实验发现，在与反应液接触后的电极板，与反应液分离后一定时间内仍然可以持续发电，所以也可以通过调节转速来节省成本，延长电极板的使用寿命，再一方面，可以通过转轴的转动，将电池板反应后的产物(Mg(OH)2或Al(OH)3)通过重力和离心力的作用与电池板分离，最终落到反应池内，避免反应物的附着而影响发电效率；电池插件的下方为反应池4，反应池4可以呈接或提供反应液，与电池板相反应的碱性溶液在反应池内，同时反应后的产物也在转动的过程中落入反应池内，以便集中处理。
电极板的尺寸如下：长5cm×宽10cm；各层厚度：金属0.2cm、水膜0.4cm、碳素0.3cm、镍1cm。
金属层由镁合金制成，其中各成分的比例为Mg:Al:Li:Ni＝99:0.1:0:0。
电池插件2上均匀设有1008个插槽。该个数的插件能够保证本发电装置具有较强的续航能力，又不至于因电量过大、氢气产能过多而造成浪费。在此种情况下，2,318V×40,32A＝93,461瓦的电量，足够使用。
转轴3与提升机构相连，将整个电池插件提升至与反应池内液体分离的高度，终止反应；提升机构例如但不限于液压杆、三脚架等。
反应池分别与进水管41和出水管42相接，出水管与水泵43相连，用水泵将反应池内混合反应物的废水抽出，由进水管向反应池内补充新的反应液，实现连续发电；同时抽出的废水可与过滤装置相连，将反应产物过滤出，用于防火材料等。
反应池上方设有外罩5，电极板1、电极插件2、转轴3都密封于外罩内，外罩上接有安全阀门51和出气管道52，出气管道与燃料电池、氢发动机和/或氢锅炉相连。可以将化学反应产生的氢气收集、利用，进行二次发电。
所述发电装置还设有控制器6，控制器与设置于发电装置内的传感器、各部件开关相连，控制整个装置的运行。传感器例如但不限于压力传感器、pH计、电流表、电压表等，各部件开关指转轴的开关、提升机构的开关、安全阀开关、进水、出水管道阀门、水泵开关等。
实施例2：
金属层由镁合金制成，其中各成分的比例为Mg:Al:Li:Ni＝84.5:14.5:0.7:0.3。
其余均与实施例1相同。
实施例3：
金属层由镁合金制成，其中各成分的比例为Mg:Al:Li:Ni＝72.7:25.3:1.5:0.5。
其余均与实施例1相同。
实施例4：
金属层由镁合金制成，其中各成分的比例为Mg:Al:Li:Ni＝61.3:34.2:3.8:0.7。
其余均与实施例1相同。
实施例5：
金属层由或铝制成。
其余均与实施例1相同。
实施例6：
外罩5上设有喷雾口，喷雾口通过管道与水泵、反应液储存罐相连，向电极插件上的电池板喷射反应液进行反应，多余的反应液和反应产物进入反应池。
其余均与实施例1-5任一相同。
实施例7：
如图3所示，本实用新型的电机设于框架上，通过皮带驱动转轴转动，同时反应池下方设有若干超声发生器7，在系统运行一段时间后开启超声发生器，对电极板进行超声清洗，清除表面产生的氢氧化物和垃圾，漏出内部的金属板，以保证反应的继续进行，从而可以实现持续发电。每次清洗约30s，清洗的同时其他电极板仍旧在发电，不会影响使用。
其余均与实施例1-6任一相同。
本装置的运转原理如下：
在转轴的带动下，插有电极板的电极插件旋转，水膜层吸收反应液，开始反应，这样可以防止电极板一直处于反应液中过快氧化，不能稳定的产电，同时又具有超声清洗装置，及时清除表面产生的氢氧化物和垃圾，实现连续发电。然后通过反应池的循环进水、出水，补充反应液的同时持续发电，并通过循环将反应得到的副产品有效去除、回收再利用。运转的过程中，可以通过控制器控制转速、反应液的总量和浓度来调节产电量、产氢量和反应器内压力。其中，所产电量按子的大小,数量,电极板的转速,电解溶液的量和PH浓度按比例增加
使用电极板时产生的氢气储存在储存容器中，可用于生产二次电。
Claims (9)
1.一种金属燃料氢气发电装置，其特征在于：包括电极板、电极插件、转轴、反应池；所述电极板包括金属层、水膜层、碳素层、镍层依次以高分子聚合物电池的形式一体化连接；电池插件为具有若干插槽的圆筒，插槽与电极板可拆卸连接；电池插件的中心为转轴，转轴通过线路与控制器、马达、变压器相连；电池插件的下方为反应池。
2.如权利要求1所述的金属燃料氢气发电装置，其特征在于：电极板的尺寸如下：长5cm×宽10cm；各层厚度为金属0.2cm、水膜0.4cm、碳素0.3cm、镍1cm。
3.如权利要求1所述的金属燃料氢气发电装置，其特征在于：金属层由镁、镁合金或铝、铝合金制成。
4.如权利要求1所述的金属燃料氢气发电装置，其特征在于：电池插件上均匀设有1008个插槽。
5.如权利要求1所述的金属燃料氢气发电装置，其特征在于：转轴与提升机构相连。
6.如权利要求1所述的金属燃料氢气发电装置，其特征在于：反应池分别与进水管和出水管相接，出水管与水泵相连；反应池上方设有外罩，电极板、电极插件、转轴都密封于外罩内，外罩上接有安全阀门和出气管道，出气管道与燃料电池、氢发动机和/或氢锅炉相连。
7.如权利要求6所述的金属燃料氢气发电装置，其特征在于：外罩上设有喷雾口，喷雾口通过管道与水泵、反应液储存罐相连。
8.如权利要求1所述的金属燃料氢气发电装置，其特征在于：反应池下方设有若干超声发生器。
9.如权利要求1-8任一项所述的金属燃料氢气发电装置，其特征在于：所述发电装置还设有控制器，控制器与设置于发电装置内的传感器、各部件开关相连。
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