制氢装置及制氢方法与流程

1.本发明涉及制氢技术领域，具体而言，涉及一种制氢装置及制氢方法。


背景技术：

2.氢能源作为一种高焓值的能源在解决能源危机和环境污染等问题上备受关注。目前在氢气商业应用中，主要有高压气态储氢、液态储氢、金属储氢等形式。其中，高压气态储氢存在着能量密度低、易泄露、安全性差等问题；而液态储氢因存在绝热失效问题，导致其储氢时间短、成本高；金属储氢具备即产即用、能量密度高等优势，得到了广泛的研究和发展运用。在金属储氢领域，铝水制氢技术被认为是一种低成本、高储氢密度、环保的制氢方案。然而，铝粉化学特性比较活泼，导致铝水制氢反应存在以下问题：1)反应剧烈，难以控制反应进度、反应温度高、放热量高、散热困难；2)反应不充分，导致反应物和产物共存、产氢率低；3)产氢速率和氢气压力不稳定。


技术实现要素：

3.基于此，有必要提供一种能够提高产氢速率，且制氢反应温度可控的制氢装置及制氢方法。
4.本发明一方面，提供一种制氢装置，其包括：
5.储水装置，设有第一出水口；以及
6.制氢反应器，所述制氢反应器设有第一进水口、第二进水口、第二出水口、进气口、出气口和温度传感器，所述制氢反应器的腔体内安装有多孔装置和散热装置；所述多孔装置用于填充金属储氢材料，所述散热装置套设于所述多孔装置外，且所述散热装置的一端与所述第二进水口相连通，所述散热装置的另一端与所述第二出水口相连通。
7.在其中一个实施例中，所述制氢反应器还设有多组翅片。
8.在其中一个实施例中，所述第一进水口处安装有进水管，所述进水管上设有电磁阀，且所述进水管位于所述制氢反应器内的端部设有液体喷淋装置。
9.在其中一个实施例中，所述散热装置为金属管，且所述金属管螺旋绕设于所述多孔装置外。
10.在其中一个实施例中，所述温度传感器有多个，多个所述温度传感器等间距分布于所述制氢反应器的侧壁上。
11.在其中一个实施例中，所述储水装置还设有温度传感器连接器和水冷散热器；所述温度传感器连接器与多个所述温度传感器电连接，所述水冷散热器用于散发所述储水装置内的热量。
12.在其中一个实施例中，所述制氢反应器上还设有泄压阀和压力传感器。
13.在其中一个实施例中，所述多孔装置为金属编织网管。
14.在其中一个实施例中，还包括泵体，所述泵体的进水口与所述第一出水口相连通。
15.本发明一方面，还提供一种制氢方法，其采用上述所述的制氢装置，包括以下步
骤：
16.将金属储氢材料填充到所述多孔装置内，通过所述进气口在所述制氢反应器内输入保护气体；以及
17.通过第一进水口将反应用水输入至所述制氢反应器内，以使所述反应用水与所述金属储氢材料发生反应制备氢气，生成的氢气经由所述出气口输出；其中，在反应过程中，待所述温度传感器显示所述制氢反应器内温度大于等于反应温度阈值时，打开所述第一出水口，使所述储水装置中的水体经由所述第二进水口输入至所述散热装置内，并经由所述第二出水口输出，以散发制氢反应所产生的热量。
18.在其中一个实施例中，所述金属储氢材料包括铝、稀土化合物、钛系化合物、镁系化合物及金属合金中的一种或多种；和/或，所述金属合金包含铝、钒、铌和锆中的一种或多种。
19.上述制氢装置通过储水装置及散热装置等部件的配合能够快速的将制氢反应所产生的热量传递到外部环境中，达到了制氢反应(比如铝水制氢技术)温度可控的目的，且散热快、散热量高。
20.另外，针对目前金属储氢材料在与水反应的过程中容易造成金属储氢材料及反应产物的板结，致使产氢率较低的问题，本发明设置了多孔装置来避免此类问题，从而使得制氢反应具有优异的反应稳定性，且产氢率高。上述制氢装置可以使制氢反应的反应压力和温度均可控，进而可以具有稳定的产氢速率和氢气压力。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
22.图1为本发明一个实施例中制氢装置的结构示意图；
23.图2为本发明一个实施例中制氢反应器的结构示意图；
24.图3为制氢反应器的a-a’剖面图；
25.图4为制氢反应器的俯视图。
26.附图标记说明：
27.100、储水装置；101、温度传感器连接器；102、水冷散热器；200、制氢反应器；201、第一进水口；202、第二进水口；203、第二出水口；204、进气口；205、出气口；206、温度传感器；207、多孔装置；208、散热装置；209、翅片；210、进水管；211、电磁阀；212、液体喷淋装置；213、泄压阀；214、压力传感器；215、进气管；216、出气管；217、顶盖；218、腔体；300、泵体。
具体实施方式
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度大于等于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
33.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
34.可理解的，在金属储氢领域，传统的水解制氢反应，比如铝水制氢技术存在着反应剧烈难以控制、产热高而散热难、产氢率低、产氢速率和氢气压力不稳定等缺陷。为此，本发明提供了一种制氢装置，该制氢装置通过储水装置100和散热装置200等部件的配合能够快速的将制氢反应所产生的热量传递到外部环境中，达到了制氢反应(比如铝水制氢技术)温度可控的目的，且散热快、散热量高。而且通过设置多孔装置207避使得制氢反应具有优异的反应稳定性，且产氢率高。上述制氢装置可以使制氢反应的反应压力和温度均可控，进而可以具有稳定的产氢速率和氢气压力。
35.参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的制氢装置的结构示意图，本发明一实施例提供的制氢装置，包括储水装置100和制氢反应器200。其中：
36.(1)储水装置100
37.所述储水装置100设有第一出水口，并通过第一出水口与制氢反应器200的第二进水口202相连通，以将储水装置100内的水体输送至制氢反应器200内，从而实现对制氢反应器200的散热。其中，第一出水口位于储水装置100的底部。
38.在一些实施方式中，制氢装置还包括泵体300，泵体300的进水口与第一出水口相
连通，泵体300的出水口与制氢反应器200的第二进水口202相连通。
39.在一些实施方式中，泵体300的种类不做限制，能够实现水输送即可，例如可以为水泵。其中，泵体300可以位于储水装置100的侧壁上。
40.在一些实施方式中，储水装置100还设有温度传感器连接器101和水冷散热器102，其中，水冷散热器102用于散发储水装置100内的热量。温度传感器连接器101和水冷散热器102可以位于储水装置100的侧壁上。
41.具体地，水冷散热器102与储水装置100通过管道连通，在水冷散热器102的水泵的带动下强制循环带走储水装置100中的热量，实现了储水装置100中水体和外部环境(空气)的热量交互。
42.在一些实施方式中，为了更好的实现制氢反应器200的散热，制氢反应器200可以位于储水装置100内，以使制氢反应器200能够被储水装置内的水体包裹，从而能够使制氢反应器200产生的热量通过热对流传递到储水装置100内的水体中。
43.在一些实施方式中，为了增加制氢装置的便捷性，储水装置100的底部还可以设有滑轮。
44.(2)制氢反应器200
45.请一并参阅图2、图3和图4，制氢反应器200包括第一进水口201、第二进水口202、第二出水口203、进气口204、出气口205、温度传感器206、多孔装置207、散热装置208；第一进水口201、进气口204和出气口205均位于制氢反应器200的顶部，第二进水口202、第二出水口203和温度传感器206均位于制氢反应器200的侧壁上，多孔装置207位于制氢反应器200的内部，散热装置208套设于多孔装置207的外部。
46.所述进气口204用于将保护气体输送至制氢反应器200内，以置换制氢反应器200内的空气。
47.所述出气口205用于将制氢反应生成的氢气输出，在一些实施方式中，出气口205的端部还可以通过管道依次与冷凝装置、干燥装置和缓冲装置(图中未示出)相连接，以进行氢气的后处理。
48.所述温度传感器206用于监测制氢反应器200内的温度，在一些实施方式中，温度传感器206可以有多个，多个温度传感器206等间距分布于制氢反应器200的侧壁上，且多个温度传感器206与温度传感器连接器101之间电连接。
49.所述多孔装置207位于制氢反应器200内，用于填充金属储氢材料。在一些实施方式中，多孔装置207可以有多个，多个多孔装置207间隔排列于制氢反应器200内，可以理解，每个多孔装置207还可以在制氢反应器200的高度方向上叠加一个或多个多孔装置207。
50.在一些实施方式中，多孔装置207的形状和材质不做限制，例如，多孔装置207可以为圆柱形(棒状)、规则棱柱形、不规则棱柱形等。优选的，多孔装置207为棒状的金属编织网管，具体的，可以通过金属丝编织形成侧壁均为网状的管材，而且金属编织网管具有金属储氢材料不可通过性的同时具有水流通性，即金属编织网管能够确保填充于其内的金属储氢材料不会泄露的同时可以使水体在其内部流通，以此实现金属储氢材料和水体反应制氢。通过将金属储氢材料填充于多孔装置207内，即将金属储氢材料制成棒材的形式，可以避免过量水添加到少量金属储氢材料中容易造成反应物和产物板结、氢气产率低等问题。再优选的，金属编织网管为不锈钢编织网管。
51.所述散热装置208的一端经由第二进水口202与第一出水口相连通，散热装置208的另一端与第二出水口203相连通，以使储水装置100中的水体循环流动的输送至散热装置208内，从而实现了储水装置100中水体和散热装置208之间的热量交互。
52.在一些实施方式中，散热装置208的形状不做限制，以能够套设于多孔装置207外而又不会影响水体在多孔装置207内流通为基准，示例性的，散热装置208可以为管材，且螺旋绕设于多孔装置207外。为了提高散热效果，在一些实施方式中，散热装置208的材质为金属，例如，可以为铁、不锈钢、铜等，优选为铜，进一步优选为黄铜。在其中一个具体实施方式中，散热装置208为黄铜金属管，并螺旋绕设于多孔装置207的外部。
53.在一些实施方式中，制氢反应器200上还设有多组翅片209。通过增设翅片209可以增大制氢反应器200的换热表面积，从而能够进一步提升散热效果。多组翅片209可以分布于制氢反应器200的侧壁和底部，优选地，多组翅片209等间距分布于制氢反应器200的侧壁上和底部。
54.在一些实施方式中，第一进水口201处安装有进水管210，进水管210上设有电磁阀211，且进水管210位于制氢反应器200内的端部设有液体喷淋装置212。其中，电磁阀211可以调控水体流量，液体喷淋装置212可以为本领域常用的任意液体喷淋结构，以能够将水体均匀分散于多个多孔装置207内为准，例如，液体喷淋装置212可以为喷头。
55.为了提高设备的使用安全性，在一些实施方式中，制氢反应器200设有泄压阀213和压力传感器214。其中，泄压阀213和压力传感器214可以位于制氢反应器200的顶部。泄压阀213可以根据系统的工作压力自动启闭，其在高压情况下自行开启以排出制氢反应器200内部气体，从而减小其压力；而在压力过低时，泄压阀213又可以自动关闭，以使制氢反应器200恢复正常压力。通过压力传感器214可以实时获取制氢反应器200内的压力值。
56.在一些实施方式中，进气口204处还可以安装有进气管215，同样的，出气口205处也可以设有出气管216。
57.在一些实施方式中，制氢反应器200还包括顶盖217，所述顶盖217用于密封制氢反应器200。其中，第一进水口201、进气口204、出气口205、泄压阀213和压力传感器214均安装在顶盖217上。
58.在一些实施方式中，顶盖217和制氢反应器200的腔体218之间可以通过螺栓连接。
59.在一些实施方式中，为了提升制氢反应器200的密闭性，在顶盖217位于制氢反应器200一侧上还设有密封圈。
60.需要说明的是，在本发明中未特殊说明的连接方式，均可为本领域常用的连接方式，比如焊接。
61.本发明另一实施例提供了一种制氢方法，其包括以下步骤：
62.步骤s100：将金属储氢材料填充到所多孔装置207内，通过进气口204输入保护气体；
63.通过输入保护气体可以将制氢反应器200内的空气排出。其中，保护气体不做限制，选用本领域常用的气体作为保护气即可，例如，可以为氮气、氩气或氮氩混合气体。
64.步骤s200：通过第一进水口201将反应用水输入至制氢反应器200内，以使反应用水与金属储氢材料发生反应制备氢气，生成的氢气经由出气口205输出；需要说明的是，在制备氢气的过程中，待温度传感器206显示制氢反应器200内温度大于等于反应温度阈值
时，打开第一出水口，以将储水装置100中的水体经由第二进水口202输入至散热装置208内。所述反应温度阈值指的是金属储氢材料与水反应能够产生的最高温度。
65.在其中一个实施例中，金属储氢材料不做限制，选用本领域公知的任意金属储氢材料即可，包括但不限于铝、稀土化合物、钛系化合物、镁系化合物及金属合金中的一种或多种，其中金属合金包含铝、钒、铌和锆中的一种或多种。
66.以下结合实施例对本发明进行详细说明。
67.实施例1
68.采用如图1～4所示的制氢装置。由图1～4可知，储水装置100的侧壁上焊接有泵体300、温度传感器连接器101和水冷散热器102。制氢反应器200位于储水装置100内，并经由水体包裹。
69.制氢反应器200由顶盖217和腔体218螺栓连接组成，且为了提高密闭性，顶盖217在位于腔体218的一侧还设有密封圈。腔体218上设有温度传感器206、翅片209、第二进水口202和第二出水口203，温度传感器206与温度传感器连接器101电连接。顶盖217上分别设有第一进水口201、进气口204、出气口205、泄压阀213、压力传感器214以及安装于第一进水口201中的进水管210，进水管210上还设有电磁阀211、安装于进气口204中的进气管215及安装于出气口205中的出气管216。其中，进气管215在位于腔体218内的一端还设有液体喷淋装置212。腔体218内设有多孔装置207以及套设于多孔装置207外的散热装置208。
70.其中，多孔装置207为由316不锈钢丝编织而成的网管，其在密闭铝粉的同时可以使水流通；液体喷淋装置212为喷头；散热装置208为螺旋式的黄铜管材。具体步骤如下：
71.1)将5kg铝粉分别填充到13个多孔装置207中，充分压实，制备铝棒，并将铝棒均匀间隔排列于制氢反应器200内；
72.2)经由进气管210将氮气输入至制氢反应器200内，以清除制氢反应器200内的空气；
73.3)通过进水管210将10l水体输入至喷头处，并经由喷头将水均匀分散到铝棒处，使铝粉与水反应制氢，生成的氢气经由出气口205输出；在制备氢气过程中产生的热量首先经由制氢反应器200和储水装置100中的水体进行热对流，将热量传递到水中；同时，观察温度传感器206，待反应温度阈值到100℃时，开启水冷散热器102，经由第二进水口202将水体输送至散热装置208内，并经由散热装置208的出水端流出，以此循环往复进行散热。而制氢反应器200内的压力可以通过压力传感器214获知，并通过泄压阀213进行自动调控以使制氢反应器200内的压力始终维持在正常水平。通过实验发现，5kg铝粉和水反应制氢过程中，该制氢装置能够使反应制氢的温度从150℃控制在70℃内，而且储水装置100中水体的温度不超过35℃；产氢率为80％～90％，产生的氢气流量稳定在10l/min～30l/min，而且可以持续产氢10h以上。说明本发明提供的制氢装置实现了对制氢反应温度和压力的良好调控，且产氢率较高。
74.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
75.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。