一种模块化产氢装置

1.本发明涉及氢气制备技术领域，尤其涉及一种模块化产氢装置。


背景技术：

2.燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的发电装置，其转化过程不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高、环境友好等优点，燃料电池系统通常包括多个串联的燃料电池单元。燃料电池的理想燃料是氢气，燃料电池的氢供给可以采用高压气瓶、金属氢化物、低温液氢和化学水解制氢等多种方式。其中，化学水解制氢具有氢能量密度高、携带方便和灵活性强等优点。
3.在化学制氢中，金属氢化物，尤其是硼氢化钠水解更具吸引力，因为在制氢过程中对电输入或热输入需求较少。而目前硼氢化钠水解产氢装置存在以下不足之处：1)单根硼氢化钠燃料棒容量较小，不能满足高流量、高功率的场合需求；2)燃料棒的可操作性设计有待改进；3)硼氢化钠完全水解的反应热约为
‑
58kcal/mole，而当气体流量大于1l/min时，随着反应的加剧，氢气中的蒸汽含量明显增加，带出的水汽太多，既浪费了反应所需的水，又需要对产生的氢气进行额外的干燥处理，增加了系统复杂度和成本。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种模块化产氢装置。
5.一种模块化产氢装置，包括：燃料棒模块、储水冷却一体罐、底座、水路选择器和控制器；所述燃料棒模块和所述储水冷却一体罐均设置在所述底座上；所述燃料棒模块包括有若干个燃料棒，所述若干个燃料棒可拆卸地连接在所述底座上，所述燃料棒内设置有固体燃料；所述储水冷却一体罐连通所述水路选择器，通过所述水路选择器向所述燃料棒内输送水，固体燃料接触到水后发生水解反应，产生包括有水蒸气和氢气的混合气体；所述储水冷却一体罐内还设置有冷凝管，所述燃料棒将所述混合气体通过氢气管路输送至所述冷凝管进行冷凝，获取水和氢气；所述水路选择器设置在所述底座内，所述水路选择器连通所述储水冷却一体罐和所述若干个燃料棒，将所述储水冷却一体罐内的水输送至对应的燃料棒；所述燃料棒模块、储水冷却一体罐和水路选择器均与所述控制器电连接。
6.进一步地，所述燃料棒包括：外壳、反应室和出气室，所述反应室和出气室均设置在所述外壳内；所述反应室内设置有反应腔，所述反应腔内填充有固体燃料，且反应腔底部设置有进水口，所述进水口处连接进水针管，通过所述进水针管进水，且所述进水口处覆盖有密封橡胶垫；所述出气室顶部设置有与所述反应室连通的出气管，所述出气管另一端连通所述出气室底部，所述出气室底部设置有第一出气口，所述第一出气口处设置有快速插拔接头，所述快速插拔接头与所述出气管连通。
7.进一步地，所述底座设置有连接槽、弹开按钮和液体管道；所述连接槽用于安装所述燃料棒；所述连接槽内设置有快速插拔母头和进水针头；所述快速插拔母头与所述快速插拔接头匹配；所述进水针头用于穿透所述密封橡胶垫，连通所述进水针管，向所述反应腔
内输送水；所述弹开按钮用于弹开所述快速插拔母头和所述快速插拔接头之间的连接；所述液体管道设置在所述底座内，连通所述储水冷却一体罐和所述进水针头。
8.进一步地，所述储水冷却一体罐包括：罐体、冷凝管、出水管、进气口和第二出气口；所述罐体内装有大量水；所述冷凝管呈螺旋状设置在所述罐体内部；所述出水管设置在所述罐体底部；所述冷凝管两端分别穿过所述进气口和第二出气口，所述进气口设置在所述罐体顶部，所述第二出气口设置在所述罐体底部。
9.进一步地，所述水路选择器包括：壳体和通道选择器；所述壳体上设置有入水管和多个外部输水管，所述入水管连接所述储水冷却一体罐，多个所述外部输水管分别连接有对应的燃料棒；所述通道选择器设置在所述壳体内，且设置有中心轴，所述通道选择器顶部和底部分别套设有与所述中心轴匹配的轴承，所述通道选择器内设置有内部输水管和连轴，所述内部输水管设置有至少一个，一端与所述连轴连接，另一端与所述外部输水管连接；所述连轴与所述控制器电连接，通过所述控制器控制所述连轴的转动，所述内部输水管通过所述连轴的转动连接任一所述外部输水管，将水输送至对应的燃料棒。
10.进一步地，还包括：气水分离器，所述气水分离器包括有分离罐、输入管、气体输出管和液体输出管；所述输入管一端插入至所述分离罐底部，另一端连接所述冷凝管，所述冷凝管将冷凝后包括有氢气和水的气水混合物输入所述分离罐内，分离出氢气和水；所述气体输出管设置在所述分离罐顶部，用于输出氢气；所述液体输出管设置在所述分离罐底部，用于输出水。
11.进一步地，还包括：控制阀和水位监测传感器，所述控制阀和所述水位监测传感器均与所述控制器电连接；所述水位监测传感器用于监测所述气水分离器中的水位，在水位到达预设高度时，通过所述控制阀切换输水管道，将所述气水分离器中的水供给于所述燃料棒。
12.进一步地，还包括：水泵，所述水泵与所述控制器电连接，所述水泵将所述储水冷却一体罐内的水通过液体管道输送至所述水路选择器，通过所述水路选择器输送至所述燃料棒。
13.进一步地，所述底座上还设置有压力传感器和自动弹出装置，所述压力传感器和所述自动弹出装置与所述控制器电连接；所述压力传感器用于检测产生氢气的压强，所述自动弹出装置用于在压强低于预设值时，自动弹出所述燃料棒。
14.进一步地，所述氢气管路上还设置有单向阀门，将所述混合气体单向输送至所述冷凝管。
15.与现有技术相比，本发明的优点及有益效果在于：
16.1、本发明能够获取纯净氢气，使得硼氢化钠可用作连续可靠的氢源，并实现水资源的重复利用，同时能够利用反应热加热储水冷却一体罐中水，从而提升产氢速度。
17.2、本发明的燃料棒采用模块化设计，具有灵活性，多个燃料棒组合从而提高氢气产量；燃料棒能够通过快速插拔的方式进行安装和拆卸，切换方便快捷，便于用户操作及按需配置。
18.3、本发明能够通过控制供给的水量控制装置的产氢量，具有按需产生氢气的优势。
19.4、本发明采用独特的水路选择器设计，一旦氢流速或压力低于预先设置的范围，
通过信号传输实现燃料棒的切换，从而简化系统结构。
20.5、本发明具备高含氢量、高便携性、灵活性等优点，且十分安全，消耗能量少，装置启动速度快、响应时间短，制氢速率高、反应可控性好、燃料转化率高，可为移动式、固定式燃料电池提供氢源。
附图说明
21.图1为一个实施例中一种模块化产氢装置的结构示意图；
22.图2为一个实施例中底座的结构示意图；
23.图3为图1的剖视示意图；
24.图4为一个实施例中燃料棒的结构示意图；
25.图5为图4的剖视示意图；
26.图6为一个实施例中储水冷却一体罐的结构示意图；
27.图7为图6的剖视示意图；
28.图8为一个实施例中水路选择器的结构示意图；
29.图9为图8的爆炸示意图；
30.图10为图8的剖视示意图；
31.图11为一个实施例中气水分离器的结构示意图；
32.图12为图11的剖视示意图；
33.图13为一个实施例中一种模块化产氢装置的水路流向示意图；
34.图14为一个实施例中一种模块化产氢装置的氢气流向示意图。
35.附图中，燃料棒模块10、燃料棒11、外壳12、反应室13、反应腔131、进水口132、进水针管133、密封橡胶垫134、出气室14、储气罐141、快速插拔接头142、储水冷却一体罐20、罐体21、冷凝管22、出水管23、进气口24和第二出气口25、、底座30、连接槽31、弹开按钮32、快速插拔母头33、进水针头34、水路选择器40、壳体41、入水管411、外部输水管412、通道选择器42、中心轴421、轴承422、内部输水管423、连轴424、气水分离器50、分离罐51、输入管52、气体输出管53、液体输出管54。
具体实施方式
36.为了使本发明更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
37.结合图1至图10所示，提供了一种模块化产氢装置，包括：燃料棒模块10、储水冷却一体罐20、底座30、水路选择器40和控制器，燃料棒模块10和储水冷却一体罐20均设置在底座30上；燃料棒模块10包括有若干个燃料棒11，若干个燃料棒11可拆卸地连接在底座30上，燃料棒11内设置有固体燃料；储水冷却一体罐20连通水路选择器40，通过水路选择器40向燃料棒11内输送水，固体燃料接触到水后发生水解反应，产生包括有水蒸气和氢气的混合气体；储水冷却一体罐20内还设置有冷凝管21，燃料棒11将混合气体通过氢气管路输送至冷凝管21进行冷凝，从而获取水和氢气；水路选择器40设置在底座30内，水路选择器40连通储水冷却一体罐20和若干个燃料棒11，将储水冷却一体罐20内的输送至对应的燃料棒11，
燃料棒模块10、储水冷却一体罐20和水路选择器40均与控制器电连接。
38.在本实施例中，燃料棒模块10包括有若干个燃料棒10，燃料棒10可以根据实际需要进行对应的配置，从而满足对氢流量的不同需求，储水冷却一体罐20连通水路选择器40，通过水路选择器40向对应的燃料棒11进行供水，固体燃料接触到水后发生水解反应，产生混合气体，通过冷凝管21对混合气体进行冷凝，获取水和氢气，将氢气输送至燃料电池进行发电，水用于后续水解反应，实现重复利用，且水解产生的热量能够加速水解反应速度，从而提升产氢速度，通过控制器控制燃料棒模块10、储水冷却一体罐20和水路选择器40，能够通过信号传输实现燃料棒11切换和供水控制，简化了系统结构，实现了水资源的重复利用的同时能够获取纯净氢气。
39.具体地，该产氢装置能够通过控制供水量来控制制氢量，实现按照需求控制氢气产量，并在需要时快速启动和快速关闭。
40.其中，燃料棒11包括：外壳12、反应室13和出气室14；反应室13和出气室14均设置在外壳12内；反应室13内设置有反应腔131，反应腔131内填充有固体燃料，且反应腔131底部设置有进水口132，进水口132连接进水针管133，通过进水针管133进水，且进水口处132覆盖有密封橡胶垫134；出气室14顶部设置有与反应室13连通的出气管141，出气管141另一端连通出气室14底部，出气室14底部设置有第一出气口，第一出气口处设置有快速插拔接头142，快速插拔接头142与出气管141连通。
41.具体地，反应室13和反应腔131底部设置有进水口132，进水口132连接有进水进水针管133，通过进水针管133向反应腔131内输送水，且进水口132处设置有密封橡胶垫134，在向反应腔131内输送水时，需要先穿透密封橡胶垫134，连通进水针管133，实现输水。固体燃料接触水后发生水解反应，产生混合气体，通过连通反应室13顶部的出气管141将混合气体输出。其中，快速插拔接头142用于连接底座30。
42.具体地，燃料棒11的个数可以根据实际需要进行调整，或配置为阵列形式，例如设置为4个。燃料棒11外形采用非对称设计，防止误插拔。
43.其中，反应室13可以设置为圆柱形，从而能够在较轻薄的设计下承受高压；而出气室14较小，设置为非圆柱形。
44.具体地，燃料棒11还可以设置有识别传感器，从而识别气路和水路连通的燃料棒11，便于协调和控制水的分配。
45.具体地，填充有固体燃料的燃料棒11在使用前可以存储在干燥的盒中或密封与防潮袋或容器中。燃料棒11是一次性的，并且在具有氢供给需求时可在现场将燃料棒11安装于产氢装置中。
46.其中，底座30设置有连接槽31、弹开按钮32和液体管道(图未示)；连接槽31用于安装燃料棒11；连接槽31内设置有快速插拔母头33和进水针头34；快速插拔母头33与快速插拔接头142匹配；进水针头34用于穿透密封橡胶垫134，连通进水针管133，向反应腔13内输送水；弹开按钮32用于弹开快速插拔母头33与快速插拔接头142之间的连接；液体管道设置在底座30内，连通储水冷却一体罐20和进水针头34。
47.具体地，快速插拔母头33与快速插拔接头142配合，能够在燃料棒11压下时锁紧燃料棒11，并提供气路连通和密封，按下弹开按钮32后，气路断开，燃料棒11就能够拔出。燃料棒11插入时，安装在底座30上的进水针头34穿透密封橡胶垫134，刺入进水针管133，从而打
开进水通路。进水针头34通过水路选择器40与水泵相连。
48.具体地，液体管道用于输送水，连通燃料棒模块10、储水冷却一体罐20和水路选择器40。
49.其中，储水冷却一体罐20包括有罐体22、冷凝管21、出水管23、进气口24和第二出气口25；罐体22内装有大量水；冷凝管21呈螺旋状设置在罐体22内部；出水管23设置在罐体22底部；冷凝管21两端分别穿过进气口24和第二出气口25，进气口24设置在罐体22顶部，第二出气口设置在罐体22底部。
50.具体地，罐体22内储存的水通过出水管23输送至燃料棒11，燃料棒11产生水解反应后，生成混合气体，混合气体通过进气口24输入冷凝管21进行冷凝，并通过第二出气口24输出包含有氢气和水的气水混合物，将水排出即可获取燃料电池所需氢气。
51.具体地，水泵通过液体管道将罐体22中的水输送至水路选择器40，进而分配到合适的燃料棒11中，水和容纳与燃料棒11中的固体燃料接触，几乎立即发生水解反应，然后将水解反应中产生的混合气体输送至冷凝管21中进行冷却，获取氢气和水，氢气用于燃料电池使用，水输送至罐体22内继续用于水解反应，能够节约水资源的同时，获取更为纯净的氢气。
52.同时，由于水解反应会产生热量，气水混合物通过冷凝管21时能够对罐体22中水进行预热，提高催化剂的反应活性，从而提高水解反应的速率，尤其在低温时能有有效利用水解反应产生的热量。
53.其中，冷凝管21可以采用金属材料制成，设置为螺旋状，延长混合气体通过罐体的时间，确保充分冷却，且冷凝管21与罐体22的内壁接触，在水位较低时也可以通过罐体22内壁进行散热。
54.其中，水路选择器40包括：壳体41和通道选择器42；壳体41上设置有入水管411和多个外部输水管412，入水管411连接出水冷却一体罐20，多个外部输水管412分别连接有对应的燃料棒11；通道选择器42设置在壳体41内，且设置有中心轴421，通道选择器42顶部和底部分别套设有中心轴421匹配的轴承422，通道选择器42内设置有内部输水管423和连轴424，内部输水管423设置有至少一个，一端与连轴424连接，另一端与外部输水管412连接；连轴424与控制器电连接，通过控制器控制连轴424的转动，内部输水管423通过连轴424的转动连接任一外部输水管423，将水输送至对应的燃料棒11。
55.具体地，入水管411连接储水冷却一体罐20，储水冷却一体罐20通过入水管411向水路选择器40中输入水，通过通道选择器42中的连轴424的转动，连接内部输水管423和其中一个外部输水管412，将水输送至外部输水管412对应的燃料棒11，实现燃料棒11的供水。
56.具体地，壳体41上分布有分别连接所有燃料棒11的外部输水管412，通道选择器42内部包含有内部输水管423和可转动的连轴424，水从通道选择器42下方进入，在连轴424的转动下，内部输水管423与某个外部输水管412连接，将水输送到对应的燃料棒11。其中，连轴424的转动可以通过控制器进行控制。
57.具体地，内部输水管423和外部输水管412的连接处设置有密封圈，用于防止水泄露。内部输水管423和外部输水管412的数量可以根据实际需要进行对应的调整。
58.在一个实施例中，燃料棒11也可以采用阀门进行快速切换，在各条输水管路上设置阀门，在检测到氢流速或压力低于预先设置的范围时，信号传输至阀门切换至其他燃料
棒11水解反应制氢。
59.在一个实施例中，结合图11和12所示，还包括气水分离器50，气水分离器50包括分离罐51、输入管52、气体输出管53和液体输出管54；输入管52一端插入分离罐50底部，一端连接冷凝管21，冷凝管21将冷凝后包括有氢气和水的气水混合物输入分离罐51内，分离出氢气和水；气体输出管53设置在分离罐51顶部，用于输出氢气；液体输出管54设置在分离罐51底部，用于输出水。
60.具体地，冷凝管21将混合气体冷凝后获取氢气和水的气水混合物，将气水混合物通过输入管52输送至分离罐51内，通过设置在分离罐51顶部的气体输出管输出纯净氢气，通过设置在分离罐51底部的液体输出管输出水，从而获取纯净氢气和水。
61.在一个实施例中，针对重量或空间要求较高的场合，例如无人机，该产氢装置可以不包括气水分离器50，直接通过储水冷却一体罐20提供燃料水解反应需要的水分，同时冷却水解反应后产生的混合气体，获取氢气并回收气体混合物中的水蒸汽。
62.其中，还包括：控制阀和水位监测传感器，控制阀和水位监测传感器均与控制器电连接；水位监测传感器用于监测气水分离器50中的水位，在水位到达预设高度时，通过控制阀切换输水管道，将气水分离器50中的水供给于燃料棒11。
63.具体地，当水位监测传感器检测到气水分离器50中的水位达到一定量时，可以通过控制阀切换燃料棒供水，将气水分离器50回收的水用于燃料棒11的水解反应，实现水资源的重复利用。
64.其中，还包括：水泵，水泵与控制器电连接，水泵将储水冷却一体罐20内的水通过液体管道输送至水路选择器40，通过水路选择器40输送至燃料棒11。
65.具体地，通过水泵控制燃料棒11的水的输入，水泵输入的水可以是储水冷却一体罐20中的水或者气水分离器50中回收的水。
66.其中，底座30上还设置有压力传感器和自动弹出装置，压力传感器和自动弹出装置与控制器电连接；压力传感器用于检测产生氢气的压强；自动弹出装置用于在压强低于预设值时，自动弹出燃料棒11。
67.具体地，针对无人机等对载重要较高的应用场景，可以设置废燃料棒自动弹出装置，通过压力传感器检测到氢气压力低于预设值下限时，标记该组燃料棒11为废棒，当无人机运行至预设废棒收集点时，通过控制器控制自动弹出装置弹出废棒，从而减小设备载荷和电消耗，增加续航时长。
68.其中，氢气管路上还设置有单向阀门，将混合气体单向输送至冷凝管21。
69.具体地，在各燃料棒11的氢气管路上还设置有单向阀门，从而产生的混合气体回流进入燃料棒11，同时单向阀门也可以保证在燃料棒11被拔出后，从其他燃料棒11产生的氢气能够不受影响，继续供应。
70.在实践中，该模块化产氢装置可与燃料电池系统整合，燃料电池系统优选但不限于本领域中熟知的质子交换膜燃料电池系统，以形成发电系统。其中，模块化产氢装置产生的氢气可被导入所述燃料电池系统。只要模块化产氢装置内的固体燃料和水未耗尽，则该燃料电池系统可以是可靠的便携式或固定式电源。
71.如图13所示，为一个实施例中模块化产氢装置内的水路流向示意图，首先，打开控制阀，通过水泵将储水冷却一体罐的水罐内的水输送至水路选择器，通过水路选择器中连
轴的转动，将水输送至对应的燃料棒，燃料棒内的固体燃料接触到水，发生水解反应，从而产生混合气体，该混合气体包括有水蒸气和氢气，混合气体输送至冷凝管进行冷凝，冷凝后的气水混合物传输至气水分离器，获取纯净的氢气和水，水可以通过控制阀和水泵输送至水路选择器，用于水解反应，从而起到节约水资源且获取纯净氢气的作用。
72.如图14所示，为一个实施例中模块化产氢装置内的氢气流向示意图，燃料棒在发生水解反应后获取氢气，但是由于水解反应放热产生有水蒸气，与氢气混合，因此通过单向阀将该混合气体输出值冷凝管，通过冷凝管将水蒸气进行冷凝获取液体水和氢气，并通过气水分离器进行分离，获取纯净氢气和水，纯净氢气用于燃料电池发电，水用于水解反应。
73.其中，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。