一种金属/水反应制氢实验装置及收集方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及实验用制氢装置技术领域，更具体地说，涉及一种金属/水反应制氢 实验装置及收集方法。
【背景技术】
[0002] 氢气是一种清洁无污染的新能源，也是一种可再生能源。氢气作为燃料用于交通 运输、热能和动力生产中时，具有高效率、高效益的特点，而且氢气反应的产物是水和热，是 真正意义上的清洁能源和可持续能源，但是，氢气的能源转换效率非常低，并且很难存储。
[0003] 因此，科学家认为可使用金属/水反应产生氢气，这种方法不仅廉价、高效，而且 使得氢气的运输与存储更加简单易行，然而这种方法只是处于实验研宄阶段，目前并没有 得到实际应用。通常，在实验室中研宄金属/水反应时采用量筒排水法收集氢气，例如中国 专利申请号2011202486815,申请日为2011年7月15日，发明创造名称为：一种手控制氢 实验装置，该申请案公开了一种利用金属置换氢气并收集氢气的实验装置，该装置包括三 叉戟瓶、滤网圆筒、手控装置、氢气收集装置，其中氢气收集装置由橡胶塞、玻璃弯管、乳胶 管、尖嘴玻璃弯管、量筒顺次连接而成，玻璃弯管穿过橡胶塞伸入三叉戟瓶内的一端作为氢 气出口。该申请案中的氢气收集装置，其优点在于可利用现有的玻璃器皿进行装置搭建，构 造简单，其缺点在于每次实验前都需要对氢气收集装置进行充水处理以实现排水法收集氢 气，操作繁琐，并且需要人工对氢气产量进行统计，这大大的加重了实验者的工作量，费时 费力，且误差较大。
[0004] 又如中国专利申请号2015200250261，申请日为2015年1月15日，发明创造名称 为：金属钠与水反应装置，该申请案的金属钠与水反应装置，包括产气瓶、金属钠推进器、双 孔塞、出气管和储液器，产气瓶与储液器固定连接且在底部由一小孔相连通，塞在产气瓶瓶 口上的双孔塞其中一孔塞入金属钠推进器、另一孔塞入一个连接有开关的出气管，金属钠 推进器由一个顶端带有阻挡环的玻璃管和与玻璃管内径相同的推进柱组成，玻璃管下端塞 有一个密封盖，在出气管上端由下到上依次固定连接一个球形容器和尖嘴玻璃管并相互连 通，储液器外表面设置有体积刻度线；用金属钠推进器在较大块金属钠上钻取一段金属钠， 即可进行实验，现象一清二楚，且在产气瓶里收集到的气体全为纯净的氢气，也能根据储液 器里液面的变化读出产生氢气的体积。但是，该申请案还存在以下缺点：（1)金属钠推进器 直接将一段金属钠送入产气瓶中反应，参加反应的金属钠直接溶于产气瓶中，会对储液器 液面的变化造成影响，从而在计算产生氢气的体积时不准确；（2)反应过程中无法做到定 量控制，不利于控制反应强度及对反应进行定量研宄；（3)通过肉眼观察储液器里液面的 变化来得出产生氢气体积的方法，误差较大，费时费力，实验效率不高。
[0005] 综上所述，如何克服目前实验室用金属/水反应制氢装置存在的氢气收集过程操 作繁琐和人工进行氢气产量统计费时费力、误差较大的不足，是现有技术中亟需解决的技 术难题。
【发明内容】
[0006] 1.发明要解决的技术问题
[0007] 本发明克服了目前实验室用金属/水反应制氢装置存在的氢气收集过程操作繁 琐和人工进行氢气产量统计费时费力、误差较大的不足，提供了一种金属/水反应制氢实 验装置及收集方法，实现了简化氢气收集操作过程及产气量自动记录的功能。
[0008] 2?技术方案
[0009] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0010] 本发明的金属/水反应制氢实验装置，包括溶液储存机构、反应机构和气量检测 机构；
[0011] 所述溶液储存机构与反应机构相连通，反应机构与气量检测机构相连通；
[0012] 所述反应机构包括固定支架、三口锥形瓶、恒温水浴箱和磁力搅拌器；磁力搅拌器 上方设有恒温水浴箱，恒温水浴箱内部设有三口锥形瓶；三口锥形瓶作为金属/水反应的 容器，其上设有三个开口，分别称为溶液开口、金属粉末开口和气体开口，其中：溶液开口与 溶液储存机构相连通，金属粉末开口通过密封塞密封，气体开口与气量检测机构相连通；
[0013] 所述固定支架固定在磁力搅拌器的上方，固定支架与三口锥形瓶固定连接。
[0014] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述溶液储存机构包括 溶液进入管、电磁阀、加热箱、溶液储存箱、热电偶、温度控制仪、控制箱和1#压力变送器；
[0015] 所述加热箱内设有溶液储存箱，溶液储存箱底部设有两个开口，其中一个开口与 溶液进入管的一端相连通，溶液进入管的另一端与所述溶液开口相连通；溶液储存箱底部 另一个开口上设有1#压力变送器，1#压力变送器与控制箱电连接；溶液进入管上设有电磁 阀，电磁阀与控制箱电连接；
[0016] 所述加热箱与温度控制仪电连接，热电偶设于溶液储存箱内部，热电偶与温度控 制仪电连接。
[0017] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述气量检测机构包括 计量管、储水箱、气体逸出管、2#压力变送器、数据采集仪、计算机和显示器；
[0018] 所述计量管和储水箱相互连通，且计量管上部开口并与大气相通；储水箱上部设 有一个开口，该开口与气体逸出管的一端相连通，气体逸出管的另一端与所述气体开口相 连通；
[0019] 所述计量管底部设有2#压力变送器，2#压力变送器的输出端与数据采集仪的输 入端连接，数据采集仪的输出端与计算机连接，显示器与计算机相连。
[0020] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述溶液储存箱所在的 位置高于恒温水浴箱50~200mm。
[0021] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述加热箱的结构为圆 筒形，加热箱的内径为30~100mm，高度为50~200mm，加热箱底部开孔，孔径为20~90mm; 所述溶液储存箱采用不锈钢制作，其顶部带盖，其底部的两个开口均为直径10~20mm的圆 孔；溶液储存箱的壁厚为1~2mm，内径为30~100mm，高度为50~200mm〇
[0022] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述计量管和储水箱 均采用透明的有机玻璃制作；计量管的壁厚为1~3mm，内径为5~20mm，高度为200~ 500mm;储水箱的壁厚为1~3mm，内径为30~150mm，高度为100~300mm。
[0023] 本发明的金属/水反应制氢收集方法，其步骤为，
[0024] 步骤一、准备反应溶液
[0025] A、连接金属/水反应制氢实验装置，开启数据采集仪、计算机和显示器；
[0026] B、向计量管和储水箱中注水，向溶液储存箱中加入反应溶液，向恒温水浴箱中注 水，将三口锥形瓶放入恒温水浴箱中，并使用固定支架将三口锥形瓶固定；
[0027] C、打开温度控制仪和恒温水浴箱的加热开关，将溶液储存箱中的反应溶液和恒温 水浴箱中的水加热到同一温度；
[0028] 步骤二、制氢反应
[0029] a、称取待反应的金属，并将该金属放置于三口锥形瓶的底部，同时将磁力搅拌器 的磁子放入三口锥形瓶内，然后将三口锥形瓶密封；
[0030] b、在控制箱上设定反应溶液的加入量，然后开启电磁阀向三口锥形瓶中开始加入 反应溶液，三口锥形瓶内开始反应产生氢气；
[0031] c、开启磁力搅拌器的搅拌功能，当反应溶液加入量到达控制箱上的设定值时，电 磁阀自动关闭；
[0032] 步骤三、计量产气量
[0033] I、打开计算机上的数据采集软件，采集2#压力变送器上的压力值；
[0034] II、开始反应后，2#压力变送器测得的压力变化值为AP，计量管中水的液位变化 值为△h，计量管的底面积为s，内径为d，则产气量V根据下列公式计算：
[0036] III、计算机根据上述公式自动